3.6　塔和塔板主要工艺尺寸设计

板式塔的结构种类繁多，但其设计步骤却大致相同。设计内容主要包括：塔高、塔径等工艺尺寸，塔板的设计与选型，溢流装置的设计，塔板布置，升气道的设计及排列，进行流体力学性能校核，绘制塔板的负荷性能图，根据负荷性能图，对设计进行分析，如不符合要求则必须调整修改某些结果参数，重复上述步骤，直到满意为止。

下面以筛板塔为例，介绍板式塔的工艺计算过程。

3.6.1　塔高和塔径的计算

（1）塔的有效高度计算

根据给定的分离任务，求出理论塔板数及总板效率以后，可按照下式计算塔的有效高度，塔的有效高度是指安装塔板部分的高度。

　　 （3-48） 　　

式中　Z——有效高度，m；

HT——塔板高度，m。

（2）塔板间距

塔板间距直接影响塔的有效高度。采用较大的塔板间距，意味着塔高增加，但可使塔的操作气速提高，塔径减小。相反地，采用较小的塔板间距，意味着塔高降低，塔的操作气速要降低，塔径增大。对于板数较多的精馏塔，通常采用较小的板间距，适当地增大塔径以降低塔高。设计中应当根据实际情况，权衡经济因素，选择适当的板间距。板间距的选取应按系列标准选取，表3-3列出了板间距选择的经验数值，可供设计时参考。常用的板间距有300mm、350mm、450mm、500mm、600mm、800mm等。

【设计分析3】塔板间距的选择。

塔板的间距决定了整个精馏塔的高度，因此，希望塔板间距尽可能小一些。最小的板间距受两个条件限制：

①要避免发生液泛。即板间距要大于保证液体从上一块塔板顺利地流到下一块塔板的最小间距。由回流液通过溢流斗的流动阻力来计算。

②要保证无雾沫夹带。在塔板上，蒸气通过筛孔，经过液层鼓泡而上升，筛板上的传质区域基本上由以下几个部分组成：紧贴筛板为静液层，它很薄；而后为鼓泡层；其上为蜂窝状结构的泡沫层。由于泡沫的破裂并受蒸气的喷射作用，其中还夹带着飞溅的液滴，这就形成了雾沫层。如果蒸汽夹带着液滴上升到上一块塔板，即形成雾沫夹带。为了保证精馏工况的正常进行，保证无雾沫夹带的最小塔板间距应该是塔板泡沫层高度再加上汽液分离空间。

一般情况下，当提馏段的空塔速度Wn≤0.1m/s时，精馏段的空塔速度Wn≤0.3m/s时，分离空间为15～20mm。实际的板间距应大于不发生液泛的板间距，又要大于无雾沫夹带的板间距。

除此之外，还应该考虑操作弹性，通常以设计负荷±20％进行校核。为了制造方便，一个精馏塔的板间距应统一且规格化。适当的增大塔板间距也可以提高操作弹性。

安装及检修也是需要考虑的。例如，在塔体人孔处，板间距应不小于600mm，以便有足够的工作空间。

所以，选择塔板间距时，主要考虑以下因素：雾沫夹带、物料的起泡性、操作弹性、安装与检修的要求和塔径。

（3）塔径

依据流量公式可初步计算塔径，即

　　 （3-49） 　　

式中　D——塔径，m；

Vs——塔内汽相体积流量，m3/h；

u——空塔气速，m/s。

由式（3-49）可知，计算塔径的关键在于确定适当的空塔气速。

一般按照防止出现过量的液沫夹带或液泛的原则来确定空塔气速的上限值，用umax表示。空塔气速的下限值由漏液气速确定，适宜的空塔气速应当介于二者之间。一般情况下，空塔气速按下式取值：

u=（0.6～0.8）umax　　（3-50）

空塔气速的上限值umax可根据悬浮液滴沉降原理推导而得，其结果为：

　　 （3-51） 　　

式中　C——气体负荷因子；

ρL——液相密度，kg/m3；

ρV——汽相密度，kg/m3。

气体负荷因子与汽相及液相的流量，汽相与液相的密度以及液相的表面张力等因素有关。R.B.Smith等人收集了若干类型板式塔的数据，整理成气体负荷因子与诸多影响因素之间的关系曲线，如图3-18所示。

图3-18中的横坐标称为液汽动能参数，为无量纲量，反映了液汽两相的密度与流量对气体负荷因子的影响；HT-hL反映了液滴沉降空间高度对气体负荷因子的影响。显然，HT-hL越大，C值越大，这是因为随着分离空间的加大，雾沫夹带量减少，允许的最大空塔气速就越大。

设计时，板上液层高度hL由设计者首先决定，对于常压塔一般取0.05～0.1m，对于减压塔一般取0.025～0.03m。

图3-18中的曲线是按液体表面张力σ=20mN/m的物系绘制的，若所处理的物系表面张力为其他值，则需要按下式校正查出的负荷因子，即：

　　 （3-52） 　　

式中，C20表示物系表面张力为σ=20mN/m的负荷因子，由图3-18查出；σ表示操作物系液体的表面张力。

将求得的空塔气速u代入式（3-46）便可计算出塔径，仍需要根据板式塔直径系列标准进行圆整。最常用的标准塔径包括：0.6m、0.7m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m、1.6m、1.8m、2.0m、2.2m…4.2m。

以上计算出的塔径只是初值，以后还要根据流体力学原则进行核算。

【设计分析4】塔径确定的注意事项。

①由于精馏段与提馏段的汽液负荷与物性不同，所以两段中的汽速及塔径也可能不同，塔径应当分别计算，若所得结果差别不大，可采用相同塔径，取较大者作为塔径；反之，如果相差较大，应采用变塔径，中间设变径段。

②要首先选定参数：板间距、板上液层高度。

3.6.2　溢流装置造型及设计

溢流装置包括溢流堰、降液管和受液盘等几部分，其结构和尺寸对塔的性能有着重要影响。

（1）溢流方式与降液管布置

液体自上层塔板溢流至下层塔板的流动方式极大地影响着塔板上汽液相接触的传质过程，而溢流方式是由溢流堰及降液管的结构所决定的。降液管是塔板间液体下降的通道，同时也是下降液体中所夹杂的气体得以分离的场所。通常，降液管有圆形和弓形两种结构。圆形降液管制造方便，但是流通截面积较小，一般只适用于塔径较小的情况。弓形降液管的流通截面积较大，适用于直径较大的塔。

降液管的布置形式决定了塔板上液体的流动形态。常用的降液管布置形式主要有单溢流形、双溢流型、阶梯双溢流型以及U形溢流等，如图3-19所示。

单溢流形［图3-19（b）］是最为常见的一种流动形态，液体自受液盘横向流过整个塔板至溢流堰。液体流经的距离长，塔板效率高，塔板结构简单，特别适用于塔径小于2.2m以下的精馏塔。

双溢流型［图3-19（c）］通常应用于塔径大于2m的精馏塔中，上层塔板的液体分别经左右两侧的降液管流至塔板，然后横向流过半个塔板进入中部降液管。这种溢流形式可有效减小液面落差，但是塔板利用率较低、结构复杂。

阶梯双溢流型［图3-19（d）］塔板目的在于减小液面落差而不缩短液体路径，每个阶梯均设有溢流堰，这种塔板结构最为复杂，适用于塔径很大、液流量很大的状况。

U形溢流［图3-19（a）］结构塔板是将弓形降液管隔成两半，一半作为受液盘，另一半作为降液管，迫使流经塔板的液体做U形流动。该种流型液体流经路径较长，塔板利用率较高，但液面落差较大，适用于小塔径或液体流量较小的操作状况。

众所周知，液体在塔板上流经的路径越长，汽液相接触传质进行得越充分，但液面落差加大，容易造成气体分布不均的状况，使塔板效率降低。如何选择塔板上的液体溢流形态，应综合考虑塔径大小、液体流量等因素。表3-4列出了液体负荷与溢流形态及塔径的经验关系，可供设计时参考。

【设计分析5】当塔径及液体流量较大时，选用双溢流或阶梯流；而液体流量较小选用U形溢流。

（2）溢流堰

溢流堰又叫出口堰，它的作用是维持塔板上有一定的液层高度，并使液体均匀流动。在设计溢流堰时，若增加溢流堰的高度，塔板上的液层高度则相应增加，这样可以增大汽液接触传质的时间，但是流体的阻力降增大。通常情况下，对于加压操作的塔，溢流堰高度可适当取大些，而对于减压操作的塔，溢流堰高度取值可适当降低。塔板上液层高度的推荐值范围通常为50～100mm，板上液层高度为堰高hw与堰上液层高度how之和。溢流堰高度取值通常为35～75mm。

单位堰长上的液体体积流量称为堰上液流强度，通常情况下，堰上液流强度为20～40m3/（h·m）时，操作情况良好，堰上液流强度不宜超过100～130m3/（h·m），如果堰上液流强度高于110m3/（h·m），此时可考虑采用多溢流塔板。

下面以弓形降液管为例，介绍溢流装置的设计方法。溢流堰设计参数包括堰高、堰长、降液管截面积等，如图3-20所示。

当降液管截面积与塔截面积之比（Af/AT）选定以后，堰长与塔径之比（lw/D）可以由几何关系确定。对于常用的降液管：

单溢流堰长取值：lw=（0.6-0.8）D　　　　（3-53）

双溢流堰长取值：lw=（0.5-0.6）D　　　　（3-54）

堰长一旦确定，降液管宽度和面积可按图3-21计算。

对于双溢流或多溢流降液管，其宽度一般取200～300mm，其面积可按矩形计算。

在降液管设计过程中，液体在降液管中的停留时间一般不得小于3～5s，停留时间可按式（3-55）计算：

　　 （3-55） 　　

堰上液层高度可按式（3-56）计算：

　　 （3-56） 　　

式中，E、Lh分别表示液体收缩系数（通常取E为1，也可查相关资料）和液体流量。

堰上液层高度对塔板的操作性能有很大影响，若堰上液层高度过小，会引起液体横过塔板流动不均，降低塔板效率，故在设计时一般应大于6mm。若堰上液层高度过大，则会增加流体压降及液沫夹带量，其值通常不宜大于60～70mm，超过该值应采用双溢流。

求出how以后，即可按下式范围确定堰高hw：

0.1-how≥hw≥0.05-how　　（3-57）

（3）受液盘和底隙高度

塔板上接受上层塔板流下液体的区域称为受液盘，如图3-22所示。

受液盘有两种形式：平形受液盘和凹形受液盘。塔盘采用平形受液盘时，通常需要在液流入口端设置入口堰，以保证降液管的液封，同时迫使液体均匀流入下层塔盘。入口堰高度可按下述原则考虑：通常情况下，出口堰高度hw大于降液管底隙高度ho，此时取=hw；对于个别情况，当hw<ho，应取>ho。从而保证液体从降液管流出时不致受到太大的阻力。

采用凹形受液盘时，则不必设置入口堰，它既可在低流量时形成良好的液封，又可以改变液体流向，起到缓冲和均匀分布液体的作用，但结构稍复杂。

底隙高度ho是指降液管下端与受液盘之间的距离。为了减小液体流动助力并考虑液体夹带悬浮颗粒通过底隙时不致造成堵塞，所以底隙高度ho一般不易小于20～25mm。但是，若底隙高度ho过大，又不易形成液封。一般可按下式计算底隙高度ho，即

　　 （3-58） 　　

式中　——表示液体流过底隙时的流速，一般介于0.07～0.25m/s。

同时要求，底隙高度ho应低于出口堰高度hw，这样可保证降液管底端有良好的液封，一般应低于6mm，即

ho=hw-6mm　　（3-59）

【设计分析6】对于直径较小或处理易聚合、含有固体杂质的物系时，宜采用平形受液盘；对直径较大的塔或有侧线抽出时，宜采用凹形受液盘。

3.6.3　塔板布置

塔板有分块式与整块式两种。对于直径小于0.8～0.9m的塔，宜采用整块式塔板；对于直径较大的塔，特别是当直径大于1.2m时，宜采用分块式塔板，以满足刚性要求。

塔板的厚度设计，首先应当考虑塔板的刚性及介质的腐蚀情况，其次再考虑经济性能。对于碳钢材料，通常取塔板厚度为3～4mm，对于耐腐蚀材料可适当减小塔板厚度。

塔板面积，依据所起的作用不同，可分为四个区域，如图3-23所示。

①开孔鼓泡区　开孔鼓泡区为图3-23中虚线以内的区域，是塔板上的开孔区域，用来布置筛板、浮阀等部件的有效传质区域。

②溢流区　溢流区为受液盘和降液管所占的区域，两者的面积通常相等。

③安定区　开孔鼓泡区与溢流区之间的不开孔区域称为安定区，以避免含有气泡的大量液体进入降液管而造成液泛。通常情况下，安定区的宽度可取50～100mm。

④无效区（边缘区）塔板上在靠近塔壁的部分，应留出一圈边缘区，供塔板安装之用，又称为无效区。其宽度视需要而定，小塔为30～50mm，大塔可达50～75mm。为防止液体经边缘区域流过而影响汽液传质，可在塔板上沿塔壁设置旁流挡板。

3.6.4　筛孔的计算及排列

（1）筛孔直径

筛孔直径是塔板结构的一个重要参数，是影响汽相分散及汽液相接触的重要工艺尺寸。随着孔径的增大，漏液量和雾沫夹带量都会相应增加，操作弹性减小。大孔径塔板不易堵塞，加工方便，费用降低。若孔径太小，则加工制造困难，易堵塞。通常情况下，对于碳钢的塔板厚度取为3～4mm，合金钢塔板厚度取为2～2.5mm。筛孔的加工一般采用冲压法，对于碳钢塔板，孔径不应小于塔板厚度；对于合金钢塔板，孔径应不小于1.5～2倍的板厚。近年来随着操作经验的积累和设计水平的提高，有些塔板采用大孔径设计，孔径尺寸大于10mm，这种孔径尺寸的塔板加工方便，且不易堵塞，只要设计合理，操作得当，同样可获得满意的分离效果。

（2）孔心距

相邻两筛孔中心的距离称为孔心距。孔心距对塔板效率的影响要大于孔径对塔板效率的影响。一般情况下，通常采用2.5～5倍直径的孔心距。若孔心距过小，上升的气体则相互干扰，影响塔板效率；反之，孔心距过大则易造成发泡不均，同样影响分离效果。设计孔心距时可按所需要的开孔面积来计算孔心距。通常情况下，尽可能将孔心距保持在3～4倍的孔径范围内。

（3）筛孔的排列与开孔率

筛孔一般采用正三角形排列。此时，筛孔的数目n可按下式计算，即

　　 （3-60） 　　

式中　Aa——开孔区面积，m2；

t——孔心距，m。

筛孔面积与开孔区面积之比称为开孔率。若开孔率过大，则易漏液，操作弹性减小；若开孔率过小，塔板阻力加大，则雾沫夹带增加，易发生液泛。通常情况下，开孔率取值为5％～15％。在确定开孔率时，往往需要多次试算孔径及孔心距。开孔率可按式（3-61）计算，即

　　 （3-61） 　　

式中　Ao——筛孔面积，m2；

do——筛孔直径，m。

开孔区面积Aa，对于单溢流型塔板可用式（3-62）计算，即

　　 （3-62） 　　

式中　Wd——降液管宽度，m；

Ws——安定区宽度，m；

Wc——边缘区宽度，m。

【设计分析7】常压塔或减压塔中开孔率一般为10％～15％；加压塔较小，为6％～9％，有时低至3％～4％。

通过上述方法求得筛孔直径、筛孔数目、孔心距以及开孔率等参数以后，还需要进行流体力学验证，检验是否合理，若不合理需要进行适当调整。

3.6.5　塔板流体力学验算

流体力学验证的目的在于检验初步设计出的塔径及各项工艺尺寸是否合理，塔能否正常运行，检验过程中若发现有不合适的地方，应对有关结构参数进行调整，直至得到满意的结果。流体力学验证内容包括以下几项：塔板阻力降、漏液、液沫夹带、液泛、最大操作液量及最小操作液量等。

（1）塔板阻力降

气体通过塔板的阻力降是塔板的重要水力学参数之一，塔板阻力降直接影响到塔底的操作压力，同时也影响到汽液平衡关系。若阻力降过大，对液泛的出现有直接影响。分析塔板阻力降参数对于了解与掌握塔板的操作状况有帮助。气体通过塔板的阻力降主要由两个方面决定，一是气体通过塔板筛孔及其他各种通道所需要克服的阻力；二是气体通过塔板上液层时所需要克服的液层的静压力。

气体通过每层塔板的阻力降公式为：

hP=hC+hL　　　　　　（3-63）

式中　hP——气体通过每层塔板的阻力，m液柱；

hC——气体通过筛孔及其他通道的阻力（干板阻力），m液柱；

hL——气体通过板上液层所需要克服的阻力，m液柱。

气体通过塔板时的阻力降通常都是利用半经验公式计算，塔结构类型不同，所采用的公式也不尽相同，但来源依据均为流体力学原理，对于筛板塔其阻力降计算公式如下。

通常，当筛板的开孔率为5％～15％时，干板阻力降可用下式计算，即

　　 （3-64） 　　

式中　uo——气体通过筛孔的气速，m/s；

Co——孔流系数；

ρV——气相密度，m3/h；

ρL——液相密度，m3/h。

干板孔的孔流系数见图3-24。

气体通过板上液层的阻力降与板上液层高度以及液体中的气泡状况等众多因素有关，其计算方法很多，设计中通常利用式（3-65）估算，即

hL=β（hw+how）　　　　　　（3-65）

式中　β——板上液层充气系数（根据气体的能动因子由图3-25查得，通常取0.5～0.6，其中ua表示通过有效传质区的气速，即气体体积流量除以工作面面积之商）；

hw——堰高，m；

how——堰上液层高度，m。

（2）漏液

筛板塔内气体的上升通过塔板上的开孔，正常操作情况下，气体通过筛孔的阻力降与液体克服筛孔处表面张力所需要的压力之和足以和液层静压力相抵，不致发生严重的漏液现象。但是，当气体通过开孔的流速较小，气体的动能不足以阻止板上液层静压时，便会发生漏液现象。当漏液量所占液流量的比率小于10％时，筛板塔仍能正常操作，此时所对应的气速称为漏液点气速，它是塔板气速操作的下限。漏液量与气体通过筛孔的能动因子有关，依据经验，漏液量所占液流量比率为10％时，气体通过筛孔的能动因子为取值为8～10。参考资料显示，也有其他方法计算操作气速的下限。

为了使筛板塔具有足够的操作弹性，应保持一定范围的稳定性系数K，即

　　 （3-66） 　　

式中　uo——筛孔气速，m/s；

uow——漏液点气速，m/s；

K——适宜范围为1.5～2。

【设计分析8】若稳定性系数偏低，可以适当减小塔板开孔率或降低溢流堰高度。

（3）液沫夹带

液沫夹带是指气流穿过塔板上液层时夹带雾滴进入上层塔板的现象，造成液相在塔板间的返混，影响分离效率。为了保证塔板效率基本稳定，通常将液沫夹带量限制在一定范围内，设计中规定液沫夹带量ev<0.1kg液体/kg气体。

计算液沫夹带量的方法有多种，设计中通常采用亨特经验关联图，如图3-26所示。

图中曲线可回归成下列公式，即

　　 （3-67） 　　

式中　ev——液沫夹带量，kg液体/kg气体；

σL——液体表面张力，mN/m；

HT——板间距，m；

hf——板上鼓泡层高度（根据设计经验，一般取hf=2.5hL），m。

（4）液泛

为了防止液泛发生，降液管内液层高度Hd应服从下式所示关系，即

Hd≤hw+how+hd+hp　　（3-68）

式中　Hd——降液管液面的高度，m；

hd——液体在降液管出口的阻力，m液柱。

其中，降液管出口阻力hd可按下式计算，即

　　 （3-69） 　　

式中，ho为降液管底隙。为了避免液泛，降液管中液面高度不得超过0.4～0.6倍的（HT+hW），即

Hd≤（0.4～0.6）（HT+hW）　　（3-70）

3.6.6　塔板负荷性能图

对于一个特定的筛板塔，应当有一个适宜的操作区域，该区域综合地反映了塔板的操作性能。在负荷性能图中，可绘出若干种临界操作状况时出现的气、液流量关系曲线，在这些临界曲线范围之内，操作才能正常进行。

各临界曲线的求取方法如下。

①漏液线　按式（3-66）计算漏液点气速并作漏液线。

②液沫夹带线　按式（3-67）取泛点率为65％～82％时，作液沫夹带线。

③液泛线　按式（3-70）作液泛线。

④最大操作液量线　为了使降液管中液面气泡能够脱除，液体在降液管中的停留时间不得小于3～5s，即

　　 （3-71） 　　

可按此式作最大操作液量线。

⑤最小操作液量线　可按式（3～72）计算最小操作液量线，即

　　 （3-72） 　　

⑥塔的操作弹性　按照固定的液汽比，如图3-27所示，操作线A与界限曲线交点的气相最大负荷Vmax与气相允许的最低负荷Vmin之比，称为操作弹性，即

　　 （3-73） 　　

对于图3-27，这是一个设计合理的负荷性能图，图中阴影部分为适宜的操作区域。

在负荷性能图中，被曲线所包围的区域是设计的塔板分离给定物系的适宜操作范围，其区域越大，则适宜范围越大。只要设计点落在适宜操作范围内，塔板即可正常运行。但是，通常不希望塔板的设计点落在负荷性能图边缘位置上或靠近某曲线，以避免生产波动引起塔效率下降，故希望设计点位于图中适中位置。

负荷性能图可以用以评价和考查设计的合理性，指导设计参数的调整或修改，也可用于实际运行塔板的操作分析和诊断。当分离混合物体系一定时，负荷性能图完全取决于塔板的结构尺寸，与操作条件无关。如果设计点较偏，应当调整相关结构尺寸，改变负荷性能，使设计点处于操作区域适中位置。值得注意的是每改变一结构尺寸，可能要同时影响几条曲线位置的变化。

【设计分析9】通过负荷性能图发现，如果设计点靠近液沫夹带线，可以通过减小降液管面积，或提高塔板间距；如果设计点靠近降液管液泛线，说明降液管液体通过能力小，塔板阻力大。为此可扩大降液管，提高开孔率；如果设计点靠近塔板漏液线，说明塔板开孔率太高，可适当减少孔数；如果设计点靠近液相下限线及汽相下限，说明溢流堰过长或降液管面积过大，故可减小堰长，此类情况应减小塔径。