浮閥塔的計(jì)算及設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

張瀟月

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州 510655)

浮閥塔的計(jì)算及設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

張瀟月

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州 510655)

本文簡(jiǎn)單介紹板式塔設(shè)備和填料塔設(shè)備的基本要求。以浮閥塔計(jì)算為例，結(jié)合書(shū)本，運(yùn)用EXCEL進(jìn)行浮閥塔的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，校核塔的流體力學(xué)性能，繪制塔的負(fù)荷性能圖，進(jìn)而得出塔的操作彈性。結(jié)合它的基本要求，分析并評(píng)估不同方案的塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

塔設(shè)備的要求；浮閥塔的計(jì)算；浮閥塔的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

塔設(shè)備是石油化工生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。氣液和液液兩相在各種各樣的塔內(nèi)件上充分接觸，從而進(jìn)行相際傳質(zhì)、傳熱。塔設(shè)備的流體力學(xué)性能，負(fù)荷性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量和能耗等方面都有較大影響。因?yàn)橐粋€(gè)大型化工廠的建設(shè)中，塔設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益(包括投資費(fèi)用、鋼材消耗等)僅次于換熱設(shè)備。為滿足經(jīng)濟(jì)要求，工藝要求，操作要求，節(jié)能要求等，塔設(shè)備不斷發(fā)展。

最常用的方法是按塔的內(nèi)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類：板式塔和填料塔。人們要求塔設(shè)備: 高效率；操作彈性大；穩(wěn)定操作；流體流動(dòng)阻力小；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造和安裝容易，投資費(fèi)用低；耐腐蝕和不易堵塞，易調(diào)節(jié)和檢修[1]。

1 常用塔型及選用

1.1 常用板式塔

板式塔的氣液兩相接觸傳質(zhì)的內(nèi)件是塔板，決定塔的操作性能[1]。我國(guó)常用的板式塔為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔和舌形塔。

泡罩塔板是工業(yè)上應(yīng)用最早的一種塔板。它是在板上開(kāi)圓孔，上焊接短管(升氣管)，再加泡罩。液體由上層塔板經(jīng)降液管流下，橫向流過(guò)下層塔板；同時(shí)，氣體首先通過(guò)升氣管，進(jìn)入環(huán)形泡罩，與液層接觸。因此泡罩結(jié)構(gòu)繁復(fù)，安裝維修復(fù)雜，氣體壓降大。

篩板塔板是在板上開(kāi)小孔。液液體由上層塔板經(jīng)降液管流下，橫向流過(guò)下層塔板；同時(shí)，氣體向上經(jīng)過(guò)篩孔，被打散為氣泡，與板上液層進(jìn)行接觸傳質(zhì)、傳熱。篩孔容易被臟、粘性大及帶固體顆粒的物料堵塞[1]。

浮閥塔板是在板上開(kāi)圓孔，孔上有上下浮動(dòng)的閥。氣體將浮閥頂起，穿過(guò)環(huán)隙，水平吹。浮閥塔操作彈性大，浮閥隨氣速不同在一定范圍內(nèi)自由升降，有效保證操作穩(wěn)定和較高的效率。

舌形塔板是在板上沖舌形孔。液體橫向流動(dòng)，與舌孔的傾斜方向一致，氣體從舌孔中噴射而出[1]。所以氣、液兩相并流，霧沫夾帶少。當(dāng)氣速增大到一定值，液體被擊散成滴狀，氣、液接觸更充分。缺點(diǎn)是低負(fù)荷下，容易因?yàn)樯嗫追较蚨┮海僮鲝椥孕　?/p>

常用板式塔對(duì)比如表1。

表1 常用板式塔對(duì)比

1.2 常用填料塔

填料塔以填料作為氣液傳質(zhì)元件，氣液兩相在填料層中連續(xù)接觸，填料的選取是重中之重。因此填料除了要具備塔器的特點(diǎn)，同時(shí)不能與氣液相發(fā)生反應(yīng)，具有良好的耐腐蝕性、耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度。填料塔還包括支承結(jié)構(gòu)，液體分布裝置(噴淋裝置和液體再分布裝置)。

1.3 板式塔和填料塔的比較

板式塔與填料塔的對(duì)比是十分復(fù)雜，如表2淺談板式塔和填料塔的操作性能和經(jīng)濟(jì)效益的對(duì)比[2]。

表2 板式塔與填料塔的對(duì)比

2 浮閥塔計(jì)算舉例

此計(jì)算取操作壓力0.3MPag，操作溫度260℃。

塔板設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 塔板設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.1 板間距的選擇和塔徑初步確定

詳見(jiàn)表4。

表4 板間距的選擇和塔徑初步確定

2.2 塔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮閥塔板包括鼓泡區(qū)(有效區(qū)、開(kāi)孔區(qū))、降液管區(qū)、受液盤區(qū)、液體分布區(qū)、破沫區(qū)、邊緣區(qū)。液體通過(guò)降液管流入受液盤，經(jīng)過(guò)液體分布區(qū)，進(jìn)入鼓泡區(qū)與氣體進(jìn)行熱、質(zhì)交換，最后經(jīng)破沫區(qū)進(jìn)入下層。同時(shí)，氣體經(jīng)鼓泡區(qū)的打散成氣泡，通過(guò)氣速不同頂起閥片，吹入液相。氣相、液相主要為錯(cuò)流。塔板還可能有出口堰和進(jìn)口堰。出口堰位于上層塔板的降液管入口，維持板上液層高度。進(jìn)口堰設(shè)在降液管出口，防止沖擊，使液體均勻流入塔板，同時(shí)也有液封，一般用于塔徑較大的地方。浮閥在塔板上常按三角形排列，可順排或叉排[1]。

塔板排布如表5和表6。

表5 浮閥數(shù)及開(kāi)孔率的計(jì)算

表6 溢流堰及降液管的計(jì)算

2.3 浮閥塔板的流體力學(xué)性能

浮閥塔板的流體力學(xué)性能從以下幾方面考察，如表7～10。

2.3.1 塔板壓力降

表7 塔板壓力降

結(jié)論: 如果算出的板壓降 hf 值超過(guò)規(guī)定的允許值，應(yīng)對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如增大開(kāi)孔率、降低堰高以使總壓降值下降。

2.3.2 霧沫夾帶

表8 霧沫夾帶量

結(jié)論: 霧沫夾帶量e小于極限值(最大允許值)0.1。如不合適，必須調(diào)整有關(guān)參數(shù)，如增大板間距或增大塔徑(降低氣速)。

2.3.3 溢流液泛

表9 溢流液泛

結(jié)論: △Pl/(Ht+hw)=0.356<0.5(需小于0.4～0.6，通常要小于0.5。發(fā)泡嚴(yán)重的介質(zhì)要取小值)，不會(huì)發(fā)生溢流液泛，導(dǎo)致淹塔。

2.3.4 漏液

表10 漏液

結(jié)論: 在Ht=0.45m時(shí)，F(xiàn)o=8.727，大于負(fù)荷下限的5。那么不會(huì)因?yàn)闅馑龠^(guò)低，導(dǎo)致從閥孔中漏液。

2.4 負(fù)荷性能圖及操作彈性

取液相負(fù)荷L分別為16，23，31，38.8，46.5，54.3 m3/h，反算氣相負(fù)荷V，然后作圖，如圖1，得出霧沫夾帶線(氣相負(fù)荷上限線)，淹塔界線，降液管超負(fù)荷線，漏液線。讀圖得出負(fù)荷上、下限點(diǎn)、設(shè)計(jì)點(diǎn)，從而計(jì)算塔板彈性。

圖1 初步方案

讀圖1得出，負(fù)荷上限點(diǎn)為(L,V) =(46.5，600)，負(fù)荷下限點(diǎn)為(L,V) =(18，230)，設(shè)計(jì)點(diǎn)為(L,V) =(31，410)，計(jì)算得該踏板彈性為2.6，負(fù)荷上限是設(shè)計(jì)點(diǎn)的1.5倍，不太理想。如果要使負(fù)荷上限再提高，保證將來(lái)處理量加大時(shí)，該踏板仍能滿意的操作，有如下可參考措施。

2.5 改進(jìn)措施

2.5.1 措施一

塔徑選取增大一級(jí)(降低氣速)，即增大至1.4 m，板間距不變，負(fù)荷性能圖如圖2。

讀圖2得，負(fù)荷上限點(diǎn)為L(zhǎng)=48，負(fù)荷下限點(diǎn)為L(zhǎng)=17.8，設(shè)計(jì)點(diǎn)L=31，計(jì)算得該踏板彈性為2.7，負(fù)荷上限是設(shè)計(jì)點(diǎn)的1.55倍。比較原方案，氣相負(fù)荷上限線和霧沫夾帶線的氣液相負(fù)荷能力明顯提高，淹塔線微微提高。

圖2 改進(jìn)措施一

2.5.2 措施二

塔徑不變，板間距從0.45 m提高到0.6 m，負(fù)荷性能圖如圖3。

圖3 改進(jìn)措施二

讀圖3得，負(fù)荷上限點(diǎn)L=58.2，負(fù)荷下限點(diǎn)L=17.8，設(shè)計(jì)點(diǎn)L=31，計(jì)算得該踏板彈性為3.27，負(fù)荷上限是設(shè)計(jì)點(diǎn)的1.88倍。比較原方案，氣相負(fù)荷上限線，淹塔線的負(fù)荷能力明顯提高，霧沫夾帶線的負(fù)荷能力提高。

3 結(jié)論

1)對(duì)淹塔線來(lái)說(shuō)，提高板間距，可以改變界線0.5(hw+Ht), 是從本質(zhì)上有效提高淹塔線的方法。如果只增大降液管面積，情況比較復(fù)雜。

2)降液管負(fù)荷上限是降液管最大流速和停留時(shí)間兩種方法的取最小值。允許最大流速只與板間距有關(guān)，L=Vd* Fd, 當(dāng)塔徑增大，降液管面積增大，負(fù)荷上限增大；停留時(shí)間τ=Ht/Vd,只與板間距有關(guān)，L=Ht* Fd/ τ。當(dāng)板間距增大，降液管負(fù)荷上線增加。當(dāng)只增大降液管面積，液相負(fù)荷上線也將增

[1] 蘭州石油機(jī)械研究所.現(xiàn)代塔器[M].2版.北京：中國(guó)石化出版社, 2005.

[2] 石油化學(xué)工業(yè)部石油化工規(guī)劃設(shè)計(jì)院.塔的工藝計(jì)算[M].北京石油化學(xué)工業(yè)出版社,1977.

(本文文獻(xiàn)格式：張瀟月.浮閥塔的計(jì)算及設(shè)計(jì)方案優(yōu)化[J].山東化工,2017,46(11):128-131.)

Calculation and Comparison of Design Scheme of Float Valve Tower

ZhangXiaoyue

(HQCEC (Guangye) Co., Ltd., Guangzhou 510655,China)

The basic requirements of Tray Column and Packed Column are summarized in the paper. The essay is a study and solutions on preliminary structure design, flow force performance check,preparing tray-load performance diagram and acquiring operating flexibility of tower according to knowledge in the textbook and other resources in the media. Based on tray tower's requirements, different kinds of design optimization of structure are proposed.

requirements of towers; calculation of Float Valve Tower; design optimization

2017-04-10

張瀟月(1989—)，女，甘肅蘭州人，助理工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛瘜W(xué)工程。

TQ053.5

A

1008-021X(2017)11-0128-04