[電力水利]工藝專業(yè)塔器水力學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)導(dǎo)則

1、1 塔器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)至關(guān)重要。往往塔器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，決定著裝置的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，必須給予重視。1.2 塔器設(shè)計(jì)與工藝流程設(shè)計(jì)有著非常密切的關(guān)系，亦即塔器的選型和水力學(xué)計(jì)算與工藝流程的設(shè)計(jì)計(jì)算是結(jié)合在一起的。有時塔器設(shè)計(jì)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(jì)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(yán)，需要選擇壓降低的板式塔或填料塔，在塔器水力學(xué)計(jì)算后，壓降數(shù)據(jù)要返回工藝作釜溫核算。1.3 一

2、般工藝流程基本確定后，進(jìn)行塔器的選型、設(shè)計(jì)等工作。塔器設(shè)計(jì)涉及到工藝、化學(xué)工程、設(shè)備、儀表、配管等專業(yè)?；瘜W(xué)工程專業(yè)的任務(wù)及與各專業(yè)間關(guān)系另有說明。見化學(xué)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(jìn)料、二股產(chǎn)品的常規(guī)塔發(fā)展為多股進(jìn)料、多側(cè)線，有中間換熱的復(fù)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(shè)計(jì)提出了更高的要求，并推動了塔器設(shè)計(jì)工作的發(fā)展。1.5 近年來電子計(jì)算機(jī)的普及和發(fā)展，為工藝與塔器設(shè)計(jì)提供了有力的工具。我們可應(yīng)用process或pro/等工藝流程模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，得

3、到塔的最大和最小汽液負(fù)荷、密度等數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行分段的塔的水力學(xué)計(jì)算，使工藝和塔的水力學(xué)計(jì)算能同步進(jìn)行，并作多方案比較，求得最佳設(shè)計(jì)。1.6 設(shè)計(jì)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(jìn)料、側(cè)線采出、進(jìn)料狀態(tài)和位置等方面的選擇。1.6.2 塔壓的設(shè)定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?yàn)樗涸龈?，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。1.6.3 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

4、小的回流比，但不能太接近最小回流比，需從投資和操作費(fèi)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。1.6.4 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。1.6.5 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(yīng)根據(jù)工藝需要選擇塔型。各種塔型皆有其特點(diǎn)。如要求負(fù)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

5、司常根據(jù)其使用經(jīng)驗(yàn)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。1.6.6 塔器水力學(xué)計(jì)算根據(jù)工藝流程模擬計(jì)算結(jié)果選取塔器水力學(xué)計(jì)算所需的分段數(shù)和數(shù)據(jù)。應(yīng)選擇同一塊塔板所進(jìn)出汽液物流的數(shù)據(jù)。詳見“塔器水力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)表的說明”。計(jì)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(jì)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(fù)雜，目前尚無準(zhǔn)確可靠的計(jì)算方法，一般還是以實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)為主來確定?？赏ㄟ^有關(guān)計(jì)算，略知效率范圍。再以引進(jìn)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5060%，烴類精分效率為7080

6、%左右，萃取精餾效率為2530%左右，吸收效率一般為30%左右。當(dāng)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(fù)荷下都有滿意的效率。1.6.8 對設(shè)備專業(yè)提出塔器數(shù)據(jù)表和圖其內(nèi)容為進(jìn)料分布和側(cè)線采出設(shè)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(shè)備數(shù)據(jù)表”及其說明。2 板式塔結(jié)構(gòu)及水力學(xué)計(jì)算規(guī)定2.1 各類塔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水力學(xué)計(jì)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)件等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，壓降、泛點(diǎn)率、霧沫夾帶、泄漏等計(jì)算。還有負(fù)荷性能圖或表的計(jì)算?？墒止び?jì)算或電算。2.2 可應(yīng)用的電算軟件，有浮閥板

7、、篩板、穿流塔板和填料塔等。process和pro/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(xué)計(jì)算，但內(nèi)容較為簡單，僅用于方案比較，不能用作詳細(xì)設(shè)計(jì)。2.3 關(guān)于各類塔器結(jié)構(gòu)和水力學(xué)計(jì)算方面的資料可參考化學(xué)工程手冊，第13篇，氣液傳質(zhì)設(shè)備1979年，fri塔板設(shè)計(jì)手冊，procee和pro/手冊等。還有本公司的內(nèi)部資料和軟件應(yīng)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(fù)荷彈性、效率和穩(wěn)定性方面有一定的優(yōu)勢，所以頗受用戶歡迎。計(jì)算方法比較成熟，設(shè)計(jì)使用經(jīng)驗(yàn)亦較豐富。由于浮閥材料一般為不銹鋼，因此費(fèi)用相對較貴，有時制造或安裝不妥，運(yùn)行

8、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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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，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(qiáng)度即每米堰

9、長上每小時液流量（m3/m.hr）和塔徑來考慮。又可根據(jù)設(shè)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(dāng)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(dāng)液流量較小時，采用齒形堰?？刹捎萌切位蛘叫锡X。齒深一般采用15mm左右。目前較少采用內(nèi)堰，往往在采用園形降液管時設(shè)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(fù)雜性，不宜用于易聚合和污垢物系。一般堰長與塔徑之比為0.60.

10、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10mm左右。平堰上液面高度how計(jì)算如下：how = 0.667e ()2/3(m)式中：e液流收縮系數(shù)，查閱化學(xué)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：how = 1.17 ()2/5(m)式中：hn齒深（m)當(dāng)溢流層超過齒頂時：ls = 0.735() how5/2 （howhn)5/2 ss(m3/s)塔板上液層高度hl為：hl = hwhow(m)一般hl不超過100mm，

11、但如塔板間距較大或反應(yīng)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計(jì)算如下：(s)式中：af降液管面積（m2）ht塔板間距（m）通常情況下，在高負(fù)荷時應(yīng)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。2.4.5 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(dāng)然小塔徑（300-800mm）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(diǎn)及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)先初估塔徑，經(jīng)水力學(xué)計(jì)算再作調(diào)整。2.4.6 塔板

12、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(yīng)根據(jù)塔徑和水力學(xué)計(jì)算來確定，一般取350500mm，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(shè)計(jì)負(fù)荷下浮閥處于全開狀態(tài)，此時閥孔動能因數(shù)fo (wo）為911。其中wo為孔速（m/s)gv為汽相密度（kg/m3)亦可采用下式計(jì)算：(m/s)以上適用于重閥。對于輕閥fo將減小1.0左右。2.4.8 泛點(diǎn)率cv=vs式中：cv汽相負(fù)荷因數(shù)（m3/s）

13、f泛點(diǎn)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）0.850.95真空塔0.85中等起泡沫（如油吸收、胺、乙二醇再生塔0.85重度起泡沫（如胺、乙二醇吸收塔）0.73嚴(yán)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(diǎn)負(fù)荷因數(shù)，與板間距和汽相密度有關(guān)。查閱化學(xué)工程手冊，第13篇vs汽相流量（m3/s）gl液相密度 (kg/m3）gv汽相密度 (kg/m3）ls液相流量 （m3/s)上二式中f取大值。一般大直徑塔在高負(fù)荷下f80%。真空系統(tǒng)f75%。小直徑塔f65%

14、。根據(jù)生產(chǎn)要求，即負(fù)荷上下限要求來確定。2.4.9 壓降干板阻力hc=5.34(wo2/2g)(gl/gv) (m液柱）板上液層阻力hl=0.5hl (m液柱）壓降p = hc+hl (m液柱/板）對于v4型浮閥，干板阻力約為上式計(jì)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 = hwhowhd+p (m液柱）式中：hd = 0.153 ()2 (m液柱）hd液相流出降液管的局部阻力（m液柱）ls液相流量（m3/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)一般滿足hd35.76(m3/h)時，應(yīng)乘上修正項(xiàng)如下：exp

15、-0.32(af/at)-0.2(1-(35.76/(l/lw)1.44式中：cbf噴射液泛下以鼓泡面積為基準(zhǔn)的能力因子 (m/s)gv汽相密度 （kg/m3)gl液相密度 （kg/m3)ht塔板間距 （mm）af噴射液泛下自由面積（m2）ab鼓泡面積 （m2）do篩孔徑 （mm）apc孔面積百分?jǐn)?shù)l液相流率 （m3/h）lw堰長 （m）af降液管面積 （m2）at塔面積 （m2） 又 cbf=vbf (m/s)式中：vbf基于鼓泡面積的汽相速度 （m/s）對于每一塔段，應(yīng)滿足下列要求：安全系數(shù)取決于工藝設(shè)計(jì)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

16、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(guān)。當(dāng)篩孔徑在12mm以上時，霧沫夾帶量增加較快。正常設(shè)計(jì)下篩孔塔的霧沫夾帶量不算太大。霧沫夾帶量將控制篩板塔的操作上限。cbe/cbf =1.0+0.305(gv/(gl-gv)- 0.2/ 31+(20 (l/lw)0.2 ) log(ent/vfld)/cbf式中：cbe霧沫夾帶條件下基于鼓泡面積的能力因子 （m/s）cbf噴射液泛下基于鼓泡面積的能力因子 （m/s）gv汽相密度

17、（kg/m3）gl液相密度 （kg/m3）l液相流率 （m3/h）lw堰長 （m）ent霧沫夾帶速率 （kg/h）vfld噴射液泛條件下的汽相流率 （kg/h）vfld=3600 cbf ab gv (gl-gv)0.5 (kg/h) (m/s)式中：ab鼓泡面積 （m2）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(dāng)量清液高度之和。p =273.41 s5 wo2 gv/gl+2.36 fw (v/lw)2/3 +s6 hw mm液柱式中：s5干板壓降系數(shù)，查閱fri塔板設(shè)計(jì)手冊wo孔速 (m/s)gv汽相密度 （kg/m3）gl液相

18、密度 （kg/m3）v液相流率 （m3/h）lw堰長（m）hw堰高 （mm）s6堰高系數(shù)，查閱fri塔板設(shè)計(jì)手冊1校正系數(shù)當(dāng) lw/d0.72時，s9=1.197lw/d0.72時，s9 = 6.025 lw/d-3.141d塔徑 （m）hl當(dāng)量清液高度 （mm）fw收縮系數(shù)當(dāng)lw/d0.72時，fw=1.0 lw/d0.72時，fw = exp-2.353(lw /d-0.72)2.5.14 泄漏泄漏為篩板塔的操作下限。當(dāng)汽速低于泄漏點(diǎn)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(guān)。wo = 4.3210-7(l)0.045(v)-0.55(l-v)1.17(v)-

19、0.55 (.g)-0.125(ao/ab)0.52 (hl)0.32(do)-0.26 (hw)0.45(tt)0.25(g)0.875 (m/s)式中：wo漏液點(diǎn)時的孔速 （m/s)l液相粘度 (kg/s.m)v汽相粘度 (kg/s.m)l液相密度 (kg/m3)v汽相密度 (kg/m3)表面張力 （n/m)g重力加速度 (m/s2)ao孔面積（m2)ab鼓泡面積 （m2)hl漏液點(diǎn)時當(dāng)量清液高度 (mm)do孔徑 （mm）hw修正堰高 （mm）hw = (50.8+3hw)/(hw/25.4)+2tt板厚 （mm）漏液點(diǎn)計(jì)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

20、的結(jié)果如稍有漏液，亦仍可操作，也即可允許存在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(shè)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(yīng)用也日趨廣泛。2.6.2 穿流塔板因?yàn)闆]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(dāng)然它在負(fù)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(shè)幾塊塔板來彌補(bǔ)其某些缺點(diǎn)。2.6.3 穿流塔板由于不具降液管，所以汽液二相均

21、通過篩孔，在汽速低時，液體經(jīng)篩孔淋灑而下，塔板上沒有明顯的液位，此時效率和壓降都很低。當(dāng)汽液負(fù)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(fù)荷的增加，塔板持液量繼續(xù)增加而達(dá)液泛，此時效率亦達(dá)到最大。其負(fù)荷彈性差于其他具降液管的板式塔。尤其在低負(fù)荷時，往往可通過調(diào)節(jié)回流比來保持負(fù)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(fù)荷彈性，在乙烯裝置主要分離系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。2.6.4 波紋塔板(ripple tray)是在平穿流板的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的

22、，即將開有篩孔的平板壓成波紋狀，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(qiáng)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(yīng)液體和汽體負(fù)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(shè)置液體進(jìn)料管式分布器。2.6.6 fri對穿流塔板亦做了有關(guān)的研究工作，并提出了一套計(jì)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(dāng)量直徑用于計(jì)算，下式計(jì)算當(dāng)量直徑：(mm)

23、式中：de當(dāng)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(kuò)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?jǐn)?shù)。當(dāng)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。可根據(jù)液體負(fù)荷大小來選定波高。對于液體負(fù)荷大于20m3/m2h，采用淺波；而液體負(fù)荷大于82 m3/

24、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）dt = 0.3048 (m)式中：dt塔 徑 （m)vl汽相負(fù)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(shè)計(jì)手冊中圖j2板間距參數(shù)，查閱fri塔板設(shè)計(jì)手冊中圖j3體系參數(shù)，查閱fri塔板設(shè)計(jì)手冊中圖 當(dāng)安全系數(shù)取1.0時，求取值為設(shè)計(jì)負(fù)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(fù)荷來估算塔徑。2.6.9 液泛從波峰間的低谷處穿過汽體，使塔板上液體向上噴射或飛濺。當(dāng)汽速增加時，噴射加強(qiáng)，使部分霧滴帶入上一塊塔板。一旦汽速高于導(dǎo)致噴射流

25、高度等于板間距的汽速時，即發(fā)生液泛現(xiàn)象。在恒定汽液比下，液泛汽相負(fù)荷因子計(jì)算如下式：(ft3/s）式中：vs汽相流率 （ ft3/s）ls液相流率 （ft3/s）v汽相密度 （1b/ft3） l液相密度 （1b/ft3）ab鼓泡面積 （ft2）j1j2j3同上（ft3/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 體系液泛為體系的極限處理能力，計(jì)算如下：（vl）極限=0.73at (1-f) (/gl-gv)1/4 1.4ll（ft3/s）式中：vl 汽相負(fù)荷因子 （ft3/s）ll 液相流率 （ft3/s）at 塔截面積 （ft2）l 液相密度 （lb/ft3）v

26、汽相密度 （lb/ft3） 表面張力 （mn/m) （ft3/s）2.6.11 壓降干板壓降如下式：p干=j5wo2v /l（英寸熱液柱）式中：j5干板壓降系數(shù)，查閱fri塔板設(shè)計(jì)手冊中圖，它與百分孔面積，孔徑與板厚的比值，汽體物流進(jìn)口側(cè)的開孔邊緣情況有關(guān)（如銳邊和光滑邊）。wo孔速 （ft/s）v 汽相密度 （lb/ft3）l 液相密度 （lb/ft3）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(dāng)孔徑與板厚的比值不變時，隨開孔率減小而干板壓降增大?？倝航祊計(jì)算如下：當(dāng)wo2(v /l) 0.7時p=(0.67)(j5+j6)(wo2v/l+0.35)（英寸熱液柱）式中：式中：v

27、s 汽相流率 （ft3/s）ls 液相流率 （ft3/s）j6 壓降系數(shù) t 孔間距 （inch）d0 孔徑 （inch）當(dāng)q 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(jì)算如下：hd =p+hl+hd(m)式中：p壓降（m液柱）hl板上清液層高度（m）hd液體通過降液管出口的局部阻力（m液柱）(m液柱）ls液相流率（m3/s）lw堰長（m）ho降液管底間隙（m）以上是單溢流型式的情況，對于多溢流降液管，計(jì)算如下：（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。(m液柱）ad多溢流降液管液相出口面積（m2）對于單溢流型式，hd(ht+hw)對于多溢

28、流型式，hd(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。3 填料塔3.1 填料塔作為傳質(zhì)設(shè)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(diǎn)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(bào)導(dǎo)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(yàn)。填料塔的特點(diǎn)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(yīng)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(shè)置再分布裝置，

29、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(diǎn)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(rèn)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(diǎn)，但耐溫不太高，強(qiáng)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

30、汽液兩相分布均勻，增進(jìn)填料潤濕程度，提高傳質(zhì)效率，減小放大效應(yīng)。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(yīng)考慮下列因素：處理能力壓降傳質(zhì)效率操作范圍耐化學(xué)性結(jié)構(gòu)強(qiáng)度成本以上因素與填料類型、尺寸、液體分布裝置等有關(guān)。3.5 填料持性數(shù)據(jù)主要有以下幾項(xiàng)：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(shí)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

31、表徵填料流體力學(xué)特性的數(shù)群。另有實(shí)測填料因子，與填料類型和尺寸、材料等有關(guān)，對同一種填料，不同廠家產(chǎn)品有不同的實(shí)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(shí)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(dá)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(dāng)?shù)奶盍细叨?。等板高度與許多因

32、素有關(guān)，諸如流體力學(xué)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(xué)因素（汽液平衡、相對揮發(fā)度等）、傳遞因素（擴(kuò)散系數(shù)）及操作因素（液汽比）等。目前尚未能用計(jì)算方法來求取。最好還是用實(shí)測數(shù)據(jù)，或類似裝置的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。有些經(jīng)驗(yàn)式可用來求取預(yù)計(jì)值，供參考用。當(dāng)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(shè)計(jì)中要考慮此關(guān)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(yàn)裝置中試驗(yàn)填料高度

33、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(shè)再分布器。當(dāng)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(qiáng)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(jìn)行真空和壓力條件下各種填料的試驗(yàn)，并提供了計(jì)算方法和有關(guān)報(bào)告?？稍诠こ淘O(shè)計(jì)中應(yīng)用。3.10 設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)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(shè)計(jì)塔尺寸同樣重要。因此設(shè)計(jì)工作中要加以重視。設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾項(xiàng)：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限制器或壓板裝

34、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(jì)算時參考。(m)式中：vl=vsvs以塔面積為基準(zhǔn)的汽速（m/s)l液相流率（m3/h)v汽相密度（kg/m3）l液相密度（kg/m3）ro負(fù)荷截距參數(shù)，查fri塔板設(shè)計(jì)手冊圖r3斜率參數(shù)，查fri塔板設(shè)計(jì)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(fù)荷可用設(shè)計(jì)負(fù)荷或最大負(fù)荷。3.12 設(shè)計(jì)壓降p設(shè)計(jì)由于填料塔的壓降較低，往往為此特點(diǎn)而選用填料塔，因此要預(yù)先選定工藝要求的壓降。p設(shè)計(jì)= (mm水柱/m填料）總填料高度為理論塔板數(shù)乘以最小負(fù)荷下的等板高度。理論塔

35、板數(shù)要考慮到由于進(jìn)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(diǎn)當(dāng)填料床層中汽液相互作用而導(dǎo)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(guān)。計(jì)算方法如下：vsf = (m/s)恒定液相流率條件：式中：vsf以塔截面為基準(zhǔn)的液泛汽速（m/s）csf液泛能力因子(m/s)v汽相密度(kg/m3)l液相密度(kg/m3)r2液泛截距參數(shù)，查fri塔板設(shè)計(jì)手冊中圖r3斜率參數(shù)，查fri塔板設(shè)計(jì)手冊中圖l液相流率（m3/h)at塔截面積（m2）恒定汽液比條件：(m/s)式中：汽液流率比（kg/kg)根據(jù)上二式算得的

36、液泛汽速，以小值為基準(zhǔn)，計(jì)算泛點(diǎn)率。即設(shè)計(jì)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(diǎn)率。汽液負(fù)荷可用最大值或設(shè)計(jì)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，僅供參考。3.14 載點(diǎn)在泛點(diǎn)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(diǎn)為載點(diǎn)。一般載點(diǎn)在泛點(diǎn)汽速的7595%處。設(shè)計(jì)時，往往考慮載點(diǎn)率為主。載點(diǎn)的計(jì)算方法如下：vsf = (m/s)恒定液相流率條件：式中：vsf以塔截面為基準(zhǔn)的載點(diǎn)汽速（m/s）csl載點(diǎn)能力因子(m/s)v汽相密度(kg/m3)l液相密度(kg/m3)ro載點(diǎn)截距參數(shù)，查fri塔板設(shè)計(jì)手冊中圖r3斜率參數(shù)，查fri塔板設(shè)計(jì)手冊中圖l液相流率（m3/h)at塔截面積（m2）恒定汽液比條件：(m/s)汽液流率比（kg/kg)根據(jù)上二式計(jì)算的載點(diǎn)汽速，以小值為基準(zhǔn)，計(jì)算載點(diǎn)率。即設(shè)計(jì)汽速與載點(diǎn)汽速之比值的百分率。根據(jù)工藝要求選取合適的載點(diǎn)率。汽液負(fù)荷可用最大值或設(shè)計(jì)值。ro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，僅供參考。3.15 體系極限當(dāng)改變填料類型或尺寸并不能提