浮阀塔板的设计及流体力学计算探讨

Pharmaceutical &Engineering Design 2007, 28(1)

医药工程设计

・５・

浮阀塔板的设计及流体力学计算探讨

齐福来

（中国石化集团上海工程有限公司，上海２００１０７）

摘要

　　详细地介绍了计算浮阀塔板的各项工艺参数，并对不同的公式进行了比较，推荐了比较合适的计算方法。在计算塔径以及雾沫夹带方面以Ｆａｉｒ的方法为主。在计算浮阀塔板的干板压降方面以Ｋｌｅｉｎ的方法为主。对浮阀塔板

关键词

的浮阀配置也作了简单的介绍，供设计者参考。浮阀塔塔器设计工程计算

文献标识码：A 　　

文章编号：1008-455(2007)01-0005-017　　

中图分类号：TQ051.1　　

Discussion of Floating Valve Tray Design and Hydromechanics Calculation

Qi Fulai

(SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd Shanghai, 200120)

Abstract :In this article, several process parameters for calculating floating valve traywere introduced in detail.At same times, thecomparison of different equations was carried out and comparatively proper methods were recommended. Themethod by Fair was used in calculating the diameter of tower when the factor offoamwasconsidered, andthemethod byKlein usedincalculating the pressure drop of floating valve tray. The layoutoffloating valve was also introduced in this article to be referenced by other designers. Keywords :floating valve tower ；tower design ；engineering calculation

1引言

浮阀塔与泡罩塔和筛板塔相比，它具有泡罩塔的气体流动方向，因而效率较筛板塔高，又具有结构简单因而造价较泡罩塔低，另外浮阀塔板由于采用了可升降的浮阀，可以自清洗板面，因此可适用于具有较不清洁的物料。同时操作弹性有了很大程度的提高，其弹性范围(Turndown)可为4~5∶1，比筛板塔操作稳定。

典型的浮阀塔的压力降如图1所示[1]。横坐标为塔板气体动能因子F va ，当塔的操作气速没有打开阀以前，塔的压降随塔的气速的增加而增加，到达A 点，浮阀开始打开，在浮阀由打开到全开的过程中塔的压降基本不变，即由A 点到B 点，阀全开后再增加气速则塔的压降继续升高，直到液泛。由A 点到B 点的过程，也就是浮阀塔操作最稳定的阶段。在采用两种阀重的情况和设计较好时，其弹性范围可达10∶1，操作更稳定。

由于浮阀塔的这些明显的优点在工业上采用得非常普遍特别是在医药，农药，以及精细化工的多种小型企业采用得越来越广泛。我国关于浮阀塔板的设计介绍的文献[3~5]也很多，尤其是文献[5]对于不同的计算方法给于详细的报道，对于设计者来讲有

图1浮阀塔压降关系图

很大的参考价值。国外的制造厂商[6]也会报道他们制造的浮阀的性能，以供设计者采用。国内的一些大学也都纷纷研究和制造不同形状的浮阀来提高浮阀塔板的操作性能，增加工业生产的产量，增加了经济效益，成绩显著。在以上文献的基础上本人根据

收稿日期：2006-08-10

作者简介：齐福来(1939-)，男，高级工程师。主要从事化学工程设计、化工工艺的研究开发。Tel:021-62805356

Email:[email protected]

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该图适用于以下条件[9]：

①适用于低泡沫或无泡沫的系统；②适用于堰高小于板间距15%；

③适用于浮阀塔板上孔的总面积A h 与塔的有效面积A a 之比A f 大于等于0.1，小于0.1时可按表1选取系数乘以表中查得的值。

表１

A h /Aa ≥0.10.080.06

[5]

，对发表的一些公式进行一些探讨，结合我国国情提出下面这样的计算模式，有不确之处，希共商之。2国内的使用情况［２］

由于浮阀塔板的各项优点很快在我们国内得到了广泛的应用, 在文献中介绍了大量的我国使用浮阀塔的工业装置。我国制定了和国外V-1型浮阀相近的F-1型浮阀标准系列(JB1118-1981)[2]。该浮阀标准采用两种阀重、轻阀为1.5mm 约24~25g ，重阀为2mm 约32~33g 。浮阀塔板的厚度为2mm, 3mm, 4mm 三种, 浮阀在板上的开孔统一为Φ39mm 。阀的排间距选定为三种：65mm ，80mm ，100mm ，每排的阀间距都为75mm 。阀的制做材质为1Cr13,0Cr18Ni9, 0Cr17Ni12Mo2三种供选择。阀的开度：开启前为2.5mm, 最大开度为8.5mm 。虽然目前我国除采用圆形的浮阀以外尤其在大型的塔中采用改善液体流动的带有开孔的条形浮阀--称为导向浮阀[7]。但在中小型企业仍以F-1浮阀采用为多，故本文仍以这个标准浮阀为准来设计浮阀塔。3浮阀塔的计算3.1浮阀塔的初步估计3.1.1塔径的估计

在设计板式塔时首先根据工艺条件粗估塔径, 初估塔径的原则为取雾沫夹带液泛气速的80~90%。3.1.1.1Fair [8]给出如下的公式来计算雾沫夹带液泛的气速公式：

U Nf =0.3048C SB () 20

0.2

选用的系数

C SB 修改系数

1.00.90.8

板间距在230~610mm 的范围上图可以数字化为下式：

C SB =a ×exp(－b ×F LV )+c 式中：

A =0.1164+0.8433e－4×H T +0.3897e－7×(H T ) B =1.017+0.2756e－2×H T －0.9041e －6×(H T ) C =0.05308－0.8319e －4×H T +0.2292e－6(HT )

2

m/s(1.1)(1.2)(1.3)(1.4)

22

式(1.1)计算的C SB 值是基于板A N 的面积值。计算举例(1)：按照文献[2]pp2－168的例子，其物系的参数如下；

L =6.23;V =2779.2;ρL =940;ρV =2.8; H T =300;　　σ=32;μL =0.34，μV =0.0069。

求得塔径：

940=0.041

V 2.8

由式(1.2~1.4)求得：a =0.1781;b=1.771;c=0.049;F LV =

由式(1.1)求得：

C SB =0.1781×exp(－1.771×0.041)+0.049=0.215假定A f =0.1，C SB 就不用修正。由式（1）求得：32

U Nf =0.3048×0.215

20

940－2.8

=1.3172.8

取液泛速度的82%作为操作气速；A N =2779.2/3600/1.08=0.715m ；假定A d =0.06A T ，

那么A T =A N /0.94=0.715/0.94=0.76m 2；

L V

就可求得塔径D T =(0.76/0.785)=0.98m 。3.1.1.2Kister &Hass [10]给出计算公式如下：

0.52

0.2

L

6.23L ×=

2779.2V

L －V

V

（1）

式中的C SB 系数是动能因数F LV 、板间距、表面张力和孔的总面积分率的函数。求取C SB 的方法，Fair 采用查图2的方法；

m/s

U N =0.82×1.317=1.08m/s；

该图的横坐标为F LV =液动能因子；

L V

称为塔板的气

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L －V U Nf =C SB V

C SB =0.0277d H σL

式中：h ct =(h ct ) H2O

d H =

2πd v h v πd v +hv

1000L =15.9

2

0.125

・７・

m/sρV

ρL

0.1

(2)

H T h ct

mm

0.5

验算h ct ；假定A f =0.1；Q L =8；

N =0.01447/0.1=0.1447

按照式(2.5)(h ct ) H 2O =

0.5×0.1

－

(2.1)(2.2)(2.3)(2.4)(2.5)

0.791

×15.9

0.833-1.79

0.5(1－n )

1+0.013×8

基本符合。3.1.1.3Erwin

[11]

0.59

=25.06mm

×0.1

mm

采用泛点率的方法，文献[2,5]也采用此

法不过在计算CF 的方法上不同，采用查图的方式。在此介绍Erwin 的方法。Erwin 的泛点率公式如下：FLOOD %=

V LOAD +(L×L FPL /8.7)

×100

1097.3×A a ×CF ×SF

(3)(4)

N=0.91e-3d H /A f =0.01447/Af

(h ct ) H 2O =

0.5A f

-0.7910.833

d H

1+0.013QL

-0.59

A f

-1.79

mm

对于浮阀塔板的开孔面积分率A f 根据我国的浮阀标准可按下式计算：

A f =

A SO N 0.104e －2N

=A B A B

(2.6)

V LOAD

×100FLOOD %=

A T ×CF ×850×SF

取(3)和(4)这两个公式计算的较大值，好的设计应使FLOOD %=80~90的范围。在计算时可假定FLOOD %的值，反求A T 或A a 。实际上FLOOD %的值越大则A T 或A a 就越小，一般就是取其最小的值。

式中CF 是泛点负荷因子由下式(4.1~4.10)求得：在以下的公式(4.1~4.10)中H T 单位为in ，ρv 的

3

3

由(2.1~2.5)式进行计算时，未知数为Q L ，A f ，可初步假定A f =0.08~0.14的任意值，一般Q L 可在8~18[m/(m×h)]范围选择，该参数选择最小值为2，最大值为72。

式(2.2)的值应该在25~33mm的范围，因此假定(h ct ) H O 的值更为合适。(h ct )

2

3

单位为lb/ft

H 2O

值选取的越大，导致

如果ρv

12

其他气体密度可用下列各式，根据不同板间距和气体密度求得：

CF =

0.1667

H T ρv 0.65

C SB 减少，则计算的塔径就会增大，不过在这个范围变化不是很大。n 的值在0.1~0.2的范围, 一般取0.15试差。

计算举例(2)：按照例(1)的条件：假定(h ct ) H O =25；n =0.15；

2

(4.1)

根据板间距和气相密度由以上各式采用内插法

=25.6；

0.125

由式(2.2)h ct =25×由式(2.1)

1000940

0.5×0.85

板间距

H t ＝48in

ρv 2.3H t ＝24in

ρv

0.16596

C SB =0.0277××

2.8940

0.1

×32940×

30025.6

0.5

2

(4.2)(4.4)(4.5)(4.7)(4.8)(4.10)

CF48=0.541×exp(－0.3832e －2×ρv ) (4.3)CF48=0.71185－0.27787×log(ρv )

)

=0.0694

和例(1)一样的假定，那末：由式(2)U Nf =0.0694×

940－2.82.8

=1.27m/s

2

CF24=0.46157×exp(－0.035858×ρv ) (4.6)CF24=0.71185－0.27787×log(ρv )

0.16622

ρv >3.1H t ＝12in

A N =2779.2/3600/(1.27×0.82)=0.74m ；假定A d =0.06A T ；A T =0.74/0.94=0.79m ；D T =(0.79/0.785)=1.003m ；

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0.5

2

ρv 5.3

)

CF12=0.31643×exp(－0.025506×ρv ) (4.9)CF12=0.71185－0.27787×log(ρv )

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表２物性系数ＳＦ选用表

系统

无泡沫，正常系统

物性系数1.00.90.850.730.60.3

的值。

下面的程序是用FORTRAN 写的内插求CF 的程序，以供参考。

注解：

SUBROUTINE CFF (CFO,RUV,TS) CFO-------CF; DIMENSION CF(3)IF (RUV.LE.0.17) THEN GOTO 5

ELSEIF (RUV.LE.5.3) THEN

CF(1)=0.312643*EXP(－0.025506*RUV)GOTO 5ELSE

CF(1)=0.71185－0.27787*ALOG10(RUV)ENDIF

5

IF (RUV.LE.0.119) THEN CF(2)=0.65259*RUV**0.16596GOTO 10

ELSEIF (RUV.LE.3.1) THEN GOTO 10ELSE

CF(2)=0.71185－0.27787*ALOG10(RUV)ENDIF 10

IF (RUV.LE.0.023) THEN CF(3)=0.7923+ALOG10(RUV)GOTO 20

ELSEIF(RUV.LE.2.3)THEN CF(3)=0.541*EXP(－0.06138*RUV)GOTO 20ELSE

CF(1)=0.71185－0.27787*ALOG10(RUV)ENDIF 20

CFO=CF(1)*(TS－12.0)*(TS-24.0)/432.0+CF (2)*(TS－12)*(TS－48.0)/(－288.0) +CF(3)*(TS－12.0)*(TS－48.0)/288.0RETURN END

SF 是系统的物性系数，由表2求取；

计算方法Ｆａｉｒ（１９６１）Ｋｉｓｔｅｒ＇ｓ（１９９０）Ｅｒｗｉｎ［１１］（２００５）文献［２，３，５］（１９６３）

［１０］

［８］

氟化物

中等起泡沫系统(如油吸收塔，胺及乙二醇再生塔) 重度起泡系统(如胺和乙二醇吸收塔) 严重起泡系统(如甲已酮装置) 形成稳定泡沫系统(如矸再生塔)

RUV-----ρV ; TS-------HT;

CF(1)=0.41925*RUV**0.16622计算举例(3)：条件同例(1)，计算塔径？

0.53

V LOAD =2779.2×[2.8/(940－2.8)]=151.9m /h；

假定系统为无泡沫系统SF=1.0；CF 根据H T =300

3

/25.4≈12in ；ρV =2.8×0.06243=0.175lb/ft，由上

面的程序可求得CF=0.3113；

根据式(4)，假定FLOOD %=82，反求A T 为：

2

A T =151.9/(0.3113×850×1.0×0.82)=0.7m ；

D T =(0.7/0.785)=0.944m ；

按照上例的假定A d =0.06A T ，A a =0.7×0.88=0.62m ；

按照以下各式我们可计算出L FPL 。

弓形降液管的宽H SD ，可按以后的公式(10) 计算：

2

2

0.5

CF(2)=0.46157*EXP(－0.035858*RUV)

=0.102m 由式(3)计算FLOOD %=

3.1.1.4计算结果比较

H SD =[0.02695+1.445×0.06－1.47×0.06]×0.944L FPL =D T －2H SD =0.944－2×0.102=0.74m

151.9+(6.23×0.74/8.7)1097.3×0.62×0.3113×1.0

×100=71.97

按照式(3)和(4)的比较，假设的式(4)的82值大于式(3)71.97的值，计算结果适当。

将以上的计算结果列于表3以作比较：

表３结果比较表

塔径计算结果/(m)

０．９８１．００３０．９４４１．１５

相对比值１１．０２３０．９６３１．１７

空塔速度(m/s)

１．０１６０．９７７１．１０３０．７４４

从计算的结果来看：Fair 的方法处于Kister 和Erwin 的方法计算结果之间，Erwin 的方法计算结果最小，而文献

[2,3,5]

采用Smith

[12]

的方法计算的塔径最

大，显然这个方法的计算结果最保守。Fair 的方法和Kister &Hass 的方法可以推荐给设计者采用。Fair

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的方法更方便，因此常常被设计者使用，本人所提供的数值化公式完全可以满足工业精度的要求。根据以上的计算结果，保守其间按Kister 方法的结果经圆整确定塔径D =1.1m 。3.1.2浮阀数目的确定

由前面的计算基本上决定了塔径的大小，浮阀的数目根据我国的标准可由下式初步的估计：

N =

2D T

・９・

N =2779.2×2.8/(4.3×10)=108.15

由我们国家的标准就需要增加塔径为1.2m ，但由Erwin 的公式在1.1m 的塔里可以排布到120个阀，因此我们在排布之后再看。3.1.3降液管面积以及液流堰的设计3.1.3.1降液管的面积

降液管的面积根据液体流量的大小，板间距的大小以及系统物料的性质来决定。在降液管内应使溢入的泡沫液体脱气，一般设计降液管的大小原则上是使流入的液体停留时间至少保持在3~5s 。表4是根据系统泡沫的性质推荐的停留时间以作参考。

表4推荐降液管内最少停留时间

泡沫趋势低泡沫系统中泡沫系统

系统例子醇类，低分子量烃类

中分子量烃类矿物油吸收器胺类，甘油类

[6]

[13]

0.5

1.95K C

(5)

式中：K C 是系数与阀的排间距有关，表示如下；

表3式(5)的K C 系数表

浮阀的排间距[mm ]

6580100

K C 的值0.00650.0080.0095

[2]

最少停留时间／ｓ

3457

式(5)仅适用于我国的浮阀以及其配置规则，可以用于单液流和双液流塔板。由式(5) 计算的浮阀数目仅是粗略的估计值，本公式没有考虑降液管对阀数的影响，它仅是一个平均值，具体浮阀数目要按照阀距以及对板面的要求进行排布确定。

Erwen 式：

[11]

高泡沫系统极高泡沫系统

按照Glitsh 手册关系式：A d =max{A d ′, min[2A d ′,0.11A a ]}A d ′=0.41L /V d F f

V d =max{250SF , 10.24ρL －ρV ) SF ，

0.334H T (ρL －ρV ) SF }

(7.2)(7)(7.1)

给出一个简单的估计浮阀数目的关系

(5.1)

v [m/s(kg/m3) 0.5](6)

4.3N V

A d =(3~7)L /(1.8H T )

A d H T

m

2

N=125~145×A a

F f 为Glitsh 公司制定的液泛因数，一般塔的设计采用0.82，真空塔采用0.77。降液管一般设计成弓形。式(7)的计算比较麻烦，根据表4的推荐值我们也可按下式估计最小降液管的面积为：

(8)

根据浮阀的数目N ，可按下式计算浮阀的孔动能因子F o ，看F O 是否在所规定的范围然后进行调整计算。F O =

V

2

0.785Nd v 3600

v =

降液管内的停留时间以净液体算：

一般在设计时采用的范围为F O =8~11；计算举例(4)：根据上面求得的塔径，D =1.1m;在浮阀塔板上进行等三角形的排布时, 排间距为65mm ；求浮阀的数目和阀孔的动能因子。

由式(5)求得阀数：

N =(1.1)/(1.95×0.0065)=95.46≈96A a =1.1×0.785×(1－2×0.06)=0.836由式(5.1)的阀数

N =(125~145)×0.836=104.5~121.2我们以我国的数据为准；由式(6)

F O =2779.2×2.8/(4.3×96)=11.26[1/s(kg/m)]假定F O =10时的浮阀数

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0.5

0.5

22

L

降液管的大小还要考虑液体在板面流动的分布

τ=3.6s (9)

情况，还要考虑液流在出口堰上的分布，根据经验一般单液流和双液流的塔板其降液管的面积与全塔面积之比A d /A T 在6~14%的范围为好。故设计者也可先决定A d 的大小，然后再反过来校准停留时间是否合乎要求。对于一般的蒸馏塔来说这样的比例确定的降液管面积，基本都能满足液体流量。3.1.3.2液流堰的设计

⑴液流堰一般设计成弓形堰，弓形堰的堰顶一般设计成平堰，当液流量小时可以设计成齿形堰，齿形堰又分为矩形锯齿形堰和三角形锯齿堰，液量

[2]

・１０・

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F1=1.0GOTO 20ENDIF

(10)(11)

20

IF (ABS(F1－FO)..LT..0.00001) GOTO 20FO=F1GOTO 10CONTINUE F W =FO=F1

若是三角形齿形堰且液体未超过齿顶时:

h ow =37(Q L h n ) h ow

2.5

－(h ow －h n )

2.5

0.4

弓形降液管的液流堰的宽度H SD 和堰长L w ，由降液管面积与全塔面积之比可以求出：

A d A d 2

H SD =0.02695+1.445－×D T m

A T A T L W =2SD (D T －H SD )

m

(2)液流堰的高度(h w ) 关系到塔板上净液体的高度，塔板上净液高度一般控制在50~100mm ，净液高度关系到气液传质也即板效率，但堰高升高增加了塔板的压降，影响到生产的规模，堰高过低，板

效率就要下降，一般选择堰高在25~75mm ，减压塔有时采用25mm 的堰高，对于泡罩塔可采用100mm 的堰高，尤其是对于具有反应的塔板采取高的堰高以保证塔板上反应的时间，而浮阀塔多采用50mm 堰高。

(3)横过堰上的液体高度h ow 与堰的形状和液体流量有关，一般控制在50~75mm，为了保证液体在板上的均匀度，该值不应小于5mm 。

横过堰上的液体高度h ow 值可由以下各不同的堰形式来计算：

弓形降液管的堰为平堰时，横过堰的液体高度h ow 由下式求取

[14]

(14)(15)(16)

三角形齿堰若溢流液超过了齿顶：

=12Q L h n

0.704

若为圆管型时：

h ow =10.6(L/dw )

(4)横过堰的液体将会抛出一段距离t w ，这个距离根据Bolles [14]的公式计算

t w =0.8h ow h g

式中h g 由下式计算：

h g =H T +h w -h ld

(18)

一般设计要求t w ≯0.6H SD 。

(1)降液管的管裙可以设计成平板式或者折板式，折板式管裙主要是为了稳定降液管内的液体流动减少溢流液体对底部液体的冲击影响板上液体的分配。在管裙的设计方面可以有以下几个方式，参见图3：

图3a 为最常用的平板式管裙，图3b 为带有内堰的折板式管裙，图3c 为带有凹形受液槽的折板式管裙。带有受液槽的塔可以在任何塔板上抽取侧线。

(17)

：

3.1.3.3降液管的管裙的设计

2/3

h ow =2.83F W Q L mm

[14]

(12)

的方程求取：式(12)中F W 当板上的液流流程大于等于2时F W =1.0,当为一流程时F W 按照Bolles

L

2/3

=166.45

F W

5/3L W

L W D T

(13)

上式(13)由下面的FORTRAN 部分程序试差求解。

注解：

A=(WL/DT)**2

FO=1.0

10

SS=(1.0－A/FO**3)**0.5SP=(1.0－A)**0.5

WL —L W; DT —D T; FO —F O

ALGPM —L GPM ;

ST=(ALGPM/WL**2.5)**0.66667*A**0.5F1=FO－(61.73*(SS－SP) －ST*FO)/

(92.6*A/SS/FO**4－ST)

IF(F1.LT.0.0)THEN

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设内堰的目的是为了防止降液管液体的冲击，较好的分配液体到板上。

(2)内堰的高度h i 一般可以设为：h i =0.7h w ；它与管裙的距离应该不小于管裙与塔板之间的距离。

(3)凹形受液槽的设计：文献介绍：塔径0.8~4.2m 单液流的塔板无侧线抽出时，受液槽的深度为50mm 。

(4)管裙底部与塔板之间的间距h u ，应考虑如下的要求：

・应使液体的流速控制在0.5m/s・应等于板上的净液高度；

・通过底部间隙的压降应在不大于25mm 液柱[16]；

Biddulph

[17]

[16]

[2]

・１１・

取A T 的6%，则A d =0.06×0.95=0.057m ；

停留时间τ=3.6×0.057×300/6.23=9.88s 按此降液管面积由式(10)和(11)算得H SD 和L w 。H SD =0.02695+1.445

=0.12m

L W =2×0.12×(1.1－0.12) =0.68m Q L =L /(L W )=6.23/0.68=9.16m /h.m；

由式(13)按照上面的FORTRAN 计算程序求得F W =1.037

由式(12)得，h OW =2.83×1.037×9.16=12.85mm >5mm；满足设计要求。3.1.4塔板上的液流程数的决定

塔板的液流程数主要决定于塔板上的液体流量，一般以单位尺寸液流堰上的液体负荷Q L 作为判断依据。一般规定最大的Q L ≤60m /h.m，但在特殊情况有时也允许较大的Q L 值的操作状态。塔板上流程配置可见图4，图4的最大流程为4流程。

3

2/3

2

2

0.0570.95

－1.47

0.0570.95

2

×1.1

3

；

研究了不同的h u 的大小对于筛板塔

板上液体反混现象，得出结论h u 的大小在40mm 时板上的返混最少，虽然是对于筛板塔，但浮阀塔也可以借鉴。

计算举例(5)：根据例(1)的条件，以及以上各计算举例的计算结果决定降液管的尺寸？

2

A T =1.12×0.785=0.95m ；

由计算举例(4)决定的可接受的塔径D T =1.1m 。由式(7.2)

V d =max{250×110.24×(940－2.8) ×1.0，

0.334300×(940－2.8) ×1}=313.4

F f =0.82；由式(7.1)

A d ′=0.41×6.23/(313.4×0.82)=0.01m 2；式（7）中的0.11A a ，按照前面的假定的A d =0.06A T ，则

0.11A a =0.11(A T －2A d )=0.096A T

2

=0.096×0.95=0.09m ；

2

由图4可以很清楚地看出从1流程到4流程塔内降液管的配置情况。Billet 图5中：

[18]

根据液流和气流的流动

参数大小绘制了适用的塔径和液流程数关系。

2

A d =max{0.01，min[0.02，0.09]}=0.02m ；按式(9)计算停留时间

τ=3.6×0.02×300/6.23=3.46s ；

按照表(4)选取低泡沫的停留时间为3s ，

3.43>3；满足要求。

由式(8)计算的A d =3×6.23/(1.8×300)=0.035m ; 则按照式(7)的计算结果，A d /A T =0.02/0.95=0.021=2.1%；

这个比值显然太小。按照上面的介绍一般在设计时A d /A T 取6%~14%的范围，考虑弓形堰的面积选

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2

V R =L R =

V L f S f TS

V

3600f S f TS L －ρV

m /s

3

m /s

3

(19)(20)

图中实线为一流程时的操作范围，当液流量增大时而又不想增大塔径时，在相同的气体流动参数下沿着虚线的方向改为二流程就可以满足生产的要求。比如：1.2m 的塔在气相流动参数V R =0.06m /s时，如果液相流动参数L R 从80扩产到120m /h时，在不增加塔径的情况下改为两流程(在二流程虚线的

3

3

・１２・

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涵盖范围内) 就可以满足生产的要求。

计算举例(6)：按照计算举例(5)的计算以及1.4节的规定Q L =9.16m /h.m

V R =L R =

2779.2

3

3

表５支撑环的尺寸

塔径的尺寸（ｍｍ）≤16001600~23002300~30003000~35003500~4600≥4600

支撑环宽度（ｍｍ）

[1**********]0

［１３］

碳钢厚度（ｍｍ）

[1**********]3

不锈钢厚度

（ｍｍ）

666666

3600×0.75×0.65940－2.8

6.20.75×0.65

=12.72

=0.086

3.1.5.3塔板支撑梁

为了塔板的安装以及人员的进入必须对塔板进行适当的分块，有的就称为人孔板块，这些板块的连接就依靠支撑梁，有时可以直接将塔板折弯进行搭接，这叫做自身梁式，文献建议0.8~4.2m 的塔均可以采用这种塔盘联结方式。人孔通道板宽为420mm ，塔板厚度均采用3mm 。再大型的塔可以采用工字钢或角钢连接，塔板板块在角钢上进行搭接，或法兰连接。采用支撑梁的塔板在这个区域不可配置浮阀，这个宽度可定为38~50mm。也是根据塔径的大小由强度计算来决定。3.1.6塔板上浮阀的配置

按照计算举例(4)和计算举例(5)得到塔径在1.1m ，降液管的宽H SD =0.12m ，液流堰的长为L W =0.68m ，浮阀的数目应为108个。按照这些要求再加上3.1.5节的各项要求我们可建立如下的塔板布置，见图6。图中的单位为cm 。

配置支撑梁时采用与流体流动方向垂直的方

[2]

由图5可以看出，采用一流程时塔径在1~1.2mm之间，内插D T =1.1m 时完全可以满足，和我们的计算结果相符合。

3.1.5塔板上其它区域的确定3.1.5.1安定区

在进口堰和浮阀之间要留有一定的缓冲地带，使得液体在板上有个较好的分配，这个区域叫做进口安定区。在浮阀和出口堰之间也有一个缓冲区，以避免含泡沫的液体进入降液管，这个区域叫做出口安定区。不同物料和不同的操作状况对进口安定区和出口安定区的要求不尽相同。一般来讲进口安定区控制在50~100mm ，出口安定区控制在75~100mm 。

3.1.5.2支撑环区

在靠塔壁处要设置支撑环以支撑塔盘，支撑环的厚度和宽度决定于塔板的大小，对于不同的塔板支撑环的要求由表5选定：

式，如图(6a)，往往大型塔采用这种形式。也可采用与流动方向一致的配置方式，如图(6b)，我们国内的设计者大部分都采用这种配置方式。支撑梁之间的

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・１３・

(b)

距离应该在350~450mm，具体的设计应该参阅文献

[19]

表６

计算结果和配置情况的比较表

。我们从图(6a)中可以看出：浮阀的数目为108个

满足要求，塔径为1.1m ，降液管的宽为.116m ，液流堰的长为0.689m ，全部符合要求。图(6b)配置了106个浮阀也可满足要求。

图7为一个丁字形的浮阀实际塔板配置图与图(6a)浮阀的配置相似，我们把它例举出来以作参考：

图７丁字形浮阀的配置图

3.2塔板的流体力学计算3.2.1塔板压降的计算

气体通过塔板的压降由两部分组成，一部分为气体通过干板的压降，另一部分为气体通过板上的鼓泡液层的压降、其表达式为：

h T =hd +hl

3.2.1.1干板压降的计算

干板压降与板上开孔的形状(冲出的孔，有弯边的孔) ，阀的重量，孔内的气速等因数有关。

⑴在我国张治和等人表了如下的公式：

在阀开启前：

(V/Ah )

h d =K119.9

L

0.175[20]

从上图6的两种浮阀板块的配置来看，我们常常采用的配置方式图6b, 由于有两条支撑梁平行于液体的流动方向，这样可避免气流的横穿，因此是被推荐的形式。在大直径的塔，主支撑梁都是平行于液体流动方向，次梁可以垂直于液流方向。

为了总结一下我们以上的计算和工作的结果，将其结果总结式的列在表6中，以便进一步进行工作。

结论：从以上的计算和排布的情况来看，选择D T =1.1[m]还是比较合适的设计。

从表6看出有些结果和举例时的假定不符合，应该进一步回到前面修改假定的值直到符合为止。这进一步的工作就不在这里累述了。

(21)

对V-1型浮阀的研究后发

mm (22)

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・１４・

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h d =K25.34

(V/Ah ) ρv 2g ρL

2

表7式(26，27) 各项参数的选取值表

mm (23)

参数R vw

参数说明带腿阀与无腿阀的重量比阀关闭时的损失系数阀开后的损失系数

条件

式中：单位转换系数K 1=233.2；K 2=0.58e-4他们采用的浮阀重量为34g ，阀孔为39mm 。没有对轻阀进行测试。

(2)Erwin

[11]

无罩三腿

四腿有罩(无腿) PLT=3.4mm

2.6mm 1.8mm 碳钢

400不锈钢304不锈钢400Monel 铝钛

平阀系数1.331.341.06.1540.8210.9311.104

系数

汶丘利孔阀1.291.451.03.070.4480.4480.448

K C K O

采用下式计算，在他的式中考虑了

C vw ρm

涡流损失系数阀材料的密度

3

单位(lb/ft)

阀厚T m 的影响，也就是考虑了阀重量的影响。

h d =(21.62×T m ×510/ρL )

+K ×(V /A h ) ×ρV /ρL mm

式中：对于标准的浮阀K =0.422e-5。

(3)Klein

[21]

2

1.[***********]2

(24)

计算方法：

ρV 2

h d =K 3K W

ρL O

mm (25)

按式(27)计算浮阀的全开速度W O.O 。W O.O =2.4×(6.154/0.87)=6.38

由表6查得W O =6.89>6.38，浮阀已全打开。压降以式(25)计算；

2.8940

式中：K 为损失系数，当阀未开时K =K C ，阀全开后K =K O ，单位转换系数K 3=273.4

由力的平衡建立了阀打开的阀孔速度W O,C =K 4m vw vw C m V 单位转换系数K 4=0.242；阀全开的速度为：W O,O =W O,C C O

m/s

(27)

式(26)和(27)中的各参数由下表7取得：阀的开度按照下式计算：

F O =(W O －W O,C )/(W O,O －W O,C ) W O >W O,C f O =0

A s =f O A SO +(1－f O ) A SC

W O

(29)

阀的开度与阀封面积按照下式计算：

由以上的各公式看出，Klein 的公式对阀的形状、材质、厚度作了全面地考虑，因此对于设计者来讲是比较合适的。

表7中的Ko 数根据塔板的厚度可按下式计算：Ko =1.724－0.4328×PLT+0.04922×PLT

2[15]

：

(26)

m/s

h d =273.4×0.87

6.89=33.63mm 液柱

2

假如我们采用1.5mm 的碳钢浮阀，塔板厚PLT=2mm 时，计算塔板的压降。

按式(30)求得K o =1.055,其它值与上面相同；按照式(26)计算浮阀的开启速度W O.C 。W O.C =0.242×1.33×1.3/6.154×490/2.8

(28)

=2.08m/s

按式(27)计算浮阀的全开速度W O.O 。W O.O =2.08×(6.154/1.055)=5.02m/s

W O =6.89>W O.O ，浮阀已全部打开，压降按照式(25)计算：

h d =273.4×1.055

(30)

2.8940

6.89=40.78mm 液柱

20.5

为了进行比较，对以上各公式按以下条件作了计算。计算的条件：采用2mm 304不锈钢浮阀，塔板厚PLT=3mm ，对于Klein 公式还对2mm 阀厚以及2mm 板厚的条件进行了计算，计算的结果以图8的形式来表示，横坐标以阀孔的动能因子表示，纵坐标以mm 液柱干板压降来表示。由图8可以看出在本计算中孔动能因子Fo 为3.2左右时式(22)，(23)，(24)交于一点A ，此时的压降接近24mm 液拄，也接近于Klein 公式的阀厚2mm 的开启速度。张致和等人的公式(23)是对于阀全开后的压降公式，

计算举例(7)：按照上面计算建立的塔板，假如我们采用2mm 的304不锈钢重阀, 板厚PLT=3mm时，计算塔板的干板压降？

由式(30)计算PLT=3mm时K O =0.87，C vw =1.3，ρm =490，R vw =1.33，K C =6.154

由式(26)计算W O.C ；

W O.C =0.2422×1.33×1.3/6.154×490/2.8

=2.4m/s

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气体通过鼓泡液层的压降采用Fair h l =β(h w +h ow +h g /2)

[21]

・１５・

(31)

Klein 对浮阀塔板建立了下图9由图查得β系数。按下图9β, 系数可数字化为β=0.5313+0.2912exp (-1.397F va )

=0.0951+0.7026exp (-2.045F va )

(31.1)(31.2)(31.3)

F va =0.228e -3

V A a

V

计算举例(8)：计算气体通过鼓泡液层的压降。有效塔板面积从表(6)查得A a =0.836m 由式(31.3)

F va =0.228e ×2779.2/0.836×2.8=1.268；由式(31.1)求出β=0.58；式(31)中的h w 是设定的，h ow 仅与液体流量和堰长相关，在塔板的配置中

因此, 可看出它的趋势和Klein 的公式(25)阀全开后计算的值的趋势相同，但式(23)的压降明显略小于Klein 式的值。A ，C 两点为不同条件的浮阀开启点,B,D 为浮阀的全开点。由图看出阀厚的增加, 浮阀开起的动能因子增加，干板压降也增加，而当浮阀全开后压降就与浮阀的厚度无关了。由表7也可看出，当浮阀全开后损失系数只与塔板的厚度有关。

由Klein 的压降计算公式以及表7的K O 系数值可知：塔板厚度增加，压降曲线的斜率减少，浮阀全开的气速增加；浮阀的材质密度增加，浮阀开启时气速增加，全开气速也增加；浮阀的厚度变化与浮阀材质密度变化影响相同，但它与浮阀开启后的损失系数K O 无关，也就是说与压降变化趋势无关。

而Erwin 的公式在A 点前后基本与张治和等人的阀开启前的公式(22)基本相符。因而Erwin 的公式在阀未全打开前可以使用。3.2.1.2气体通过鼓泡液层的压降

堰长无变化，当忽略板上的液面梯度压降时，按式(31)计算气体鼓泡通过液层的压降，也即塔板上的净液高度。

h l =0.58×(50+12.85)=36.45mm液柱3.2.1.3塔板上液流梯度

浮阀塔板的液流梯度要比筛板塔稍微大点，但在对于压降计算方面往往仍可以忽略，一般不予计算。但在塔径很大，流路L FPL 特长时可以按照Hug-hmark and O'Connell 计算。

计算举例(9)：根据计算举例(7)和(8)计算的结果，计算塔板的总压降。

按照总压降公式(21)计算：h T =40.78+36.45=77.23mm 液柱3.2.2浮阀塔板的液泛

浮阀塔板的液泛和其它塔板一样，具有以下几个方面的液泛情况：

[22]

-3

0.5

2

用于筛板塔的公式来

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・１６・

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喷射夹带液泛：

在低的液流情况，由于气速的增加，塔板上的

充气系数

h ld ′=hld /

ld

ld

(32.1)

由表8根据液体的泡沫趋势来决定:

液层处于喷射状态，大量较大的液滴随着气流返回到上一层塔板，液体在塔内集聚形成液泛。

(2)泡沫层膨胀液泛：

在大的液流情况，塔板上的泡沫层在升高的气速下迅速膨胀，假如板间距较低时就形成全塔都处于泡沫层状态，塔压降急剧升高，形成液泛。

(3)雾沫夹带液泛：

由于气速超过了允许的范围，大量的雾沫随着气体返回到上一层塔板，板效率下降，降低了塔的分离能力。在工程设计上对与精馏塔来说一般允许的雾沫夹带量为0.1kg 液体/(kg上升气体) ，超过这个范围就称为雾沫夹带液泛。

(4)降液管反冲液泛：

液流速度增加，降液管内流速增加，流动压降增加，使得降液管内的充气液体的高度大于塔板间距时，塔内集聚液体形成液泛。

(5)降液管的阻塞现象形成液泛：

由于设计的不当，比如降液管进口太小阻塞了液流，或者液流速度的增加，超过了设计范围，使得磨擦损失增加阻挡了降液管内的充气液体向下流动，形成了液泛。

在设计浮阀塔时就必须避免以上情况的发生，首先在决定塔径时就考虑了选取雾沫夹带气速的80-90%作为设计指标。在前面的叙述中也规定进入降液管的液体的抛程t w ≯0.6H SD 。液体在降液管内的停留时间必须满足规定的要求等等。

为了防止液泛，或者说是为了检验我们设计的塔的可靠性，以及对生产的波动忍耐性，除特殊情况以外，常常仅做以下的校验计算：3.2.2.1降液管的反冲液泛

降液管内的液体为充气的液体，当充气液体的高度等于板间距和外堰的高之和时，液泛就发生了，以下式表示：

h ld ′=HT +h w

充气液体的高度由下式计算：

表８Ｂｏｌｌｅｓ

泡沫趋势低泡沫系统

［２３］

降液管内的净液高度等于降液管外的净液高(h w +h ow ) 加上总板压降h T 以及降液管内的压降h ud 的总和，h ld 由下式决定：

h ld =hw +how +(h T+h ud )[ρL /(ρL -ρV )]降液管内的压降可采用Smith

h ud =6.1

L A ud

[24]

mm (32.2)

的方法计算；

(32.3)

mm

A ud =0.42A d mm (32.4)计算举例(10)：按照以上的设计是否发生降液管液泛？

按照(32.4)A ud =0.42×0.057=0.024；按照(32.3)h ud =6.2448.8×0.024

=3.51mm

按照(32.2)h ld =50+12.85+(77.23+3.51)[940/(940-2.8)]=143.75mm

按照式(32)的要求应该h ld ′

雾沫夹带液泛是以每公斤气体带走0.1公斤的液体时就称为雾沫夹带液泛。而雾沫夹带是与塔板上的液层处于何种状态、板间距大小、物料的表面张力大小、塔板上开孔率的大小、液气的密度比值等有关。液层若是在喷射状态操作时(一般在减压塔) ，雾沫夹带就大，气体就可夹带较大的液滴（>1000μm) 。而在液流量小、气速也小的乳化状态、泡沫层状态时，雾沫夹带是气体离开泡沫液层时，气泡的破碎，气体夹带着液滴(小于200μm) 上升。针对浮阀塔板的雾沫夹带发表的公式并不多，一般计算浮阀塔的雾沫夹带仍采用筛板塔的计算公式。由于筛板塔的特性，气体是直接向上的运动，带走液滴更容易，特别是在喷射状态时，雾沫夹带更大。因此由筛板塔的公式计算的结果对与浮阀塔来说应该是较保守的。

最常用的是由Fair1961年发表的图表10来估计雾沫夹带量。也可按下式依据泛点率的百分数PCF 以及板上的气液负荷动能因子F LV 来计算雾沫夹带分率ψ：

[8]

(32)

的建议值

高泡沫系统最高泡沫系统矿物油吸收

胺类化合物，甘油类

0.3

中泡沫系统

系统例子低分子量的中分子量的

碳氢化合物，碳氢化合物以及醇类、的蒸馏

ld 的值

0.60.50.4

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医药工程设计

ψ=exp[-(6.692+1.956PCF )) F LV 带量e 为：

e =

ψF LV L 1-ψ

ρV

(33.1)

(-0.132+0.654PCF )

・１７・

](33)

由式(33)计算出ψ值，再由式(33.1)计算雾沫夹

公式(33)中的泛点率百分数PCF 是由图2中得到的，它代表了板上的气液负荷动能因子与板间距对液泛点的影响，而动能因子又和板上液层高度有着关系，因而式(33)中隐含了板间距与液层高度的影响。

Fair 公式计算的缺点是首先要按照图2来计算泛点百分率，然后再按照图10计算雾沫夹带分率，最后按式(33.1)计算雾沫夹带量。

图11b 的横坐标为空塔气速U N 由图(11)看出：

・Fair 的公式给出较大的雾沫夹带值。

・Fair 公式计算的雾沫夹带量为0.1时的气速与由泛点公式计算的气速相同。

・在低气速时，Fair 和Hunt 的值较接近，在高气速时Fair 和Kister 的值较接近。

由此得出结论，Fair 的公式可以应用于较广阔的气速范围。采用Fair 的公式计算泛点气速决定的塔径，和计算不到泛点气速时的雾沫夹带量是有连贯性的。

另一个比较常用的Hunt

e =K 50.22

73

σ

[25]

计算公式:

3.2

3.2.3浮阀塔板的泪点(WeepPoint) ；

(34)

浮法塔板的泪点反映了塔板操作的另一个条件，就是塔内的气速太小，塔板上的液体由板孔中溢流下来。Fair 在文献中对筛板塔的泪点给出一个塔板上液体上下力的平衡关系式：

h d +hσ=hw +how

(35)

式中：

h σ=

(36)

414

(36.1)σ

ρL d H

公式的左边为作用于板上液体向上的力，右边

[24]

U N H T －2.5h 式中：单位转换系数K 5=1.4e 6Kister &Hass

[26]

对于从泡沫到喷射状态的塔板操

1.64

作情况下的雾沫夹带给出了如下的公式：

e =4.742

式中：X =872

U B h L H H T

h L =

4(10/)

X

(10/)

ρV Q L ρL

L －ρV

σ

0.25

(35.1)

为作用与板上液体向下的力。如果方程左边大于方程右边的值，则不会发生泄漏，相反时则发生泄漏。开始发生泄漏的操作点就称为泪点。塔板的液泛点和泪点相应于塔板操作的上下限。如何预计泪点，Fair 按经验将式(36)作了修改为：

h d +hσ=f(h w +how )

这个函数关系表示在图12上。Bolles 在用于浮法塔扳时按照A S N /A a 代替。

[15]

h ct

1+0.0026h W

h ct 按照式(2.2) 计算。

(35.2)

为了比较这几个公式的差别，本人采用了以上计算举例决定的塔板尺寸，对三个公式进行了计算。

结果描绘在图11上。图11a 采用半对数坐标，1000U N

横坐标是－。

T L

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(36.2)扩展Fair

的关系式应用于浮阀，所不同的是图12中的A h /Aa

・１８・

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医药工程设计

由计算举例(1)可知Fair 液泛气速U Nf =1.317m/s；由表7查得A N =0.893m

2

按Fair 的方法最大气速：

W O.flood =1.317×0.893/(108×0.104e-2)

=10.47m/s

按图12可以表示成如下的多项式函数关系式：A S N/Aa ≤0.1

-32

h d +hσ=1.82+0.2572(h w +how ) －0.963e (h w +how )

A S N/Aa =0.2

-3

负荷上限=10.47/6.89=1.52=152%

TurndownRatio=W O /W O.weep =6.89/1.628=4.233.3浮阀塔板的操作负荷范围

塔板的操作负荷范围就是研究塔板操作的最大液体负荷、最小液体负荷、最大气体负荷以及最小气体负荷这四方面的问题。研究这些问题的目的就是为了了解所设计的塔器的最大及最小操作范围，以提供为了满足塔器运转而配置相应的再沸器、冷凝器等的周围设施。也可明显地看出所设计的塔器的操作点是否合理，以调整设计得到满意的结果。3.3.1最大液体负荷

最大的液体负荷可以按照下面几个方面来考虑，并以所计算的塔板为例计算每项的最大液体负荷，以作比较选择。

(1)限定液体流过单位堰长的的负荷Q L ，一般推荐值为60m /h.m；

Q L =L/LW =60；那末，(L ) flood =60×0.689=41.34m /h;

(2)限定液体在降液管内的停留时间，一般不低于5s ；

τ=3.6×A d H T /L =5；那末，

(L ) flood =3.6×0.057×300/5=12.31m /h；(3)限定降液管内的液体流动速度，一般不超过0.1m /s；

(L ) flood =0.1×3600×A d =20.52m /h；

3

3

3

3

3

(36.3)

2

h d +hσ=3.442+0.5072(h w +how ) －0.139e (h w +how )

(36.4)

　在(36.3，36.4) 中只有h d 与塔内的气速有关，h σ只与物性有关，h ow 与溢流堰的形式以及塔内的液体流量有关。由(36.1－36.4) 结合式(25)可求出泪点时的气速：

W O.weep =[(f (h w +how ) －h σ)

　

ρL ρV KK 3

]

0.5

m/s(36.5)

有人

[27]

建议最小的气速在一流程时为浮阀全开

气速的40%，双流程为60%，四流程为80%。

计算举例(11)：求该塔的泪点气速；该塔的负荷上下限；TurndownRatio 。

首先假定泪点气速小于阀开启的气速，那末K=KC =6.154，A S =A SC =0.31e －3m ；A S N /A a =0.31e －3×108/0.836=0.04

414×32940×15.89

=0.887；

2

由式(36.3,36.5)得到：

W O.weep =(1.82+0.2572×62.85－0.963e －3×62.85－0.887)

940

2.8×6.154×273.4

0.5

2

(4)限定降液管内的净液高度h Ld ，一般不应超过板间距加堰高的一半。

由式(32.2)可知，降液管内的净液高与液体负荷和气速有关，在操作状态气速时按照本条的规定由下式计算最大液体负荷；

0.5(H T +h W )=h W +h OW +(h T +h ud )[ρL /(ρL －ρV )]可简化计算的项：

2/3L 2/3

h ow =2.83=3.63L ；

L W h ud =6.1

L 448.8A ud

=0.0324

L A d

=0.568L ；

=1.628m/s

由计算举例(7)可知浮阀的开启气速W O.C =2.08m/s，

W O.weep

负荷下限=W O.weep /W O =1.628/6.89=0.235=23.5%按照Glitsch

[27]

的建议最小气速为

0.4W O.O =0.4×5.02=2m/s

按此建议负荷下限就为2/6.89=0.29=29%

２００７年第２８卷第１期

Pharmaceutical &Engineering Design 2007, 28(1)

医药工程设计

在操作气速时，h d =40.78mm ；假定β=0.55；将简化的各项带入上式并移项得到：3.63L +{[40.78+0.55(50+3.63L )+0.568L ]

×1.002}－125=0

5.63(L ) +0.568(L ) －56.64=0；解这个非线性方程得到(L ) flood =21.97m /h由以上计算来看，第2项的指标最小，因而以它来作为最大的液体负荷限制。3.3.2最小液体负荷

所谓液体最小负荷，就是液体在板面上不能均匀分布，虽然有出口堰保持了一定的液层高度，在塔板上的液体浓度不均匀，影响到塔板的效率降低。一般认为最小的液体负荷为横过堰的液体高度为5mm ，一般采用(Q L ) min =2m /h.m为限制值。对于小的塔这个值应减小。

按此标准(L ) min =2×L W =2×0.689=1.38m /h3.3.3最大的气体负荷

气体量的增加，塔板压降增加，塔板上的液层状态就会由乳化状、泡沫状、最后成为喷射状态，夹带的液沫就增加，形成液泛。如上所说的各种液泛状态都可能发生, 根据塔板的具体设计情况最容易达到的液泛就会破坏塔的操作。在板间距选择较适当时，一般就考虑雾沫夹带液泛。在我们的举例中板间距选得较小，还应该考虑降液管的反冲液泛。

(1)雾沫夹带液泛曲线的建立

按照Fair 的方法计算。由图2根据不同的F LV 来计算雾沫夹带的气速。

由最小的液体负荷到最大的液体负荷，气速采用操作气速，计算不同液体流量下的液泛气速。

其计算结果列于表9：

表９

L

3

3

3

2/32/3

2/3

・１９・

带入液泛关联式为：

125=3.63L +(0.859W O +27.5+1.996L +0.568L )1.002

5.63L +0.569L +0.86W O

解出

(W O ) flood =

97.4－5.63L

2/3

－0.569L

2/3

2

－97.4=0

2/3

2

2/3

0.86

(V ) flood =(W O ) flood ×108×0.104e －2×3600由上式计算的最大液泛气速如下表10：

表１０最大液泛气速

L

1.38

2.7464.11255.47886.8458.2119.57810.94412.31

(V ) flood 4127.64014.73914.33820.43730.43642.93557.13472.33388

3.3.4最小气体负荷

最小气体负荷也就是上面3.2.3节介绍的浮阀塔板的泪点气速，这里就不重复了。

W O.weep =1.628m/s；

(V ) min =1.628×108×0.31e －3×3600=196.2m /h3.3.5建立该浮阀塔板的操作负荷图

由前面3. 3.1~3.3.4小节计算的各项以液体流量L 为横坐标及气体流量V 为纵坐标建立了操作负荷图13。由图可看出雾沫夹带线高于降液管液泛线，也就是说由于板间距较小，降液管的液泛成为限制塔操作的重要因数。

所谓优化设计就是将操作点尽量的移向操作负荷图的中央，要达到此目的，就是加大塔径，以及加高板间距将雾沫夹带线以及降液管液泛线向上移。从液体负荷来看操作点基本上在中间，也就是说我们选择的液流堰长是合适的。

3

计算结果表

1.382.74634.11255.47886.8458.21139.577510.94412.31

F LV 0.00910.01810.02710.03610.04510.05410.06310.07210.0812(V ) flood 44164361.843084255.142034151.84101.44051.74002.9

(2)降液管液泛曲线的建立

在上面计算降液管液泛最大液体负荷时建立了液泛关联式：

0.5(H T －h W )=h OW +(h T +h ud )[ρL /(ρL －ρV )]此式中与气速有关的就是h T 。认为浮阀应打开K O =1.055；h ud 同上边的值；

取β=0.55；h T 由下式计算：

ρV 22/3

h T =K 3K O W O +0.55(h W +3.63L )

ρL

２００７年第２８卷第１期

4总结

(1)从以上的计算可知Fair 的方法对于计算塔径和雾沫夹带均得到合理的结果，本文将其发表的图表数字化以便于进行计算机计算。

(2)对于计算塔板的干板压降Klein 的方法也比较方便和可行。经过比较和我国的数据较接近。液层

・２０・

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医药工程设计

h ow h f h g h n h i

2

2

Fair 的方法。

(3)计算浮阀塔板的泪点采用Bolles 扩展的Fair 的方法，从本例题计算结果来看还是比较合理的。符号说明：A a A b A d A ds A f A h A N A s A SC A SO A t A ud C SB CF d h d v d w D f D T e F O F LV F va F O H T h ct (h ct ) H O

2

横过堰的液层高度，mm 泡沫层的密度

堰顶端到降液管内液面的距离，mm 齿形堰的齿高，mm 内堰的高度，mm

降液管管裙底部与塔板的距离，mm 降液管的压降，mm 浮阀的最大开度，h v =8.5mm液体起泡引起的压降，mm 弓形降液管的宽，m 阀开启前的阻力系数阀开启后的阻力系数各公式的单位转换系数液体体积流量，m /h

液体流经塔板的距离，单液流时

L FPL =D T －2H SD

Billet 采用的液体流动负荷，m /h弓形降液管的堰长，m 浮阀的总数目，个塔板的厚度，mm

单位长度出口堰上的液体负荷，m /(h.m)物性系数浮阀的厚度，mm

横过堰液体抛出的距离，mm 基于A N 塔面积的气速，m/s基予A b 塔面积的气速，m/s

基于塔板净面积A N 的液泛气速，m/s基于塔板有效面积A a 的气体速度，m/s气体体积流量，m /h

V LOAD =0.98e －2×V 气体负荷，

3

3

33

3

h u h ud h v h σH SD

2

有效塔板面积A a =AT －2A ds ，m 降液管的面积，m

2

2

塔板的鼓泡面积，A b =AT －2A ds －ΣS ，m 弓形降液管的面积，m

开孔的面积分率A f =Ah /Aa

浮阀塔板上开孔的总面积，A h =0.104e －2N ，m ；塔板的净面积，A N =AT －A hds ，m 单个浮阀开启时的面积，m

2

22

2

K C K O K 1~5L L FPL L r L w N PLT Q l SF T m t w U N U B U nf

单个阀未开时的阀缝面积，A SC =0.31e－3，m 塔板的总横截面积，A T =0.785(D T ) ，m 降液管底部出口的流通面积公式(1，2) 的系数泛点负荷因子表观的阀体直径，mm 阀孔的直径，d v =39mm 圆形降液管的管径，mm 塔径和堰长的算术平均值塔径，m

雾沫夹带量，k g 液体/kg气体阀孔的气体动能因子，(kg/m.s)

20.5

单个阀全开时的阀缝面积, A SO =0.104e－2，m

2

2

塔板的气液负荷动能因子，F LV =

L L

V ρV

U va V

基于A a 面积的塔板的气体动能因子阀的开启度，0~1板间距，mm

塔板操作从泡沫到喷射状态转变时的净液高对于空气—水系统的h ct 值，mm

V LOAD V R W O W O.C W O.O W O ,WEEP W O.,flood βρV

V ρL －ρV

Billet 采用的气体流动负荷，m /s浮阀孔的气速，m/s阀未开启时孔的气速，m/s阀全开时孔的气速，m/s泪点孔气速，m/s液泛点孔气速，m/s鼓泡液层的充气因子气体密度，kg/m

3

度，mm h d h L h ld h W

干板压降，mm 鼓泡液层压降,mm 降液管内的液面高度，mm 出口堰高，mm

２００７年第２８卷第１期

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医药工程设计

ρL σ

T

3

液体密度，kg/m

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[11][12][13][14][15][16][17][18]

Erwin "Industrial chemical process design", 2005. Smith R.B. et al"Petr.Ref." V ol.40,No.5,pp183,1963. Kister HenryZ.,"Distillation design ",McGraw-Hill.Inc. 1992. Bolles,W.L." Petro.. Processing" V ol.11,(No.2,No.3,No.5)1956.Bolles,W.L."Chem.Eng.Progre.",Vol.72,No.9,pp43,1976.

Lockett M.J. "Distillation Tray Fundamentals", Cambridge UniversityPress.1986.

Biddulph,M.W.,A.C.Burton,"Ind.Eng.Chem.Research" Vol.33,pp2706~2711,1994.

Billet,R. “DistillationEngineering ”HEYDEN 1979.

路秀林，王者相等编. 化工设备设计全书—塔设备[M].北京：化学工业出版社，2004.

张治河，沈复，陈炳珍. V-1型浮阀塔盘传质性能及其适宜区域研究. 北京石油学院化工教研室研究论文(1965).Klein,G.F.,"Chem.Eng.",May 3,p.81,1982.

Hughmark,G.A.,and H.E.O'Connell,"Chem.Eng.Prog". 53(3),p127,1957.

Bolles,W.L. "Distillation Theory and Practice" -Intensive course University of New South Walas/Universityof Sydney August 9-11,1977.

液体的表面张力，dyne/cm塔板上泡沫层的密度

降液管内液体的充气系数液体黏度，cp 气体黏度，cp

塔板上边缘及进出口缓冲区的面积总和

Φld μL μV ΣS

参考文献：

[1][2][3][4][5][6][7]

Klein,G.F., “Chem.Eng. ”，May 3,p.81,1981.

中国石化集团上海工程有限公司编. “化工工艺设计手册”(第三版下册)[M].北京:化学工业出版社,2003.

化工部第一设计院化学工程组，浮阀塔的设计[M].化工设计专业分册No.7,pp1, 1966.

化工部第五设计院二室. 浮阀塔的设计[M].石油化工技术参考资料，No.2,pp1,,1970.

燃化部第六设计院. 气液传质设备设计-第六章浮阀塔[M].1973,pp149..

Glitcsh,Inc.,"Balast Tray DesignManual"Bulletin 4900,1974. 路秀林，赵培，李玉安，张杰旭. 导向阀塔板和B 形导向浮阀塔板. 第二届中国塔器分离技术专家咨询会论文集, 2001. [8][9][10]

Fair,J.R.,Petr/ChemEng. 33(10),p45,1961.

Perry,R.H.,D.W .Green,J.O.Maloney "Perry's Chemical engineers' Handbook",6thed.,p.18-7McGrraw-Hill ,NewY ork ,1984. Kister,H.Z.,and J.R.Haas,Chem.Eng.Prog.86(9),pp63,1990.

[19][20][21][22][23]

[24][25][26][27]

Smith,B.D."Design of equilibrium stage processes" McGraw-Hill Inc.1963.

Hunt,C.D.A.;Hanson,D.N.;Wilke,C.R. ,"A.I.CH.E.Journal" Vol.1,No.4,pp441-451,1955.

Kister,H.Z. &J.R.Hass"I.Chem.E.Symp.Ser.104," ppA483,1987. Glitsch,inc."44Frequently Asked Quenstion and Answers about Tray and Packing," BulletinNo. 681R1,Dallas,Texas 1983.

全球生物制药发展存在两个“不平衡”

《2006年中国生物技术产业发展报告》显示，目前全球生物制药产业的发展极不平衡：一是各国生物制药产业发展水平极不平衡；二是生物技术药物产品发展极不平衡。

生物制药产业的发展主要取决于国家的科技实力与人们的生活水平。在1993年，北美(主要是美国) 、欧盟和日本的生物制药产业几乎是三足鼎立，在共84亿美元的市场份额中各占20～30亿美元。但是经过10年发展，美国远远把其它国家甩在后面，其生物技术药物占全球生物制药市场的58%，并且这个比例还在扩大。而欧盟经过最近5年的发

展，正在追赶美国，其份额达到22%。日本生物制药发展相对滞后乃至停滞。其它国家和地区的生物制药基本上处于起步阶段。我国生物制药的研究、开发和生产等关键技术与美国等国家还有相当大的差距。

据统计，目前10%的生物技术药物占整个生物制药市场的90%。在美国、欧盟等主要生物制药强国批准上市的500余种生物技术药物中，排名前10种产品的销售额便占整个生物制药市场的50%以上。在前50种产品中，动物细胞表达的产品无论从数量还是从销售额来看都占65%～70%左右。

２００７年第２８卷第１期