塔板主要尺寸的选取策略

4.4.5.1　初选板间距

板间距的大小与液泛和雾沫夹带有密切关系。板间距取大些,可允许气流以较高的速度通过,塔径可小些;反之,所需的塔径就要增大。一般来说,取较大的板间距对提高操作弹性有利,安装检修方便,但会增加塔身总高和塔的造价。因此,板间距应适当选择。对于不同的塔径,初选板间距时可参考表4-10所列数值。

表4-10　板间距参考表

设计时板间距必须首先选定,因为计算空塔速度时需要板间距的数值,若由此算得的塔径与初选的板间距不协调,应立即对板间距进行调整。在其他参数都选定后还要进行流体力学验算。若塔板性能不佳,应对塔板结构参数(包括板间距在内)进行适当调整。

4.4.5.2　塔径计算

(1)液泛速度uf

液泛速度的计算式为

式中,C20为气相负荷因子,m/s;σ为液相表面张力,mN/m;ρL,ρV分别为气、液相密度,kg/m3。

上式中气相负荷因子C20可由费尔(Fair)的关联图(图4-9)查取。

(2)塔径D

操作气速un通常取液泛气速uf的80%～85%,对于易起泡物系可取液泛气速uf的75%。此气速是以塔内气相流通截面积,即塔的横截面积减去降液面积(AT-Af)为依据计算的,即

式中,AT为塔横截面积,m2;Af为降液管面积,m2;Vs为气相流率,m3/s;un为操作气速,m/s。

图4-9　筛板塔的泛点关联图

选定降液管面积和塔横截面积的比值,就可计算塔径D。

为设计计算方便,在初算塔径时也可用气速u′=Vs/AT来表示,此时u′常取uf的50%～70%。

初算塔径

目前,塔设备的直径均已系列化,其标准直径为0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m……。故求得的D′值必须按标准值进行圆整。经圆整后的塔径为D,后面的设计计算均以此数据为基础。

4.4.5.3　堰的参数

首先根据4.4.3.1和4.4.3.2介绍的方法选择液流程数和溢流装置型式。

(1)堰长Lw的选定

对于单流型,Lw取0.6～0.8D;对于双流型,Lw取0.5～0.7D。

对单流型堰,若Lw小于0.6D,液流分布不易均匀;而若Lw大于0.8D,则塔板有效鼓泡区过小,对操作不利,因此通常在0.6D～0.8D之间选择。选择时主要考虑:①液流强度不宜过小,必须使堰上清液层高度how大于6 mm,同时液流强度也不宜过大,一般不大于70～87.5 m3/(h·m堰长);②对弓形堰,堰长则降液管横截面积Af大,堰短则降液管横截面积Af小,选择堰的长度时,必须使液体的降液管内有足够的停留时间(大于3～5 s),或液体在降液管内的流速不大于0.1 m/s。

为设计制造方便,应尽可能选取系列中的数值。

(2)堰高hw的选定

hw大,板上液层厚,气液接触充分,有利于提高板效率;但液层阻力大,塔板压降也大。在加压或常压操作时,希望保持板上清液层高度hL(hL=hw+how)在50～100 mm之间,对一般的液流量,堰高hw可取25～50 mm。若液流量很大,how本身已足以起到维持液层高度和液封的作用了,可以不设堰。对于要求液体有较长停留时间的特殊情况(例如有化学反应),也有采用高度为150 mm的堰。对于减压塔,要求压力降小,堰高hw常取20～25 mm。堰高hw可参考表4-11中的推荐数据选定。

表4-11　各种操作情况的堰高参考表

(3)降液管与下层塔板的距离ho的确定

为了使溢流的液体能够顺利流入下层塔板,并且防止沉淀物的堆积和堵塞,降液管与下层塔板间必须保持一定的高度ho,但为保证降液管的底缘有一定液封,ho应稍小于hw。同时,液体通过降液管下端出口处的速度不超过0.3 m/s,以免液体流过时压降太大。对于小塔径,ho不小于25 mm;对于大塔径,ho不小于40 mm。

(4)受液盘及入口堰的设置

对于平型受液盘,有时为了使降液管中流出的液体能在板上均匀分布,减少由于液体冲出而对板入口处操作的影响,以及保证降液管的液封,也设置入口堰(又称内堰)。当降液管为圆形时,一般均应设置入口堰。

入口堰高度可按照下列原则考虑:①当hw大于ho时,可取6～8 mm,常用的方法是点焊一段6或8的圆钢即可;②若hw小于ho,此时应取大于ho,以保证液封。入口堰与降液管的水平距离h1应不小于ho。

若采用凹型受液盘,则受液盘深度一般在50 mm以上,但不能超过板间距的三分之一。ho、h1和均应保证液相通过该处截面时的流速不超过0.3 m/s,以免液体流过时压降太大。

4.4.5.4　安定区Ws和边缘区Wc

在板上的传质区域与堰之间需要有一个不开孔的区域,称为安定区。入口堰与传质区之间设入口安定区,可使降液管底部流出的清液能均匀地分布在整个塔板上,避免入口处因液压头引起的液体泄漏。溢流堰与传质区之间设出口安定区,以避免大量泡沫进入降液管。安定区宽度Ws是指堰与它最近一排孔的中心线之间的距离。对于筛板塔,Ws常取50～100 mm,小塔取较小的值。对于浮阀塔,因阀孔直径较大,Ws相对来说比较大一些,一般对分块式塔板取80～110 mm,对整块式塔板取60～70 mm。(www.xing528.com)

塔板靠近塔壁部分需留出一圈边缘区域Wc,供支持塔板边梁之用。筛板塔一般取50～60 mm;浮阀塔,分块式塔板一般取70～90 mm,整块式为55 mm。

为防止液体流经无效区而产生“短路”现象,可在塔板上沿壁设置挡板,挡板高度可取清液层高度的两倍。

4.4.5.5　筛板塔筛孔直径及其排列

(1)孔径do

工业塔中筛板塔常用的筛孔直径do为3～8 mm,推荐孔径为4～5 mm。若孔太小,则加工困难,容易堵塞,而且由于加工的公差而影响开孔率的大小,故只有在特殊要求时才用小孔。近年来逐渐有采用do为10～25 mm的大孔径筛板塔,因为大孔径筛板有加工制造方便、不易堵塞等优点,只要设计合理也可得到满意的效果。但一般说来,大孔径筛板的操作弹性会小些。

(2)塔板厚度δ

一般碳钢塔板δ取3～4 mm,合金钢板δ取2～2.5 mm。

(3)筛孔的排列、开孔率φ和孔中心距t

在塔板上,筛孔一般按等边三角形排列,此时开孔率φ和孔中心距t有如下关系:

式中,φ为开孔率;Ao为筛孔总面积,m2;Aa为鼓泡区面积,m2;t为孔中心距,mm;do为筛孔直径,mm。

因此t/do的选定就直接决定了开孔率φ。若t/do选得过小,气流相互干扰,使传质效率降低,且由于开孔率过大使干板压降小而漏液点高,塔板操作弹性下降;若t/do选得过大,则鼓泡不均匀,也要使传质效率下降,且开孔率过小会使塔板阻力增大,雾沫夹带量大,易造成液泛,限制了塔的生产能力。因此,t/do的选择须全面考虑,在一般情况下可取t/do为2.5～5,而实际设计时较多的是取3～4。

当塔内上下段气相负荷变化较大时,应根据需要分段改变开孔率,使全塔有较好的操作稳定性。此时为加工上的方便也可不改变孔中心距,用堵孔的方法来改变开孔率,也即在与液流相垂直的方向堵塞适当排数的孔以减小开孔率。

(4)筛孔数n

筛孔数的计算为:

式中,n为筛孔数;n′为每平方米开孔区的孔数;t为孔中心距,mm;Aa为开孔区的面积,m2;arcsin(x/r)为以弧度表示的反正弦函数;Wd为堰宽,m;Ws为安定区宽度,m。

4.4.5.6　浮阀塔的阀孔数及其排列

(1)阀孔直径do

阀孔直径由所选浮阀的型号所决定。应用最广泛的是F1型重阀,阀孔直径do=39 mm。

(2)初算阀孔数n

一般正常负荷情况下,希望浮阀是在刚全开时操作。试验结果表明此时阀孔动能因数Fo为8～11。

式中,Fo为阀孔动能因数;uo为孔速,m/s;ρV为气相密度,kg/m3。

式中,n为阀孔数;Vh为气相流量,m3/h。

(3)阀孔的排列

阀孔一般按三角形排列,在三角形排列中又有顺排和叉排两种型式。一般认为叉排的效果较好,故采用叉排的较多,如图4-10所示。

图4-10　浮阀塔盘系列塔盘板开孔型式

在整块式塔板中,浮阀常以等边三角形排列,其孔中心距t一般有75 mm、125 mm、150 mm几种。

在分块式塔板中,为便于塔板分块,也可按等腰三角形排列。三角形的底边孔中心距t′固定为75 mm,三角形高度h有65 mm、70 mm、80 mm、90 mm、100 mm、110 mm几种,必要时还可以调整。系列中推荐使用的h值为65 mm、80 mm和100 mm。

排列成等边三角形时,有

排列成等腰三角形时,有

式中,t为等边三角形排列时的阀孔中心距,m;do为阀孔直径,m;Aa为塔板上开孔区面积,m2;Ao为开孔总面积(=n×π/4×d2o),m2;t′为排列成等腰三角形时的底边孔中心距,m;h为排列成等腰三角形时的高,m;n为阀孔数。

根据计算得到的t(或h)值,应圆整到恰当的推荐数值。

(4)阀孔数n的确定

由选定的t(或h)绘图排列,由此可得实际的阀孔数n。