四溢流塔板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳 亮，普 天，趙萌瑩

(新疆化工設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

四溢流塔板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳 亮，普 天，趙萌瑩

(新疆化工設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

四溢流塔板在工業(yè)上有很大需求。為了保證四溢流塔板各通道氣液比相等，塔板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是降液管的布置。本文對(duì)等通道長度法和等鼓泡面積法進(jìn)行了總結(jié)比較。比較結(jié)果表明兩種設(shè)計(jì)方法都可以保證各通道氣液比相等，但是等通道長度法設(shè)計(jì)結(jié)果可獲得更好的塔板操作性能。

四溢流；塔板；等通道長度法；等鼓泡面積法

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，石油化工、煉油和化肥等工業(yè)逐漸向大型化、集團(tuán)化方向發(fā)展。塔板作為一種用于吸收、精餾等方面的氣液傳質(zhì)設(shè)備, 單臺(tái)規(guī)模也越來越大, 直徑10m 以上的塔也時(shí)有出現(xiàn)。大直徑塔板為了提高傳質(zhì)效果, 常采用多溢流流動(dòng)形式，其中四溢流塔板的應(yīng)用也日益廣泛。

圖1 四溢流塔板結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，和其他溢流形式相比，四溢流塔板由于出口堰長度較大，可顯著降低溢流強(qiáng)度，尤其適用于液體負(fù)荷較大的操作；由于四溢流塔板液體通道長度的減小，可減少液面落差，氣液分布更為均勻；板上液層較低，塔板阻力小，泡沫層低，霧沫夾帶??；汽液相接觸得到有效改善，塔板效率和處理能力得到顯著提高[1]。

但是由于溢流程數(shù)的增加使得四溢流塔板結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，尤其較難實(shí)現(xiàn)氣液兩相在塔板各通道的均布[2]。經(jīng)過廣泛的文獻(xiàn)調(diào)研以及筆者多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文著重整理四溢流塔板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，采用等通道長度法和等鼓泡面積法對(duì)溢流塔板進(jìn)行設(shè)計(jì)，可供生產(chǎn)、設(shè)計(jì)部門在四溢流塔板上應(yīng)用，提高塔板操作性能。

1 降液管面積分配和位置

如圖1所示，四溢流塔板存在三種形式的降液管：邊降液管、中心降液管和偏心降液管。設(shè)計(jì)中應(yīng)合理分配三種形式降液管面積和位置，以保證各通道氣液比相等以及三種形式降液管出口堰溢流強(qiáng)度相等。在設(shè)計(jì)計(jì)算降液管面積分配和位置時(shí)，目前通用的方法有兩種[3-4]：等通道長度法和等鼓泡面積法。

1.1 等通道長度法

運(yùn)用等通道法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可假設(shè)各通道的通道長度相等，此時(shí)各通道的鼓泡面積不相等，由于通過各通道的氣體流量正比于各通道鼓泡面積，為了保證各通道內(nèi)氣液比一致，則液體流量應(yīng)正比于各通道鼓泡面積；由于同一層塔板上各降液管停留時(shí)間相等，且通過各降液管的液體流量正比于各通道鼓泡面積，則各降液管面積之比等于各通道鼓泡面積之比。由以上條件進(jìn)而可以求出各降液管面積、位置以及溢流區(qū)其他結(jié)構(gòu)的尺寸。某些參數(shù)的命名如圖1所示。

在設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)設(shè)降液管總面積與塔截面積之比為FI，則降液管總面積為：

Ad=ATgFI

(1)

利用幾何關(guān)系計(jì)算三種形式降液管尺寸，詳細(xì)計(jì)算過程如下：

1.1.1 邊降液管

邊降液管面積為：

As=(D/2)2(α-sinαcosα)

(2)

邊降液管弦長為：

l1=Dsinα

(3)

邊降液管寬度為：

W1=(D/2)(1-cosα)

(4)

1.1.2 中心降液管

中心降液管面積為：

Ac=A-2As

(5)

中心降液管寬度近似為：

W2=Ac/D

(6)

中心降液管弦長為：

(7)

1.1.3 偏心降液管

偏心降液管面積為：

AO=Ad/2

(8)

以偏心降液管中心作弦，設(shè)弦長為l，則偏心降液管中心弦離圓心的距離為：

W=(D/2-W1)/2

(9)

偏心降液管中心弦長為：

(10)

偏心降液管寬度為：

W3=Ao/l

(11)

設(shè)通道3和通道4的通道長度均為C，通道3和通道4的面積比可近似用兩個(gè)梯形的面積比來表示。通道3的面積為：

A3=(l1+l)C/2

(12)

通道4 的面積為：

A4=(l+D)C/2

(13)

則通道3與通道4的面積比為：

A3/A4=(l1+l)/(l+D)

(14)

根據(jù)各降液管停留時(shí)間相等可以得出通道鼓泡面積之比與降液管面積之比相等即：

A3/A4=2As/Ac

(15)

上式經(jīng)過代入變形后，是關(guān)于參數(shù)α的等式，對(duì)該等式進(jìn)行試差運(yùn)算，便可以求出參數(shù)α的值，再根據(jù)上面列出的公式求出各降液管面積、弦長以及堰寬等值。

另外通道長度可用下式計(jì)算：

C=(D/2-W1-W3-0.5W2)

(16)

則偏心降液管外堰弦長為：

(17)

偏心降液管的內(nèi)堰弦長為：

(18)

1.2 等鼓泡面積法

運(yùn)用等鼓泡面積設(shè)計(jì)時(shí)，可假設(shè)各通道的鼓泡面積相等，此時(shí)氣體流量均勻地分成四等份。為了保證各通道內(nèi)氣液比相等，液體流量也必須均勻地分成四等份。圖1中各通道鼓泡面積相等，即：

A1=A2=A3=A4

(19)

由于同一層塔板上各降液管停留時(shí)間相等，且通過各降液管的液體流量正比于各通道鼓泡面積，則各降液管面積之比等于各通道面積之比，因此等鼓泡面積法中降液管的面積關(guān)系為：中心降液管的面積=偏心降液管的面積=2倍的邊降液管的面積，據(jù)此可以求出其他相關(guān)的降液管參數(shù)。

等鼓泡面積塔板的分布如圖1所示，設(shè)邊降液管所對(duì)應(yīng)的弦長l1所對(duì)的圓心角為2α，偏心降液管的中心弦l所對(duì)的圓心角為2γ，其他各參數(shù)的命名見圖1。在設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)設(shè)降液管總面積與塔截面積之比為FI，則降液管總面積可由式(1)計(jì)算。利用幾何關(guān)系計(jì)算三種形式降液管尺寸，詳細(xì)計(jì)算過程如下：

1.2.1 邊降液管

由等鼓泡面積法可知邊降液管的面積為：

As=Ad/4

(20)

根據(jù)幾何關(guān)系得出邊降液管的面積為：

As=(D/2)2(α-sinαcosα)

(21)

聯(lián)立公式(20)和公式(21)，通過試差計(jì)算可以求得角度α，從而可以求出邊降液管弦長為：

l1=Dsinα

(22)

邊降液管寬度為：

W1=(D/2)(1-cosα)

(23)

1.2.2 中心降液管

由等鼓泡面積法可以得出中心降液管面積為：

Ac=Ad/2

(24)

中心降液管寬度近似為：

W2=Ac/D

(25)

則中心降液管的弦長為：

(26)

1.2.3 偏心降液管

偏心降液管面積為：

Ao=Ac=Ad/2

(27)

以偏心降液管中心作弦l，定義為偏心降液管中心弦，則由幾何關(guān)系可以求出中心弦左邊弓形區(qū)面積為：

A=(D/2)2/(γ-sinγcosγ)

(28)

又根據(jù)等鼓泡面積法可知該弓形區(qū)面積A近似等于塔截面積的1/4，因此有：

A=πD2/16

(29)

聯(lián)立式(28)和式(29)解方程，通過試差計(jì)算可以求得角度γ。再根據(jù)幾何關(guān)系，得到偏心降液管中心弦長為：

l=Dsiγ

(30)

偏心降液管中心弦離圓心的距離W為：

W=(D/2)cosγ

(31)

偏心降液管的寬度可以近似表示為：

W3=AM0/(Dsinγ)

(32)

則偏心降液管外堰弦長為：

(33)

偏心降液管內(nèi)堰弦長為：

(34)

2 出口堰及降液管底隙設(shè)計(jì)

為了保證各通道(通道1和2或者通道3和4)溢流強(qiáng)度的相等，即邊降液管出口堰溢流強(qiáng)度與中心降液管溢流強(qiáng)度相等，偏心降液管兩側(cè)出口堰溢流強(qiáng)度相等，可以采用兩種方法：一是設(shè)置輔堰增加邊降液管有效出口堰長度[5]；二是設(shè)置柵欄堰減少中心降液管或某側(cè)偏心降液管有效出口堰長度[6]。

2.1 輔堰

四溢流塔板設(shè)計(jì)中，輔堰一般用于邊降液管，因?yàn)檫吔狄汗苎唛L比中心降液管堰長小的多，而通道1和通道2鼓泡面積則相差較小，這種情況在等鼓泡面積法中尤為突出。輔堰能夠提供較長的有效出口堰長度，使通道1和通道2溢流強(qiáng)度相等。輔堰的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中s=0.18～0.35m，a=0.15～0.30m，b=0.1～0.18m，且b

LW1=l2×(A1/A2)

(35)

根據(jù)降液管的相關(guān)幾何關(guān)系和s、a和b的取值范圍，經(jīng)過試差，求出s，a和b的值。需要注意的是，輔堰占據(jù)了通道1的一部分鼓泡面積，在計(jì)算通道1鼓泡面積A1時(shí)必須減去該部分的面積。

圖2 輔堰

Fig.2 Swept back weir

2.2 柵欄堰

柵欄堰利用柵欄阻擋了部分出口堰，使得出口堰有效堰長減小。柵欄堰的形狀如圖3所示，柵欄的高度一般在0.15～0.2m之間，而且要大于板上清

圖3 柵欄堰

液層的高度。柵欄堰的有效堰長不包括柵欄占據(jù)的部分，對(duì)于柵欄堰的設(shè)計(jì)，等通道長度法和等鼓泡面積法有差異。對(duì)于等通道長度法，為了使通道1和通道2出口堰溢流強(qiáng)度相等，中心降液管應(yīng)用柵欄堰，中心降液管有效堰長為：

LW2=LW1A2/A1

(36)

其中LW1為邊降液管有效堰長，等于l1，則中心降液管柵欄出口堰的阻擋比為：

XWC=1-LW2/l2

(37)

為了使通道3和通道4出口堰溢流強(qiáng)度相等，偏心降液管的外堰出口堰應(yīng)用柵欄堰，偏心降液管的外堰有效堰長為：

LW3=LW4A3/A4

(38)

其中LW4為偏心降液管外堰的有效堰長，等于l4，偏心降液管外堰柵欄出口堰的阻擋比為：

XWC=1-LW3/l3

(39)

對(duì)于等鼓泡面積法，為了使通道1和通道2出口堰溢流強(qiáng)度相等，中心降液管出口堰應(yīng)用柵欄堰，中心降液管的有效堰長等于邊降液管弦長，中心降液管柵欄出口堰的阻擋比為：

XWC=1-LW2/l2

(40)

為了使通道3和通道4出口堰溢流強(qiáng)度相等，偏心降液管內(nèi)堰出口堰應(yīng)用柵欄堰，偏心降液管的內(nèi)堰有效堰長等于偏心降液管外堰弦長，偏心降液管內(nèi)堰柵欄出口堰的阻擋比為：

XWC=1-LW4/l4

(41)

2.3 降液管底隙

為了保持偏心降液管兩側(cè)液體底隙流速相等，在進(jìn)行等通道長度法設(shè)計(jì)時(shí)，偏心降液管的外側(cè)底邊長度應(yīng)該阻擋一部份，減小偏心降液管的外側(cè)底邊長度，即：

C3=C4A3/A4

(42)

其中，C4=l4。而在進(jìn)行等鼓泡面積設(shè)計(jì)時(shí)，偏心降液管的內(nèi)側(cè)底邊長度應(yīng)該阻擋一部份，減小偏心降液管的內(nèi)側(cè)底邊長度，即：C4=3，其中，C3=l3。也可以改變降液管底隙高度，從而改變降液管底隙面積，保證偏心降液管兩側(cè)液體底隙流速相等[3]。

3 設(shè)計(jì)舉例

現(xiàn)有一四溢流催化裂化主分餾塔，塔徑為4.4m，氣相流量為110000kg/h，密度為10kg/m3，液相流量為400000kg/h，密度為700kg/m3。分別應(yīng)用上面介紹的兩種方法，對(duì)該四溢流塔板進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

應(yīng)用等通道長度法，通道1到4通道長度相等，然而四個(gè)通道鼓泡面積不相等，表1給出了四溢流塔板等通道長度法的設(shè)計(jì)結(jié)果。應(yīng)用等鼓泡面積法，通道1到4鼓泡面積相等，然而四個(gè)通道的通道長度不相等，表2給出了四溢流塔板等鼓泡面積法的設(shè)計(jì)結(jié)果。由表1和表2發(fā)現(xiàn)，兩種設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的四溢流塔板各通道氣液比相等，溢流強(qiáng)度相等，滿足四溢流塔板的設(shè)計(jì)要求。通過比較兩種設(shè)計(jì)方法的計(jì)算結(jié)果，，等鼓泡面積法的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果柵欄出口堰的阻擋比例較大，溢流強(qiáng)度較高，而等通道長度法的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果則給出了柵欄出口堰阻擋比例和較小的溢流強(qiáng)度，因此應(yīng)用等通道長度法得到的設(shè)計(jì)結(jié)果，四溢流塔板將獲得更好的塔板操作性能。

表1 等通道長度法設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

表1(續(xù))

表2 等鼓泡面積法設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

表2(續(xù))

[1] BOLLES W L. Multipass flow distribution and mass transfer efficiency for distillation plates[J]. American Institute Chemical Engineers Journal. 1976, 22 (1):153-158.

[2] 時(shí) 鈞，汪家鼎，余國琮，等. 化學(xué)工程手冊[M].2版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996：14-18.

[3] JAGUSTE S D, KELKAR J V. Optimize separation efficiency for multipass tray[J].Hydrocarbon Processing. 2006, 85(3): 85-90.

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

[5] 吳俊生，邵惠鶴. 精餾設(shè)計(jì)、操作和控制[M]. 北京：中國石化出版社，1997：133.

[6] SUMMERS D R, SLOLEY A W. How to handle low-liquid loadings[J].Hydrocarbon Processing, 2007, 86(1): 67-78.

(本文文獻(xiàn)格式：陳 亮，普 天，趙萌瑩.四溢流塔板的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].山東化工，2017，46(06)：117-120.)

Optimum Design of Four-pass Trays

ChenLiang,PuTian,ZhaoMengying

(XinJiang Chemical Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd., Urumqi 830000, China)

Four-pass trays are mostly needed in process industry. The key factor of tray design is downcomer configuration for making sure vapor/liquid ratio equal in every pass of four-pass trays. The article sums up equal flowpath length design and the equal bubbling area design, and compares with them. The comparison result show that two methods can make sure vapor/liquid ratio equal in every pass of four-pass trays, but the equal flowpath length can acquire better operation performance.

four-pass; trays; equal flowpath length design; equal bubbling area design

2017-02-09

陳 亮(1982—)，工程師，從事煤化工、石油化工的工程設(shè)計(jì)工作。

TQ053.5

A

1008-021X(2017)06-0117-04