1.4  塔板效率和实际塔板数

1.4.1  塔板效率

在实际塔板上，气液两相并未达到平衡，这种气液两相间传质的不完善程度用塔板效率来表示，在设计计算中多采用总板效率求出实际塔板数。总板效率定得是否合理，对设计的塔在建成后能否满足生产的要求有重要的意义。而总板效率与物系物性、塔板结构和操作条件密切相关。由于影响的因素多而复杂，很难找到各种因素之间的定量关系。一般可采用下面的方法来确定总板效率。

①从条件相同的生产装置或中试装置中取得经验数据，这种数据最为可靠。

②采用O’connell（奥克勒尔）法将总板效率对进料液体粘度与关键组分相对挥发度的乘积进行关联，得到图1-2所示的曲线。

该曲线也可用下式表达，即

                              (1-16)

式中  E_T——总板效率；

α——塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度；

——进料液在塔顶和塔底平均温度下的粘度，mPa·s。

混合物的粘度值有的可从手册中查出，如手册中缺乏时，可按下式估算

           （1-17）                                         

式中  x_i——进料中组分i的摩尔分数；            

、 ——塔顶和塔底平均温度下液态组分i的粘度，mPa·s。

应当指出，图1-2和式（1-16）是对泡罩塔或筛板塔的几十个工业塔进行试验而得到的结果，对浮阀塔也可参照使用。其适用于 =0.1～7.5，板上液流长度≤1m的塔。

1.4.2  实际塔板数

设塔釜为一块理论板，则塔内实际塔板数为

                             (1-18)

式中  N——塔内实际塔板数；

N_T——理论塔板数；

E_T——总板效率。

1.5  板式精馏塔的结构设计

精馏过程是借助于塔设备来实现气液相间的质量传递的。精馏操作既可采用板式塔，，也可采用填料塔。填料塔的设计已经在第三章中作了详细介绍，本章只介绍板式塔的设计。

塔设备除了应满足特定的化工工艺条件（如温度、压力及耐腐蚀等）外，为了适应工业生产的需要还应达到下列要求：

①生产能力大，即单位塔截面积的处理量大；

②操作稳定，弹性大，即气液负荷有较大波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作，并能保持长期连续运转；

③分离效率高，即气液有充分的接触面积和接触时间，达到规定分离要求的塔高要低；

④流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，以达到节能和降低操作费用的目的；

⑤结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。

实际上，任何塔设备要满足上述所有要求是困难的，因此，只能从生产需要及经济合理的要求出发，抓住主要矛盾进行设计。

1.5.1  塔板的布置及主要参数

在板式塔中，塔内装有一定数量的塔板，气体自塔底向上以鼓泡喷射的形式穿过塔板上的液层，使两相密切接触，进行传质。两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。塔板是气液接触的元件，也是气液分离的场所。塔板上通常划分为鼓泡区，溢流区，安定区和边缘区等4个区域，如图1-3所示。

板式塔种类多，根据塔板上气液接触元件的不同，可分为筛板塔、舌形塔、穿流多孔塔板、浮动喷射塔等多种。随着石油、化学工业的迅速发展，又开发使用了一些新型塔板，如斜孔塔板、S型板、导向筛板、网孔筛板、大孔筛板、浮阀-筛板复合塔板、旋流塔板、旋叶塔板、角钢塔板等。目前精馏过程常用的板式塔为浮阀塔、筛板塔和泡罩塔，前两者使用尤为广泛，因此，本节只讨论浮阀塔和筛板塔的设计。

1.5.2.1  筛板塔的特性

筛板塔是最早使用的板式塔之一，它的主要优点有：

①结构简单，易于加工，造价为泡罩塔的60%左右，为浮阀塔的80%左右；

②在相同条件下，生产能力比泡罩塔大20%～40%；

③塔板效率较高，比泡罩塔高15%左右，但稍低于浮阀塔；

④气体压力降较小，每板压力降比泡罩塔约低30%左右。

筛板塔的缺点是：

①小孔筛板易堵塞，不适宜处理脏的、粘性大的和带固体粒子的料液；

②操作弹性较小（约2～3）。

1.5.2.2  浮阀塔的特性

浮阀塔兼有泡罩塔和筛板塔的优点，目前已成为国内应用最广泛的塔型。大型浮阀塔的塔径可达10m，塔高达83m，塔板数多达数百块。其主要优点为：

①在相同的条件下，生产能力与筛板塔接近；

②塔板效率比泡罩塔高15%左右；

③操作弹性大，一般为5～9；

④气体压力降小，在常压塔中每块板的压力降一般为400～666Pa；

⑤液面落差小；

⑥不易积垢堵塞，操作周期长；

⑦结构比较简单，安装容易，制造费用仅为泡罩塔的60%～80%（但为筛板塔的120%～130%）。

表1-1 F₁型浮阀基本参数

F1型浮阀分轻阀（代表符号Q）和重阀（代表符号Z）两种。一般重阀应用较多，轻阀泄漏量较大，只有在要求塔板压降小的时候（如减压蒸馏）才采用

虽然浮阀塔具有很多优点，但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、塔板效率、压力降等方面不及筛板塔。

1.5.2.3  整块式和分块式塔板

从装配特点来分，塔板有整块式和分块式两种。当塔径小于900mm时采用整块式塔板；当塔径大于800mm时，由于人能在塔内进行装拆，可采用分块式塔板；塔径为800~900mm时，可根据制造和安装的具体情况任意选用上述两种结构。

整块式塔板分为定距管式和重叠式两类。定距管式塔板结构如图1-5所示，一个塔节中安装若干塔板，用拉杆和定距管将塔板紧固在塔节内的支座上。定距管起着支承塔板和保持塔板间距的作用。塔板与塔壁间的缝隙，以软填料密封后，用压块及压圈压紧。

塔节的长度取决于塔径和板间距。当塔径为300~500mm时，只能伸入手臂安装，塔节长度以800~1000mm为宜；塔径为500~800mm时，人勉强可以进入塔内安装，塔节不宜超过2000~2500mm；塔径大于800mm时，由于受拉杆长度的限制，为避免发生安装困难，塔节长度不宜超过2500~3000mm。

重叠式塔板是在每一塔节下面焊一组支乘，底层塔板安置在支承上，然后依次装入上一层塔板，板间距由焊在塔板下的支柱保证，并用调节螺丝调节水平。塔板与塔壁间隙的密封形式与定距管式塔板相同。

整块式塔板的结构有两种，一种是角焊结构，一种是翻边结构。角焊结构如图1-6中的（a）、(b)所示，此结构是将塔板圈角焊在塔板上。这种结构的塔板制造方便，但要采取措施，以减少因焊接变形而引起的不平。翻边结构如图1-6中的(c)、(d)所示，此结构是塔板圈直接由塔板翻边而成，当直边较短或制造条件许可时，可整体冲压[图1-6（c）]；否则可另作一个塔板圈与塔板对接[图1-6（d）]。塔板圈的高度一般可取70mm，但不得低于溢流堰的高度。塔板圈外缘与塔体内壁的间隙一般为10~12mm。填料支承圈用φ8~10mm的圆钢弯成，其焊接位置随填料圈数而定，一般为30~40mm。

⑵ 分块式塔板

在直径较大的板式塔中，为了便于安装和检修，可将塔板分成数块，通过人孔送入塔内，装在焊于塔体内壁的塔板支承件上。分块式塔板的塔身为焊制整体圆筒，不分塔节。在分块式塔板中，根据塔径的不同，又有单流塔板和双流塔板之分，本章主要介绍单流塔板。
                  图1-7为单流分块式塔板装置图。

为了便于了解塔板结构，在主视图上，上层画有塔板，下层未画塔板，只画出塔板固定件。俯视图上作了局部拆卸剖视，把后右四分之一的塔板拆掉了，以便显露出塔板下面的塔板固定件。塔板分成数块，靠近塔壁的两块是弓形板，其余是矩形板。塔板块数的划分与塔径大小有关，一般按表1-2选取。不论塔板分为多少块，为了在塔内进行清洗和检修时便于人能进入各层塔板，应在塔板接近中央处设置一块通道板。

表1-2  塔板块数的划分

塔板安放在焊接的塔壁上的支承圈上。支承圈大多用扁钢煨制或将钢板切成圆弧焊成，有时也可用角钢煨制而成。塔板与支承圈的连接一般用卡子，卡子由上下卡（包括卡板和螺栓）、椭圆垫片及螺母等零件组成，其典型结构如图1-8所示，这种结构都是上可拆的。

上述塔板连接的紧固构件加工量大，装拆麻烦，且螺栓需用耐腐蚀材料。而楔形紧固件的结构简单，装拆方便，不用特殊材料，故成本低。其结构如图1-9所示，图中龙门板不用焊接的结构，有时也可将龙门板直接焊接在塔板上。

分块式塔板间的连接，根据人孔位置及检修的要求，分为上可拆连接和上下均可拆连接两种。常用的紧固件是螺栓和椭圆垫板。

上下均可拆连接结构如图1-10所示，从上或下松开螺母并将椭圆垫板转到虚线位置后，塔板就可自由取开。上可拆连接结构如图1-11所示。

1.5.3  塔板结构参数的确定

1.5.3.1  板间距

塔板间距不仅影响塔高，而且影响塔的生产能力、操作弹性和板效率。板间距取大些，能允许较大的空塔气速，对一定的生产任务，塔径可小些，但塔高要增加；反之，塔径大些，塔高则可小些。气液负荷和塔径一定，增加板间距可减少雾沫夹带并提高操作弹性，但塔高的增加，会增加金属消耗量，增加塔基、支座等的负荷，从而增加全塔的造价。板间距与塔径之间的关系，应通过流体力学验算，权衡经济效益，反复调整，作出{zj0}选择。表1-3所列的推荐值供初选板间距时参考。

表1-3  板间距与塔径的关系

在决定板间距时，还应考虑安装、检修的需要。在塔体开人孔处，必须保证有足够的工作空间，该处的板间距不能小于600mm。

1.5.3.2  塔径

塔径的计算方法有两类：一类是根据适宜的空塔气速，求出塔径；另一类是先确定适宜的孔速，定出每块塔板上所需孔数，进行孔的排列后得到塔径。现仅介绍前一类方法。后一类方法可参考文献。

依据流量公式可计算塔径，即：

                                                                                   (1-19)

式中： D—塔径，m；

            V—气相流量，m³/s；

            u—适宜空塔气速，m/s。

计算塔径的关键在于确定适宜的空塔气速。一般适宜的空塔气速为{zd0}允许气速的0.6~0.8倍，即 u=(0.6~0.8)u_max 　　　           　            (1-20)

　　 　　　　　　　　　     　　(1-21)

式中： u_max—{zd0}允许气速，m/s；

            ρ_V、ρ_L—气、液相密度，kg/m³。

影响负荷系数值的因素较多，也很复杂，对于筛板塔和浮阀塔可用图1-12来确定。

图1-12是按液体表面张力σ=20mN/m的物系绘制的，若所处理物系的表面张力为其它值，则需按式（1-22）校正查出的负荷系数，即：

                     　　　　　  （1-22）

式中  C₂₀──由图1-12查出的物系表面张力为20mN／m的负荷系数，m／s；

──操作物系的液体表面张力，mN／m；

C──操作物系的负荷系数，m／s。

为了便于在计算机上进行运算，图1-12可用下述回归式表示

           （1-23）

式中  H──板间无液空间， H＝H_T－h_L，m；

H_T──板间距，m；

h_L──清液层的高度，m；

L_V──参数， ；

V──气相流量，m³/s；

L──液相流量，m³/s；

──气、液相密度，kg/m³。

应当指出，如此算出的塔径只是初估值，除需根据塔径标准予以圆整外，还要根据流体力学原则进行核算。为简便起见，可先验算雾沫夹带量e_v，有必要时在此先对塔径进行调整。当液量较大时，宜先用式（1-24）检查液体在降液管中的停留时间τ，如不符合要求且难以加大板间距H_T时，也可在此先作塔径的调整。当精馏塔的精馏段和提馏段上升气量差别较大时，两段的塔径应分别计算。精馏段按塔顶{dy}块板上的物料的有关物理参数计算，提馏段按塔釜中物料的有关物理参数计算。

1.5.3.3  板上流体流程

有降液管的板式塔，降液管的布置，规定了板上液体的流动途径。一般有如图1-13所示几种液流形式。

② 折流型（U形）。只在小塔和气液比很小时才采用。

③ 双流型。当塔的直径较大，或液相的负荷较大时，易采用双流型。

④ 其他流型。当塔径及液量均特别大，双流型也不适合，可以采用四流型或阶梯流型。

初选塔板液流型时，根据塔径和液相负荷的大小，参考表1-4预选塔板流动形式。

表1-4板上液流形式与液流负荷的关系