浮閥塔的計算及設計方案優化

張瀟月

(廣東寰球廣業工程有限公司，廣東 廣州 510655)

浮閥塔的計算及設計方案優化

張瀟月

(廣東寰球廣業工程有限公司，廣東 廣州 510655)

本文簡單介紹板式塔設備和填料塔設備的基本要求。以浮閥塔計算為例，結合書本，運用EXCEL進行浮閥塔的初步結構設計，校核塔的流體力學性能，繪制塔的負荷性能圖，進而得出塔的操作彈性。結合它的基本要求，分析并評估不同方案的塔的結構設計。

塔設備的要求；浮閥塔的計算；浮閥塔的設計方案優化

塔設備是石油化工生產中最重要的設備之一。氣液和液液兩相在各種各樣的塔內件上充分接觸，從而進行相際傳質、傳熱。塔設備的流體力學性能，負荷性能，結構設計對整個裝置的產品產量、質量和能耗等方面都有較大影響。因為一個大型化工廠的建設中，塔設備的經濟效益(包括投資費用、鋼材消耗等)僅次于換熱設備。為滿足經濟要求，工藝要求，操作要求，節能要求等，塔設備不斷發展。

最常用的方法是按塔的內件結構進行分類：板式塔和填料塔。人們要求塔設備: 高效率；操作彈性大；穩定操作；流體流動阻力小；結構簡單、制造和安裝容易，投資費用低；耐腐蝕和不易堵塞，易調節和檢修[1]。

1 常用塔型及選用

1.1 常用板式塔

板式塔的氣液兩相接觸傳質的內件是塔板，決定塔的操作性能[1]。我國常用的板式塔為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔和舌形塔。

泡罩塔板是工業上應用最早的一種塔板。它是在板上開圓孔，上焊接短管(升氣管)，再加泡罩。液體由上層塔板經降液管流下，橫向流過下層塔板；同時，氣體首先通過升氣管，進入環形泡罩，與液層接觸。因此泡罩結構繁復，安裝維修復雜，氣體壓降大。

篩板塔板是在板上開小孔。液液體由上層塔板經降液管流下，橫向流過下層塔板；同時，氣體向上經過篩孔，被打散為氣泡，與板上液層進行接觸傳質、傳熱。篩孔容易被臟、粘性大及帶固體顆粒的物料堵塞[1]。

浮閥塔板是在板上開圓孔，孔上有上下浮動的閥。氣體將浮閥頂起，穿過環隙，水平吹。浮閥塔操作彈性大，浮閥隨氣速不同在一定范圍內自由升降，有效保證操作穩定和較高的效率。

舌形塔板是在板上沖舌形孔。液體橫向流動，與舌孔的傾斜方向一致，氣體從舌孔中噴射而出[1]。所以氣、液兩相并流，霧沫夾帶少。當氣速增大到一定值，液體被擊散成滴狀，氣、液接觸更充分。缺點是低負荷下，容易因為舌孔方向而漏液，操作彈性小。

常用板式塔對比如表1。

表1 常用板式塔對比

1.2 常用填料塔

填料塔以填料作為氣液傳質元件，氣液兩相在填料層中連續接觸，填料的選取是重中之重。因此填料除了要具備塔器的特點，同時不能與氣液相發生反應，具有良好的耐腐蝕性、耐熱性和機械強度。填料塔還包括支承結構，液體分布裝置(噴淋裝置和液體再分布裝置)。

1.3 板式塔和填料塔的比較

板式塔與填料塔的對比是十分復雜，如表2淺談板式塔和填料塔的操作性能和經濟效益的對比[2]。

表2 板式塔與填料塔的對比

2 浮閥塔計算舉例

此計算取操作壓力0.3MPag，操作溫度260℃。

塔板設計的基礎數據如表3所示。

表3 塔板設計的基礎數據

2.1 板間距的選擇和塔徑初步確定

詳見表4。

表4 板間距的選擇和塔徑初步確定

2.2 塔板結構設計

浮閥塔板包括鼓泡區(有效區、開孔區)、降液管區、受液盤區、液體分布區、破沫區、邊緣區。液體通過降液管流入受液盤，經過液體分布區，進入鼓泡區與氣體進行熱、質交換，最后經破沫區進入下層。同時，氣體經鼓泡區的打散成氣泡，通過氣速不同頂起閥片，吹入液相。氣相、液相主要為錯流。塔板還可能有出口堰和進口堰。出口堰位于上層塔板的降液管入口，維持板上液層高度。進口堰設在降液管出口，防止沖擊，使液體均勻流入塔板，同時也有液封，一般用于塔徑較大的地方。浮閥在塔板上常按三角形排列，可順排或叉排[1]。

塔板排布如表5和表6。

表5 浮閥數及開孔率的計算

表6 溢流堰及降液管的計算

2.3 浮閥塔板的流體力學性能

浮閥塔板的流體力學性能從以下幾方面考察，如表7～10。

2.3.1 塔板壓力降

表7 塔板壓力降

結論: 如果算出的板壓降 hf 值超過規定的允許值，應對相關的設計參數進行調整，如增大開孔率、降低堰高以使總壓降值下降。

2.3.2 霧沫夾帶

表8 霧沫夾帶量

結論: 霧沫夾帶量e小于極限值(最大允許值)0.1。如不合適，必須調整有關參數，如增大板間距或增大塔徑(降低氣速)。

2.3.3 溢流液泛

表9 溢流液泛

結論: △Pl/(Ht+hw)=0.356<0.5(需小于0.4～0.6，通常要小于0.5。發泡嚴重的介質要取小值)，不會發生溢流液泛，導致淹塔。

2.3.4 漏液

表10 漏液

結論: 在Ht=0.45m時，Fo=8.727，大于負荷下限的5。那么不會因為氣速過低，導致從閥孔中漏液。

2.4 負荷性能圖及操作彈性

取液相負荷L分別為16，23，31，38.8，46.5，54.3 m3/h，反算氣相負荷V，然后作圖，如圖1，得出霧沫夾帶線(氣相負荷上限線)，淹塔界線，降液管超負荷線，漏液線。讀圖得出負荷上、下限點、設計點，從而計算塔板彈性。

圖1 初步方案

讀圖1得出，負荷上限點為(L,V) =(46.5，600)，負荷下限點為(L,V) =(18，230)，設計點為(L,V) =(31，410)，計算得該踏板彈性為2.6，負荷上限是設計點的1.5倍，不太理想。如果要使負荷上限再提高，保證將來處理量加大時，該踏板仍能滿意的操作，有如下可參考措施。

2.5 改進措施

2.5.1 措施一

塔徑選取增大一級(降低氣速)，即增大至1.4 m，板間距不變，負荷性能圖如圖2。

讀圖2得，負荷上限點為L=48，負荷下限點為L=17.8，設計點L=31，計算得該踏板彈性為2.7，負荷上限是設計點的1.55倍。比較原方案，氣相負荷上限線和霧沫夾帶線的氣液相負荷能力明顯提高，淹塔線微微提高。

圖2 改進措施一

2.5.2 措施二

塔徑不變，板間距從0.45 m提高到0.6 m，負荷性能圖如圖3。

圖3 改進措施二

讀圖3得，負荷上限點L=58.2，負荷下限點L=17.8，設計點L=31，計算得該踏板彈性為3.27，負荷上限是設計點的1.88倍。比較原方案，氣相負荷上限線，淹塔線的負荷能力明顯提高，霧沫夾帶線的負荷能力提高。

3 結論

1)對淹塔線來說，提高板間距，可以改變界線0.5(hw+Ht), 是從本質上有效提高淹塔線的方法。如果只增大降液管面積，情況比較復雜。

2)降液管負荷上限是降液管最大流速和停留時間兩種方法的取最小值。允許最大流速只與板間距有關，L=Vd* Fd, 當塔徑增大，降液管面積增大，負荷上限增大；停留時間τ=Ht/Vd,只與板間距有關，L=Ht* Fd/ τ。當板間距增大，降液管負荷上線增加。當只增大降液管面積，液相負荷上線也將增

[1] 蘭州石油機械研究所.現代塔器[M].2版.北京：中國石化出版社, 2005.

[2] 石油化學工業部石油化工規劃設計院.塔的工藝計算[M].北京石油化學工業出版社,1977.

(本文文獻格式：張瀟月.浮閥塔的計算及設計方案優化[J].山東化工,2017,46(11):128-131.)

Calculation and Comparison of Design Scheme of Float Valve Tower

ZhangXiaoyue

(HQCEC (Guangye) Co., Ltd., Guangzhou 510655,China)

The basic requirements of Tray Column and Packed Column are summarized in the paper. The essay is a study and solutions on preliminary structure design, flow force performance check,preparing tray-load performance diagram and acquiring operating flexibility of tower according to knowledge in the textbook and other resources in the media. Based on tray tower's requirements, different kinds of design optimization of structure are proposed.

requirements of towers; calculation of Float Valve Tower; design optimization

2017-04-10

張瀟月(1989—)，女，甘肅蘭州人，助理工程師，碩士研究生，主要研究方向為化學工程。

TQ053.5

A

1008-021X(2017)11-0128-04