六溢流塔盤兩種設(shè)計(jì)方法的比較

張寶樹 劉艷芳（上海協(xié)升化工科技有限公司，上海 200030）

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六溢流塔盤兩種設(shè)計(jì)方法的比較

張寶樹 劉艷芳
（上海協(xié)升化工科技有限公司，上海 200030）

摘 要通過等鼓泡面積法和等通道長度法兩種設(shè)計(jì)方法合理分配六溢流塔盤的三種鼓泡區(qū)和邊降液管、遠(yuǎn)偏心降液管、近偏心降液管和中心降液管四種降液管的面積和位置，以保證各通道氣液比相等。詳細(xì)闡述兩種設(shè)計(jì)方法中各出口堰弦對應(yīng)圓心角、降液管堰弦長、降液管寬度和鼓泡區(qū)通道長度的計(jì)算方法。并通過實(shí)例計(jì)算說明等通道長度法相對等鼓泡面積法較優(yōu)。

關(guān)鍵詞六溢流塔盤；等鼓泡面積法；等通道長度法

工業(yè)裝置中高液相量氣液傳質(zhì)操作十分常見，如大回流比精餾操作、高液氣比的吸收操作以及萃取精餾等處理的液量都很大。多溢流塔板具有很長的溢流周邊，可承受很大的液體負(fù)荷[1]。雙溢流塔板完全對稱，不易產(chǎn)生不良分配，應(yīng)用較廣泛，但處理量較小。三溢流塔板自身結(jié)構(gòu)不對稱性，不良性分配嚴(yán)重，因此對于大塔塔徑塔盤設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者通常跳過三溢流塔板而使用四溢流塔板[2]。四溢流塔板相比三溢流塔板，在保證塔板處理能力相當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)，由于其結(jié)構(gòu)的相對對稱性使得塔板上不同流道的氣液相分配相對均勻，操作彈性和穩(wěn)定性較三溢流塔板好。

對于一些實(shí)際的大規(guī)模工業(yè)過程，尤其是高液相量的裝置中，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，需要應(yīng)用六溢流塔板。六溢流塔盤可以縮短塔盤流道長度， 降低塔盤上的液面落差， 從而使塔盤操作更加穩(wěn)定。然而隨著溢流程數(shù)的增加， 六溢流塔盤結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜， 液流的流程長度減短， 易導(dǎo)致傳質(zhì)效率降低， 尤其較難實(shí)現(xiàn)氣液兩相在塔盤各通道的均布。通過等鼓泡面積法和等通道長度法合理分配鼓泡區(qū)和降液管位置與面積，保證各通道氣液比相等。

1 鼓泡區(qū)和降液管分配和位置

六溢流塔盤的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

六溢流塔盤存在 B、D、F三種鼓泡區(qū)和邊降液管A、遠(yuǎn)偏心降液管C、近偏心降液管E和中心降液管G四種降液管形式。設(shè)計(jì)中應(yīng)合理分配三種鼓泡區(qū)和四種降液管的面積和位置，以保證各通道氣液比相等。在計(jì)算降液管面積分配和位置時(shí)，目前通用的有兩種方法[3-4]：等鼓泡面積法和等通道長度法。

圖 1 六溢流塔盤結(jié)構(gòu)Fig. 1 Sketch of six-pass tray

如圖1所示可知：

2 等鼓泡面積法

假設(shè)各通道鼓泡區(qū)面積相等，如圖1所示，即：

在各通道鼓泡區(qū)壓力降相同的情況下[2]，則氣體流量也均勻地分成六等份。為了保證塔板上的氣液接觸效率，各通道區(qū)域的氣液比相等，則通過各通道鼓泡區(qū)的液量相等。由于同一層塔板上各降液管停留時(shí)間相等，則等鼓泡面積設(shè)計(jì)法中各種降液管面積正比其對應(yīng)的通道鼓泡區(qū)的數(shù)量（見圖1），即：

如圖1所示，若總降液管面積Sd與塔的截面積ST之比為Fi，則降液管的面積為：

2.1 邊降液管A

根據(jù)等鼓泡面積法，由式（2）、（4）可知，邊降液管A面積SA為總降液管面積Sd的六分之一，即：

由幾何關(guān)系可知，塔徑為φ的塔盤其邊降液管面積SA為：

聯(lián)立式（6）、（7）求解即得邊降液管A堰弦對應(yīng)的圓心角α1；

2.2 鼓泡區(qū)B

根據(jù)等鼓泡面積法，由式（1）、（3）可知，各通道鼓泡區(qū)面積為總鼓泡區(qū)面積S0六分之一，則鼓泡區(qū)面積：

由幾何關(guān)系可知鼓泡區(qū)B面積為：

聯(lián)立式（10）、（11）求解得遠(yuǎn)偏心降液管C外堰弦長L2對應(yīng)圓心角α2；

鼓泡區(qū)B通道長度：

2.3 遠(yuǎn)偏心降液管C

由式（2）、（4）、（6）得：

由幾何關(guān)系可知遠(yuǎn)偏心降液管C面積為：

聯(lián)立式（13）、（14） 求解得遠(yuǎn)偏心降液管C內(nèi)堰弦長L3對應(yīng)圓心角α3。

遠(yuǎn)偏心降液管C內(nèi)堰弦長：

遠(yuǎn)偏心降液管C外堰弦長：

遠(yuǎn)偏心降液管C寬度：

2.4 鼓泡區(qū)D

由幾何關(guān)系可知鼓泡區(qū)D面積為：

聯(lián)立式（10）、（18） 求解得近偏心降液管E外堰弦長L4對應(yīng)圓心角α4。

鼓泡區(qū)D通道長度：

2.5 近偏心降液管E

由幾何關(guān)系可知近偏心降液管E面積為：

聯(lián)立式（13）、（20）求解得近偏心降液管E內(nèi)堰弦長L5對應(yīng)圓心角α5。

近偏心降液管E內(nèi)堰弦長：

近偏心降液管E外堰弦長：

近偏心降液管E寬度：

2.6 鼓泡區(qū)F

由幾何關(guān)系可知鼓泡區(qū)F面積為：

聯(lián)立式（10）、（24） 求解得中心降液管G堰弦長L6對應(yīng)圓心角α6。

鼓泡區(qū)F通道長度：

2.7 中心降液管G

由于中心降液管G堰弦長L6對應(yīng)圓心角α6。

3 等通道長度法

假設(shè)各通道鼓泡區(qū)的通道長度相等，如圖1所示，即：

則各通道鼓泡區(qū)面積不等。為了保證塔板上的氣液接觸效率，各通道區(qū)域的氣液比應(yīng)相等。由于通過各通道的氣體流量正比于各通道鼓泡面積，則各通道區(qū)域的液體流量正比于各通道的鼓泡面積，因此通過各降液管的液體流量正比與其對應(yīng)的通道鼓泡面積。由于同一層塔板上各降液管停留時(shí)間相等，則各降液管面積之正比與其對應(yīng)的各通道面積。

由上所述，則有：

3.1 邊降液管A

先賦予FA初值，則可知邊降液管面積：

聯(lián)立式（7）、（31） 求解得出邊降液管A堰弦長L1對應(yīng)的圓心角α1，由式（8）、（9）可知L1和WA。

3.2 鼓泡區(qū)B

由式（29），可知鼓泡區(qū)B的通道鼓泡面積：

聯(lián)立式（11）、（32） 求解得遠(yuǎn)偏心降液管C外堰弦長L2對應(yīng)圓心角：α2；由式（12）、（16）可知L2和WB。

3.3 遠(yuǎn)偏心降液管C

由式（30），可知遠(yuǎn)偏心降液管C面積：

聯(lián)立式（14）、（33） 求解令得遠(yuǎn)偏心降液管C內(nèi)堰弦長L3對應(yīng)圓心角：α3；由式（15）、（17）可知L3和WC。

3.4 鼓泡區(qū)D

由式（30），可知鼓泡區(qū)D的通道鼓泡面積：

聯(lián)立式（18）、（34） 求解得近偏心降液管E遠(yuǎn)堰弦長L4對應(yīng)圓心角：α4；由式（19）、（22）可知L4和WD。

若WD>WB，F(xiàn)C取值偏大；若WD< WB，F(xiàn)C取值偏小；重新取值FC迭代至WD= WB。

3.5 近偏心降液管E

由式（29），可知近偏心降液管E面積：

聯(lián)立式（20）、（35） 求解得近偏心降液管E內(nèi)堰弦長L5對應(yīng)圓心角：α5；由（23）、（21）可知L5和WE。

3.6 鼓泡區(qū)F

由式（29），可知鼓泡區(qū)F的通道鼓泡面積：

聯(lián)立式（24）、（36） 求解得中心降液管G堰弦長L6對應(yīng)圓心角：α6。由式（25）可知WF。

若WF> WB= WD，F(xiàn)A取值偏?。?/p>

若WF< WB= WD，F(xiàn)A取值偏大；

重新取值Fa迭代至WD= WB= WF。

3.7 中心降液管G

由式（26）、（27）可知中心降液管G寬度WG和中心降液管G弦長L6。

4 設(shè)計(jì)舉例

現(xiàn)有500 kt/a MTA 丙烷脫氫單元中產(chǎn)品汽提塔，塔徑為8 300 mm，板間距450 mm，氣相流量為32 813 m3/h，密度為44.92 kg /m3；液相流量為3 094.71 m3/h，密度為456 kg/m3。利用上述等鼓泡面積法和等通道長度法設(shè)計(jì)計(jì)算六溢流塔盤。

分別應(yīng)用上面介紹的兩種方法， 對該六溢流塔盤進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算， 結(jié)果見表1和表2。

由表1和表2可知，等鼓泡面積設(shè)計(jì)的各鼓泡區(qū)的通道長度差距較大，尤其鼓泡區(qū)B寬度較大，且出口堰L1的溢流強(qiáng)度太大，導(dǎo)致實(shí)際上氣液分配較難一致，鼓泡區(qū)傳質(zhì)效率差距大。 等通道長度設(shè)計(jì)各鼓泡區(qū)通道長度一致，各出口堰溢流強(qiáng)度差距比較小，因此實(shí)際氣液分配一致較易。

表1 等鼓泡面積計(jì)算方法Tab.1 Design result of equal bubbling area design

表2 等通道長度計(jì)算方法Tab. 2 Design result of equal flow-pass length design

5 結(jié)論

等通道長度法與等鼓泡區(qū)法相比較易實(shí)現(xiàn)氣液分配一致；且等通道長度法設(shè)計(jì)的塔盤，在鼓泡區(qū)塔盤分塊加工時(shí)，會出現(xiàn)同樣塔盤塊，因此與等鼓泡區(qū)法設(shè)計(jì)相比，在加工和安裝時(shí)較易。因此推薦使用等通道長度設(shè)計(jì)法。

符號說明

Fi— 總降液管面積Sd與塔的截面積ST之比；

FA— 邊降液管A面積與總降液管面積之比；

FC— 遠(yuǎn)偏心降液管C面積與總降液管面積之比；

L1、 L2、L3、L4、 L5、 L6— 邊降液管A堰弦長、遠(yuǎn)偏心降液管C外堰弦長、遠(yuǎn)偏心降液管C內(nèi)堰弦長、近偏心降液管E外堰弦長、近偏心降液管E內(nèi)堰弦長和中心降液G堰弦長；

S0— 總鼓泡區(qū)面積；

Sd— 總降液管面積；

ST— 塔的截面積；

SB、SD、SF— B、D、F三種鼓泡區(qū)面積；

SA、SC、SE、SG— 邊降液管A、遠(yuǎn)偏心降液管C、近偏心降液管E和中心降液G，以上各降液管的面積；

WA、WC、WE、WG— 邊降液管A、遠(yuǎn)偏心降液管C、近偏心降液管E和中心降液G，以上各降液管的寬度；

WB、WD、WF— B、D、F三種鼓泡區(qū)通道長度；

α1、α2、α3、α4、α5、α6— 邊降液管A堰弦、遠(yuǎn)偏心降液管C外堰弦、遠(yuǎn)偏心降液管C內(nèi)堰弦、近偏心降液管E外堰弦、近偏心降液管E內(nèi)堰弦和中心降液G堰弦，以上各堰弦對應(yīng)的圓心角；

φ — 塔徑。

參考文獻(xiàn)

[1]孫蘭義，陳亮，國會香，等.多溢流塔板的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)在化工.2008.28（增刊1）：25-28.

[2]李軍，全本軍，孫蘭義.兩種三溢流塔盤設(shè)計(jì)方法的比較[J].煉油技術(shù)與工程.2013.43（9）：22-26.

[3]Jaguste S D， KelKar J V. Optimize separation efficiency for multi-pass tray[J].Hydrocarbon Processing，2006，85（3）：85-90.

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

Comparison of Two Methods for Designing Six-pass Tray

Zhang Baoshu, Liu Yanfang
（Shanghai Xie Sheng ChemTech Co., Ltd, Shanghai 200030）

Abstract:In this article, by using equal bubbling area method and equal pass length method, three kind of bubbling areas in sixpass tray were properly arranged, and the areas and positions of four downcomers – side downcomer, far eccentric downcomer, near eccentric downcomer and central downcomer – were determined, by which the ratio of gas to liquid in each pass is approximately the same. Then the methods used in two design methods for calculating central angle corresponding weir chord, weir length and width and pass length of bubbling zone were described in detail. With the example, it was illustrated that equal pass length method is better than equal bubbling area one.

Keywords:six-pass tray; equal bubbling area method; equal pass length method

作者簡介：張寶樹（1981—），男，工程師，主要從事化學(xué)工程工作。

收稿日期：2015-08-19

中圖分類號：TQ 053.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-817X（2016）01-0046-000