海川化工论坛_塔的水力学计算手册

塔的水力学计算手册1.目的与适用范围.....................................................................................12.塔设备特性.............................................................................................13.名词术语和定义.....................................................................................14.浮阀/筛孔板式塔盘的设计...................................................................15.填料塔的设计.........................................................................................91.目的与适用范围为提高工艺工程师的设计质量,推广计算机应用而编写本手册。本手册是针对气液传质塔设备中的普遍性问题而编写。对于某些具体塔设备的数据(比如:某生产流程中针对某塔设备的板效率而采用的计算关联式,或者对于某吸收填料塔的传质单元高度或等板高度而采用的具体计算公式)则未予收入。本设计手册以应用为主，主要是指导性的计算方法和步骤，并配合相应的计算程序，具体公式及理论推阐可参考有关文献。2.塔设备特性作为气(汽)、液两相传质用的塔设备，首先必须能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以得到较高的传质分离效率。此外，塔设备还应具有以下一些特点：(1)当气(汽)、液处理量过大(超过设计值)时，仍不致于发生大量的雾沫挟带或液泛等影响正常操作的现象。(2)当操作波动(设计值的50％～120％)较大时，仍能维持在较高的传质效率下稳定操作，并具有长期连续操作所必须具备的可靠性。(3)塔压力降尽量小。(4)结构简单、耗材少、制造和安装容易。(5)耐腐蚀、不易堵塞。(6)塔内的滞留液量要小。3.名词术语和定义3.1塔径(towerdiameter)，DT塔筒体内壁直径，见图3.1-(a)。3.2板间距(trayspacing)，HT塔内相邻两层塔盘间的距离，见图3.1-(a)。3.3降液管(downcomer)，DC各层塔盘之间专供液相流体通过的组件，单溢流型塔盘为侧降液管，双溢流型塔盘有侧降液管和中央降液管，三或多溢流型塔盘有侧降液管、偏侧降液管、偏中央降液管及中央降液管。3.4降液管顶部宽度(DCtopwidth)，Wd弓形降液管面积的弦高。掠堰另有算法，见图3.1-(a),-(b)。3.5降液管底间隙(DCclearance)，ho降液管底部边缘至塔盘(或受液盘)之间的距离，见图3.1-(a)。3.6溢流堰高度(weirheight)，hw降液管顶部边缘高出塔板的距离，见图3.1-(a)。3.7总的塔盘横截面积(totaltowercross-sectionarea)，AT以塔内径计算的横截面积，AT=(DT/2)23.8降液管截面积(DCarea)，AD侧降液管、偏侧降液管、偏中央降液管及中央降液管的横截面积。其面积多为弓形，但对于小塔也有采用圆形。对于斜降液管，顶部和底部的横截面积是不同的。3.9净面积(netarea，freearea)，AN、Af气相流体通过塔板间的最小横截面积，即总的塔盘横截面积AT减去总的降液管顶部横截面积AD(包括多流程的中央、偏侧、偏中央降液管的横截面积)，也称自由面积。(a)(b)图3.1塔盘布置示意图3.10开孔面积(holearea)，Ah塔盘上总的开孔的面积，即允许气相流体通过的面积。Ah=筛孔数目单孔面积3.11鼓泡面积(bubblingarea，activearea)，AB用于靠近塔盘平板上气相流动的面积，即总的塔盘横截面积AT减去总的降液管截面积、降液管密封面积(不安装阀件、筛孔的区域)，也称活动面积。AB=AT-ADi3.12阀缝隙面积(slotarea)，AS总的(所有浮阀)垂直开缝面积，即气相离开浮阀时以水平方向流经的面积，AS=Ndvhv(N、dv、hv分别为阀数目、阀径、升程)3.13最大阀缝隙面积(openslotarea)，ASO当所有浮阀全部开启时的阀缝隙面积。ASO=Ndvhv,max(式中N、dv、hv,max为阀数目、阀径、最大升程)3.14开孔率(fractionalholearea)，对于浮阀塔盘：为阀缝隙面积与鼓泡面积之比，Af=ASO/AB对于筛孔塔盘：为开孔面积与鼓泡面积之比，Af=Ah/AB3.15气相流率(vaporflowrate)，CFS在塔内操作条件下气体的实际体积流量。3.16密度(vapordensity，liquiddensity)，V，L在塔内操作条件下气体、液体单位体积的质量。3.17气相负荷(vaporload)，VloadVload=CFS(V/(L-V))1/23.18表观气相流速(superficialvaporvelocity)，ss=Vload/A(式中A为AB或AN)3.19液相负荷(liquidload)，QLQL=GPM/Lweir式中GPM为每分钟流过的加仑，即液相流率；Lweir为堰的长度，以英寸表示液相流经塔盘的通量，单位长度出口堰上的液体体积流率(gal/min/in)。3.20降液管液相负荷(downcomerliquidload)，QDQD=GPM/AD在降液管顶部入口处，单位截面积上的清液流率(gal/min/ft2)。3.21液泛(flooding)在塔内部液相超限地积累。3.21.1喷雾挟带液泛(sprayentrainmentflooding)液相流率很小，塔盘操作在喷雾状态，即塔盘上大部分液体呈液滴形式。当气相流速上升时，这些液滴大都被挟带到上一层塔盘，积累在上一层塔盘而不是流到下一层塔盘。3.21.2雾沫挟带液泛(frothentrainmentflooding)液相流率很大，液相以泡沫形式分散在塔盘上，当气相流速上升时，泡沫高度增加。当塔盘间距较小时，气液两相的泡沫趋近于上一层塔盘，随着这一表层接近上一层塔盘，挟带则迅速增加，引起在上一层塔盘液相积累。3.21.3降液管返混液泛(downcomerbackupflooding)由于塔盘压降、塔盘上泡沫层高度、降液管入口处摩擦阻力等原因，充气的液体返回流进降液管内。当液相流率增大时，所有这些因素也随着加强，当气相流率增大时，塔盘压降也随着增大。当充气液体返流回降液管内超过塔盘间距时，液相就会积累在上一层塔盘，引起降液管返混液泛。3.21.4降液管阻塞液泛(downcomerchokeflooding)当液相流率增大时，降液管中充气液体的流速也增大。超过一定极限后，降液管里和入口处的摩擦阻力就变得过大，混合的泡沫液相不能由此输送到下一层塔盘，则在上一层塔盘引起液相的积累。3.22径比(diameterratio)塔径与填料直径之比。3.23填料类型(packingtype)填料可以分为乱堆填料、规整填料和高效填料，其中每种填料里又依据其形状不同，而分为各种型式填料，详见表3.23－1，3.23－2，3.23－3。3.24最小润湿率(minimumwettedrate)当填料充分润湿所需最小喷淋量时，单位填料体积的表面积上液体流量。3.25持液量(liquidholdup)填料塔操作时在填料空隙中及填料表面上所积存的液体总量。表3.23－1乱堆填料(randompacking)：以乱堆的方式进行装填。环形填料鞍形填料其它填料拉西环RaschingRing倍尔(弧)鞍BerlSaddle球形I-Ball,TRI勒辛环LessingRing英特洛克斯(矩)鞍IntaloxSaddle泰勒花环形TellerRosett十字隔环Cross-PatitionRing超级矩鞍(Norton)SuperIntaloxSaddle多角螺旋形螺旋环SpiralRing改进矩鞍(Glitsch)BallastSaddle鲍尔(开孔)环Pall(Slotted)Ring改进矩鞍(Koch)FlexiSaddle哈埃派克(Norton)Hy-Pak改进矩鞍(Hydronyl)Hydronyl半环(Leva公司)Levapak,Chempak金属环矩鞍(Norton)IMTP阶梯环(传质公司)CascadeRing表3.23－2规整填料(structuredpacking)：排列整齐。绕卷型水平波纹板型垂直波纹板型格栅型其它形式古德洛Goodloe帕纳帕克Panapak苏尔寿Sulzer格里奇Glitsch斯特曼Stedman海泊菲尔Hyperfil斯普雷帕克Spraypak墨拉帕克Mellapak钻石Diamond压延Expanded新克洛斯New-Kloss坎农Cannon凯雷帕克Kerapak网孔Perform(PFG)脉冲Impulse表3.23－3高效填料(effectivepacking)：有较大的比表面积和自由空间。丝网薄金属片金属丝弹簧形丝网Fenske坎农Cannon方形弹簧Heli-pak麦克马洪丝网McMahon狄克松环Dixon3.26干填料因子(packingfactor)表征填料流体力学特性的数群，a/3。其中a为填料的比表面积，以m2/m3表示；为湿填料的空隙率，以％表示。3.27载点(loadingpoint)在逆流操作的填料塔内，压降随着气相流速的上升而显著变化，表明塔内持液量不断增大的过程转折点。有时这一变化规律在局部上看不到一个点，而是一个曲率渐变的曲线。其压降～气相流速变化曲线，由二次幂的关系渐变为三次幂的关系。3.28泛点(floodingpoint)在逆流操作的填料塔内，压降突然直线上升，表明塔内已发生液泛现象的过程转折点，或在不影响精馏效率前提下的最大操作负荷。3.29漏液(泪)点(weepingpoint)上升气速增大到使液体不从筛孔泄漏的操作点。3.30单位制本手册在未加特意注明的情况下，各参数以SI单位制为基准。3.31参考文献Glitsch,Inc,BallastTrayDesignManual,BulletinNo.4900,3rdEd.FractionationResearchInc.SIEVETRAYDESIGNErnestE.Ludwig,AppliedProcessDesignforChemicalandPetrochemicalPlants兰州石油机械研究所“现代塔器技术”，(1984)化学工业出版社“化学工程手册－气液传质设备”,(1979)中国石化出版社“现代填料塔技术指南”,(1998)4.浮阀/筛孔板式塔盘的设计4.1设计原则为满足塔盘水力学性能要求，设计计算时可参考以下几何参数：4.1.1出口堰长度应大于塔径的一半。4.1.2堰上的液流高度应大于6mm，小于100mm。4.1.3堰高一般为25～100mm，或为板间距的15％，Glitsch取50mm。对粘度大的液体取25～75mm；对要求压降小的真空减压塔，堰高可降低到12mm;对要求液体在塔盘上有较长停留时间的反应塔，可高达150mm。4.1.4降液管下端至受液盘间的距离(降液管底间隙)应大于堰上液流高度的1.5倍。一般情况下，液流通过该间隙时流速不大于降液管内流速，通常间隙不小于20～25mm。4.1.5降液管面积应大于塔截面积的10％。4.1.6筛孔中心距为(2.5～5)d0，浮阀间距可参考筛孔正三角形排列计算，开孔率一般在4～15%。4.1.7塔盘上气液接触单元的布置区域(发泡区)与堰之间需要有安定过渡区域：距相邻排筛孔距相邻排浮阀溢流堰(外堰或出口堰)前安定区宽度，mm7670～100内堰(进口堰)前安定区宽度，mm12750～1004.1.8系统因数(