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1、塔的水力学计算手册LG GROUP system office room LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162塔的水力学计算手册1. 目的与适用范围2. 塔设备特性3. 名词术语和定义14. 浮阀/筛孔板式塔盘的设计5. 填料塔的设计1. 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
2、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. 名词术语和定义塔径(tower
3、diameter)，DT塔筒体内壁直径，见图(a)。板间距(tray spacing)， HT塔内相邻两层塔盘间的距离，见图(a)。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。降液管顶部宽度(DC top width)，Wd弓形降液管面积的弦高。掠堰另有算法，见图(a),-(b)。降液管底间隙(DC clearance)， ho降液管底部边缘至塔盘(或受液盘)之间的距离，见图(a)。溢流堰高度(weir height)，hw降液管顶部边缘
4、高出塔板的距离，见图(a)。总的塔盘横截面积(total tower cross-section area)， A以塔内径计算的横截面积，A =冗(D/2)2TT降液管截面积(DC area), 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。净面积(net area， free area)， A、ANf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 A 减去总的降T液管顶部横截面积工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 塔盘布置示意图
5、开孔面积(hole area)， Ah塔盘上总的开孔的面积，即允许气相流体通过的面积。 A = 筛孔数目h单孔面积鼓泡面积(bubbling area， active area)， 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 A 减去总的降T 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。A= A - AB TDi阀缝隙面积(slot area)，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，A = Ndh (N、d、h分别为阀数目、阀径、升程)S v vv v最大阀缝隙面积(open slot area)，ASO当所有浮阀全部开
6、启时的阀缝隙面积。A = Ndh (式中N、d、h为阀数目、阀径、最大升程)SO v v,maxv v,max开孑1率(fractional hole area)，对于浮阀塔盘：为阀缝隙面积与鼓泡面积之比，A=A /Af SO B对于筛孔塔盘：为开孔面积与鼓泡面积之比， A=A/AfhB气相流率(vapor flow rate)， CFS在塔内操作条件下气体的实际体积流量。密度(vapor density，liquid density)，VL在塔内操作条件下气体、液体单位体积的质量。气相负荷(vapor load)， VloadV = CFS(/(-)1/2loadV L V表观气相流速(su
7、perficial vapor velocity)，ss = V /A(式中A为A或A)load B N液相负荷(liquid load),QLQ = GPM/LLweir式中GPM为每分钟流过的加仑，即液相流率；L为堰的长度，以英寸表示weir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)。降液管液相负荷(downcomer liquid load)， QDQ = GPM/ADD在降液管顶部入口处，单位截面积上的清液流率(gal/min/ft2)。液泛(flooding) 在塔内部液相超限地积累。喷雾挟带液泛(spray ent rainme nt floodin
8、g) 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。雾沫挟带液泛(fro th ent rainme nt flooding) 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。降液管返混液泛(downcomer backup flooding)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
9、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。降液管阻塞液泛(downcomer choke flooding) 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。径比(diame ter ratio) 塔径与填料直径之比。填料类型(packing t ype) 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
10、，详见表1，2，3。最小润湿率(minimum wetted rate) 当填料充分润湿所需的最小喷淋量时，单位填料体积的表面积上液体流量。持液量(liquid holdup)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。 表一1乱堆填料(random packing)：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Rasching Ring倍尔(弧)鞍Berl Saddle球形I-Ball,TRI勒辛环Lessing Ring英特洛克斯(矩)鞍Intalox Saddle泰勒花环形Teller Rosett十字隔环Cross-Patition Ring超级矩鞍(Nor ton)
11、Super Intalox Saddle多角螺旋形螺旋环Spiral Ring改进矩鞍(Gli tsch)Ballast Saddle鲍尔(开孔)环Pall (Slotted)Ring改进矩鞍(Koch)Flexi Saddle哈埃派克(Nor ton)Hy-Pak改进矩鞍(Hydronyl)Hydronyl半环(Leva公司)Levapak,Chempak金属环矩鞍(Nor ton)IMTP阶梯环(传质公司)Cascade Ring表一2规整填料(struetured packing):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帕纳帕克苏尔寿格里奇斯特曼GoodloePan
12、apakSulzerGlitschStedman海泊非尔斯普雷帕克墨拉帕克钻石压延HyperfilSpraypakMellapakDiamondExpanded新克洛斯坎农凯雷帕克网孔脉冲New-KlossCannonKerapakPerform(PFG)Impulse表一3高效填料(effective packing):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Dixon干填料因子(packing fac tor)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；
13、为湿填料的空隙率，以表示。 载点(l oading poi nt)在逆流操作的填料塔内，压降随着气相流速的上升而显着变化，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。泛点fl ooding poi nt) 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。漏液(泪)点(weeping point) 上升气速增大到使液体不从筛孔泄漏的操作点。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。参考文献G
14、litsch,Inc,Ballast Tray Design Manual,Bulletin ,3rd Ed. Fractionation Research Inc.SIEVE TRAY DESIGNErnest E. Ludwig, Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants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： 出口堰长度应大于塔径的一半。堰上的液流高度应大于6mm,小于100mm。堰高一般为25100mm，或为板间距的15%, Glitsch取50mm。对粘度大的液体取2575mm；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。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。降液管面积应大于塔截面积的10%。筛孔中心距为5）d，浮阀间距可参考筛孔正三角形排列计算，开孔率一般在0415%。塔
