六溢流塔盘两种设计方法的比较

张宝树 刘艳芳（上海协升化工科技有限公司，上海 200030）



六溢流塔盘两种设计方法的比较

张宝树 刘艳芳
（上海协升化工科技有限公司，上海 200030）

摘 要通过等鼓泡面积法和等通道长度法两种设计方法合理分配六溢流塔盘的三种鼓泡区和边降液管、远偏心降液管、近偏心降液管和中心降液管四种降液管的面积和位置，以保证各通道气液比相等。详细阐述两种设计方法中各出口堰弦对应圆心角、降液管堰弦长、降液管宽度和鼓泡区通道长度的计算方法。并通过实例计算说明等通道长度法相对等鼓泡面积法较优。

关键词六溢流塔盘；等鼓泡面积法；等通道长度法

工业装置中高液相量气液传质操作十分常见，如大回流比精馏操作、高液气比的吸收操作以及萃取精馏等处理的液量都很大。多溢流塔板具有很长的溢流周边，可承受很大的液体负荷[1]。双溢流塔板完全对称，不易产生不良分配，应用较广泛，但处理量较小。三溢流塔板自身结构不对称性，不良性分配严重，因此对于大塔塔径塔盘设计，设计者通常跳过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，在保证塔板处理能力相当的同时，由于其结构的相对对称性使得塔板上不同流道的气液相分配相对均匀，操作弹性和稳定性较三溢流塔板好。

对于一些实际的大规模工业过程，尤其是高液相量的装置中，从经济性方面考虑，需要应用六溢流塔板。六溢流塔盘可以缩短塔盘流道长度， 降低塔盘上的液面落差， 从而使塔盘操作更加稳定。然而随着溢流程数的增加， 六溢流塔盘结构变得复杂， 液流的流程长度减短， 易导致传质效率降低， 尤其较难实现气液两相在塔盘各通道的均布。通过等鼓泡面积法和等通道长度法合理分配鼓泡区和降液管位置与面积，保证各通道气液比相等。

1 鼓泡区和降液管分配和位置

六溢流塔盘的结构示意如图1所示。

六溢流塔盘存在 B、D、F三种鼓泡区和边降液管A、远偏心降液管C、近偏心降液管E和中心降液管G四种降液管形式。设计中应合理分配三种鼓泡区和四种降液管的面积和位置，以保证各通道气液比相等。在计算降液管面积分配和位置时，目前通用的有两种方法[3-4]：等鼓泡面积法和等通道长度法。

图 1 六溢流塔盘结构Fig. 1 Sketch of six-pass tray

如图1所示可知：

2 等鼓泡面积法

假设各通道鼓泡区面积相等，如图1所示，即：

在各通道鼓泡区压力降相同的情况下[2]，则气体流量也均匀地分成六等份。为了保证塔板上的气液接触效率，各通道区域的气液比相等，则通过各通道鼓泡区的液量相等。由于同一层塔板上各降液管停留时间相等，则等鼓泡面积设计法中各种降液管面积正比其对应的通道鼓泡区的数量（见图1），即：

如图1所示，若总降液管面积Sd与塔的截面积ST之比为Fi，则降液管的面积为：

2.1 边降液管A

根据等鼓泡面积法，由式（2）、（4）可知，边降液管A面积SA为总降液管面积Sd的六分之一，即：

由几何关系可知，塔径为φ的塔盘其边降液管面积SA为：

联立式（6）、（7）求解即得边降液管A堰弦对应的圆心角α1；

2.2 鼓泡区B

根据等鼓泡面积法，由式（1）、（3）可知，各通道鼓泡区面积为总鼓泡区面积S0六分之一，则鼓泡区面积：

由几何关系可知鼓泡区B面积为：

联立式（10）、（11）求解得远偏心降液管C外堰弦长L2对应圆心角α2；

鼓泡区B通道长度：

2.3 远偏心降液管C

由式（2）、（4）、（6）得：

由几何关系可知远偏心降液管C面积为：

联立式（13）、（14） 求解得远偏心降液管C内堰弦长L3对应圆心角α3。

远偏心降液管C内堰弦长：

远偏心降液管C外堰弦长：

远偏心降液管C宽度：

2.4 鼓泡区D

由几何关系可知鼓泡区D面积为：

联立式（10）、（18） 求解得近偏心降液管E外堰弦长L4对应圆心角α4。

鼓泡区D通道长度：

2.5 近偏心降液管E

由几何关系可知近偏心降液管E面积为：

联立式（13）、（20）求解得近偏心降液管E内堰弦长L5对应圆心角α5。

近偏心降液管E内堰弦长：

近偏心降液管E外堰弦长：

近偏心降液管E宽度：

2.6 鼓泡区F

由几何关系可知鼓泡区F面积为：

联立式（10）、（24） 求解得中心降液管G堰弦长L6对应圆心角α6。

鼓泡区F通道长度：

2.7 中心降液管G

由于中心降液管G堰弦长L6对应圆心角α6。

3 等通道长度法

假设各通道鼓泡区的通道长度相等，如图1所示，即：

则各通道鼓泡区面积不等。为了保证塔板上的气液接触效率，各通道区域的气液比应相等。由于通过各通道的气体流量正比于各通道鼓泡面积，则各通道区域的液体流量正比于各通道的鼓泡面积，因此通过各降液管的液体流量正比与其对应的通道鼓泡面积。由于同一层塔板上各降液管停留时间相等，则各降液管面积之正比与其对应的各通道面积。

由上所述，则有：

3.1 边降液管A

先赋予FA初值，则可知边降液管面积：

联立式（7）、（31） 求解得出边降液管A堰弦长L1对应的圆心角α1，由式（8）、（9）可知L1和WA。

3.2 鼓泡区B

由式（29），可知鼓泡区B的通道鼓泡面积：

联立式（11）、（32） 求解得远偏心降液管C外堰弦长L2对应圆心角：α2；由式（12）、（16）可知L2和WB。

3.3 远偏心降液管C

由式（30），可知远偏心降液管C面积：

联立式（14）、（33） 求解令得远偏心降液管C内堰弦长L3对应圆心角：α3；由式（15）、（17）可知L3和WC。

3.4 鼓泡区D

由式（30），可知鼓泡区D的通道鼓泡面积：

联立式（18）、（34） 求解得近偏心降液管E远堰弦长L4对应圆心角：α4；由式（19）、（22）可知L4和WD。

若WD>WB，FC取值偏大；若WD< WB，FC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面积：

联立式（20）、（35） 求解得近偏心降液管E内堰弦长L5对应圆心角：α5；由（23）、（21）可知L5和WE。

3.6 鼓泡区F

由式（29），可知鼓泡区F的通道鼓泡面积：

联立式（24）、（36） 求解得中心降液管G堰弦长L6对应圆心角：α6。由式（25）可知WF。

若WF> WB= WD，FA取值偏小；

若WF< WB= WD，FA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宽度WG和中心降液管G弦长L6。

4 设计举例

现有500 kt/a MTA 丙烷脱氢单元中产品汽提塔，塔径为8 300 mm，板间距450 mm，气相流量为32 813 m3/h，密度为44.92 kg /m3；液相流量为3 094.71 m3/h，密度为456 kg/m3。利用上述等鼓泡面积法和等通道长度法设计计算六溢流塔盘。

分别应用上面介绍的两种方法， 对该六溢流塔盘进行设计计算， 结果见表1和表2。

由表1和表2可知，等鼓泡面积设计的各鼓泡区的通道长度差距较大，尤其鼓泡区B宽度较大，且出口堰L1的溢流强度太大，导致实际上气液分配较难一致，鼓泡区传质效率差距大。 等通道长度设计各鼓泡区通道长度一致，各出口堰溢流强度差距比较小，因此实际气液分配一致较易。

表1 等鼓泡面积计算方法Tab.1 Design result of equal bubbling area design

表2 等通道长度计算方法Tab. 2 Design result of equal flow-pass length design

5 结论

等通道长度法与等鼓泡区法相比较易实现气液分配一致；且等通道长度法设计的塔盘，在鼓泡区塔盘分块加工时，会出现同样塔盘块，因此与等鼓泡区法设计相比，在加工和安装时较易。因此推荐使用等通道长度设计法。

符号说明

Fi— 总降液管面积Sd与塔的截面积ST之比；

FA— 边降液管A面积与总降液管面积之比；

FC— 远偏心降液管C面积与总降液管面积之比；

L1、 L2、L3、L4、 L5、 L6— 边降液管A堰弦长、远偏心降液管C外堰弦长、远偏心降液管C内堰弦长、近偏心降液管E外堰弦长、近偏心降液管E内堰弦长和中心降液G堰弦长；

S0— 总鼓泡区面积；

Sd— 总降液管面积；

ST— 塔的截面积；

SB、SD、SF— B、D、F三种鼓泡区面积；

SA、SC、SE、SG— 边降液管A、远偏心降液管C、近偏心降液管E和中心降液G，以上各降液管的面积；

WA、WC、WE、WG— 边降液管A、远偏心降液管C、近偏心降液管E和中心降液G，以上各降液管的宽度；

WB、WD、WF— B、D、F三种鼓泡区通道长度；

α1、α2、α3、α4、α5、α6— 边降液管A堰弦、远偏心降液管C外堰弦、远偏心降液管C内堰弦、近偏心降液管E外堰弦、近偏心降液管E内堰弦和中心降液G堰弦，以上各堰弦对应的圆心角；

φ — 塔径。

参考文献

[1]孙兰义，陈亮，国会香，等.多溢流塔板的设计[J].现在化工.2008.28（增刊1）：25-28.

[2]李军，全本军，孙兰义.两种三溢流塔盘设计方法的比较[J].炼油技术与工程.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

作者简介：张宝树（1981—），男，工程师，主要从事化学工程工作。

收稿日期：2015-08-19

中图分类号：TQ 053.5

文献标识码：A

文章编号：2095-817X（2016）01-0046-000