板式塔塔盘设计.doc

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课程设计

姓名：

XX

学号：

XXXXXXXX

学院：

材料科学与工程

专业：

材料科学与工程（腐蚀与防护）

设计题目：

板式塔塔盘设计

指导教师：

XXX

2012年2月29日

25

设计说明书

一、设计题目

根据课程设计工艺计算内容进行板式塔塔盘设计。

二、设计任务书

1、设备的总体设计与结构设计

（1）根据课程设计，确定塔设备的型式；

（2）根据化工工艺计算，确定塔板数目；

（3）根据介质的不同，拟定管口方位；

（4）结构设计，确定材料。

2、设备的机械强度设计计算

（1）确定塔体、封头的强度计算；

（2）各种开孔接管结构的设计，开孔补强的验算；

（3）设备法兰的型式及尺寸选用；管法兰的选型；

（4）裙式支座的设计验算；

（5）水压试验应力校核。

3、完成塔设备装配图

（1）完成塔设备的装配图设计，包括主视图、局部放大图、焊缝节点图、管口方位图等；

（2）编写技术要求、技术特性表、管口表、明细表和标题栏。

三、文献查阅要求

设计说明书中公式、内容等应明确文献出处；装配图上应写明引用标准号。

四、设计成果

1、提交设计说明书、设计报告一份；

2、提交塔设备板式塔装配、零件图等。

目录

一、板式塔塔盘型式及结构 5

1、塔盘的主要部件 5

2、塔盘结构 5

3、塔盘上理想流动情况 5

4、传质的非理想流动情况 5

5、塔内气、液两相异常流动 5

6、常用塔盘的类型 6

二、塔盘的结构参数设计 7

1、筛板塔设计计算 7

（1）塔的有效高度Z 7

（2）塔径 7

（3）溢流装置设计 7

（4）塔盘及其布置 8

（5）筛孔的尺寸和排列 8

（6）塔盘的校核 8

（7）塔盘的负荷性能图——确定塔盘的操作弹性 10

2、浮阀塔的工艺设计 10

（1）实际塔盘数 10

（2）塔径 11

（3）塔盘结构设计 11

（4）浮阀塔盘的流体力学校核 13

三、设计参数与结构简图 16

1、设计参数 16

2、结构简图 16

四、精馏塔的总体设计及结构设计 17

1、确定塔设备的型式 17

2、确定塔板数目 17

3、拟定管口方位 17

4、结构设计 17

（1）零部件材料的选取 17

（2）塔盘结构 18

（3）工艺接管 18

（4）压力容器法兰和接管法兰 18

（5）法兰密封垫片的选取 19

（6）裙座选取 19

（7）人孔设置 19

（8）手孔设置 19

（9）视镜和液位计的选取 19

（10）焊接接头形式和和焊接材料的选取 19

（11）压力容器类别的划分 19

五、强度计算 19

1、塔体壁厚计算 20

2、封头的强度计算 20

3、开孔补强计算 21

4、筒体的稳定性校核 22

5、裙座的轴向稳定性校核 22

6、座圈的压应力校核 22

7、水压试验应力校核 23

参考文献 24

板式塔塔盘设计报告

一、板式塔塔盘型式及结构

1、塔盘的主要部件

a、筛孔（阀孔、升气管）:

提供气体上升的通道；

b、溢流堰:

维持塔盘上一定高度的液层，以保证在塔盘上气液两相有足够的接触面积；

c、降液管:

作为液体从上层塔盘流至下层塔盘的通道。

2、塔盘结构

a、气体通道:

形式很多，如筛板、浮阀、泡罩等，对塔盘性能影响很大;

b、降液管（液体通道）:

液体流通通道，多为弓形;

c、受液盘:

塔盘上接受液体的部分;

d、溢流堰:

使塔盘上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。

3、塔盘上理想流动情况

液体横向均匀流过塔盘，气体从气体通道上升，均匀穿过液层。

气液两相接触传质，达相平衡，分离后，继续流动。

4、传质的非理想流动情况

①反向流动:

液沫夹带、气泡夹带，即：

返混现象

后果:

使已分离的两相又混合，板效率降低，能耗增加;

②不均匀流动:

液面落差（水力坡度）：

引起塔盘上气速不均；

塔壁作用（阻力）：

引起塔盘上液速不均，中间>近壁；

后果：

使塔盘上气液接触不充分，板效率降低。

5、塔内气、液两相异常流动

1）液泛:

如果由于某种原因，使得气、液两相流动不畅，使板上液层迅速积累，以致充满整个空间，破坏塔的正常操作，称此现象为液泛。

①、过量雾沫夹带液泛

原因：

a.气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔盘；

b.气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。

说明：

开始发生液泛时的气速称之为液泛气速。

②、降液管液泛:

当塔内气、液两相流量较大，导致降液管内阻力及塔盘阻力增大时，均会引起降液管液层升高，当降液管内液层高度难以维持塔盘上液相畅通时，降液管内液层迅速上升，以致达到上一层塔板，逐渐充满塔盘空间，即发生液泛。

并称之为降液管液泛。

说明：

两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。

2）严重漏液:

漏液量增大，导致塔板上难以维持正常操作所需的液面，无法操作。

此漏液为严重漏液，称相应的孔流气速为漏液点气速。

6、常用塔盘的类型

塔盘是气液两相接触传质的场所，为提高塔盘性能，采用各种形式塔盘。

1）泡罩塔

组成：

升气管和泡罩

优点：

塔盘操作弹性大，塔效率也比较高，不易堵

缺点：

结构复杂，制造成本高，塔盘阻力大但生产能力不大

2）筛板塔盘

塔盘上开圆孔，孔径：

3-8mm，大孔径筛板：

12-25mm。

3）浮阀塔盘

优点：

浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔盘的操作弹性、降低塔盘的压降，同时具有较高塔盘效率，在生产中得到广泛的应用

缺点：

浮阀易脱落或损坏

浮阀塔具有性能稳定、操作弹性大、塔盘效率高的优点，但是在处理粘稠度较大的物料方面不及泡罩塔，在结构、生产能力、塔盘效率、压力降等方面不及筛板塔。

浮阀塔具有下列特点：

1、处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增大20～40%，接近于筛板塔

2、操作弹性大，一般约为5～9，比筛板塔的操作弹性要大得多

3、塔盘效率高，比泡罩塔高15%左右，与筛板塔接近

4、压降小，在常压塔中每块盘的压降一般为400～660Pa

5、液面落差小

6、使用周期长。

粘度稍大一些的液体也能正常操作

7、结构简单，安装容易，制造费用为泡罩塔盘的60～80%，为筛板塔的120～130%

二、塔盘的结构参数设计

1、筛板塔设计计算

（1）塔的有效高度Z

已知：

实际塔盘数NP；选取塔盘间距HT；有效塔高：

Z=HT·NP；塔体高度：

有效高+顶部+底部+其它;选取塔盘间距HT：

塔盘间距和塔径的经验关系

（2）塔径

确定原则：

防止过量液沫夹带液泛

步骤：

先确定液泛气速μf（m/s）；然后选设计气速μ；最后计算塔径D。

①液泛气速：

C：

气体负荷因子，

与HT、液体表面张力和两相接触状况有关

C20：

液体表面张力为20mN/m时的气体负荷系数

由史密斯关联图查得（右图）

②选取设计气速μ

选取泛点率：

μ/μf；一般液体：

0.6～0.8；易起泡液体：

0.5～0.6

设计气速μ=泛点率×μf

③计算塔径D

所需气体流通截面积A=AT-Af塔截面积塔径或

；说明：

计算塔径需圆整，且重新计算实际气速及泛点率。

（3）溢流装置设计

①溢流型式的选择

依据：

塔径、流量；型式：

单流型、U形流型、双流型、阶梯流型等。

②降液管形式和底隙

降液管：

弓形、圆形。

溢流形式确定堰长lw与D的比值。

单流型：

lw/D=0.6～0.75

降液管截面积：

由Af/AT=0.06～0.12确定；底隙hb：

通常在30～40mm。

③溢流堰（出口堰）

作用：

维持塔盘上一定液层，使液体均匀横向流过。

型式：

平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。

堰长：

堰高：

E：

液流收缩系数，对水溶液E可取1，

堰高hw：

直接影响塔盘上液层厚度；过小，相际传质面积过小；过大，塔盘阻力大，效率低。

常、加压塔：

40～80mm；减压塔：

25mm左右。

堰长lw：

影响液层高度。

或

说明：

通常应使溢流强度Lh/lw不大于100～130m3/（m·h）。

（4）塔盘及其布置

①受液区和降液区，一般两区面积相等；②入口安定区和出口安定区；③边缘区；④有效传质区：

Aa

单流型弓形降液管塔盘：

双流型弓形降液管塔盘：

d0

t

（5）筛孔的尺寸和排列

筛孔面积：

A0有效传质区内，常按正三角形排列。

筛板开孔率：

筛孔直径d0:

3～8mm（一般）；12～5mm（大筛孔）；孔中心距t:

（2.5～5）d0取整。

开孔率φ:

通常为0.08～0.12。

板厚：

碳钢（3～4mm）、不锈钢。

筛孔气速：

，筛孔数：

（6）塔盘的校核

对初步设计的结果进行调整和修正。

①液沫夹带量校核

单位质量（摩尔）气体所夹带的液体质量（摩尔）ev：

kg液体/kg气体或kmol液体/kmol气体；单位时间夹带到上层塔盘的液体质量（摩尔）e：

kg液体/h或kmol液体/h

液沫夹带分率ψ：

夹带的液体流量占横过塔盘液体流量的分数。

故有：

所以

：

质量流量

ev的计算方法：

方法1：

利用Fair关联图求Ψ，进而求出ev。

方法2：

用Hunt经验公式计算ev。

式中Hf为盘上泡沫层高度：

要求：

ev≤0.1kg液体/kg气体。

说明：

超过允许值，可调整塔盘间距或塔径。

②塔盘阻力的计算和校核

塔盘阻力：

清液柱高度表示：

塔盘阻力hf包括以下几部分:

（a）干板阻力h0—气体通过板上孔的阻力（设无液体时）；（b）液层阻力hl—气体通过液层阻力；（c）克服液体表面张力阻力hσ—孔口处表面张力。

说明：

若塔盘阻力过大，可增加开孔率或降低堰高。

③降液管液泛校核

为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度

hd—降液管为克服底隙阻力所需要消耗的液位差

泡沫层高度

泡沫层相对密度：

对不易起泡物系，；易起泡物系，；

要求：

；说明：

若泡沫高度过大，可减小塔盘阻力或增大塔盘间距。

④液体在降液管中停留时间校核

目的：

避免严重的气泡夹带。

停留时间：

；要求：

说明：

停留时间过小，可增加降液管面积或增大塔盘间距。

⑤严重漏液校核

漏液点气速u0´：

发生严重漏液时筛孔气速。

稳定系数：

（a）计算严重漏液时干板阻力h0´：

（b）计算漏液点气速u0´：

；要求：

说明：

如果稳定系数k过小，可减小开孔率或降低堰高。

（7）塔盘的负荷性能图——确定塔盘的操作弹性

①过量液沫夹带线（气相负荷上限线）

规定：

ev=0.1（kg液体/kg气体）为限制条件。

②液相下限线

规定：

；整理出：

③严重漏液线（气相下限线）：

代入相关公式，如hOW、σ、u0’，整理出。

④液相上限线：

保证液体在降液管中有一定的停留时间。

⑤降液管液泛线

2、浮阀塔的工艺设计

（1）实际塔盘数

实际盘数和盘间距，塔高：

式中：

Z1——最上面一块塔盘距塔顶的高度，m；

Z2——最下面一块塔盘距塔底的高度，m。

HT对塔的生产能力、操作弹性以及塔盘效率均有影响。

HT↑，允许的操作气速↑，塔径↓，但塔高↑；HT↓，塔高↓，但允许的操作气速↓，塔径↑。

；

对D>0.8m的塔，为了安装及检修需要，需开设人孔。

；人孔处的盘间距一般不应小于0.6m。

全塔效率的关联式：

塔盘效率是气、液两相的传质速率、混合和流动状况、以及盘间返混（液沫夹带、气泡夹带和漏液等所致）的综合结果。

盘效率是设计重要数据。

工业装置或实验装置的实测数据是板效率最可靠的来源。

全塔效率实测数据的关联式可用于塔盘效率的估算。

奥康内尔（O’connell）关联方法：

采用相对挥发度ɑ与液相粘度μL的乘积为参数来表示全塔效率ET：

；ɑ与μL取塔顶与塔底平均温度下的值。

对多组分物系，取关键组分的ɑ。

液相的平均粘度μL可按右式计算：

（2）塔径

溢流式塔盘的塔截面分为两个部分：

气体流通截面和降液管所占截面（液体下流截面）。

AT：

塔盘总截面积，A’：

气体流道截面积，

Af：

降液管截面积；求A’得与Af/AT后，即可求得AT，而塔径：

1）A’的计算

设适宜气速为u’，当体积流量为Vs时，A’=Vs/u’。

求A’的关键在于确定流通截面积上的适宜气速u’。

塔盘的计算中，通常是以夹带液泛发生的气速（泛点气速）作为上限。

一般取;液泛气速：

在重力场中悬浮于气流中的液滴所受的合力为零时的气速。

当u>ut时，液滴将被气流带出。

对直径为dp的液滴

C取决于dp和ζ。

因气泡破裂形成的液滴的直径和阻力系数都难以确定，故C需由实验确定。

实验研究表明，C值与气、液流量及密度、盘上液滴沉降高度以及液体的表面张力有关。

HT-hL：

液滴沉降高度，HT可根据塔径选取，hL为盘上清液层高度，若忽略盘上液面落差

常压塔hL=50～100mm；减压塔hL=25～30mm。

2）Af/AT的确定

Af/AT：

降液管面积与塔截面积之比，与液体溢流形式有关。

求取方法：

a、按D和液体流量选取溢流形式，由溢流形式

确定堰长lw与D的比值。

单流型：

lw/D=0.6～0.8；

双流型：

lw/D=0.5～0.7；易起泡物系lw/D可高一些，

以保证液体在降液管中的停留时间。

b、由选定的lw/D值查图得Af/AT。

c、由确定的A’与Af/AT求得塔盘面积AT和塔径D，并进行圆整。

（3）塔盘结构设计

1）塔盘布置

鼓泡区：

取决于所需浮阀数与排列；溢流区：

与所选溢流装置类型有关。

进口安定区：

保证进塔盘液体的平稳均匀分布，也防止气体窜入降液管。

Ws’=50～100mm。

出口安定区：

避免降液管大量气泡夹带。

Ws=70～100mm。

边缘区：

塔盘支撑件塔盘连接。

D<2.5m，WC=50mm；D>2.5m，WC≥60mm；D<800mm整块式塔板；D>900mm块式塔盘。

2）溢流装置

溢流装置：

由降液管、溢流堰和受液盘组成。

降液管：

连通塔盘间液体的通道，也是供溢流中所夹带的气体分离的场所。

常见的有弓形、圆形和矩形降液管。

弓形降液管：

有较大容积，能充分利用塔板面积，一般塔径大于800mm的大塔均采用弓形。

降液管的布置确定了液体在塔盘上的流径以及液体的溢流形式。

液体在塔盘上的流径越长，气液接触时间就越长，有利于提高塔盘效率；但是液面落差也随之加大，不利于气体均匀分布，使板效率降低。

溢流形式的选择：

根据塔径及流体流量等条件全面考虑。

D<2.0m单溢流式；D>2.0m双溢流式或阶梯流式

3）单溢流弓形降液管结构尺寸的计算

a、降液管的宽度Wd和截面积Af

计算塔径时已根据溢流形式确定了堰长与塔径的比值lw/D。

由lw/D查图可得Wd/D和Af/AT，D和AT已确定，故降液管的宽度Wd和截面积Af也可求得。

液体在降液管中的停留时间τ为；为降低气泡夹带，τ一般不应小于3～5s，对于高压塔以及易起泡沫的物系，停留时间应更长些。

若计算出的τ过短，不满足要求，则应调整相关的参数，重新计算。

b、出口溢流堰与进口溢流堰

出口堰：

维持板上液层高度，各种形式的降液管均需设置。

出口堰长lw：

弓形降液管的弦长，由液体负荷及溢流形式决定。

单溢流lw=（0.6～0.8）D，双溢流lw=（0.5～0.7）D。

出口堰高hw：

降液管上端高出板面的高度。

堰高hw决定了板上液层的高度hL。

对于平堰：

弗朗西斯（Francis）公式

进口堰：

保证液体均匀进入塔板，也起液封作用。

一般仅在较大塔中设置。

进口堰高一般与降液管底隙高度h0相等。

进口堰与降液管间的水平距离w0≥h0，以保证液体由降液管流出时不致受到大的阻力。

4）降液管底隙高度及受液盘

降液管底隙高度应保证溢流液顺畅并防止沉淀物堵塞（不可太小），但也应防止气体进入降液管（不可太大）。

对于弓形降液管可按下式计算：

式中：

uoL——液体通过降液管底端出口处的流速，m/s。

根据经验一般取uoL=0.07～0.25m/s。

D<800mm，h0=25～30mm；D>800mm，h0=40mm。

最大时可达150mm。

降液管底隙高度及受液盘：

a、受液盘：

承接来自降液管的液体。

b、凹形受液盘：

用于大塔（D>800mm）。

在液体流量低时仍能形成良好的液封，对改变液体流向有缓冲作用，且便于液体的侧线抽出，但不适于易聚合及有悬浮固体的情况。

凹形受液盘深度一般在50mm以上。

5）浮阀的数目与排列

阀孔直径：

由浮阀的型号决定。

浮阀数N：

由气体负荷量Vs决定。

可由下式计算：

式中：

Vs—气体流量，m3/s；uo—阀孔气速，m/s；d0—阀孔直径。

对F1型浮阀，d0=39mm。

阀孔气速uo可根据由实验结果综合的阀孔动能因子F0确定

根据工业设备数据，对F1重型浮阀（约33g），当塔盘上的浮阀刚全开时，F0在8～12之间。

设计时可在此范围内选择适宜的F0后计算uo。

浮阀在塔盘上常按三角形排列，可顺排或叉排。

等腰三角形叉排可使相邻的浮阀容易吹开，鼓泡更均匀。

通常将同一横排的阀孔中心距定为75mm，而相邻两排间的距离可取65、80、100mm等几种规格。

若鼓泡区面积为Aa，则一个阀孔的鼓泡面积Aa/N约为t×t’，故有

对单溢流塔盘Aa可按下式计算：

由t’=75mm及上式计算的Aa值可得t，据此可确定t的实际取值（65、80、100mm）；

根据已确定的孔距（t’与t），按等腰三角形叉排方式作图，确切排出在鼓泡区内可以布置的浮阀总数；

若作图排列与计算所得浮阀数相等或相近，则按作图所得浮阀数重算阀孔气速，然后校核F0（8～12）。

若F0不在该范围内，应重新调整t值，再作图、校核，直到满足要求为止。

塔盘开孔率Φ：

塔盘上阀孔总面积占塔盘总面积的百分数

常压塔或减压塔：

Φ=10～14%；加压塔：

Φ<10%

（4）浮阀塔盘的流体力学校核

1）塔盘压降的校核

气体通过塔盘的压强降对塔盘的操作性能有重要影响，通常也是设计任务规定的指标之一。

塔盘的压降等于干板压降与液层压降之和，即

国内通用的F1型浮阀塔板的hd可按如下经验公式计算：

阀全开前;阀全开后

式中：

uo:

阀孔气速，m/s；uoC:

阀恰好全开时的阀孔气速（临界气速），m/s；ρV、ρL:

分别为塔内气体和液体的密度，kg/m3。

由上两式可得临界孔速uoC的计算式

以上三式是由阀重34g和阀孔直径39mm的重型浮阀测定的数据关联所得。

用于其它重量的浮阀时需进行修正。

液层阻力hl为：

如果算出的板压降hf值超过规定的允许值，应对相关的设计参数进行调整，如增大开孔率f或降低堰高hw，以使hf值下降。

2）液沫夹带的校核

正常操作时的液沫夹带量为：

ev≤0.1kg液体/kg气体。

尚无ev较准确的直接计算式，通常是间接地用泛点率（泛点百分数）Fl作为估算ev大小的依据。

泛点率Fl：

操作时的空塔气速与发生液泛时的空塔气速之比

D>0.9m：

Fl<80%；D<0.9m：

Fl<70%；减压塔：

Fl<75%

经验公式：

Ls,Vs——分别为塔内液、气相流量，m3/s；

ρL、ρV——分别为塔内液、气相密度，kg/m3；ZL——板上液相流程长度m。

单溢流：

ZL=D-2Wd；

Ab——盘上液流面积m2。

单溢流：

Ab=AT-2Af；K——物性系数；CF——泛点负荷因子。

3）溢流液泛的校核

为避免发生溢流液泛，则应保证降液管中泡沫液层的高度不能超过上层塔盘的出口堰，

即必须满足

易起泡物系：

Φ=0.3～0.4；一般物系：

Φ=0.5；不易起泡物系：

Φ=0.6～0.7。

与降液管中泡沫液层高度相当的清液层Hd可由下式计算

上式中hw、how及hf可由前面介绍的公式进行计算。

液面落差Δ在Hd计算式中相对较小，一般可忽略不计（也可根据一些经验式进行计算）。

液体经过降液管的阻力损失hπ，主要由降液管底隙处的局部阻力所造成，可按下面的经验公式计算：

塔盘上设有进口堰时

塔盘上不设进口堰时

式中：

Ls——液体体积流量，m3/s；lw——堰长，亦即降液管底隙长度，m；

h0——降液管底隙高度，m；uoL——液体通过降液管底隙时的流速，m/s。

4）负荷性能图及操作弹性

为一定任务设计的塔盘，在一定气、液相负荷范围内才能实现良好的气、液流动与接触状态，有高的盘效率。

当气、液相负荷超出此范围，不仅塔盘的分离效率大大降低，甚至塔的稳定操作也将难以维持。

有必要对已设计的塔确定出其气、液相操作范围。

a、漏液线（气相负荷下限线）

操作时防止塔盘发生严重漏液现象所允许的最小气体负荷。

塔盘漏液与阀孔气速直接相关，故可用其大小作为判据。

对F1型重阀取阀孔动能因子F0=5时的气体负荷为操作的下限值：

式中，d0、N、V均为已知数，故由此式求出的气体负荷Vs的下限在负荷性能图（Vs-Ls图）中为一水平线。

b、过量液沫夹带线（气相负荷上限线）

控制液沫夹带量ev不大于最大允许值的气体负荷上限。

将与ev=0.1（kg液体/kg气体）相对应的泛点率Fl（如D>0.8m的大塔，取Fl=70%）

代入下式后所得的Vs-Ls关系式作图而得。

此线与横轴并不完全平行，可见发生液沫夹带现象与液相负荷Ls也有一定关系，但主要取决于气体负荷。

c、液相负荷下限线

此线为保证塔盘上液体流动时能均匀分布所需的最小液量。

对平顶直堰，取how=6mm作为液相负荷下限的标准。

d、液相负荷上限线

也称气泡夹带线，由液体在降液管中所需的最小停留时间决定

不易起泡的物系：

3s，易起泡物系：

5s。

为一垂直线。

e、溢流液泛线

降液管中泡沫层高度达最大允许值时的气量与液量的关系

由上述5条线所包围的区域即一定物系在一定的结构尺寸的塔盘上的正常操作区。

在此区域内，气、液两相流率的变化对塔盘效率的影响不大。

塔盘的设计点及操作点都必须在正常操作区内，才能获得较高的塔板效率。

对于一定气液比的操作过程，Vs-Ls为一定值，故塔盘的操作线在图上为以Vs-Ls为斜率过原点0的直线。

f、操作弹性

塔盘的操作弹性：

上、下操作极限点的气体流量之比。

对一定结构尺寸的塔盘，采用不同气液比时控制塔的操作弹性与生产能力的因素均可能不同。

塔盘的设计点应落在负荷性能图的适中位置，使塔具有相当的抗负荷波动的能力，保证塔的良好稳定操作。

塔盘的负荷性能图可