四溢流塔板的優化設計

陳 亮，普 天，趙萌瑩

(新疆化工設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

四溢流塔板的優化設計

陳 亮，普 天，趙萌瑩

(新疆化工設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

四溢流塔板在工業上有很大需求。為了保證四溢流塔板各通道氣液比相等，塔板設計的關鍵是降液管的布置。本文對等通道長度法和等鼓泡面積法進行了總結比較。比較結果表明兩種設計方法都可以保證各通道氣液比相等，但是等通道長度法設計結果可獲得更好的塔板操作性能。

四溢流；塔板；等通道長度法；等鼓泡面積法

隨著科學技術的進步，石油化工、煉油和化肥等工業逐漸向大型化、集團化方向發展。塔板作為一種用于吸收、精餾等方面的氣液傳質設備, 單臺規模也越來越大, 直徑10m 以上的塔也時有出現。大直徑塔板為了提高傳質效果, 常采用多溢流流動形式，其中四溢流塔板的應用也日益廣泛。

圖1 四溢流塔板結構圖

如圖1所示，和其他溢流形式相比，四溢流塔板由于出口堰長度較大，可顯著降低溢流強度，尤其適用于液體負荷較大的操作；由于四溢流塔板液體通道長度的減小，可減少液面落差，氣液分布更為均勻；板上液層較低，塔板阻力小，泡沫層低，霧沫夾帶小；汽液相接觸得到有效改善，塔板效率和處理能力得到顯著提高[1]。

但是由于溢流程數的增加使得四溢流塔板結構變得復雜，尤其較難實現氣液兩相在塔板各通道的均布[2]。經過廣泛的文獻調研以及筆者多年的設計經驗，本文著重整理四溢流塔板設計的關鍵因素，采用等通道長度法和等鼓泡面積法對溢流塔板進行設計，可供生產、設計部門在四溢流塔板上應用，提高塔板操作性能。

1 降液管面積分配和位置

如圖1所示，四溢流塔板存在三種形式的降液管：邊降液管、中心降液管和偏心降液管。設計中應合理分配三種形式降液管面積和位置，以保證各通道氣液比相等以及三種形式降液管出口堰溢流強度相等。在設計計算降液管面積分配和位置時，目前通用的方法有兩種[3-4]：等通道長度法和等鼓泡面積法。

1.1 等通道長度法

運用等通道法進行設計時，可假設各通道的通道長度相等，此時各通道的鼓泡面積不相等，由于通過各通道的氣體流量正比于各通道鼓泡面積，為了保證各通道內氣液比一致，則液體流量應正比于各通道鼓泡面積；由于同一層塔板上各降液管停留時間相等，且通過各降液管的液體流量正比于各通道鼓泡面積，則各降液管面積之比等于各通道鼓泡面積之比。由以上條件進而可以求出各降液管面積、位置以及溢流區其他結構的尺寸。某些參數的命名如圖1所示。

在設計時，預設降液管總面積與塔截面積之比為FI，則降液管總面積為：

Ad=ATgFI

(1)

利用幾何關系計算三種形式降液管尺寸，詳細計算過程如下：

1.1.1 邊降液管

邊降液管面積為：

As=(D/2)2(α-sinαcosα)

(2)

邊降液管弦長為：

l1=Dsinα

(3)

邊降液管寬度為：

W1=(D/2)(1-cosα)

(4)

1.1.2 中心降液管

中心降液管面積為：

Ac=A-2As

(5)

中心降液管寬度近似為：

W2=Ac/D

(6)

中心降液管弦長為：

(7)

1.1.3 偏心降液管

偏心降液管面積為：

AO=Ad/2

(8)

以偏心降液管中心作弦，設弦長為l，則偏心降液管中心弦離圓心的距離為：

W=(D/2-W1)/2

(9)

偏心降液管中心弦長為：

(10)

偏心降液管寬度為：

W3=Ao/l

(11)

設通道3和通道4的通道長度均為C，通道3和通道4的面積比可近似用兩個梯形的面積比來表示。通道3的面積為：

A3=(l1+l)C/2

(12)

通道4 的面積為：

A4=(l+D)C/2

(13)

則通道3與通道4的面積比為：

A3/A4=(l1+l)/(l+D)

(14)

根據各降液管停留時間相等可以得出通道鼓泡面積之比與降液管面積之比相等即：

A3/A4=2As/Ac

(15)

上式經過代入變形后，是關于參數α的等式，對該等式進行試差運算，便可以求出參數α的值，再根據上面列出的公式求出各降液管面積、弦長以及堰寬等值。

另外通道長度可用下式計算：

C=(D/2-W1-W3-0.5W2)

(16)

則偏心降液管外堰弦長為：

(17)

偏心降液管的內堰弦長為：

(18)

1.2 等鼓泡面積法

運用等鼓泡面積設計時，可假設各通道的鼓泡面積相等，此時氣體流量均勻地分成四等份。為了保證各通道內氣液比相等，液體流量也必須均勻地分成四等份。圖1中各通道鼓泡面積相等，即：

A1=A2=A3=A4

(19)

由于同一層塔板上各降液管停留時間相等，且通過各降液管的液體流量正比于各通道鼓泡面積，則各降液管面積之比等于各通道面積之比，因此等鼓泡面積法中降液管的面積關系為：中心降液管的面積=偏心降液管的面積=2倍的邊降液管的面積，據此可以求出其他相關的降液管參數。

等鼓泡面積塔板的分布如圖1所示，設邊降液管所對應的弦長l1所對的圓心角為2α，偏心降液管的中心弦l所對的圓心角為2γ，其他各參數的命名見圖1。在設計時，預設降液管總面積與塔截面積之比為FI，則降液管總面積可由式(1)計算。利用幾何關系計算三種形式降液管尺寸，詳細計算過程如下：

1.2.1 邊降液管

由等鼓泡面積法可知邊降液管的面積為：

As=Ad/4

(20)

根據幾何關系得出邊降液管的面積為：

As=(D/2)2(α-sinαcosα)

(21)

聯立公式(20)和公式(21)，通過試差計算可以求得角度α，從而可以求出邊降液管弦長為：

l1=Dsinα

(22)

邊降液管寬度為：

W1=(D/2)(1-cosα)

(23)

1.2.2 中心降液管

由等鼓泡面積法可以得出中心降液管面積為：

Ac=Ad/2

(24)

中心降液管寬度近似為：

W2=Ac/D

(25)

則中心降液管的弦長為：

(26)

1.2.3 偏心降液管

偏心降液管面積為：

Ao=Ac=Ad/2

(27)

以偏心降液管中心作弦l，定義為偏心降液管中心弦，則由幾何關系可以求出中心弦左邊弓形區面積為：

A=(D/2)2/(γ-sinγcosγ)

(28)

又根據等鼓泡面積法可知該弓形區面積A近似等于塔截面積的1/4，因此有：

A=πD2/16

(29)

聯立式(28)和式(29)解方程，通過試差計算可以求得角度γ。再根據幾何關系，得到偏心降液管中心弦長為：

l=Dsiγ

(30)

偏心降液管中心弦離圓心的距離W為：

W=(D/2)cosγ

(31)

偏心降液管的寬度可以近似表示為：

W3=AM0/(Dsinγ)

(32)

則偏心降液管外堰弦長為：

(33)

偏心降液管內堰弦長為：

(34)

2 出口堰及降液管底隙設計

為了保證各通道(通道1和2或者通道3和4)溢流強度的相等，即邊降液管出口堰溢流強度與中心降液管溢流強度相等，偏心降液管兩側出口堰溢流強度相等，可以采用兩種方法：一是設置輔堰增加邊降液管有效出口堰長度[5]；二是設置柵欄堰減少中心降液管或某側偏心降液管有效出口堰長度[6]。

2.1 輔堰

四溢流塔板設計中，輔堰一般用于邊降液管，因為邊降液管堰長比中心降液管堰長小的多，而通道1和通道2鼓泡面積則相差較小，這種情況在等鼓泡面積法中尤為突出。輔堰能夠提供較長的有效出口堰長度，使通道1和通道2溢流強度相等。輔堰的結構如圖2所示，圖中s=0.18～0.35m，a=0.15～0.30m，b=0.1～0.18m，且b

LW1=l2×(A1/A2)

(35)

根據降液管的相關幾何關系和s、a和b的取值范圍，經過試差，求出s，a和b的值。需要注意的是，輔堰占據了通道1的一部分鼓泡面積，在計算通道1鼓泡面積A1時必須減去該部分的面積。

圖2 輔堰

Fig.2 Swept back weir

2.2 柵欄堰

柵欄堰利用柵欄阻擋了部分出口堰，使得出口堰有效堰長減小。柵欄堰的形狀如圖3所示，柵欄的高度一般在0.15～0.2m之間，而且要大于板上清

圖3 柵欄堰

液層的高度。柵欄堰的有效堰長不包括柵欄占據的部分，對于柵欄堰的設計，等通道長度法和等鼓泡面積法有差異。對于等通道長度法，為了使通道1和通道2出口堰溢流強度相等，中心降液管應用柵欄堰，中心降液管有效堰長為：

LW2=LW1A2/A1

(36)

其中LW1為邊降液管有效堰長，等于l1，則中心降液管柵欄出口堰的阻擋比為：

XWC=1-LW2/l2

(37)

為了使通道3和通道4出口堰溢流強度相等，偏心降液管的外堰出口堰應用柵欄堰，偏心降液管的外堰有效堰長為：

LW3=LW4A3/A4

(38)

其中LW4為偏心降液管外堰的有效堰長，等于l4，偏心降液管外堰柵欄出口堰的阻擋比為：

XWC=1-LW3/l3

(39)

對于等鼓泡面積法，為了使通道1和通道2出口堰溢流強度相等，中心降液管出口堰應用柵欄堰，中心降液管的有效堰長等于邊降液管弦長，中心降液管柵欄出口堰的阻擋比為：

XWC=1-LW2/l2

(40)

為了使通道3和通道4出口堰溢流強度相等，偏心降液管內堰出口堰應用柵欄堰，偏心降液管的內堰有效堰長等于偏心降液管外堰弦長，偏心降液管內堰柵欄出口堰的阻擋比為：

XWC=1-LW4/l4

(41)

2.3 降液管底隙

為了保持偏心降液管兩側液體底隙流速相等，在進行等通道長度法設計時，偏心降液管的外側底邊長度應該阻擋一部份，減小偏心降液管的外側底邊長度，即：

C3=C4A3/A4

(42)

其中，C4=l4。而在進行等鼓泡面積設計時，偏心降液管的內側底邊長度應該阻擋一部份，減小偏心降液管的內側底邊長度，即：C4=3，其中，C3=l3。也可以改變降液管底隙高度，從而改變降液管底隙面積，保證偏心降液管兩側液體底隙流速相等[3]。

3 設計舉例

現有一四溢流催化裂化主分餾塔，塔徑為4.4m，氣相流量為110000kg/h，密度為10kg/m3，液相流量為400000kg/h，密度為700kg/m3。分別應用上面介紹的兩種方法，對該四溢流塔板進行設計計算。

應用等通道長度法，通道1到4通道長度相等，然而四個通道鼓泡面積不相等，表1給出了四溢流塔板等通道長度法的設計結果。應用等鼓泡面積法，通道1到4鼓泡面積相等，然而四個通道的通道長度不相等，表2給出了四溢流塔板等鼓泡面積法的設計結果。由表1和表2發現，兩種設計方法設計的四溢流塔板各通道氣液比相等，溢流強度相等，滿足四溢流塔板的設計要求。通過比較兩種設計方法的計算結果，，等鼓泡面積法的設計計算結果柵欄出口堰的阻擋比例較大，溢流強度較高，而等通道長度法的設計計算結果則給出了柵欄出口堰阻擋比例和較小的溢流強度，因此應用等通道長度法得到的設計結果，四溢流塔板將獲得更好的塔板操作性能。

表1 等通道長度法設計計算結果

表1(續)

表2 等鼓泡面積法設計計算結果

表2(續)

[1] BOLLES W L. Multipass flow distribution and mass transfer efficiency for distillation plates[J]. American Institute Chemical Engineers Journal. 1976, 22 (1):153-158.

[2] 時 鈞，汪家鼎，余國琮，等. 化學工程手冊[M].2版. 北京：化學工業出版社，1996：14-18.

[3] JAGUSTE S D, KELKAR J V. Optimize separation efficiency for multipass tray[J].Hydrocarbon Processing. 2006, 85(3): 85-90.

[4] PILLING M. Ensure proper design and operation of multi-pass trays[J].Chemical Engineering Process. 2005, 101(6):22-27.

[5] 吳俊生，邵惠鶴. 精餾設計、操作和控制[M]. 北京：中國石化出版社，1997：133.

[6] SUMMERS D R, SLOLEY A W. How to handle low-liquid loadings[J].Hydrocarbon Processing, 2007, 86(1): 67-78.

(本文文獻格式：陳 亮，普 天，趙萌瑩.四溢流塔板的優化設計[J].山東化工，2017，46(06)：117-120.)

Optimum Design of Four-pass Trays

ChenLiang,PuTian,ZhaoMengying

(XinJiang Chemical Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd., Urumqi 830000, China)

Four-pass trays are mostly needed in process industry. The key factor of tray design is downcomer configuration for making sure vapor/liquid ratio equal in every pass of four-pass trays. The article sums up equal flowpath length design and the equal bubbling area design, and compares with them. The comparison result show that two methods can make sure vapor/liquid ratio equal in every pass of four-pass trays, but the equal flowpath length can acquire better operation performance.

four-pass; trays; equal flowpath length design; equal bubbling area design

2017-02-09

陳 亮(1982—)，工程師，從事煤化工、石油化工的工程設計工作。

TQ053.5

A

1008-021X(2017)06-0117-04