浮阀塔的设计示例

浮阀塔设计示例
设计条件
拟建一浮阀塔用以分离某种液体混合物，决定采用F1型浮阀（重阀），试按下述条件进行浮阀塔的设计计算。

气相流量V s = 1.27m3/s；液相流量L s = 0.01m3/s；
气相密度ρV = 3.62kg/m3；液相密度ρL = 734kg/m3；
混合液表面张力σ= 16.3mN/m，平均操作压强p = 1.013×105Pa。

设计计算过程
（一）塔径
欲求出塔径应先计算出适宜空塔速度。

适宜空塔速度u一般为最大允许气速u F的0.6～0.8倍
即：u＝（0.6～0.8）u F
式中C可由史密斯关联图查得，液气动能参数为：
取板间距H T=0.6m，板上液层高度h L=0.083m，图中的参变量值H T-h L=0.6-0.083 =0.517m。

根据以上数值由图可得液相表面张力为20mN/m时的负荷系数C20 =0.1。

由所给出的工艺条件校正得：
最大允许气速：
取安全系数为0.7，则适宜空塔速度为：
由下式计算塔径：
按标准塔径尺寸圆整，取D = 1.4m；
实际塔截面积：
实际空塔速度：
安全系数：在0.6～0.8范围间，合适。

（二）溢流装置
选用单流型降液管，不设进口堰。

1）降液管尺寸
取溢流堰长l w=0.7D，即l w/D=0.7，由弓形降液管的结构参数图查得：A f/A T=0.09,W d/D=0.15
因此：弓形降液管所占面积:A f=0.09×1.54=0.139(m2)
弓形降液管宽度:W d=0.15×1.4=0.21(m2)
验算液体在降液管的停留时间θ，
由于停留时间θ＞5s，合适。

2）溢流堰尺寸
由以上设计数据可求出：
溢流堰长l w=0.7×1.4=0.98m
采用平直堰，堰上液层高度可依下式计算，式中E近似取1，即
溢流堰高:h w=h L-h ow =0.083-0.033=0.05m
液体由降液管流入塔板不设进口堰，并取降液管底隙处液体流速u0′= 0.228m/s；
降液管底隙高度：
浮阀数及排列方式:
1）浮阀数
初取阀孔动能因数F0 = 11，阀孔气速为：
每层塔板上浮阀个数：
（个）
2）浮阀的排列
按所设定的尺寸画出塔板，并在塔板的鼓
泡区内依排列方式进行试排，确定出实际的阀
孔数。

已知W d = 0.21m，选取无效边缘区宽区
W C = 0.05m、破沫区宽度W S=0.075m，由
下式计算鼓泡区面积，即：
浮阀的排列方式采用等腰三角形叉排。

取同一横排的空心距t=75mm，则等腰三角形的高度：
由于塔直径D=1400mm，需采用分块式塔板四块（其中两块弓形板、通道板和矩形板各一块）。

考虑到各分块的支承与衔接要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距t′应小于计算值，故取t′=0.065m。

现按t=75mm、t′=65mm的等腰三角形叉排方式画出浮阀排列图，可排出阀孔数180个，重新核算以下参数：
阀孔气速：
动能因数:
动能因数在9～12之间，合适。

塔板开孔率：
开孔率在10％～14％之间，合适。

（三）塔板流体力学验算
1）塔板压降
利用下式计算：
（1）干板阻力
临界孔速：＜u0
因阀孔气速u0大于其临界阀孔气速u0C，故干板阻力计算式为：
（2）板上充气液层阻力
本设备分离烃化液，液相为碳氢化合物，可取充气系数ε0= 0.5。

（3）液体表面张力造成的阻力
所以:h p=0.047+0.042+0.0005=0.0895 m
单板压降:
单板压降偏高。

（一般对于常压精馏塔应在260～530Pa为宜）。

2）降液管液泛校核
为了防止降液管液泛现象发生，要求控制降液管内清液层高度H d≤φ(H T+H w)。

其中:H d=h p+h L+h d
（1）气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度h P前面已求出，h P=0.0895m。

（2）液体通过降液管的压头损失（不设进口堰）
（3）板上液层高度
前已选定h L=0.083m
所以H d=0.00895+0.083+0.008=0.181m
取降液管中泡沫层相对密度φ=0.5,前已选定板间距H T=0.6m，h w=0.05m。

则φ(H T+H w)=0.5(0.6+0.05)=0.325m
可见，H d＜φ(H T+H w)，符合防止降液管液泛要求。

3）液体在降液管内停留时间
应保证液体在降液管内的停留时间大于3～5s，才能使得液体所夹带气体的释出。

本设计
＞5s
可见，所夹带气体可以释出。

4）雾沫夹带量校核
依下面两式分别计算泛点率F，即
及
板上液体流径长度
板上液流面积
查得泛点负荷因数C F=0.141、物性系数K=1.0,将以上数据代入：
及
对于大塔，为避免过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%。

上两式计算的泛点率都在80%以下，故可知雾沫夹带量能够满足e V＜0.1kg(液)/kg(气)的要求。

5）严重漏液校核
当阀孔的动能因数F0低于5时将会发生严重漏液，前面已计出F0=11.24，可见不会发生严重漏液。

（四）塔板负荷性能图
1）气体负荷下限线（漏液线）
对于F1型重阀，因动能因数F0＜5时会发生严重漏液，故取F0=5计算相应的气相流量(V S，min)：
2）过量雾沫夹带线
根据前面雾沫夹带校核可知，对于大塔，取泛点率F = 0.8，那么
整理得:
雾沫夹带线为直线，由两点即可确定。

当L S=0时，V S=2.035m3/s；当L S=0.01时，V S=1.846m3/s。

由这两点便可绘出雾沫夹带线。

3）液相负荷下限线
对于平直堰，其堰上液层高度h ow必须要大于0.006m。

取h ow=0.006m，可作出液相负荷下限线。

取E=1、代入l w则可求出（L S）min：
4）液相负荷上限线
液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于3～5s，取θ= 5s作为液体在降液管中停留时间的下限，则：
5）液泛线
先求出V s与L s的关系，就可在操作范围内任意取若干点，从而绘出液泛线。

其中：
将计算出的a、b、c、d值代入上式方程并整理可得：
在操作范围内任意取若干L s值，由上式可算出相应的V s值，结果列于下表。

将以上五条线标绘在同一V s～L s直角坐标系中，画出塔板的操作负荷性能图。

将设计点（L s，V s）标绘在图中，如P点所示，由原点O及P作操作线OP。

操作线交严重漏液线①于点A，过量雾沫夹带线②于点B。

由此可见，此塔板操作负荷上下限受严重漏液线①及过量雾沫夹带线②的控制。

分别从图中A、B两点读得气相流量的下限
V min及上限V max，可求得该塔的操作弹性。

设计结果
现将以上设计计算结果列于下附表。

附表：浮阀塔板工艺设计计算结果表
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