工藝專業(yè)塔器水力學計算設計導則

1、塔器水力學計算設計導則第1 頁共33 頁1塔器設計概述1.1石油化工裝置中塔器占有很大的比重。幾乎每種工藝流程都存在蒸餾 或吸收等分離單元過程，因此塔器設計至關重要。往往塔器設計的優(yōu)劣，決定 著裝置的先進性和經(jīng)濟性，必須給予重視。1.2塔器設計與工藝流程設計有著非常密切的關系，亦即塔器的選型和水 力學計算與工藝流程的設計計算是結(jié)合在一起的。有時塔器設計影響著分離流 程和操作條件的選擇。例如減小蒸餾塔的回流比，能降低能耗，但塔板數(shù)增加, 對塔器講就是減小塔徑和增加塔高，其中必有一個最經(jīng)濟條件的選擇。又如真 空塔或?qū)Ω獪赜幸蟮恼麴s塔均對壓降要求較嚴，需要選擇壓降低的板式塔或 填料塔，在塔器水力學

2、計算后，壓降數(shù)據(jù)要返回工藝作釜溫核算。1.3 一般工藝流程基本確定后，進行塔器的選型、設計等工作。塔器設計 涉及到工藝、化學工程、設備、儀表、配管等專業(yè)?；瘜W工程專業(yè)的任務及與 各專業(yè)間關系另有說明。見化學工程專業(yè)工作手冊H-P0101-96、H-P0301-96。1.4隨著石油化工和科技的迅猛發(fā)展，蒸餾塔從一般的一股進料、二股產(chǎn) 品的常規(guī)塔發(fā)展為多股進料、多側(cè)線，有中間換熱的復雜塔。要求塔的生產(chǎn)能 力大、效率高、塔板數(shù)多，即大塔徑、多程數(shù)、高效、低壓降等，對塔器設計 提出了更高的要求，并推動了塔器設計工作的發(fā)展。1.5近年來電子計算機的普及和發(fā)展，為工藝與塔器設計提供了有力的工 具。我們可應

3、用PROCESS PRO爪等工藝流程模擬軟件進行計算，得到塔的最 大和最小汽液負荷、密度等數(shù)據(jù)，以便進行分段的塔的水力學計算，使工藝和 塔的水力學計算能同步進行，并作多方案比較，求得最佳設計。1.6設計中主要考慮的問題1.6.1確定工藝流程（尤其是分離流程）通過工藝流程模擬電算，選定最佳切割方案，其中包括多股進料、側(cè)線采 出、進料狀態(tài)和位置等方面的選擇。1.6.2塔壓的設定H-D1-97第3 頁共31 頁考慮到物料能自流輸送，釜溫的限制要求，冷凝器和再沸器采用冷熱介質(zhì) 的條件，以及對塔徑或塔板數(shù)的影響等方面。因為塔壓增高，則塔徑減小，但 分離物系的相對揮發(fā)度減小，因而塔板數(shù)將隨之增加。1.6.

4、3塔頂回流比和塔板數(shù)的確定二者涉及塔徑和塔高，還有冷熱劑介質(zhì)的用量。從節(jié)能方面趨向于采用較 小的回流比，但不能太接近最小回流比，需從投資和操作費用綜合考慮。對于 萃取精餾還要考慮塔的內(nèi)回流和塔中溶劑恒定濃度的要求。164物系的特性如起泡沫程度、聚合可能、熱敏性和潔凈度等方面的考慮。165塔型選擇目前石化裝置中常用的板式塔有浮閥、篩板、穿流板等，其它尚有波紋板、 斜孔板、折流板等。塔填料有金屬英特洛克斯（矩鞍型）、鮑爾環(huán)、拉西環(huán)、階 梯環(huán)等散堆填料，及波紋板等規(guī)整填料。應根據(jù)工藝需要選擇塔型。各種塔型 皆有其特點。如要求負荷彈性大，可采用浮閥板。要求結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜， 可采用篩板。對于不潔凈介

5、質(zhì)，只要求洗滌作用，對效率要求不高，可采用穿 流板或折流板。要求壓降低，則采用填料等。各家公司常根據(jù)其使用經(jīng)驗來選 用，如乙烯裝置的蒸餾塔，有的公司選用浮閥板，也有選用篩板或波紋板，或 者MD板、填料等。166塔器水力學計算根據(jù)工藝流程模擬計算結(jié)果選取塔器水力學計算所需的分段數(shù)和數(shù)據(jù)。應 選擇同一塊塔板所進出汽液物流的數(shù)據(jù)。詳見“塔器水力學計算數(shù)據(jù)表的說明”。 計算所得塔徑，壓降等數(shù)據(jù)如有不符合要求或不合理，可返回流程模擬作調(diào)整 計算。1.6.7塔板效率的考慮確定全塔效率或分段效率，此問題較為復雜，目前尚無準確可靠的計算方 法，一般還是以實驗或經(jīng)驗為主來確定?？赏ㄟ^有關計算，略知效率范圍。再

6、以引進裝置或同類生產(chǎn)裝置的數(shù)據(jù)作為參考。如烴類物系分離效率一般為50 60%烴類精分效率為7080流右，萃取精餾效率為25 30流右，吸收效率 一般為30%左右。當然還要考慮物系性質(zhì)，操作條件、塔器結(jié)構(gòu)和類型等因素。保證在最大和最小負荷下都有滿意的效率168對設備專業(yè)提出塔器數(shù)據(jù)表和圖其內(nèi)容為進料分布和側(cè)線采出設施，塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)和尺寸，塔釜液面高度要 求和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，工藝和自控接管尺寸，人孔（手孔）等。詳見“塔設備數(shù)據(jù)表” 及其說明。H-D1-97第7 頁共31 頁2板式塔結(jié)構(gòu)及水力學計算規(guī)定2.1各類塔器結(jié)構(gòu)設計和水力學計算的內(nèi)容基本相似。包括塔徑、塔板間 距、流動型式、降液管、堰和填料塔內(nèi)件等

7、結(jié)構(gòu)設計，壓降、泛點率、霧沫夾 帶、泄漏等計算。還有負荷性能圖或表的計算?？墒止び嬎慊螂娝?。2.2可應用的電算軟件，有浮閥板、篩板、穿流塔板和填料塔等。PROCESS和PRO加等工藝流程模擬軟件中亦有浮閥板、篩板和填料塔的水力學計算，但 內(nèi)容較為簡單，僅用于方案比較，不能用作詳細設計。2.3關于各類塔器結(jié)構(gòu)和水力學計算方面的資料可參考化學工程手冊，第13篇，氣液傳質(zhì)設備1979年，F(xiàn)RI塔板設計手冊，PROCE和PRO/H手 冊等。還有本公司的內(nèi)部資料和軟件應用說明，此不詳述。2.4浮閥塔板2.4.1浮閥塔板在石化工業(yè)中已廣泛采用。由于其在生產(chǎn)能力、負荷彈性、 效率和穩(wěn)定性方面有一定的優(yōu)勢，所

8、以頗受用戶歡迎。計算方法比較成熟，設 計使用經(jīng)驗亦較豐富。由于浮閥材料一般為不銹鋼，因此費用相對較貴，有時 制造或安裝不妥，運行中浮閥會被卡住或脫落而影響效果，故需加以注意。2.4.2 浮閥型式國內(nèi)外已開發(fā)了多種型式浮閥，是由不同的公司或研究機構(gòu)所開發(fā)，或者 用于不同用途。但常用的有 F1型（國外為V1型）、十字架型（國外為T型）、 V4型等數(shù)種。其他還有A型、MR型、長條型等。浮閥分重閥和輕閥，前者由 2 毫米薄板沖壓而成，約重33克；后者由1.5毫米薄板沖壓而成，約重23克。 F1型閥為常用閥，國內(nèi)已標準化。V4型閥用于真空系統(tǒng)。十字架型閥用于略有 污垢或易聚物料系統(tǒng)，這是由于它沒有閥腿，

9、不會被卡住。2.4.3流動型式亦即液流程數(shù)，一般采用單程或雙程。對于大液流量和大直徑塔，可采用二程或四程，很少采用三程。根據(jù)液流強度即每米堰長上每小時液流量（mVm.hr ）和塔徑來考慮。又可根據(jù)設備結(jié)構(gòu)和液流長度考慮，一般直徑為2米以上才選用雙程。對于液汽比甚小的場合，可采用U形流型。2.4.4降液管及溢流堰一般采用弓形降液管。當液流量較小時可采用圓形(管式)降液管。常用 直降液管，有時為增加塔板上鼓泡面積而采用斜式降液管。此時降流管底部面 積一般為頂部面積的60%通常采用平溢流堰。當液流量較小時，采用齒形堰?？刹捎萌切位蛘?形齒。齒深一般采用15mn左右。目前較少采用內(nèi)堰，往往在采用園

10、形降液管時設內(nèi)堰。為緩沖液流，保持液封作用，有時采用受液盤。這會增加結(jié)構(gòu)上的復雜性， 不宜用于易聚合和污垢物系。一般堰長與塔徑之比為 0.6 0.8。堰高采用50mm左右。對真空系統(tǒng)或塔 板間距較小而液流量較大使板上液面過高的場合可取更低值。反之則增加堰高。為保證有一定的液封，降液管底間隙一般比堰高小10mn左右。平堰上液面咼度how計算如下：how = 0.667 E ( Ls )2/3(m)SS式中：E液流收縮系數(shù)，查閱化學工程手冊，第13篇Ls液相流量(m3/s)SS液流程數(shù)lw堰長(m)對于齒形堰，溢流層不超過齒頂時：Ls 嘰 2/5how = 1.17 ( -)(m)SS "

11、;w式中：h-齒深(m)當溢流層超過齒頂時：Ls = 0.735(Iw) how5/2 ( how- h-)5/2 SS (m3/s) h-塔板上液層高度hL為：hL = hw+ how(m)一般hL不超過100mm,但如塔板間距較大或反應過程中需要有一定的停留 時間時可例外降液管中液相停留時間t計算如下:(s)Af H式中：Af降液管面積（m2）Ht塔板間距（m）通常情況下，在高負荷時t應大于5sec個別可小至3sec對于特殊系統(tǒng) 要另行考慮。如吸收塔和真空塔一般要 6sec以上。胺和乙二醇系統(tǒng)亦取大些。245塔徑目前塔徑已系列化。一般情況下塔徑800mm以上采用板式塔，當然小塔徑（300-

12、800mm）根據(jù)需要也可被采用。一般 800mm以上的塔徑以200mm間隔 遞增，以下的塔徑以100mm間隔遞減。如有特殊需要也可例外。根據(jù)生產(chǎn)能 力的要求、物性特點及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)先初估塔徑，經(jīng)水力學計算再作調(diào)整。2.4.6塔板間距根據(jù)生產(chǎn)能力和塔高的要求，以及塔徑等其他結(jié)構(gòu)參數(shù)來確定塔板間距。 對于石油系統(tǒng)，由于一般蒸餾或吸收塔的塔板數(shù)不多，因而塔板間距較大，如 采用600mm左右。對于石油化工系統(tǒng)，由于分離要求高，塔板數(shù)多，因此塔 板間距不宜太大，應根據(jù)塔徑和水力學計算來確定，一般取350 500mm，個別也有例外。有時對不同塔段采用不同的塔板間距。2.4.7浮閥數(shù)在設計負荷下浮閥處于全開

13、狀態(tài)，此時閥孔動能因數(shù)Fo （W。，V ）為911。其中Wo為孔速（m/s）3v為汽相密度（kg/m ）亦可采用下式計算：0.548(m/s)H-D1-97第# 頁共31 頁H-D1-97第15 頁共31 頁以上適用于重閥。對于輕閥Fo將減小1.0左右2.4.8泛點率100Cv + 136 LS Z F =Ab K CFIOOCv0.78 At K Cf式中：Cv汽相負荷因數(shù)（m3/s）F泛點率（%）Z液流長度（m）Ab液流面積（m2）At塔截面積（m2）K物性系數(shù)，見下表物性系數(shù)K表系統(tǒng)K無泡沫，正常系統(tǒng)1.0氟化物（如BF3，氟利昂）0.85-0.95真空塔0.85中等起泡沫（如油吸收、胺

14、、乙二醇再生塔0.85重度起泡沫（如胺、乙二醇吸收塔）0.73嚴重起泡沫（如甲乙酮）0.60形成穩(wěn)定泡沫系統(tǒng)（如堿再生塔）0.30Cf泛點負荷因數(shù)，與板間距和汽相密度有關。查閱化學工程手冊，第13篇Vs汽相流量（m3/s）l液相密度（kg/m3）v汽相密度（kg/m3）3Ls液相流量（m/s）上二式中F取大值。一般大直徑塔在高負荷下 F<80%。真空系統(tǒng)F<75% 小直徑塔F<65%。根據(jù)生產(chǎn)要求，即負荷上下限要求來確定。2.4.9壓降干板阻力2hc=5.34（Wo /2g） （ l/ v） （m 液柱）板上液層阻力hi=0.5hL（m液柱）壓降 p = hc+h（m 液柱

15、/板）對于 V型浮閥，干板阻力約為上式計算值之 1/2 對于輕閥上式略偏大。2.4.10降液管中清液層高度HdHd = hw + how+ hd+A p（m 液柱）式中：Ls 2hd = 0.153 （）2（m 液柱）lw SS hohd液相流出降液管的局部阻力（m液柱）3Ls液相流量（m /s）lw堰長（m）SS液流程數(shù)ho降液管底間隙（m）hw堰高（m）how堰上液面高度（m）般滿足Hd< 爭（HT+hw）Ht塔板間距（m）®泡沫特性系數(shù)，一般為0.40.6。2.4.11汽相負荷下限一般以閥孔動能因數(shù)Fo來表示。取Fo56,同時要考慮與板上液面高 度有關的因素。2.5篩孔塔

16、板2.5.1在石化工業(yè)中篩孔板塔與浮閥塔一樣已廣泛地被采用。其計算方法比較成熟，設計和使用經(jīng)驗亦很豐富。尤其是近年來我公司參加了美國分餾研究 公司（FRI），該公司在篩板塔方面已有幾十年的研究歷史，積累了很多的經(jīng)驗 和數(shù)據(jù)，開發(fā)了計算方法和應用軟件，每年有更新內(nèi)容。FRI在直徑1200mm的篩板塔上進行低壓和高壓下的工業(yè)實驗與研究，為會員單位提供研究成果。 具有降液管的篩孔板與其他具降液管的塔板相比，由于其結(jié)構(gòu)簡單，耗金 屬少，造價低而價廉，便于檢修，并對略有臟污的系統(tǒng)適用。2.5.2篩孔和排列過去常用孔徑為3 8mm,但因孔徑太小，一則加工制造困難，二則易堵， 所以目前常用較大的孔徑，如12

17、mm左右?？讖教髸饓航岛挽F沫夾帶增 大，因而減小負荷彈性范圍。對真空塔，不宜采用太大孔徑。篩孔以三角形或正方形排列，以前者為最常用。篩孔間距t 一般為孔徑do的2.55.0倍，常用34倍。如t/do過小，易使汽流互相干擾；如過大則鼓 泡不勻，影響傳質(zhì)效率。鼓泡面積為液體進入塔板端到出口堰之間，與塔壁間所包圍的面積。孔面積為汽流通過的所有篩孔的面積。開孔率為孔面積占鼓泡面積的百分數(shù)。一般為810%，但隨系統(tǒng)壓力和水力學計算要求而定。過小的開孔率將造成嚴重的霧沫夾帶，而過大的開孔率會 產(chǎn)生嚴重泄漏。2.5.3流動型式同浮閥塔板，詳見243。2.5.4塔徑同浮閥塔板，詳見245。2.5.5塔板

18、間距同浮閥塔板，詳見2.4.6。2.5.6篩孔板的水力學計算方法主要是采用FRI的研究成果，同時參考本公司開發(fā)的技術。2.5.7初估塔徑DtFRI的計算方法是以核算為主，當需設計新塔時，可先初估塔徑，再進行水力學計算，然后調(diào)整塔徑Dt(ft)(ft3/s)(4.7)(V l)最大Vl= Vs、V /( L - v).( p設計-0.7)式中: p設計設計壓力（英寸液柱）Vs汽相流率（ft3/S）vL汽相密度（1b/ft3）液相密度（1b/ft3）根據(jù)計算結(jié)果，再園整塔徑2.5.8降液管及溢流堰參考浮閥塔板，詳見244。降液管頂部的最小面積 Adc計算如下:Adc (最小)449(1- Fg)&

19、quot;IM(% -%)丿(ft2)= 1.4式中：L液相流率（gpm）（T表面張力（mN/m）以上是最小面積，最終降液管面積要根據(jù)水力學計算確定2.5.9體系極限為每個體系負荷的極限能力1/43(Vl)極限=0.73Af (1-Fl) (T/ l- v)(ft /S)式中：Af自由面積，即塔面積減去降液管面積（ft2）（T表面張力（mN/m）Fl汽相中分散相的分率l液相密度（1b/ft3）v汽相密度（1b/ft3）又（Vl）極限=Vs , v /（ l - v）（ft3/S）式中:Vs 汽相流率（ft3/S）自上式得到汽相的極限負荷。一般都不會達到體系的極限負荷2.5.10降液管內(nèi)液相最大

20、速度 VdcGy）丫Vdc （最大）=（1-足）舄 2 丿（ft/S）I - L 丿1.4J（Yl-% y%1- Fg =1 1.4 L- V L式中：Vdc （最大）降液管中液相最大速度（ft/S）Fg液相中分散相分率（T表面張力（mN/m）液相在降液管中的速度不應超過按上式計算的最大速度，否則會導致上 塔板中的汽體穿過降液管而入下一塔板，而增加塔板上的汽相流量。2.5.11噴射液泛為塔板間液體噴射而引起的液泛。一般中、低壓系統(tǒng)液泛以此為主。f 丫屮04Cbf =0.00518 它 I （Ht ）0.5（Af /Ab）0.5 EXPb.O48/（d0 +5.08 打1/ EXP（ApC0.2

21、5（L/Iw 0.1118）+0.25）0.21當（L/lw）>35.76（m3/h）時，應乘上修正項如下：-0 21 44EXP -0.32（Af/AT）. . （1-（35.76/（L/lw）.式中：Cbf噴射液泛下以鼓泡面積為基準的能力因子（m/s）v汽相密度（kg/m3）l液相密度（kg/m3）Ht塔板間距（mm）Af噴射液泛下自由面積（m2）2Ab鼓泡面積 （m ）do篩孔徑 （mm）H-D1-97第16 頁共31 頁Apc孔面積百分數(shù)液相流率（m3/h）堰長（m）AfAt降液管面積（m2）塔面積 （m2）又 Cbf=Vbf . v / ( l - v)(m/s)H-D1-97

22、第# 頁共31 頁H-D1-97第# 頁共31 頁式中:Vbf基于鼓泡面積的汽相速度(m/s)對于每一塔段，應滿足下列要求:噴射液泛下能力因子或汽相速度最大設計負荷下能力因子或汽相速度-安全系數(shù)安全系數(shù)取決于工藝設計要求和體系的性質(zhì)。一般為1.21.5。低壓和真空系統(tǒng)常取較大值。對于礦物油吸收塔、解吸塔和重度起泡沫的系統(tǒng)亦取較大值。2.5.12霧沫夾帶為汽相通過塔板時將板上液體帶入上一塔板，這將影響塔板效率。夾帶量較大時，會造成大量液體循環(huán)而致液泛。除了體系性質(zhì)以外，還與塔板間距,汽速和板上泡沫層高度等有關。當篩孔徑在 12mm以上時，霧沫夾帶量增加較快。正常設計下篩孔塔的霧沫夾帶量不算太大。

23、霧沫夾帶量將控制篩板塔的操作上限。0 2 0 2Cbe/Cbf =1.0+0.305 ( v/( l- v)- . / 31+(20 (L/l w) . )-log(ENT/V fld)/Cbf式中:霧沫夾帶條件下基于鼓泡面積的能力因子(m/s)噴射液泛下基于鼓泡面積的能力因子(m/s)V汽相密度(kg/m3)L液相密度(kg/m3)L液相流率(m3/h)lw堰長（m）ENT霧沫夾帶速率(kcCbeCbfH-D1-97第17 頁共31 頁H-D1-97第21 頁共31 頁Vfld噴射液泛條件下的汽相流率(kg/h)0 5Vfld=3600 Cbf Ab v ( l- v) .(kg/h)CBE

24、 = VBE ： ： V / ( L - V )(m/S)式中：2Ab鼓泡面積(m )Vbe霧沫夾帶條件下基于鼓泡面積的汽相速度（m/s）2.5.13 壓降 p篩板塔的每板壓降為干板壓降和當量清液高度之和。 p =273.4 1 S5 Wo2 v/ l+2.36 Fw （V/l w）2/3 +S6 hwmm 液柱式中：55 干板壓降系數(shù)，查閱FRI塔板設計手冊Wo 孔速 （m/s）3V汽相密度（kg/m ）l液相密度（kg/m3）亠3V液相流率（m/h）lw 堰長（m）hw堰高（mm）56 堰高系數(shù)，查閱FRI塔板設計手冊1校正系數(shù)'-S9 hL r = exp U35.6乜丿當 lw

25、/D > 0.72 時，S9=1.197Iw/Dv0.72 時，S9 = 6.025 lw/D-3.141D塔徑 （m）hL當量清液高度（mm）Fw收縮系數(shù)當 lw/D > 0.72 時，F(xiàn)w=1.0Iw/D<0.72 時，F(xiàn)w = EXP -2.353（Iw /D-0.72）2.5.14泄漏泄漏為篩板塔的操作下限。當汽速低于泄漏點時，液體開始自篩孔中泄漏。泄漏與干板壓降、板上清液層高度及表面張力等有關。Wo = 4.32X 10-7(卩 l)0.045(卩 v)-0.55( 丫 l- y V)1'17-0.55-0.1250.520.32(丫 v)( c .g)(A

26、o/A b)(hL)-0.26(do)0.450.25/ .0.875(h w)(tt) (g)(m/s)式中：Wo漏液點時的孔速（m/s）卩L液相粘度（kg/s.m）U v汽相粘度（kg/s.m）丫 L液相密度（kg/m3）丫 v汽相密度（kg/m3）c表面張力（N/m）g重力加速度（m/s）Ao孔面積（m2）Ab2鼓泡面積（m）hL漏液點時當量清液咼度(mm)do孔徑 （mm）h '修正堰咼（mm）h '=(50.8+3hw)/(hw/25.4)+2tt板厚 （mm）漏液點計算方法很多，各有差異。上法算得到的結(jié)果可取作操作下限。但此法算得到的結(jié)果如稍有漏液，亦仍可操作，也即

27、可允許存在10%以下的漏液2.6穿流塔板2.6.1穿流塔板亦稱雙流板，它不設降液管，塔板上開有篩孔或柵縫，汽液 二相由此同時逆流通過。它結(jié)構(gòu)簡單，為板式塔中最簡易的一種塔板，加工安 裝方便，工程中應用也日趨廣泛。262穿流塔板因為沒有降液管，所以處理能力大。除結(jié)構(gòu)簡單和價廉外， 它由于開孔率大而壓降小，適用于壓降受限制的場合。另外它由于汽液沖洗篩 孔，故耐污垢方面較好，不易堵塞和易清洗。當然它在負荷彈性和傳質(zhì)效率方 面不及浮閥和篩板塔，但由于其霧沫夾帶量小，塔板間距可較小，可以多增設 幾塊塔板來彌補其某些缺點。2.6.3穿流塔板由于不具降液管，所以汽液二相均通過篩孔，在汽速低時， 液體經(jīng)篩孔淋

28、灑而下，塔板上沒有明顯的液位，此時效率和壓降都很低。當汽 液負荷增加時，塔板持液量隨之增加，塔板上建立起脈動式密封液層。隨著汽 體負荷的增加，塔板持液量繼續(xù)增加而達液泛，此時效率亦達到最大。其負荷 彈性差于其他具降液管的板式塔。尤其在低負荷時，往往可通過調(diào)節(jié)回流比來 保持負荷，以維持效率。過去人們僅將穿流塔用于涼水塔或熱水塔，以及洗滌 等方面，蒸餾方面用得相對較少，近年來也有新的發(fā)展。如S.W.公司1954年開發(fā)的波紋板塔，即將塔板壓成波紋狀，增加了負荷彈性，在乙烯裝置主要分 離系統(tǒng)中得到了應用。264波紋塔板(Ripple Tray)是在平穿流板的基礎上發(fā)展起來的，即將開有 篩孔的平板壓成波

29、紋狀，上下二板安裝時交錯 90°,可以起到液體再分布的作 用，板上的篩孔多數(shù)具有傾斜角度，因而增強了湍流程度。在波峰處汽流通過 多些，波谷處液流量大些。它比平板具有較大的傳質(zhì)效率。波紋有助于適應液 體和汽體負荷的變化，使操作穩(wěn)定，并增加塔板的剛性。2.6.5隨著石化工業(yè)的發(fā)展，裝置能力增大，分離塔的塔徑亦增大，對于穿 流塔板則要求注意其水平度及液體初始分布的均勻性。一般設置液體進料管式 分布器。2.6.6 FRI對穿流塔板亦做了有關的研究工作，并提出了一套計算方法，可 供參考。2.6.7篩孔的排列同篩板塔。穿流塔板有時開柵縫通道，此時以當量直徑用 于計算，下式計算當量直徑：de4ab

30、(mm) 2 a b式中：de當量直徑(mm)a柵縫長(mm)b柵縫寬(mm)對于有污圬或聚合物顆粒的系統(tǒng)，可考慮采用柵縫。鼓泡面積為下列兩種面積中取較小者：沿開孔區(qū)周圍向外擴75mm后所包圍的面積減去邊緣、堵孔條、支撐梁 等所占的面積。塔截面積。百分孔面積為開孔面積與鼓泡面積比值的百分數(shù)。當其值增大，允許汽速 也增大，但增大到20%以上時，會影響效率。故一般取 1525%?？组g距不希望大于75mm。篩孔徑一般取12mm以下。對污垢系統(tǒng)可取大些。波紋板的波紋一般為正弦曲線型。波高為 1338mm,波長為3864mm。32可根據(jù)液體負荷大小來選定波高。對于液體負荷大于20m /m h,采用淺波；

31、而液體負荷大于82 m3/m2h時，用深波。2.6.8初估塔徑Dt近似塔截面積Ab由下式估算：(ft2)AbVl +1.3(L l ) max (S.F.)J1J2J3Dt =0.3048 、 AbV 0.785(m)式中：Dt塔徑 （m）Vl汽相負荷因子（ft3/S）Ll液相流率（ft3/S）S.F.安全系數(shù)J1開孔面積與孔徑參數(shù)，查閱FRI塔板設計手冊中圖J2板間距參數(shù)，查閱FRI塔板設計手冊中圖J3體系參數(shù)，查閱FRI塔板設計手冊中圖當安全系數(shù)取1.0時，求取值為設計負荷下，液泛時的塔徑。一般安全系數(shù)取1.21.3。往往采用最大負荷來估算塔徑。2.6.9液泛從波峰間的低谷處穿過汽體，使塔

32、板上液體向上噴射或飛濺。當汽速增加 時，噴射加強，使部分霧滴帶入上一塊塔板。一旦汽速高于導致噴射流高度等 于板間距的汽速時，即發(fā)生液泛現(xiàn)象。H-D1-97第22 頁共31 頁在恒定汽液比下，液泛汽相負荷因子計算如下式:(VL )液泛rRJ1J2J3 入R 13(ft3/S)Vs =( L 廠v) R =-LS式中:Vs汽相流率Ls液相流率汽相密度液相密度Ab鼓泡面積(ft3/s)3(ft /S) (1b/ft3) (1b/ft3)(ft2)Ji J2 J3同上(Vs)液泛(Vl )一廠(L- v)液泛3(ft /S)處理粘度較大的液體或高泡沫系統(tǒng)的塔易于液泛，需要注意2.6.10體系液泛為體系

33、的極限處理能力，計算如下:d /A(Vl)極限=0.73 At (1-F) (c / l- v) 1.4Ll(ft3/S)1.4L- V L11.4. L- V LH-D1-97第# 頁共31 頁H-D1-97第26 頁共31 頁(ft3/S)式中:Vl汽相負荷因子(Ll液相流率(ft3/S)At塔截面積（ft2）丫 L液相密度(lb/ft3)丫 v汽相密度(lb/ft3)表面張力（mN/m）3/S)）_ （Vl） 極限S）極限二：（ Lv）2.6.11壓降干板壓降如下式：2（英寸熱液柱） p 干=JWo 丫 v / Y L式中：J5干板壓降系數(shù)，查閱FRI塔板設計手冊中圖，它與百分孔面積，孔

34、徑與板厚的比值，汽體物流進口側(cè)的開孔邊緣情況有關（如銳邊和光滑邊）Wo孔速（ft/S）Y v汽相密度（lb/ft3）Y L3液相密度(lb/ft )對于一定的開孔率，隨孔徑與板厚比值的增大而干板壓降增大，當孔徑與 板厚的比值不變時，隨開孔率減小而干板壓降增大總壓降 p計算如下：當 Wo2(丫 v / Y L)<0.7 時 p = (J5+J6)Wo2 丫 v/ 丫 L(英寸熱液柱)當 Wo2(丫 v / Y l)>0.7 時2 p=(0.67)(j5+j6)(Wo Y v/Y l+0.35)(英寸熱液柱)式中:J6 =4.6 + 6.1(t-do)0.5 + Q2/3Vs J% /

35、 %Q =Ls式中：Vs汽相流率（ft3/S）Ls液相流率（ft3/S）J6壓降系數(shù)t孔間距（in ch）do孔徑（in ch）當Q <2.0時，上式算得的壓降值太小，因此僅 Q=2.0時才使用上式2.6.12板上清液層高度hL板上清液層高度為汽液相流率、密度、開孔面積、孔徑、孔間距及塔板厚度的函數(shù)，它與 p有密切的關系清液層高度計算如下：人ghL = p J5I 嚴+2Q2/3W。2 v L（英寸）式中符號同上式。當Q =1.0時，平均的清液層高度將等于塔壓降，說明Q近于1.0時，穿流塔板將停止有效操作。2.7斜孔塔板2.7.1斜孔塔板系清華大學在七十年代開發(fā)的一種帶降液管的斜篩孔型板

36、。近年來在石化工業(yè)舊裝置改造方面的應用日趨廣泛。2.7.2斜孔塔板屬于汽液并流的結(jié)構(gòu)型式，板上的斜孔按一定方向排布，每排斜孔的開口方向一致，并與液流方向呈垂直，但相鄰兩排斜孔的孔口方向相 反，起到汽流互相牽制的作用。它避免液體在流動方向上被不斷加速，所以板 上液層低，具有壓降低，霧沫夾帶量小，處理能力大等優(yōu)點。雖然液層較低， 還保持有一定的塔板效率。適用于大直徑塔和真空系統(tǒng)。2.7.3單溢流型式的降液管與普通板式塔相似，而多溢流型式的降液管則不同。為適應高的液體負荷，多溢流型式降液管的結(jié)構(gòu)為自封型，它懸掛于塔板 下的汽相空間，降液管底部開有孔口作為液體流出降液管而入下一塔板。相鄰 兩板的降液管

37、呈90°角交叉，這樣可增加板面利用率。但液體流程會短些，可 設法彌補。2.7.4斜孔和排列斜孔形狀如倒扣的簸箕。有開型（K型）和閉型（B型）二種，一般用開 型結(jié)構(gòu)。開型為斜孔前端和兩側(cè)都開口，而閉型僅在前端開口。汽流自開孔處 噴射而出。斜邊與平面呈一夾角。對于大直徑塔，一般孔長取20m m,孔高平均為5mm左右。開孔面積為144mm2。也有例外。通常斜孔間距為22mm左右，排間距為30mm左右，并根據(jù)水力學計算情 況而作調(diào)整。2.7.5對于一般弓形降液管，帶溢流型式的結(jié)構(gòu)，其降液管部分的計算和設 計類同于浮閥塔等板式塔。2.7.6根據(jù)液體負荷的大小來選定液流型式。如一般液流強度為52

38、5m/m.h時，采用單溢流，當液流強度大于 40m/m.h時，采用雙溢流或多溢 流型式。其他情況酌情處理，同時要考慮到塔徑等其他因素的影響。2.7.7為保持塔板上的液面，與其他板式塔一樣，要設置堰，但堰高一般較 低些。以維持塔板上低液層的需要。2.7.8由于斜孔塔板的霧沫夾帶量較小，因此可采用較小的塔板間距，對于塔板數(shù)較多的場合是比較有利的。有時也以增加塔板數(shù)來滿足效率的要求。但 要注意，對于某些降液管控制的系統(tǒng)，是以降液管液位為主的，太小的塔板間 距是不適宜的。2.7.9壓降汽流通過斜孔板的壓降厶P，可分為干板壓降厶p干和有效液層壓降 p有效H-D1-97第# 頁共31 頁H-D1-97第#

39、 頁共31 頁兩項，計算如下：2 y P干些 V（ m液柱）2gL p 有效=0.5（ hw+how）（m 液柱） p=Ap干+ p有效式中：Wo孔速（m/s）丫 v3汽相密度（kg/m ）丫 L液相密度（kg/m3）:阻力系數(shù)hw堰咼（m）how堰上液面咼度（m）上式中的有效液層壓降是估算值。2.7.10霧沫夾帶斜孔板的霧沫夾帶量計算如下:0.157Wg<Ht -hffa 0.7Y v< Y l - Y v 丿0.2（T（kg 液/kg 汽）H-D1-97第# 頁共31 頁H-D1-97第27 頁共31 頁式中:ev霧沫夾帶量（kg液/kg汽）Wg有效空速（m/s）,計算如下:V

40、s汽相流率(m3/s)AT塔截面積(m2)Af降液管面積(m2)hf泡沫層高度(m)hf=FO hL5.3Fo斜孔動能因子hL板上清液層咼度(m)CT表面張力（mN/m）2.7.11漏液(m/s)WgVsA T - A f為:漏液情況與動能因子Fo、板上液面咼度等因素有關?？珊唵伪硎荆ㄗ鲄⒖迹〩-D1-97第# 頁共31 頁H-D1-97第# 頁共31 頁Fo 漏液=8V1000式中:Fo漏液漏液條件下的孔動能因子為保證正常操作，一般 Fo > Fo漏液。 2.7.12降液管中清液層高度hd 降液管中清液層高度計算如下：Hd = p+hi_+hd(m)式中: p 壓降（m液柱）hL板上清

41、液層高度（m）（m液柱）hd液體通過降液管出口的局部阻力（m液柱）hd = 0.153Ls 液相流率（m3/s）lw 堰長（m）ho降液管底間隙（m）H-D1-97第28 頁共31 頁以上是單溢流型式的情況，對于多溢流降液管，計算如下：hHd = p+ （L hO） + hd（ m 液柱）式中： 充氣系數(shù)，一般取0.10.6,對于易發(fā)泡系統(tǒng)，取較低 值。Ls 丫亠、hd = 0.2 :（m 液柱）< A d /Ad多溢流降液管液相出口面積（m2）對于單溢流型式，HdW（HT+hw）對于多溢流型式，HdW（HT+hw-ho）式中：Ht塔板間距（m）這樣可保證降液管中不致產(chǎn)生液泛現(xiàn)象。H-D

42、1-97第36 頁共31 頁3填料塔3.1填料塔作為傳質(zhì)設備已有悠久的使用歷史。過去由于填料塔存在著單 位面積的處理能力和效率隨塔徑的增大而降低的缺點而僅用于小塔徑。近年來 有了新的突破，它已被成功地用于大直徑塔。國外報導美國諾頓公司的金屬環(huán) 矩鞍填料塔直徑為十幾米。我國在石化工業(yè)中亦已普遍地采用填料塔，尤其是 改造工程，因而已積累了一定的使用經(jīng)驗。填料塔的特點是壓降小，持液量小，結(jié)構(gòu)簡單，填料可用耐腐蝕材料制造， 高效填料的處理能力和傳質(zhì)效率可超過相應的板式塔等。但有些填料的價格比 較貴，填料對初始分布較敏感，在塔內(nèi)需要設置再分布裝置，高壓條件下傳質(zhì) 性能降低。3.2填料分為散堆填料和規(guī)則填

43、料兩大類。前者為顆粒型填料如拉西環(huán)， 鮑爾環(huán)，階梯環(huán)，矩鞍型填料等；后者為組合型填料如波紋板，絲網(wǎng)、格柵填 料等。兩種填料各有其特點和適用范圍。目前新型填料以金屬環(huán)矩鞍IMTP (Intalox Metal Tower Packing)和波紋填料 (Mellapak)為主。普遍認為規(guī)則填料比散堆填料價格貴 3550%，而能力和傳 質(zhì)效率高1020%。填料材料有金屬、塑料和陶瓷等。塑料填料具有價格便宜、堆積比重小、 耐腐蝕和加工簡便等優(yōu)點，但耐溫不太高，強度較差，潤濕不易。3.3填料塔的傳質(zhì)性能首先取決于填料，其次是塔內(nèi)件等。塔內(nèi)件的作用 很重要。它要使汽液兩相分布均勻，增進填料潤濕程度，提高傳

44、質(zhì)效率，減小 放大效應。對于填料本身，則需保證質(zhì)量，否則對傳質(zhì)效率等影響較大。目前 填料制造廠家眾多，因而用戶要慎重選擇。3.4選擇填料應考慮下列因素：處理能力壓降傳質(zhì)效率操作范圍耐化學性結(jié)構(gòu)強度成本以上因素與填料類型、尺寸、液體分布裝置等有關。3.5填料持性數(shù)據(jù)主要有以下幾項：比表面a（m2/m3）,為單位體積填料中的填料表面積空隙率& （%）為干塔狀態(tài)下，塔的填料床層內(nèi)凈空間所占的分率操作時，由于填料壁上附有液層，故實際空隙率將低于上述干空隙率。單位體積中填料個數(shù)n堆積重度（kg/m3）為單位體積中填料的重量填料因子（m 1）干填料因子為（a/£ 3）,為表徵填料流體力學

45、特性的數(shù)群。另有實測填料因子，與填料類型和尺寸、材料等有關，對同一種填料， 不同廠家產(chǎn)品有不同的實測值，這可能是制造上的差異引起的。要注意國內(nèi)有 些廠家因無實測手段，提供的是國外或別的廠家的數(shù)據(jù)，僅作參考。3.6填料尺寸大尺寸填料提供較大的處理能力和低的壓降，但傳質(zhì)效率相對亦低，而小 尺寸填料正好相反。對于小尺寸填料，其傳質(zhì)效率在較大程度上受液體分配不 勻的影響，因此考慮填料尺寸的同時，亦要考慮塔徑和液體的均勻分配，過去 是使塔徑與填料直徑之比大于1015,現(xiàn)裝置的塔徑都較大，此值都能達到。3.7傳質(zhì)效率通常以等板高度（HETP）來表示。即每塊理論塔板相當?shù)奶盍细叨?。等?高度與許多因素有關，

46、諸如流體力學因素 （速度、湍流或滯流、氣液接觸狀態(tài)、 壓降、汽液分布情況等），物理因素（密度、粘度、表面張力等），熱力學因素 （汽一液平衡、相對揮發(fā)度等）、傳遞因素（擴散系數(shù)）及操作因素（液汽比） 等。目前尚未能用計算方法來求取。最好還是用實測數(shù)據(jù)，或類似裝置的經(jīng)驗 數(shù)據(jù)。有些經(jīng)驗式可用來求取預計值，供參考用。當采用的填料尺寸增大，雖 然處理能力隨之增大和壓降減小，但 HETP值增大，即傳質(zhì)效率下降，設計中 要考慮此關系。3.8填料高度填料總高度為理論塔板數(shù)與等板高度的乘積。為使填料的處理能力和傳質(zhì)效率不受填充高度的影響或在允許范圍內(nèi)，故需將填料分段填充。FRI在塔徑1.2米的試驗裝置中試驗填

47、料高度為10米，在處理能力和傳質(zhì) 效率方面未有變化。一般考慮填料高度68米左右設再分布器。當液體在床層 頂部分配不是太理想時，可增加填料高度作為安全余量。確定填料高度時，還需考慮支承強度。3.9美國分餾研究公司(FRI)在直徑1.2米和2.4米的蒸餾塔上進行真空 和壓力條件下各種填料的試驗，并提供了計算方法和有關報告?？稍诠こ淘O計 中應用。3.10設計考慮事項填料塔與板式塔不同，板式塔輔助裝置對系統(tǒng)的影響較小，很少超過一塊 理論塔板，而填料塔的輔助裝置與填料的選擇和設計塔尺寸同樣重要。因此設 計工作中要加以重視。設計應考慮以下幾項：填料類型填料尺寸填料高度液體分配液體再分配汽體分配填料支承填料

48、限制器或壓板裝填和清理方法安全系數(shù)另外帶側(cè)線的塔更要注意流動和集液問題。3.11塔徑初算對于散堆填料以下式估算塔徑，作為初始計算時參考。/ _ VL D=113 .,-lg R3(m)O.3O48Ro 2.445式中：V L =V S. V / ( L V )(m/s)Vs 以塔面積為基準的汽速L液相流率3(m /h)丫 V汽相密度(kg/m3)丫 L液相密度(kg/m3)Ro負何截距參數(shù),查FRI塔板設計手冊圖R3斜率參數(shù)，查FRI塔板設計手冊圖以上式求取初估塔徑，再園整到公稱塔徑。根據(jù)工藝要求上式中汽液負荷可用設計負荷或最大負荷。3.12設計壓降厶p設計由于填料塔的壓降較低，往往為此特點而

49、選用填料塔，因此要預先選定工 藝要求的壓降。允許塔壓降、 牡門 P設計=總填料高度(mm水柱/m填料)總填料高度為理論塔板數(shù)乘以最小負荷下的等板高度。理論塔板數(shù)要考慮 到由于進料位置的誤差而增加的安全系數(shù)。另外尚需考慮到輔助裝置的壓降。3.13泛點當填料床層中汽液相互作用而導致過量的持液量時，分離效率迅速下降， 而壓降急增，此時將發(fā)生液泛現(xiàn)象。液泛汽速與填料類型、尺寸、液相流率等 有關。計算方法如下：CSFVSF = v/(L- v)(m/S)恒定液相流率條件：CSF = 0.3048 R2 (R3)(L/2.445A t)式中：Vsf以塔截面為基準的液泛汽速(m/s)Csf液泛能力因子(m/

50、s)丫 v汽相密度(kg/m3)丫 L液相密度3(kg/m )R2液泛截距參數(shù),查FRI塔板設計手冊中圖R3斜率參數(shù)，查FRI塔板設計手冊中圖L液相流率(m3/h)At塔截面積(m2)恒定汽液比條件：彳472.4Csf、CSF =0.3048 R2(R3)丿(m/s)式中：R VL2L ： V L - VVL汽液流率比(kg/kg)根據(jù)上二式算得的液泛汽速，以小值為基準，計算泛點率。即設計汽速與 液泛汽速之比值的百分率。根據(jù)工藝要求選取合適的泛點率。汽液負荷可用最 大值或設計值。R2和R3值是根據(jù)FRI對各種填料所提供的數(shù)據(jù)來查取的。對于未提供的填 料，可用填料因子來查取。但可能會帶來誤差，僅

51、供參考。3.14載點在泛點發(fā)生以前，填料床層中汽相或液相的最大流量，如超過此流量時， 傳質(zhì)效率下降，此點為載點。一般載點在泛點汽速的7595%處。設計時，往往考慮載點率為主。載點的計算方法如下：(m/s)CslVsF =,v/( L - v)恒定液相流率條件：Csl = 0.3048 R0 (R3)(L/2.445At)式中：Vsf以塔截面為基準的載點汽速(m/s)Csl載點能力因子(m/s)丫 v汽相密度(kg/m3)、3丫 l液相密度(kg/m )Ro載點截距參數(shù)，查FRI塔板設計手冊中圖R3斜率參數(shù)，查FRI塔板設計手冊中圖L液相流率（m3/h）At塔截面積（m2）恒定汽液比條件：彳472 .4 CSL 'CSL =0.3048 R0（R3 ） 丿 （m/s）Rvl = VLV LL2-VV L汽液流率比(kg/kg)H