塔的水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)

1、塔的水力學(xué)計(jì)算手冊(cè) 1.目的與適用范圍12.塔設(shè)備特性13.名詞術(shù)語(yǔ)和定義14.浮閥/篩孔板式塔盤的設(shè)計(jì)15.填料塔的設(shè)計(jì)11.目的與適用范圍為提高工藝工程師的設(shè)計(jì)質(zhì)量,推廣計(jì)算機(jī)應(yīng)用而編寫本手冊(cè)。本手冊(cè)是針對(duì)氣液傳質(zhì)塔設(shè)備中的普遍性問題而編寫。對(duì)于某些具體塔設(shè)備的數(shù)據(jù)(比如:某生產(chǎn)流程中針對(duì)某塔設(shè)備的板效率而采用的計(jì)算關(guān)聯(lián)式,或者對(duì)于某吸收填料塔的傳質(zhì)單元高度或等板高度而采用的具體計(jì)算公式)則未予收入。本設(shè)計(jì)手冊(cè)以應(yīng)用為主，主要是指導(dǎo)性的計(jì)算方法和步驟，并配合相應(yīng)的計(jì)算程序，具體公式及理論推闡可參考有關(guān)文獻(xiàn)。2.塔設(shè)備特性作為氣(汽)、液兩相傳質(zhì)用的塔設(shè)備，首先必須能使氣(汽)、液兩相得到充

2、分的接觸，以得到較高的傳質(zhì)分離效率。此外，塔設(shè)備還應(yīng)具有以下一些特點(diǎn)：(1) 當(dāng)氣(汽)、液處理量過大(超過設(shè)計(jì)值)時(shí)，仍不致于發(fā)生大量的霧沫挾帶或液泛等影響正常操作的現(xiàn)象。(2) 當(dāng)操作波動(dòng)(設(shè)計(jì)值的50120)較大時(shí)，仍能維持在較高的傳質(zhì)效率下穩(wěn)定操作，并具有長(zhǎng)期連續(xù)操作所必須具備的可靠性。(3) 塔壓力降盡量小。(4) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗材少、制造和安裝容易。(5) 耐腐蝕、不易堵塞。(6) 塔內(nèi)的滯留液量要小。3.名詞術(shù)語(yǔ)和定義3.1 塔徑(tower diameter)，DT塔筒體內(nèi)壁直徑，見圖3.1-(a)。3.2 板間距(tray spacing)，HT塔內(nèi)相鄰兩層塔盤間的距離， 見圖

3、3.1-(a)。3.3 降液管(downcomer)，DC各層塔盤之間專供液相流體通過的組件，單溢流型塔盤為側(cè)降液管，雙溢流型塔盤有側(cè)降液管和中央降液管，三或多溢流型塔盤有側(cè)降液管、偏側(cè)降液管、偏中央降液管及中央降液管。3.4 降液管頂部寬度(DC top width)，Wd弓形降液管面積的弦高。掠堰另有算法， 見圖3.1-(a),-(b)。3.5 降液管底間隙(DC clearance)，ho降液管底部邊緣至塔盤(或受液盤)之間的距離， 見圖3.1-(a)。3.6 溢流堰高度(weir height)，hw降液管頂部邊緣高出塔板的距離， 見圖3.1-(a)。3.7 總的塔盤橫截面積(tota

4、l tower cross-section area)，AT以塔內(nèi)徑計(jì)算的橫截面積，AT = (DT/2)23.8 降液管截面積(DC area)，AD側(cè)降液管、偏側(cè)降液管、偏中央降液管及中央降液管的橫截面積。其面積多為弓形，但對(duì)于小塔也有采用圓形。對(duì)于斜降液管，頂部和底部的橫截面積是不同的。3.9 凈面積(net area，free area)，AN、Af氣相流體通過塔板間的最小橫截面積，即總的塔盤橫截面積AT減去總的降液管頂部橫截面積AD(包括多流程的中央、偏側(cè)、偏中央降液管的橫截面積)，也稱自由面積。 (a) (b) 圖3.1 塔盤布置示意圖 3.10 開孔面積(hole area)，

5、Ah塔盤上總的開孔的面積，即允許氣相流體通過的面積。 Ah = 篩孔數(shù)目 ´ 單孔面積3.11 鼓泡面積(bubbling area，active area)，AB用于靠近塔盤平板上氣相流動(dòng)的面積，即總的塔盤橫截面積AT減去總的降液管截面積、降液管密封面積(不安裝閥件、篩孔的區(qū)域)，也稱活動(dòng)面積。AB= AT - å ADi3.12 閥縫隙面積(slot area)，AS總的(所有浮閥)垂直開縫面積，即氣相離開浮閥時(shí)以水平方向流經(jīng)的面積，AS = Npdvhv (N、dv、hv 分別為閥數(shù)目、閥徑、升程)3.13 最大閥縫隙面積(open slot area)，ASO當(dāng)所有

6、浮閥全部開啟時(shí)的閥縫隙面積。 ASO = Npdvhv,max (式中N、dv、hv,max為閥數(shù)目、閥徑、最大升程)3.14 開孔率(fractional hole area)，j對(duì)于浮閥塔盤：為閥縫隙面積與鼓泡面積之比，Af=ASO/AB對(duì)于篩孔塔盤：為開孔面積與鼓泡面積之比，Af=Ah/AB3.15 氣相流率(vapor flow rate)，CFS在塔內(nèi)操作條件下氣體的實(shí)際體積流量。3.16 密度(vapor density，liquid density)，rV，rL在塔內(nèi)操作條件下氣體、液體單位體積的質(zhì)量。3.17 氣相負(fù)荷(vapor load)，VloadVload = CFS&

7、#180;(rV/(rL-rV)1/23.18 表觀氣相流速(superficial vapor velocity)，nsns = Vload/A (式中A為AB或AN)3.19 液相負(fù)荷(liquid load)，QLQL = GPM/Lweir 式中GPM為每分鐘流過的加侖，即液相流率；Lweir為堰的長(zhǎng)度，以英寸表示液相流經(jīng)塔盤的通量，單位長(zhǎng)度出口堰上的液體體積流率(gal/min/in)。3.20 降液管液相負(fù)荷(downcomer liquid load)，QDQD = GPM/AD在降液管頂部入口處，單位截面積上的清液流率(gal/min/ft2)。3.21 液泛(flooding

8、)在塔內(nèi)部液相超限地積累。 噴霧挾帶液泛(spray entrainment flooding)液相流率很小，塔盤操作在噴霧狀態(tài)，即塔盤上大部分液體呈液滴形式。當(dāng)氣相流速上升時(shí)，這些液滴大都被挾帶到上一層塔盤，積累在上一層塔盤而不是流到下一層塔盤。 霧沫挾帶液泛(froth entrainment flooding)液相流率很大，液相以泡沫形式分散在塔盤上，當(dāng)氣相流速上升時(shí)，泡沫高度增加。當(dāng)塔盤間距較小時(shí)，氣液兩相的泡沫趨近于上一層塔盤，隨著這一表層接近上一層塔盤，挾帶則迅速增加，引起在上一層塔盤液相積累。 降液管返混液泛(downcomer backup flooding)由于塔盤壓降、塔盤

9、上泡沫層高度、降液管入口處摩擦阻力等原因，充氣的液體返回流進(jìn)降液管內(nèi)。當(dāng)液相流率增大時(shí)，所有這些因素也隨著加強(qiáng)，當(dāng)氣相流率增大時(shí)，塔盤壓降也隨著增大。當(dāng)充氣液體返流回降液管內(nèi)超過塔盤間距時(shí)，液相就會(huì)積累在上一層塔盤，引起降液管返混液泛。 降液管阻塞液泛(downcomer choke flooding)當(dāng)液相流率增大時(shí)，降液管中充氣液體的流速也增大。超過一定極限后，降液管里和入口處的摩擦阻力就變得過大，混合的泡沫液相不能由此輸送到下一層塔盤，則在上一層塔盤引起液相的積累。3.22 徑比(diameter ratio)塔徑與填料直徑之比。3.23 填料類型(packing type)填料可以分為

10、亂堆填料、規(guī)整填料和高效填料，其中每種填料里又依據(jù)其形狀不同，而分為各種型式填料，詳見表3.231，3.232，3.233。3.24 最小潤(rùn)濕率(minimum wetted rate)當(dāng)填料充分潤(rùn)濕所需的最小噴淋量時(shí)，單位填料體積的表面積上液體流量。3.25 持液量(liquid holdup)填料塔操作時(shí)在填料空隙中及填料表面上所積存的液體總量。表3.231 亂堆填料(random packing)：以亂堆的方式進(jìn)行裝填。環(huán)形填料鞍形填料其它填料拉西環(huán)Rasching Ring倍爾(弧)鞍Berl Saddle球形I-Ball,TRI勒辛環(huán)Lessing Ring英特洛克斯(矩)鞍Inta

11、lox Saddle泰勒花環(huán)形Teller Rosett十字隔環(huán)Cross-Patition Ring超級(jí)矩鞍(Norton)Super Intalox Saddle多角螺旋形螺旋環(huán)Spiral Ring改進(jìn)矩鞍(Glitsch)Ballast Saddle鮑爾(開孔)環(huán) Pall (Slotted)Ring改進(jìn)矩鞍(Koch)Flexi Saddle哈埃派克(Norton)Hy-Pak改進(jìn)矩鞍(Hydronyl)Hydronyl半環(huán)(Leva公司)Levapak,Chempak金屬環(huán)矩鞍(Norton)IMTP階梯環(huán)(傳質(zhì)公司)Cascade Ring表3.232 規(guī)整填料(structur

12、ed packing)：排列整齊。繞卷型水平波紋板型垂直波紋板型格柵型其它形式古德洛Goodloe帕納帕克Panapak蘇爾壽Sulzer格里奇Glitsch 斯特曼Stedman海泊菲爾Hyperfil斯普雷帕克Spraypak墨拉帕克Mellapak鉆石Diamond 壓延Expanded新克洛斯New-Kloss坎農(nóng)Cannon凱雷帕克Kerapak網(wǎng)孔Perform(PFG)脈沖Impulse表3.233 高效填料(effective packing)：有較大的比表面積和自由空間。絲網(wǎng)薄金屬片金屬絲彈簧形絲網(wǎng)Fenske坎農(nóng)Cannon方形彈簧Heli-pak麥克馬洪絲網(wǎng)McMahon

13、狄克松環(huán)Dixon3.26 干填料因子(packing factor)表征填料流體力學(xué)特性的數(shù)群，a/e3。其中a為填料的比表面積，以m2/m3表示；e為濕填料的空隙率，以表示。3.27 載點(diǎn)(loading point)在逆流操作的填料塔內(nèi)，壓降隨著氣相流速的上升而顯著變化，表明塔內(nèi)持液量不斷增大的過程轉(zhuǎn)折點(diǎn)。有時(shí)這一變化規(guī)律在局部上看不到一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)曲率漸變的曲線。其壓降氣相流速變化曲線，由二次冪的關(guān)系漸變?yōu)槿蝺绲年P(guān)系。3.28 泛點(diǎn)(flooding point)在逆流操作的填料塔內(nèi)，壓降突然直線上升，表明塔內(nèi)已發(fā)生液泛現(xiàn)象的過程轉(zhuǎn)折點(diǎn)，或在不影響精餾效率前提下的最大操作負(fù)荷。3.

14、29 漏液(淚)點(diǎn)(weeping point)上升氣速增大到使液體不從篩孔泄漏的操作點(diǎn)。3.30 單位制本手冊(cè)在未加特意注明的情況下，各參數(shù)以SI單位制為基準(zhǔn)。3.31 參考文獻(xiàn)Glitsch,Inc,Ballast Tray Design Manual,Bulletin No.4900,3rd Ed. Fractionation Research Inc."SIEVE TRAY DESIGN"Ernest E. Ludwig, "Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants"

15、蘭州石油機(jī)械研究所“現(xiàn)代塔器技術(shù)”，(1984)化學(xué)工業(yè)出版社“化學(xué)工程手冊(cè)氣液傳質(zhì)設(shè)備”,(1979)中國(guó)石化出版社“現(xiàn)代填料塔技術(shù)指南”,(1998)4.浮閥/篩孔板式塔盤的設(shè)計(jì)4.1 設(shè)計(jì)原則為滿足塔盤水力學(xué)性能要求，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可參考以下幾何參數(shù)： 出口堰長(zhǎng)度應(yīng)大于塔徑的一半。 堰上的液流高度應(yīng)大于6mm，小于100mm。 堰高一般為25100mm，或?yàn)榘彘g距的15，Glitsch取50mm。對(duì)粘度大的液體取2575mm；對(duì)要求壓降小的真空減壓塔，堰高可降低到12mm;對(duì)要求液體在塔盤上有較長(zhǎng)停留時(shí)間的反應(yīng)塔，可高達(dá)150mm。 降液管下端至受液盤間的距離(降液管底間隙)應(yīng)大于堰上液流高

16、度的1.5倍。一般情況下，液流通過該間隙時(shí)流速不大于降液管內(nèi)流速，通常間隙不小于2025mm。 降液管面積應(yīng)大于塔截面積的10。 篩孔中心距為(2.55)d0，浮閥間距可參考篩孔正三角形排列計(jì)算，開孔率一般在415%。 塔盤上氣液接觸單元的布置區(qū)域(發(fā)泡區(qū))與堰之間需要有安定過渡區(qū)域：距相鄰排篩孔距相鄰排浮閥溢流堰(外堰或出口堰)前安定區(qū)寬度，mm7670100內(nèi)堰(進(jìn)口堰)前安定區(qū)寬度，mm12750100 系統(tǒng)因數(shù)(system factor)表征物系的發(fā)泡趨勢(shì)，取值0.151.0。不同模型、計(jì)算程序中的選值范圍不盡相同，略有出入。 根據(jù)機(jī)械安裝/檢修的要求，板間距通常大于460mm。但隨

17、塔徑變化也可取不同值。標(biāo)準(zhǔn)塔徑，mm最小板間距，mm< 800300< 1600350> 1600450該值且隨著塔盤處理能力增大而增加，一直取到極限值：氣相密度小于32kg/m3(2 lb/ft3)時(shí)，極限值為1224mm(48in)；氣相密度很高時(shí)，極限值<1224mm(48in)；當(dāng)氣相密度rV = 8 kg/m3(5.5 lb/ft3)時(shí)，板間距大于300mm的負(fù)荷系數(shù)為0.27。 降液管內(nèi)澄清液層高度(downcomer backup)應(yīng)小于板間距的一半。 干板壓降一般小于50mm水柱，假如降液管內(nèi)清液柱高度小于板間距的一半,則可取至85mm水柱。 塔盤上液相

18、流動(dòng)形式(flow paths)取決于液相負(fù)荷的范圍，單流型(SXF)是最常用的；當(dāng)塔徑較大，或液相負(fù)荷較大時(shí)，宜采用雙流型(DXF)，甚至三、四流型 (TXF、QXF)或階梯型(Cascade)；在液氣比很小時(shí)才采用U形流型。液相負(fù)荷(m3/h)與板型的關(guān)系：塔徑，mmU形流型單流型雙流型階梯型1000< 7< 451400< 9< 702000< 11< 90901603000< 11< 1101102002003004000< 11< 1101102302303505000< 11< 1101102502504006

19、000< 11< 110110250250450 降液管下端出口處液流速度(velocity under DC)一般小于0.30.4米/秒，降液管內(nèi)液流速度根據(jù)物系發(fā)泡趨勢(shì)在0.050.12m/sec之間選取，發(fā)泡嚴(yán)重物系取小者(降液管內(nèi)液流速度 = 液相負(fù)荷/降液管橫截面積)。 液流在降液管內(nèi)的停留時(shí)間t(DC residence time)通常大于4秒，通常 對(duì)于低發(fā)泡及中等發(fā)泡物系，t > 34 秒 對(duì)于較高發(fā)泡及嚴(yán)重發(fā)泡物系，t > 57 秒 塔盤上液面梯度(堰上溢流強(qiáng)度)取90m3/m×hr，一般在50130m3/m×hr之間。 當(dāng)液量過小

20、時(shí)，可采用齒型堰(notched weir)； 當(dāng)堰上溢流強(qiáng)度大于810 GPM/Lweir時(shí)，則應(yīng)使用凹形受液盤(inlet pot)； 當(dāng)堰上溢流強(qiáng)度大于15 GPM/Lweir時(shí)，則宜增加溢流程數(shù)(Number of flow paths or pass)或增加堰長(zhǎng)(weir lenght)或改為后掠式堰(swept-back weir)。 閥孔氣速太低會(huì)導(dǎo)致漏液，塔盤操作下限即漏液氣速。最低閥孔動(dòng)能因子(閥孔氣速´(氣相密度)1/2)應(yīng)大于56米/秒。Glitsch規(guī)定閥孔氣速必須大于 C1/(rV/(rL-rV)1/2對(duì)于V-1型浮閥C1 = 0.0915；V-4型浮閥C1

21、 = 0.183;當(dāng)堰高為25mm時(shí)， V-1型浮閥C1 = 0.122；V-4型浮閥C1 = 0.213 對(duì)于新塔設(shè)計(jì)，建議按設(shè)計(jì)負(fù)荷不大于泛點(diǎn)負(fù)荷的82%來(lái)設(shè)計(jì)塔徑。若要求塔盤能夠在設(shè)計(jì)負(fù)荷的110%下操作，就要以0.82/1.1 = 0.75的液泛系數(shù)(flood factor)做為最大值來(lái)設(shè)計(jì)塔徑。減壓真空塔的液泛系數(shù)一般小于0.77，霧沫挾帶量不大于10%。較高的液泛系數(shù)可以計(jì)算出較小的塔，但會(huì)造成過多的霧沫挾帶(e = 氣相中液滴霧沫量/總的液相量)，對(duì)于實(shí)際操作，塔徑偏小。對(duì)于塔徑小于900mm的塔盤，液泛系數(shù)取0.650.75。4.2 設(shè)計(jì)步驟 塔徑初估 (1) Smith法歸

22、納了工業(yè)塔數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化關(guān)聯(lián)，可做為初步估算塔徑之用。由Smith初估塔徑圖中查得C值(表面張力為20dyn/cm時(shí)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù))，經(jīng)過系統(tǒng)表面張力修正后,算出塔盤上允許的有效空塔速度及塔徑。 (2) 有效截面積法的基本出發(fā)點(diǎn)是分別估算氣相通道及液相通道的橫截面積；按總的塔盤橫截面積減去總的降液管截面積計(jì)算有效空塔速度，根據(jù)液相負(fù)荷及分界粘度計(jì)算允許液流最大速度。塔截面積為這兩部分截面積之和，以此初估塔徑。 塔盤布置 (1) 根據(jù)塔徑及流體負(fù)荷量而確定流動(dòng)形式(溢流程數(shù))。 (2) 根據(jù)塔徑、氣液相負(fù)荷而確定降液管型式，液流在降液管內(nèi)的停留時(shí)間(經(jīng)計(jì)算得出)也是塔盤設(shè)計(jì)中重要指標(biāo)之一。 (3) 溢流

23、堰起著維持塔盤上液位、使液體均勻分布的作用。 a. 單溢流型塔盤的堰長(zhǎng)可取塔徑的0.60.8倍，對(duì)于雙溢流型的塔盤，堰長(zhǎng)可取塔徑的0.50.7倍，并盡量使中央降液管面積等于兩側(cè)降液管面積之和； b. 為保證堰上溢流強(qiáng)度不致過大，堰的高度可適當(dāng)降低； c. 當(dāng)堰的上邊緣各點(diǎn)水平度偏差過大或堰上溢流強(qiáng)度過小時(shí)，可采用齒型堰； d. 為保證上一層塔盤的液相經(jīng)過降液管流入的液體能在塔盤上均勻分布，并減少降液管底部出口處的水平?jīng)_擊，可設(shè)置內(nèi)堰，堰高必須保證液封； e. 當(dāng)液相流量很大時(shí)，設(shè)置凹形受液盤應(yīng)避免壓降過大。 (4) 設(shè)置塔盤上其它非鼓泡區(qū)域是為了消除泡沫挾帶 a. 外堰前安定區(qū)寬度取70100

24、mm， 內(nèi)堰前安定區(qū)寬度取50100mm，小塔徑中的安定區(qū)域酌減； b. 為支撐塔盤及內(nèi)件，塔壁邊緣區(qū)寬度一般取50mm，大塔徑邊緣區(qū)寬度一般取60mm以上； 計(jì)算塔盤的操作能力的準(zhǔn)則 (1) 氣相負(fù)荷泛點(diǎn)率最小鼓泡面積/鼓泡面積。 (2) 以可以允許的氣速為判據(jù)設(shè)計(jì)塔盤。 (3) 恒定氣液比情況下的泛點(diǎn)率。 (4) 以漏液點(diǎn)做為氣相負(fù)荷下限。 (5) 以霧沫挾帶量e < 0.1kg液體/kg氣體做為氣相負(fù)荷上限。 (6) 以堰上最小溢流強(qiáng)度做為液相負(fù)荷下限。 (7) 以板上最高清液層做為液相負(fù)荷上限。 計(jì)算降液管的操作能力的準(zhǔn)則 氣體穿過塔盤的總壓降 = 干板壓降穿過液層的壓降4.3

25、設(shè)計(jì)范例4.3.1 格里奇(Glitsch)重盤式浮閥(Ballast tray)設(shè)計(jì)范例：設(shè)計(jì)一個(gè)雙溢流型塔盤，板間距(HT)為20英寸。主要數(shù)據(jù)如下，實(shí)際板數(shù)為75塊，V-1閥型。氣相負(fù)荷為271500磅/小時(shí)，密度rV為2.75磅/英尺3液相負(fù)荷為259100磅/小時(shí)，密度rL為29.33磅/英尺3 按最大負(fù)荷設(shè)計(jì)相應(yīng)的降液管截面積，用戶規(guī)定在小于70%泛點(diǎn)率(FF)的要求下做塔盤設(shè)計(jì)，即液泛系數(shù)FF = 0.7。本系統(tǒng)物系為不發(fā)泡，系統(tǒng)發(fā)泡因數(shù)取1.0。液相流率GPM = 259100 / 29.33 = 8834 英尺3/小時(shí) = 1100 (美)加侖/分選取雙流型塔盤，NP = 2

26、氣相流率CFS = 271500 /2.75/3600 = 27.4 英尺3/秒氣相負(fù)荷Vload = CFS ´ (rV / (rL - rV) )1/2 = 27.4´(2.75/(29.33 - 2.75)1/2 = 8.86 英尺3/秒設(shè)計(jì)氣速VDdsg = 7.5 ´ (TS)1/2 ´ (rL - rV)1/2 ´ system factor = 7.5´(20)1/2´(29.33-2.75)1/2´1.0 = 170加侖/分/英尺2由附圖5a查得 CAFO = 0.395 英尺/秒負(fù)荷因子CAF =

27、 CAFO ´ system factor = 0.395´1.0 = 0.395英尺/秒由附圖6查得塔徑DT(初估值) = 7英尺5英寸(基于24英寸板間距和80%泛點(diǎn)率)流程長(zhǎng)度FPL(初估值) = 9 ´ DT(初估值) / NP = 9´7.5/2 = 33.7英寸最小鼓泡區(qū)面積AAM = (Vload + GPM ´ FPL / 13000) / (CAF ´ FF) = (8.86+1100´33.7/13000)/(0.395´0.7)=42.5英尺2最小降液管截面積ADM = GPM / (VDds

28、g ´ FF) = 1100/(170´0.7) = 9.25英尺2最小塔截面積AT×MIN = AB×MIN + 2 ´ AD×MIN = 42.5+2´9.25 = 61英尺2塔徑DT = (AT×MIN / (p / 4)1/2 = (61/0.7854)1/2 = 8.8英尺 (取9英尺或108英寸)塔截面積AT = p ´ r2 = p ´DT 2/4 = 0.7854´92 = 63.62英尺2總的降液管截面積åAD = AT ´ AD×MIN

29、 / AT×MIN = 63.62´9.25/61 = 9.9英尺2降液管截面積大于塔截面積10%(åAD>10%AT)，符合設(shè)計(jì)原則。中央降液管寬度H3 = WF ´ AD / DT = 12´9.9/9 = 13.2英寸其中由下表查得WF = 12 降液管面積比率，寬度系數(shù)，WF程數(shù)AD1AD3AD5AD7H3H5H720.51-12-30.34-0.66-8.63-40.250.50.5-66.78-50.2-0.40.4-5.665.5側(cè)降液管截面積AD1 = 9.9/2 = 4.95英尺2AD1/AT = 4.95/63.62

30、= 0.0777，繼而由附表4查得H1/DT = 0.1315側(cè)降液管寬度H1 = 0.1315 ´ DT = 0.1315´108 = 14.2英寸流程長(zhǎng)度FPL模數(shù) = (WF ´ DT - (2´H1 + H3 + 2´H5 + 2´H7)/NP = (12´9-(2´14.2+13.2)/2=33.2英寸其中NP=2，所以H5 = 0；H7 = 0。經(jīng)計(jì)算FPL模數(shù)為32.5或34英寸，取32.5英寸。取整后，H1=14.5英寸；H3=14英寸。側(cè)降液管(弓形)截面積AD1 = 扇形面積 - 三角形面積扇形

31、面積 = q / 360 ´ p ´ r2 = q / 360 ´ p ´ DT 2/4其中弧心角q = 2 ´ cos-1(r - H1)/r) = 2 ´ cos-1(1 - H1/DT)三角形面積 = (r - H1)´(r2 - (r - H1)2)1/2 = (DT/2 - H1)´(DT 2/4 - (DT/2 - H1)2)1/2計(jì)算得AD1 = 5.09英尺2；2 ´ AD1=10.18英尺2。中央降液管(雙圓缺形)截面積AD3 = 矩形面積 + 2 ´ 弓形面積 矩形面積 =

32、2 ´ ( r2 - (H3/2)2)1/2´ H3 = 2 ´ (DT2/4 - (H3/2)2)1/2´ H3弓形面積 = 扇形面積 - 三角形面積扇形面積 = q / 360 ´ p ´ r2 = q / 360 ´ p ´ DT 2/4其中弧心角q = 2 ´ sin-1(H3/2)/r) = 2 ´ sin-1(H3/DT)三角形面積 = (H3/4) ´ (DT 2 - H32)1/2 當(dāng) 2H3/DT很小時(shí)， AD3 = 矩形面積 = DT ´ H3 = 10.

33、5英尺2平均降液管面積 AD = (2´AD1 + AD3) / 2 = 10.34英尺2鼓泡區(qū)面積 AB = AT - (2´AD1 + AD3 + 2´AD5 + 2´AD7) 或 AB = AT - 2´AD = 63.62-20.68 = 42.94英尺2其中NP=2，為雙流型塔盤，AD5 = 0；AD7 = 0。泛點(diǎn)率% = 100 ´ (Vload + GPM ´ FPL / 13000) / (AB ´ CAF) = 100´(8.86+1100´32.5/13000)/(42.9

34、4´0.395) = 68.6%或泛點(diǎn)率% = 100 ´ Vload / (AT ´ CAF ´ (p/4) = (100)´(8.86)/(63.62´0.395´0.7854) = 45.2%取兩式較大值，泛點(diǎn)率為68.6%，小于80%，符合設(shè)計(jì)原則。 精餾研究公司(FRI)篩孔塔盤(RSVP)設(shè)計(jì)范例：本例為一真空精餾塔，塔的允許壓降為105mmHg。理論板數(shù)為45，假設(shè)板效率為40%，對(duì)于進(jìn)料位置有10塊附加板，則總板數(shù)為120塊。若設(shè)計(jì)為一個(gè)單塔，則壓力降為0.55英寸液柱/板，對(duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)，就太低了。若設(shè)計(jì)為兩

35、個(gè)塔(分為提餾塔和精餾塔)，每個(gè)塔60塊板，則壓力降為1.1英寸液柱/板，設(shè)計(jì)塔徑為8英尺左右。本設(shè)計(jì)為三個(gè)塔，每個(gè)塔40塊板，則壓力降Dpdsg為1.65英寸液柱/板。精餾段塔氣相負(fù)荷為29000磅/小時(shí)，密度rV為0.018磅/英尺3，液相負(fù)荷為24000磅/小時(shí)，密度rL為52磅/英尺3。氣相流率CFS = 29000 /0.018/3600 = 447.53 英尺3/秒Vload = CFS´(rV/(rL-rV)1/2 = 8.33 英尺3/秒液相流率GPM = 24000 / 52 = 461.54 英尺3/小時(shí) = 58 加侖/分 = 24000/52/3600 = 0

36、.13 英尺3/秒S7 = Vload/GPM = 8.33/0.13 = 64DT = (4.7 ´ Vload) / (DPdsg - 0.7)1/2)1/2 = (4.7´8.33)/(1.65-0.7)1/2)1/2 = 6.34英尺 進(jìn)料段塔氣相負(fù)荷為30000磅/小時(shí)，密度rV 為0.029磅/英尺3，液相負(fù)荷為33000磅/小時(shí)，密度rL為53磅/英尺3。氣相流率CFS = 30000 /0.029/3600 = 287.36 英尺3/秒Vload = CFS´(rV/(rL-rV)1/2 = 6.71 英尺3/秒液相流率GPM = 33000 /

37、53 = 622.64 英尺3/小時(shí) = 78 加侖/分 = 33000/53/3600 = 0.17 英尺3/秒S7 = Vload/GPM = 6.71/0.17 = 40DT = (4.7 ´ Vload)/(DPdsg - 0.7)1/2)1/2 = (4.7´6.71)/(1.65-0.7)1/2)1/2 = 5.69 英尺 提餾段塔氣相負(fù)荷為31000磅/小時(shí)，密度rV為0.042磅/英尺3，液相負(fù)荷為34000磅/小時(shí)，密度rL為54磅/英尺3。氣相流率CFS = 31000 /0.042/3600 = 205.03 英尺3/秒Vload = CFS´

38、;(rV/(rL-rV)1/2 = 5.71 英尺3/秒液相流率GPM = 34000 / 54 = 629.63 英尺3/小時(shí) = 79 加侖/分= 34000/54/3600 = 0.18 英尺3/秒S7 = Vload/GPM = 4.71/0.18 = 32DT = (4.7 ´ Vload) / (DPdsg - 0.7)1/2)1/2 = (4.7´5.71)/(1.65-0.7)1/2)1/2 = 5.25 英尺 三段塔徑圓整后統(tǒng)一取6.5英尺。塔盤布置設(shè)計(jì)精餾段塔進(jìn)料段塔提餾段塔塔徑，英尺6.56.56.5板間距，英尺2.01.51.5塔截面積，英尺233.

39、233.233.2堰長(zhǎng)，英寸787878降液管弦長(zhǎng)，英寸505050降液管弦長(zhǎng)/塔徑0.6410.6410.641降液管面積，英尺22.142.142.14降液管受液盤面積，英尺22.142.142.14降液管受液盤高度，英寸0.50.50.5降液管底間隙，英寸0.50.50.5降液管底面積，英尺20.170.170.17不開孔面積，英尺20.920.920.92鼓泡面積，英尺2282828流路寬度，英寸696969流路長(zhǎng)度，英寸606060孔徑，英寸¼¼¼板厚，英寸1/81/81/8孔徑/板厚222孔面積，英尺24.293.63.07開孔率，%15.312.91

40、1液泛的氣相負(fù)荷，英尺3/秒10.098.718.62安全系數(shù)1.211.31.515.填料塔的設(shè)計(jì)5.1 設(shè)計(jì)原則 對(duì)于一般亂堆填料，壓降應(yīng)小于200250mm水柱/米填料層,才不會(huì)發(fā)生液泛。 (1) 對(duì)于操作壓力降在125167mm水柱/米填料層的低中壓填料塔， 應(yīng)選擇壓力降在6383mm水柱/米填料層的填料； (2) 對(duì)于吸收和相似體系，應(yīng)選擇壓力降在1763mm水柱/米填料層的填料； (3) 對(duì)于常壓或加壓蒸餾，應(yīng)選擇壓力降在4283mm水柱/米填料層的填料； (4) 對(duì)于真空蒸餾，隨物系而定， 選擇壓力降在821mm水柱/米填料層的填料； (5) 對(duì)于泡沫物系，應(yīng)選擇壓力降在821m

41、m水柱/米填料層的填料； (6) 對(duì)于無(wú)泡沫物系，處理能力與表面張力無(wú)關(guān)。但在有泡沫的條件下，處理能力將受到表面張力顯著影響，因而設(shè)計(jì)必須選用正常無(wú)泡沫液體的50%操作壓力降； (7) 對(duì)于粘度mL < 30cp的液體，粘度處理能力的影響甚微，而對(duì)于高粘度的液體，應(yīng)選擇較大的填料以減少壓力降。 填料層持液量應(yīng)小于塔釜持液量的5%，以保證塔效率。 填料塔蒸餾過程中的氣液容積比相對(duì)于吸收過程要小得多，設(shè)計(jì)塔徑一般小于800mm，填料層高度一般小于67米，以保證液體噴淋均勻。5.1.4 拉西環(huán)的“徑比”為2030；鮑爾環(huán)等一類環(huán)形填料的“徑比”為1015；鞍形填料的“徑比”下限為15；當(dāng)DT

42、£ 300mm時(shí)，填料公稱尺寸2025mm; 當(dāng)300mm £ DT £ 900mm時(shí)，填料公稱尺寸2538mm； 當(dāng)DT ³ 900mm時(shí)，填料公稱尺寸5080mm。 填料的負(fù)荷上限表征了其相對(duì)生產(chǎn)能力，一些填料的負(fù)荷上下限如下：25mm38mm50mm拉西環(huán)1.001.001.00矩鞍環(huán)1.321.201.23鮑爾環(huán)1.551.601.50階梯環(huán)1.701.761.65鞍環(huán)2.052.021.95 填料的負(fù)荷因子FS = W(rV)1/2 也表征了設(shè)計(jì)氣體負(fù)荷，某些填料的FS如下：25mm38mm50mm矩鞍環(huán)1.191.451.70鮑爾環(huán)1.351

43、.832.00鞍環(huán)1.761.972.205.1.7 部分填料的等板高度HETP表征了其相對(duì)分離效率，部分填料的HETP如下：25mm38mm50mm矩鞍環(huán)430550750鮑爾環(huán)420540710鞍環(huán)4305306505.1.8 部分填料在相同氣速下的相對(duì)壓降：25mm38mm50mm矩鞍環(huán)1.001.001.00鮑爾環(huán)1.693.062.64鞍環(huán)0.500.520.43 常用填料的噴淋點(diǎn)密度： 當(dāng)DT³1200mm時(shí)，每230cm2塔截面積內(nèi)設(shè)置一個(gè)噴淋點(diǎn)； 當(dāng)DT = 750mm時(shí)，每60cm2塔截面積內(nèi)設(shè)置一個(gè)噴淋點(diǎn)； 當(dāng)DT = 400mm時(shí)，每30cm2塔截面積內(nèi)設(shè)置一個(gè)噴淋點(diǎn)。 對(duì)于波紋填料，因其效率較高，對(duì)液體均布要求苛刻，每2090cm2塔