浮阀_筛孔复合塔板在扩能改造中的应用_杜翔

从而得到降液管液泛线的 V s－ L s 关系式， 即： V s = 0 ． 156 7 × 15 ． 21 槡
2 /3 － 4034 L2 s － 68 ． 608 L s
荷 L s 相关。取 e V = 0 ． 1 ， 将相关数据和公式代入 整理得到 V s－ L s 关系式， 即： 雾沫夹带公式， （ 2） Vs =
浮阀筛孔复合塔板 （ 简称复合塔板 ） 是在原 有浮阀塔板上增加一定数量的筛孔， 可以不更换 达到增产扩能、 节省改 塔板而提高气相负荷上限， 造投资的效果。 国内外对复合塔板的研究不充 分， 仅有少量文献发表
［13 ］
除气相负荷瓶颈。
表1 Table 1
气相质量流量 / （ kg·h 出口堰形式 气相密度 / （ kg·m － 3 ） 出口堰长 / mm 气相黏度 / （ μPa·s） 出口堰高 / mm
— 1 —
3 和气相量。由 F = 11 ． 5 ， ρ ν = 26 ． 64 kg / m 和浮 阀开孔面积， 得到通过浮阀气速 u F = 2 ． 23 m / s，
首先应按照最终确定的筛孔数目 、 直径， 根据 干板压力降平衡原则计算通过浮阀和筛孔的气相 前者具 流量分配。浮阀动能因子与气相量比较， 有物理意义和一定的变化范围， 易于设定， 因此实 际计算时， 可以假定浮阀动能因子和孔径， 按照前 述估算需增加筛孔数目的步骤进行计算， 直至达 到预期结果。若通过编程或使用 Excel 的单变量 求解功能可省去繁琐的试算过程。 经计算， 增加 196 个 12 mm 筛孔对应的浮 阀 动 能 因 子 F = u F = 2． 199 m / s， u o = 4． 136 m / s， VF = 11． 35 ， 0． 252 m3 / s， V o = 0． 0916 m3 / s。 将塔板参数和上述浮阀和筛孔的气相流量数 4］的相关公式， 据代入文献［ 可以计算塔板压力 降、 降液管液层高度和雾沫夹带量， 其他水力学计 （ 、 、 算 包括液流强度 液面落差 堰上液层高度、 出 口堰抛出距离、 降液管停留时间等 ） 与浮阀塔板 相同。复合塔板计算结果列于表 2 。
复合塔板 112． 9 10． 9 561． 4 95． 4 47． 94 0． 266 7． 0 211． 2 650． 0 292． 5 0． 031 1 1． 93 × 10 － 2 8． 79 × 10 － 4 0． 180 0． 458 2． 54
－4
复合塔板 1． 539 0． 137 8． 89 0． 161 0． 344 0． 013 72 0． 252 0． 0917 2． 197 4． 14 11． 35 1． 739 0． 028 9 37． 5 87． 5 69． 1
塔截面积 / m2 开孔面积 / m2 % 开孔率， 降液管面积 / m2 气相负荷 / （ m · s ） 液相负荷 / （ m3 · s － 1 ） 通过浮阀气相量 / （ m3 · s － 1 ） 通过筛孔气相量 / （ m3 · s － 1 ） 阀孔气速 / （ m· s － 1 ） 筛孔气速（ m· s 阀孔动能因子 临界阀孔气速 / （ m· s － 1 ） 液面梯度 / mm 堰上液层高度 / mm 板上液层高度 / mm 干板阻力 / mm 液柱
（ 1． 中石化洛阳工程有限公司， 河南省洛阳市 471003 ； 2． 安庆实华工程设计有限责任公司， 安徽省安庆市 246002 ； 3． 化学工程联合国家重点实验室， 天津大学， 天津市 300072 ）
摘要： 通过改造实例， 说明复合塔板的设计方法和操作性能。 结果表明， 复合塔板可以增加开孔率， 降低塔板 压力降。对于降液管液泛控制的塔板， 采用复合塔板可以有效消除瓶颈， 提高气相负荷上限， 是提高塔板处理能力 开孔率由 7． 45% 增至 8． 89% ； 浮阀功能因子由 15． 47 降至 11． 35 ； 塔板 的有效方法。将浮阀塔板改为复合塔板后， 压力降由 856． 8 Pa 降至 561． 4 Pa； 降液管液层高度由 270． 6 mm 降至 211． 2 mm， 小于 292． 5 mm 的安全高度。复合 塔板与浮阀塔板分离效率接近， 操作弹性计算值略低， 但实际操作区域较大。 另外， 用复合塔板技术改造浮阀塔 板， 具有投资低、 实施便捷、 工期短等特点。 关键词： 浮阀筛孔复合塔板 浮阀 筛孔 塔板操作性能 塔板处理能力 设计方法
Operating performance of valve tray
图2 Fig． 2
［4 ］ 在合理范围内 。 （ 2 ） 塔板水力学计算 3
3
表2 Table 2
项 目 浮阀塔板 1． 539 0． 115 7． 45 0． 161
－1 3
塔板水力学计算结果
项 目 浮阀塔板 172． 3 10． 9 856． 8 95． 4
－1 3
Hydraulics performance of trays
( 4． 9
/ 3 ) －3． 7 + 189 ． 7 × L2 s
1
（ 4）
④ 液相负荷上 / 下限 液相负荷上 / 下限的绘制方法与浮阀塔板完 全相同。 本文取堰上液层高度 h ow = 0． 006 m 为 降液管液相停留时间 τ = 5 s 作为 液相负荷下限， 液相负荷上限。 2 结果讨论 从表 2 可知， 将浮阀塔板改为复合塔板后， 开
－1
塔板阻力 / mm 液柱 降液管阻力 / mm 液柱 塔板压力降 / Pa 液体抛出距离 / mm 堰上液流强度 /［m ·（ m· h） 降液管底隙流速（ m· s － 1 ） 降液管停留时间 / s 降液管液层高度 / mm 降液管高度 / mm 降液管安全高度 / mm 雾沫夹带量 / （ kg·kg － 1 ） 液相负荷上限 / （ m3 · s － 1 ） 液相负荷下限 / （ m · s 气相负荷上限 / （ m · s 操作弹性
3 3 －1
0． 344 0． 013 72 0． 344 0 2． 998 0 15． 47 1． 739 0． 028 9 37． 5 87． 5 128． 5
］
47． 94 0． 266 7． 0 270． 6 650． 0 292． 5 0． 031 1 1． 93 × 10 － 2 8． 79 × 10 0． 111 0． 366 3． 29
液相质量流量 / （ kg·h － 1 ） 降液管形式 液相密度 / （ kg·m － 3 ） 降液管宽度 / mm 液相黏度 / （ mPa·s） 降液管底隙高度 / mm 液相表面张力 / （ mN·m － 1 ） 进口堰 塔径 / m 入口安定区宽度 / mm 板间距 / mm 边缘无效区宽度 / mm F1 型浮阀 1 030 9． 6 50 25 036 弓形单溢流 507 225． 9 0． 11 50 5． 5 无 1． 4 80 600 50 96
计算步骤如下： （ 1 ） 选择筛孔直径， 估算需增加的筛孔数目 首先设定预期浮阀动能因子为 11． 5 。 由动 能因子定义式 F = u F 槡 ρV ， 计算通过浮阀的气速
— 2 —
0 ． 292 5 = 5 ． 34
( LLh ) + 2 gρ 2 ． 84 3 600 L （1 + ε ） [h + E ) ] 1 000 ( L
u2 ρ F V
2
+ 0 ． 153
s
L
w
o
2 /3
s
0
w
w
（ 1） 由式（ 1 ） 得到 u F－ L s 关系式。 根据浮阀与筛 孔压力平衡原则得到 u o－ u F 关系式。将浮阀和筛 孔气速分别乘以相应的开孔面积得到通过浮阀和 筛孔的气相量 V F 和 V o ， 总气相量 V s 为二者之和，
浮阀塔板的相关参数 Parameters of valve tray
－1
）
。结合清华大学的冷模
实验数据， 对浮阀筛板复合板的流体力学性能进 行理论分析， 提出一种简便易行、 完整有效的设计 方法
［4 ］
。本文按照文献［ 4］总结的设计方法， 通
过计算示例和工业应用， 说明复合塔板的计算方 操作性能和在优化扩产改造中的作用 。 法、 1 复合塔板计算举例 复合塔板技术常用于浮阀塔的扩能改造， 本 介绍复合 文以将浮阀塔板改造为复合塔板为例， 塔板设计方法和操作性能， 所用公式、 符号与文献 ［ 4］ 完全相同， 请参考相关说明。 原浮阀塔板的 气液负荷、 物性和塔板结构参数见表 1 。 根据以上数据， 按照常规的浮阀塔板设计方 法， 计算得到该塔板水力学性能， 计算结果和负荷 性能图见表 2 和图 1 。由表 2 和图 1 数据可知， 原 浮阀塔板阀孔动 能 因 子 为 15． 5 ， 塔板压力降为 857 Pa。从负荷性能图上看， 降液管液泛是气相 上限的控制因素， 操作点临近降液管液泛线， 最大 负荷（ 110% 操作点 ） 已突破气相上限。 其他水力 学性能（ 雾沫夹带量、 液流强度、 降液管停留时间 决定采用复合塔板消 等） 处于适宜范围。 因此，
气相量 V F = 0 ． 256 m / s。 将塔内气相总量减去 通过 浮 阀 的 气 相 量，得 到 筛 孔 气 相 量 V o = 0 ． 088 3 m / s。 4］ 式 （ 5 ） 计算浮阀临界速度 u oc = 由文献［ 4］ 1． 74 m / s。浮阀气速 u F ≥ u oc ， 因此采用文献［ 式（ 4 ） 计算通过浮阀的干板压力降。 根据压力平 4］ 衡原则， 联立文献［ 式 （ 2 ） 与式 （ 4 ） 计算得筛孔 气速 u o = 4． 19 m / s。初步选择筛孔直径 12 mm， 由筛孔气相量和气速计算需要的筛孔数为 186 。 根据塔板具体情况排布筛孔， 确定增加筛孔 196 个。若物系对筛孔孔径无特殊要求， 也可以根据 原浮阀塔板情况， 从有利于气液传质考虑， 先作筛 孔排布确定孔数， 再计算孔径， 最后考察孔径是否
图1 Fig． 1
浮阀塔板操作性能图
孔率由 7． 45% 增至 8． 89% ， 一部分气体由新开筛 孔通过； 浮阀动能因子由 15． 47 降至 11． 35 ； 塔板 压力降由 856． 8 Pa 降至 561． 4 Pa； 降液管液层高 度由 270． 6 mm 降至 211． 2 mm， 小于 292． 5 mm 的安全高度。 单位气体的雾沫夹带量保持不变， e ν = 0． 030 1 ＜ 0． 1 kg / kg， 符合设计要求。 由图 1 和图 2 所示负荷性能图看， 原浮阀塔 ， 板气相负荷上限为降液管液泛控制 操作点接近 110% 操作负荷已突破上限。改为复合塔板 上限， 降液管液泛线移至雾沫夹带线上方 ， 雾沫夹带 后， 线保持在原位置， 并成为气相上限控制因素。 将 图 1 和图 2 的操作线延长， 原浮阀塔板气相负荷
收稿日期： 2012 － 11 － 14 。 作者简介： 杜翔， 硕士， 毕业后留校任教， 后获英国 Sheffield Email： duxiang． 大学博士学位。联系电话： 0379 － 64887544 ， lpec@ sinopec． com。 * 联系人： 吴少敏， Email： chercw@ 联系电话： 022 － 27403584 ， tju． edu． cn。
若物系对筛孔孔径无特殊要求也可以根据原浮阀塔板情况从有利于气液传质考虑先作筛孔排布确定孔数再计算孔径最后考察孔径是否在合理范围内2塔板水力学计算首先应按照最终确定的筛孔数目直径根据干板压力降平衡原则计算通过浮阀和筛孔的气相流量分配
浮阀-筛孔复合塔板在扩能改造中的应用
杜
1， 3 2 3* 翔 ，董月胜 ，吴少敏
）
） ）
气相负荷下限 / （ m3 · s － 1 ）
－1
注： 表中气相负荷上限为操作线延长与液泛线或雾沫夹带线的交点 。
（ 3 ） 浮阀筛孔复合塔板负荷性能图 按照下列步骤绘制复合塔板负荷性能图的各 条曲线， 结果见图 2 。 ① 降液管液泛线 根据降液管内液层高度达到安全高度绘制降 液管液泛线， 即： φ ( HT + hw ) = Hd 将 φ ( H T + h w ) = 0 ． 292 5 m 和降液管液层高 4］ 度代入文献［ 式（ 13 ） 中， 则有：