3.6　塔和塔板主要工藝尺寸設計

板式塔的結構種類繁多，但其設計步驟卻大致相同。設計內容主要包括：塔高、塔徑等工藝尺寸，塔板的設計與選型，溢流裝置的設計，塔板布置，升氣道的設計及排列，進行流體力學性能校核，繪制塔板的負荷性能圖，根據負荷性能圖，對設計進行分析，如不符合要求則必須調整修改某些結果參數，重復上述步驟，直到滿意為止。

下面以篩板塔為例，介紹板式塔的工藝計算過程。

3.6.1　塔高和塔徑的計算

（1）塔的有效高度計算

根據給定的分離任務，求出理論塔板數及總板效率以后，可按照下式計算塔的有效高度，塔的有效高度是指安裝塔板部分的高度。

　　 （3-48） 　　

式中　Z——有效高度，m；

HT——塔板高度，m。

（2）塔板間距

塔板間距直接影響塔的有效高度。采用較大的塔板間距，意味著塔高增加，但可使塔的操作氣速提高，塔徑減小。相反地，采用較小的塔板間距，意味著塔高降低，塔的操作氣速要降低，塔徑增大。對于板數較多的精餾塔，通常采用較小的板間距，適當地增大塔徑以降低塔高。設計中應當根據實際情況，權衡經濟因素，選擇適當的板間距。板間距的選取應按系列標準選取，表3-3列出了板間距選擇的經驗數值，可供設計時參考。常用的板間距有300mm、350mm、450mm、500mm、600mm、800mm等。

【設計分析3】塔板間距的選擇。

塔板的間距決定了整個精餾塔的高度，因此，希望塔板間距盡可能小一些。最小的板間距受兩個條件限制：

①要避免發生液泛。即板間距要大于保證液體從上一塊塔板順利地流到下一塊塔板的最小間距。由回流液通過溢流斗的流動阻力來計算。

②要保證無霧沫夾帶。在塔板上，蒸氣通過篩孔，經過液層鼓泡而上升，篩板上的傳質區域基本上由以下幾個部分組成：緊貼篩板為靜液層，它很薄；而后為鼓泡層；其上為蜂窩狀結構的泡沫層。由于泡沫的破裂并受蒸氣的噴射作用，其中還夾帶著飛濺的液滴，這就形成了霧沫層。如果蒸汽夾帶著液滴上升到上一塊塔板，即形成霧沫夾帶。為了保證精餾工況的正常進行，保證無霧沫夾帶的最小塔板間距應該是塔板泡沫層高度再加上汽液分離空間。

一般情況下，當提餾段的空塔速度Wn≤0.1m/s時，精餾段的空塔速度Wn≤0.3m/s時，分離空間為15～20mm。實際的板間距應大于不發生液泛的板間距，又要大于無霧沫夾帶的板間距。

除此之外，還應該考慮操作彈性，通常以設計負荷±20％進行校核。為了制造方便，一個精餾塔的板間距應統一且規格化。適當的增大塔板間距也可以提高操作彈性。

安裝及檢修也是需要考慮的。例如，在塔體人孔處，板間距應不小于600mm，以便有足夠的工作空間。

所以，選擇塔板間距時，主要考慮以下因素：霧沫夾帶、物料的起泡性、操作彈性、安裝與檢修的要求和塔徑。

（3）塔徑

依據流量公式可初步計算塔徑，即

　　 （3-49） 　　

式中　D——塔徑，m；

Vs——塔內汽相體積流量，m3/h；

u——空塔氣速，m/s。

由式（3-49）可知，計算塔徑的關鍵在于確定適當的空塔氣速。

一般按照防止出現過量的液沫夾帶或液泛的原則來確定空塔氣速的上限值，用umax表示。空塔氣速的下限值由漏液氣速確定，適宜的空塔氣速應當介于二者之間。一般情況下，空塔氣速按下式取值：

u=（0.6～0.8）umax　　（3-50）

空塔氣速的上限值umax可根據懸浮液滴沉降原理推導而得，其結果為：

　　 （3-51） 　　

式中　C——氣體負荷因子；

ρL——液相密度，kg/m3；

ρV——汽相密度，kg/m3。

氣體負荷因子與汽相及液相的流量，汽相與液相的密度以及液相的表面張力等因素有關。R.B.Smith等人收集了若干類型板式塔的數據，整理成氣體負荷因子與諸多影響因素之間的關系曲線，如圖3-18所示。

圖3-18中的橫坐標稱為液汽動能參數，為無量綱量，反映了液汽兩相的密度與流量對氣體負荷因子的影響；HT-hL反映了液滴沉降空間高度對氣體負荷因子的影響。顯然，HT-hL越大，C值越大，這是因為隨著分離空間的加大，霧沫夾帶量減少，允許的最大空塔氣速就越大。

設計時，板上液層高度hL由設計者首先決定，對于常壓塔一般取0.05～0.1m，對于減壓塔一般取0.025～0.03m。

圖3-18中的曲線是按液體表面張力σ=20mN/m的物系繪制的，若所處理的物系表面張力為其他值，則需要按下式校正查出的負荷因子，即：

　　 （3-52） 　　

式中，C20表示物系表面張力為σ=20mN/m的負荷因子，由圖3-18查出；σ表示操作物系液體的表面張力。

將求得的空塔氣速u代入式（3-46）便可計算出塔徑，仍需要根據板式塔直徑系列標準進行圓整。最常用的標準塔徑包括：0.6m、0.7m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m、1.6m、1.8m、2.0m、2.2m…4.2m。

以上計算出的塔徑只是初值，以后還要根據流體力學原則進行核算。

【設計分析4】塔徑確定的注意事項。

①由于精餾段與提餾段的汽液負荷與物性不同，所以兩段中的汽速及塔徑也可能不同，塔徑應當分別計算，若所得結果差別不大，可采用相同塔徑，取較大者作為塔徑；反之，如果相差較大，應采用變塔徑，中間設變徑段。

②要首先選定參數：板間距、板上液層高度。

3.6.2　溢流裝置造型及設計

溢流裝置包括溢流堰、降液管和受液盤等幾部分，其結構和尺寸對塔的性能有著重要影響。

（1）溢流方式與降液管布置

液體自上層塔板溢流至下層塔板的流動方式極大地影響著塔板上汽液相接觸的傳質過程，而溢流方式是由溢流堰及降液管的結構所決定的。降液管是塔板間液體下降的通道，同時也是下降液體中所夾雜的氣體得以分離的場所。通常，降液管有圓形和弓形兩種結構。圓形降液管制造方便，但是流通截面積較小，一般只適用于塔徑較小的情況。弓形降液管的流通截面積較大，適用于直徑較大的塔。

降液管的布置形式決定了塔板上液體的流動形態。常用的降液管布置形式主要有單溢流形、雙溢流型、階梯雙溢流型以及U形溢流等，如圖3-19所示。

單溢流形［圖3-19（b）］是最為常見的一種流動形態，液體自受液盤橫向流過整個塔板至溢流堰。液體流經的距離長，塔板效率高，塔板結構簡單，特別適用于塔徑小于2.2m以下的精餾塔。

雙溢流型［圖3-19（c）］通常應用于塔徑大于2m的精餾塔中，上層塔板的液體分別經左右兩側的降液管流至塔板，然后橫向流過半個塔板進入中部降液管。這種溢流形式可有效減小液面落差，但是塔板利用率較低、結構復雜。

階梯雙溢流型［圖3-19（d）］塔板目的在于減小液面落差而不縮短液體路徑，每個階梯均設有溢流堰，這種塔板結構最為復雜，適用于塔徑很大、液流量很大的狀況。

U形溢流［圖3-19（a）］結構塔板是將弓形降液管隔成兩半，一半作為受液盤，另一半作為降液管，迫使流經塔板的液體做U形流動。該種流型液體流經路徑較長，塔板利用率較高，但液面落差較大，適用于小塔徑或液體流量較小的操作狀況。

眾所周知，液體在塔板上流經的路徑越長，汽液相接觸傳質進行得越充分，但液面落差加大，容易造成氣體分布不均的狀況，使塔板效率降低。如何選擇塔板上的液體溢流形態，應綜合考慮塔徑大小、液體流量等因素。表3-4列出了液體負荷與溢流形態及塔徑的經驗關系，可供設計時參考。

【設計分析5】當塔徑及液體流量較大時，選用雙溢流或階梯流；而液體流量較小選用U形溢流。

（2）溢流堰

溢流堰又叫出口堰，它的作用是維持塔板上有一定的液層高度，并使液體均勻流動。在設計溢流堰時，若增加溢流堰的高度，塔板上的液層高度則相應增加，這樣可以增大汽液接觸傳質的時間，但是流體的阻力降增大。通常情況下，對于加壓操作的塔，溢流堰高度可適當取大些，而對于減壓操作的塔，溢流堰高度取值可適當降低。塔板上液層高度的推薦值范圍通常為50～100mm，板上液層高度為堰高hw與堰上液層高度how之和。溢流堰高度取值通常為35～75mm。

單位堰長上的液體體積流量稱為堰上液流強度，通常情況下，堰上液流強度為20～40m3/（h·m）時，操作情況良好，堰上液流強度不宜超過100～130m3/（h·m），如果堰上液流強度高于110m3/（h·m），此時可考慮采用多溢流塔板。

下面以弓形降液管為例，介紹溢流裝置的設計方法。溢流堰設計參數包括堰高、堰長、降液管截面積等，如圖3-20所示。

當降液管截面積與塔截面積之比（Af/AT）選定以后，堰長與塔徑之比（lw/D）可以由幾何關系確定。對于常用的降液管：

單溢流堰長取值：lw=（0.6-0.8）D　　　　（3-53）

雙溢流堰長取值：lw=（0.5-0.6）D　　　　（3-54）

堰長一旦確定，降液管寬度和面積可按圖3-21計算。

對于雙溢流或多溢流降液管，其寬度一般取200～300mm，其面積可按矩形計算。

在降液管設計過程中，液體在降液管中的停留時間一般不得小于3～5s，停留時間可按式（3-55）計算：

　　 （3-55） 　　

堰上液層高度可按式（3-56）計算：

　　 （3-56） 　　

式中，E、Lh分別表示液體收縮系數（通常取E為1，也可查相關資料）和液體流量。

堰上液層高度對塔板的操作性能有很大影響，若堰上液層高度過小，會引起液體橫過塔板流動不均，降低塔板效率，故在設計時一般應大于6mm。若堰上液層高度過大，則會增加流體壓降及液沫夾帶量，其值通常不宜大于60～70mm，超過該值應采用雙溢流。

求出how以后，即可按下式范圍確定堰高hw：

0.1-how≥hw≥0.05-how　　（3-57）

（3）受液盤和底隙高度

塔板上接受上層塔板流下液體的區域稱為受液盤，如圖3-22所示。

受液盤有兩種形式：平形受液盤和凹形受液盤。塔盤采用平形受液盤時，通常需要在液流入口端設置入口堰，以保證降液管的液封，同時迫使液體均勻流入下層塔盤。入口堰高度可按下述原則考慮：通常情況下，出口堰高度hw大于降液管底隙高度ho，此時取=hw；對于個別情況，當hw<ho，應取>ho。從而保證液體從降液管流出時不致受到太大的阻力。

采用凹形受液盤時，則不必設置入口堰，它既可在低流量時形成良好的液封，又可以改變液體流向，起到緩沖和均勻分布液體的作用，但結構稍復雜。

底隙高度ho是指降液管下端與受液盤之間的距離。為了減小液體流動助力并考慮液體夾帶懸浮顆粒通過底隙時不致造成堵塞，所以底隙高度ho一般不易小于20～25mm。但是，若底隙高度ho過大，又不易形成液封。一般可按下式計算底隙高度ho，即

　　 （3-58） 　　

式中　——表示液體流過底隙時的流速，一般介于0.07～0.25m/s。

同時要求，底隙高度ho應低于出口堰高度hw，這樣可保證降液管底端有良好的液封，一般應低于6mm，即

ho=hw-6mm　　（3-59）

【設計分析6】對于直徑較小或處理易聚合、含有固體雜質的物系時，宜采用平形受液盤；對直徑較大的塔或有側線抽出時，宜采用凹形受液盤。

3.6.3　塔板布置

塔板有分塊式與整塊式兩種。對于直徑小于0.8～0.9m的塔，宜采用整塊式塔板；對于直徑較大的塔，特別是當直徑大于1.2m時，宜采用分塊式塔板，以滿足剛性要求。

塔板的厚度設計，首先應當考慮塔板的剛性及介質的腐蝕情況，其次再考慮經濟性能。對于碳鋼材料，通常取塔板厚度為3～4mm，對于耐腐蝕材料可適當減小塔板厚度。

塔板面積，依據所起的作用不同，可分為四個區域，如圖3-23所示。

①開孔鼓泡區　開孔鼓泡區為圖3-23中虛線以內的區域，是塔板上的開孔區域，用來布置篩板、浮閥等部件的有效傳質區域。

②溢流區　溢流區為受液盤和降液管所占的區域，兩者的面積通常相等。

③安定區　開孔鼓泡區與溢流區之間的不開孔區域稱為安定區，以避免含有氣泡的大量液體進入降液管而造成液泛。通常情況下，安定區的寬度可取50～100mm。

④無效區（邊緣區）塔板上在靠近塔壁的部分，應留出一圈邊緣區，供塔板安裝之用，又稱為無效區。其寬度視需要而定，小塔為30～50mm，大塔可達50～75mm。為防止液體經邊緣區域流過而影響汽液傳質，可在塔板上沿塔壁設置旁流擋板。

3.6.4　篩孔的計算及排列

（1）篩孔直徑

篩孔直徑是塔板結構的一個重要參數，是影響汽相分散及汽液相接觸的重要工藝尺寸。隨著孔徑的增大，漏液量和霧沫夾帶量都會相應增加，操作彈性減小。大孔徑塔板不易堵塞，加工方便，費用降低。若孔徑太小，則加工制造困難，易堵塞。通常情況下，對于碳鋼的塔板厚度取為3～4mm，合金鋼塔板厚度取為2～2.5mm。篩孔的加工一般采用沖壓法，對于碳鋼塔板，孔徑不應小于塔板厚度；對于合金鋼塔板，孔徑應不小于1.5～2倍的板厚。近年來隨著操作經驗的積累和設計水平的提高，有些塔板采用大孔徑設計，孔徑尺寸大于10mm，這種孔徑尺寸的塔板加工方便，且不易堵塞，只要設計合理，操作得當，同樣可獲得滿意的分離效果。

（2）孔心距

相鄰兩篩孔中心的距離稱為孔心距。孔心距對塔板效率的影響要大于孔徑對塔板效率的影響。一般情況下，通常采用2.5～5倍直徑的孔心距。若孔心距過小，上升的氣體則相互干擾，影響塔板效率；反之，孔心距過大則易造成發泡不均，同樣影響分離效果。設計孔心距時可按所需要的開孔面積來計算孔心距。通常情況下，盡可能將孔心距保持在3～4倍的孔徑范圍內。

（3）篩孔的排列與開孔率

篩孔一般采用正三角形排列。此時，篩孔的數目n可按下式計算，即

　　 （3-60） 　　

式中　Aa——開孔區面積，m2；

t——孔心距，m。

篩孔面積與開孔區面積之比稱為開孔率。若開孔率過大，則易漏液，操作彈性減小；若開孔率過小，塔板阻力加大，則霧沫夾帶增加，易發生液泛。通常情況下，開孔率取值為5％～15％。在確定開孔率時，往往需要多次試算孔徑及孔心距。開孔率可按式（3-61）計算，即

　　 （3-61） 　　

式中　Ao——篩孔面積，m2；

do——篩孔直徑，m。

開孔區面積Aa，對于單溢流型塔板可用式（3-62）計算，即

　　 （3-62） 　　

式中　Wd——降液管寬度，m；

Ws——安定區寬度，m；

Wc——邊緣區寬度，m。

【設計分析7】常壓塔或減壓塔中開孔率一般為10％～15％；加壓塔較小，為6％～9％，有時低至3％～4％。

通過上述方法求得篩孔直徑、篩孔數目、孔心距以及開孔率等參數以后，還需要進行流體力學驗證，檢驗是否合理，若不合理需要進行適當調整。

3.6.5　塔板流體力學驗算

流體力學驗證的目的在于檢驗初步設計出的塔徑及各項工藝尺寸是否合理，塔能否正常運行，檢驗過程中若發現有不合適的地方，應對有關結構參數進行調整，直至得到滿意的結果。流體力學驗證內容包括以下幾項：塔板阻力降、漏液、液沫夾帶、液泛、最大操作液量及最小操作液量等。

（1）塔板阻力降

氣體通過塔板的阻力降是塔板的重要水力學參數之一，塔板阻力降直接影響到塔底的操作壓力，同時也影響到汽液平衡關系。若阻力降過大，對液泛的出現有直接影響。分析塔板阻力降參數對于了解與掌握塔板的操作狀況有幫助。氣體通過塔板的阻力降主要由兩個方面決定，一是氣體通過塔板篩孔及其他各種通道所需要克服的阻力；二是氣體通過塔板上液層時所需要克服的液層的靜壓力。

氣體通過每層塔板的阻力降公式為：

hP=hC+hL　　　　　　（3-63）

式中　hP——氣體通過每層塔板的阻力，m液柱；

hC——氣體通過篩孔及其他通道的阻力（干板阻力），m液柱；

hL——氣體通過板上液層所需要克服的阻力，m液柱。

氣體通過塔板時的阻力降通常都是利用半經驗公式計算，塔結構類型不同，所采用的公式也不盡相同，但來源依據均為流體力學原理，對于篩板塔其阻力降計算公式如下。

通常，當篩板的開孔率為5％～15％時，干板阻力降可用下式計算，即

　　 （3-64） 　　

式中　uo——氣體通過篩孔的氣速，m/s；

Co——孔流系數；

ρV——氣相密度，m3/h；

ρL——液相密度，m3/h。

干板孔的孔流系數見圖3-24。

氣體通過板上液層的阻力降與板上液層高度以及液體中的氣泡狀況等眾多因素有關，其計算方法很多，設計中通常利用式（3-65）估算，即

hL=β（hw+how）　　　　　　（3-65）

式中　β——板上液層充氣系數（根據氣體的能動因子由圖3-25查得，通常取0.5～0.6，其中ua表示通過有效傳質區的氣速，即氣體體積流量除以工作面面積之商）；

hw——堰高，m；

how——堰上液層高度，m。

（2）漏液

篩板塔內氣體的上升通過塔板上的開孔，正常操作情況下，氣體通過篩孔的阻力降與液體克服篩孔處表面張力所需要的壓力之和足以和液層靜壓力相抵，不致發生嚴重的漏液現象。但是，當氣體通過開孔的流速較小，氣體的動能不足以阻止板上液層靜壓時，便會發生漏液現象。當漏液量所占液流量的比率小于10％時，篩板塔仍能正常操作，此時所對應的氣速稱為漏液點氣速，它是塔板氣速操作的下限。漏液量與氣體通過篩孔的能動因子有關，依據經驗，漏液量所占液流量比率為10％時，氣體通過篩孔的能動因子為取值為8～10。參考資料顯示，也有其他方法計算操作氣速的下限。

為了使篩板塔具有足夠的操作彈性，應保持一定范圍的穩定性系數K，即

　　 （3-66） 　　

式中　uo——篩孔氣速，m/s；

uow——漏液點氣速，m/s；

K——適宜范圍為1.5～2。

【設計分析8】若穩定性系數偏低，可以適當減小塔板開孔率或降低溢流堰高度。

（3）液沫夾帶

液沫夾帶是指氣流穿過塔板上液層時夾帶霧滴進入上層塔板的現象，造成液相在塔板間的返混，影響分離效率。為了保證塔板效率基本穩定，通常將液沫夾帶量限制在一定范圍內，設計中規定液沫夾帶量ev<0.1kg液體/kg氣體。

計算液沫夾帶量的方法有多種，設計中通常采用亨特經驗關聯圖，如圖3-26所示。

圖中曲線可回歸成下列公式，即

　　 （3-67） 　　

式中　ev——液沫夾帶量，kg液體/kg氣體；

σL——液體表面張力，mN/m；

HT——板間距，m；

hf——板上鼓泡層高度（根據設計經驗，一般取hf=2.5hL），m。

（4）液泛

為了防止液泛發生，降液管內液層高度Hd應服從下式所示關系，即

Hd≤hw+how+hd+hp　　（3-68）

式中　Hd——降液管液面的高度，m；

hd——液體在降液管出口的阻力，m液柱。

其中，降液管出口阻力hd可按下式計算，即

　　 （3-69） 　　

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

Hd≤（0.4～0.6）（HT+hW）　　（3-70）

3.6.6　塔板負荷性能圖

對于一個特定的篩板塔，應當有一個適宜的操作區域，該區域綜合地反映了塔板的操作性能。在負荷性能圖中，可繪出若干種臨界操作狀況時出現的氣、液流量關系曲線，在這些臨界曲線范圍之內，操作才能正常進行。

各臨界曲線的求取方法如下。

①漏液線　按式（3-66）計算漏液點氣速并作漏液線。

②液沫夾帶線　按式（3-67）取泛點率為65％～82％時，作液沫夾帶線。

③液泛線　按式（3-70）作液泛線。

④最大操作液量線　為了使降液管中液面氣泡能夠脫除，液體在降液管中的停留時間不得小于3～5s，即

　　 （3-71） 　　

可按此式作最大操作液量線。

⑤最小操作液量線　可按式（3～72）計算最小操作液量線，即

　　 （3-72） 　　

⑥塔的操作彈性　按照固定的液汽比，如圖3-27所示，操作線A與界限曲線交點的氣相最大負荷Vmax與氣相允許的最低負荷Vmin之比，稱為操作彈性，即

　　 （3-73） 　　

對于圖3-27，這是一個設計合理的負荷性能圖，圖中陰影部分為適宜的操作區域。

在負荷性能圖中，被曲線所包圍的區域是設計的塔板分離給定物系的適宜操作范圍，其區域越大，則適宜范圍越大。只要設計點落在適宜操作范圍內，塔板即可正常運行。但是，通常不希望塔板的設計點落在負荷性能圖邊緣位置上或靠近某曲線，以避免生產波動引起塔效率下降，故希望設計點位于圖中適中位置。

負荷性能圖可以用以評價和考查設計的合理性，指導設計參數的調整或修改，也可用于實際運行塔板的操作分析和診斷。當分離混合物體系一定時，負荷性能圖完全取決于塔板的結構尺寸，與操作條件無關。如果設計點較偏，應當調整相關結構尺寸，改變負荷性能，使設計點處于操作區域適中位置。值得注意的是每改變一結構尺寸，可能要同時影響幾條曲線位置的變化。

【設計分析9】通過負荷性能圖發現，如果設計點靠近液沫夾帶線，可以通過減小降液管面積，或提高塔板間距；如果設計點靠近降液管液泛線，說明降液管液體通過能力小，塔板阻力大。為此可擴大降液管，提高開孔率；如果設計點靠近塔板漏液線，說明塔板開孔率太高，可適當減少孔數；如果設計點靠近液相下限線及汽相下限，說明溢流堰過長或降液管面積過大，故可減小堰長，此類情況應減小塔徑。