浮阀塔的设计3

?
NT ET
可根据实验数据或用经验公式估算
塔高 Z ? ?NP ? 1?HT ? Z1 ? Z2
式中：Z1 —— 最上面一块塔板距塔顶的高度，m； Z2 —— 最下面一块塔板距塔底的高度，m。
? HT 对塔的生产能力、操作弹性以及塔板效率均有影响 HT? ，允许的操作气速? ，塔高? , 塔径? 。。
2
how
?
2.84 1000
E????
Lh lw
????3
进口堰： 保证液体均匀进入塔板，也起液封作 用。一般仅在较大塔中设置。进口堰高一般与 降液管底隙高度 h0 相等。
进口堰与降液管间的水平距离 w0 ≥ h0，以保证 液体由降液管流出时不致受到大的阻力。
降液管底隙高度及受液盘
降液管底隙高度应保证溢流液顺畅并防止沉淀
D ? 4 AT
?
A' 的计算
设适宜气速为 u，当体积流量为 Vs 时， A' =Vs / u 求， A' 的关键在于确定流通截面积上的 适宜气速 u
塔板的计算中，通常是以夹带液泛发生的气速（ 泛 点气速 ）作为上限。一般取
u ? ?0.6 ~ 0.85?u f
—— 索德尔斯和布朗（Souders and Brown ）公式
单溢流弓形降液管结构尺寸的计算
降液管的宽度 Wd 和截面积 Af
计算塔径时已根据溢流形式 确定了堰长与塔径的比值
lw/D。
由 lw/D 查图可得 Wd /D 和 Af /AT，D 和 AT 已确定，故降 液管的宽度 Wd 和截面积 Af 也可求得。
液体在降液管中的停留时间 ? 为
? ? Af H T
常压塔 hL=50~100 mm ； 减压塔 hL=25~30 mm 。
注意： 液相表面张力
? = 2? 10-2 N/m
若实际液相表面张力不同，按下式校正 C? ? ?? ? ??0.2
C20 ? 20 ?
uf
?
C
20
?? ?
?
20
??0.2 ?
????
?
L? ? ?V
V
????0.5
u，A' 最后进行圆整。
浮阀在塔板上常按三角形排列，可顺排或叉排。
液流方向
t
顺排
叉排
t'
等腰三角形叉排可使相邻的浮阀容易吹开，鼓泡更均匀。 通常将同一横排的阀孔中心距定为 75 mm ，而相邻两排 间的距离可取 65、80、100 mm 等几种规格。
若鼓泡区面积为 Aa，则一个阀孔的 鼓泡面积 Aa / N 约为 t ? t' ，故有
?
、
V
?
L
—
分别为塔内气体和液体的密度，kg/m
3。
由上两式可得临界孔速 uoc 的计算式
uoc
?
10.5
?1 1.825 V
以上三式是由阀重 34g 和阀孔直径 39mm 的重型浮阀测定的
数据关联所得。用于其它重量的浮阀时需进行修正。
液层阻力 hl 为： hl ? ? 0 hL
?0 充气因子，液相为水时，为 0.5；为油时， 0.20.35；碳氢化合物， 0.4-0.5
D<800mm 整块式塔板； D>900mm 分块式塔板。
溢流装置
溢流装置： 由降液管、溢流堰和受液盘组成。 降液管： 连通塔板间液体的通道，也是供溢流 中所夹带的气体分离的场所。常见的有弓形、 圆形和矩形降液管 弓形降液管： 有较大容积，能充分利用塔板面 积，一般塔径大于 800mm 的大塔均采用弓形。 溢流形式的选择： 根据塔径及流体流量等条件 全面考虑。 D < 2.0 m 单溢流式 D > 2.0 m 双溢流式或阶梯流式
塔板结构设计
塔板布置
鼓泡区： 取决于所需浮阀数与排列 溢流区： 与所选溢流装置类型有关 以上两区均需根据塔板上的流体 力学状况进行专门计算
A h0
Wd'
Ws' lw
Af
D
T
H
A
hw
Wc
Wd
r
x
Ws
Aa Af
塔板结构设计
D
塔板布置
A
T
H
A
进口安定区 (分布区 )：保证进塔板 h0
hw
液体的平稳均匀分布，也防止气
经验公式： Vs
Fl ?
?V ?L ? ?V
? 1.36LhZL
? 100%
KCF Ab
Fl
?
Vs
?V ? L ? ?V
0.78 AT KCF
Lh , Vs —— 分别为塔内液、气相流量，m3/s； ?L , ?V —— 分别为塔内液、气相密度，kg/m 3；
ZL —— 板上液相流程长度，m。单溢流：ZL=D - 2Wd； Ab —— 板上液流面积，m2。单溢流：Ab=AT - 2Af； K —— 物性系数； CF —— 泛点负荷因子。
Af / AT 的确定
Af /AT：降液管面积与塔截面积之比，与液体溢流形式有关。
求取方法： (1) 按 D 和液体流量选取溢流形
式，由 溢流形式确定堰长 lw 与D 的比值。 单流型：lw/D =0.6~0.8 双流型：lw/D =0.5~0.7 易起泡物系 lw/D 可高一些， 以保证液体在降液管中的停 留时间。
受液盘： 承接来自降液管的液体。
凹形受液盘： 用于大塔（ D>800mm ）。在液体 流量低时仍能形成良好的液封，对改变液体流 向有缓冲作用，且便于液体的侧线抽出，但不 适于易聚合及有悬浮固体的情况。凹形受液盘 深度一般在 50mm 以上。
浮阀的数目与排列
阀孔直径： 由浮阀的型号决定。 浮阀数 N：由气体负荷量 Vs 决定。可由下式计算
积的百分数
?
?
?
4
d
2 0
N
? 4 D2
? 100%
?
?? d0 ?D
??2 ?
N ? 100%
常压塔或减压塔： ? = 10~14%
加压塔：
? < 10%
浮阀塔板的流体力学校核
原因：在计算确定浮阀塔的塔高 Z、塔径 D 及塔板结 构尺寸时，有部分设计参数来源于一定范围内
的经验数据，如 HT、lw /D、hL 等。
根据已确定的孔距（ t' 与 t），按等腰三角形 叉排方式作图，确切排出在鼓泡区内可以布置 的浮阀总数； 若作图排列与计算所得浮阀数相等或相近，则 按作图所得浮阀数重算阀孔气速，然后校核 F 0 (8~12) 。若 F 0 不在该范围内，应重新调整 t 值，再作图、校核，直到满足要求为止。
塔板开孔率 ?：塔板上阀孔总面积占塔板总面
Lh
为降低气泡夹带， ? 一般不应小于 3~5s，对于高
压塔以及易起泡沫的物系，停留时间应更长些。
若计算出的 ? 过短，不满足要求，则应调整相关
的参数，重新计算。
出口溢流堰与进口溢流堰
出口堰： 维持板上液层高度，各种形式的降液管
均需设置。
出口堰长 lw：弓形降液管的弦长，由液体负荷及 流形式决定。
液体表面张力引起的压降
h?
?
2? h? Lg
h：浮阀的开度
如果算出的板压降 hp 值超过规定的允许值，应
对相关的设计参数进行调整，如增大开孔率 ? 或
降低堰高 hw，以使 hf 值下降。
液沫夹带的校核
正常操作时的液沫夹带量为： ev ? 0.1kg液体/kg气体。 泛点率 F l ：操作时的空塔气速与发生液泛时的空塔气速之比 D>0.9m ：F l < 80% ；D<0.9m：F l < 70% ；减压塔：F l < 75%
?L 、 ?V ——液、气相的密度，kg/m3 ； C —— 气体负荷因子，m/s。
C 由实验确定。 实验研究表明， C 值与气、液流量及密度、板上 液滴沉降高度以及液体的表面张力有关。
史密斯（Smith, R. B ）关系曲线
HT? hL ：液滴沉降高度 HT 可根据塔径选取， hL 为板上液层高度
塔设计
板式塔的工艺设计主要包括两大方面： (1) 塔高、塔径以及塔板结构尺寸的计算； (2) 塔板的流体力学校核以及塔板的负荷性能
图的确定。
浮阀塔工艺尺寸的计算 1. 塔高
塔高主要取决于实际塔板数和板间距。 给定任务所需实际塔板数可通过求得所需的理论板 数 N，然后由全塔效率 (总板效率)修正
NP
Wd '
Wc
Wd
体窜入降液管。 Ws = 50~100 mm 出口安定区 (脱气区 )：避免降液管
Ws' lw
r
x
Ws
大量气泡夹带。 Ws = 70~100 mm
Aa Af
Af
边缘区(无效区）： 塔板支撑件塔板连接。
D < 2.5 m WC = 50 mm ； D > 2.5 m WC ? 60 mm
(2) 由选定的 lw/D 值查图得 Af /AT 。
(3) 由确定的 A' 与 Af /AT 求 得塔板面积 AT 和塔径 D ，并进行圆整。
AT ? A?? Af
或
Af ? 1? A?
AT
AT
注意：塔高和D的计算涉及的参数 (HT、hL) 是按 经验数据在一定范围选取的，故所得塔高 和D是初估值 ，需根据后面介绍的流体力 学原则进行校核。
t
?
Aa N t?
对单溢流塔板 Aa 可按下式计算：
Aa
?
?? x ?
R2 ? x2 ? ? R2 sin ?1( x ) ??
180
R?
x?
D 2
?
?Wd
? Ws ?
R?
D 2
?
Wc
(m)
由 t'= 75mm 及上式计算的 Aa 值可得 t ，据此可 确定 t 的实际取值（ 65、80、100mm ）；
塔板效率
塔板效率反映了实际塔板的气液两相传质的完 善程度。
(1)全塔效率
总板 效率
ET
?
NT Np
? 100%
全塔效率反映塔中各层塔板的平均效率，它是 理论板层数的一个校正系数，其值恒小于 100%。
(2)单板效率
单板效率又称默弗里 （Murphree）效率，它
是以混合物经过实际板的组成变化与经过理论板 的组成变化之比来表示的，单板效率即可用气相 组成表示，也可用液相组成表示，分别称为气相 单板效率和液相单板效率。
N
?
4Vs
?d02u0
式中：Vs —— 气体流量，m3/s； u0 —— 阀孔气速，m/s； d0 —— 阀孔直径。对 F1 型浮阀，d0 = 39 mm 。
阀孔气速 u0 可根据由实验结果综合的阀孔动 能因子 F 0 确定
F0 ? u0 ?V
根据工业设备数据，对 F1重型浮阀（约 33g），当 塔板上的浮阀刚全开时， F 0 在 8~12 之间。设计时 可在此范围内选择适宜的 F 0 后计算 u0 。
点效率分析
y
y (y?) n
x
n-1
x
y
n +1
x
n
2. 塔径
溢流式塔板的塔截面分为两个部分： 气体流通截面和降液管所占截面（液体下流截面）。
AT ? A?? Af
或
Af ? 1? A?
AT
AT
AT -塔板总截面积，A'-气体流道截面积，Af -降液管截面积
求得A'与 Af / AT 后，即可求得 AT ，而塔径
单溢流 lw=(0.6~0.8)D 双溢流 lw=(0.5~0.7)D。 出口堰高 hw：降液管上端高出板面的高度。堰高
hw 决定了板上液层的高度 hL和堰
上液层高度 how。
对于平堰： hw ? hL ? how
对常压塔，板上液层高度 hL可在0.05-0.1m 范围内选择
弗朗西斯（Francis ）公式
气相单板效率
EMV ?
yn ? yn+1 y*n ? yn?1
液相单板效率
EML
?
xn ?1 ? xn xn ?1 ? x*n
单板效率分析
tn ?1
x
t n?1
n
t n +1
x
n+1
y
n-1
y
n
(
yn?
)
y
n
+1
(
xn?
)xn
ห้องสมุดไป่ตู้
(3)点效率
点效率是指塔板上 各点的局部效率。
EOV
?
y y*
? yn+1 ? yn+1
物堵塞 (不可太小 ) ，但也应防止气体进入降液
管(不可太大 )。 对于弓形降液管可按下式计算
h0
?
Lh lw ?uo
uo —— 液体通过降液管底端出口处的流速， m/s 根据经验一般取 uo = 0.07~0.25 m/s。 D < 800 mm ，h0 = 25~30 mm ；D > 800 mm ，h0 = 40 mm 。最大时可达 150 mm 。
hp ? hc ? hl ? h?
国内通用的 F1 型浮阀塔板的 hc可按如下经验公式计算：
阀全开前
? ? u0 ? uoc
hc
?
19.9
u 0.175 0 ?L
(m液柱)
阀全开后
?u0 ? uoc ?
hc
?
5.34
? V u02 2? Lg
(m液柱)
式中：u0 — 阀孔气速，m/s；
uoc — 阀恰好全开时的阀孔气速(临界气速)，m/s；
? 对D>0.8m的塔，为了安装及检修需要，需开设人孔。 ? 人孔处的板间距一般不应小于 0.6m。
塔径D，m 0.3~0.5 0.5~0.8 0.8~1.6 1.6~2.0 2.0~2.4 >2.4 板距HT ，mm 200~300 300~350 350~450 450~600 500~800 ≥600
目的：判断在设计工作点 (任务给定的气、液负荷量 ) 下初步设计出的塔板能否正常操作，塔板压降 是否超过允许值等，从而确认塔的工艺尺寸设 计结果的可靠性。
塔板压降的校核
气体通过塔板的压强降对塔板的操作性能有着重要 影响，通常也是设计任务规定的指标之一。 塔板的压降等于干板压降与液层压降以及液体表面 张力引起的压降之和，即