塔器现代工程设计的流体力学计算方案

• • 传统填料：拉西环、θ环、鲍尔环、阶梯环、环矩鞍等 新型填料：星环、花环以及各种衍生品种 Flexipec 系列，比表面：69-560 Sulzer-nnnX 系列， Sulzer-nnnY 系列，比如：Sulzer-250X、 Sulzer-250Y Gempak 系列，比如：Gempak-1A 国内多种牌号的规整填料，都是这些系列的相似产品，只是厂家不同，几何尺寸基本相同。
•
WPTR：国产简体中文软件：可以迅速、准确计算填料塔流体力学，有比较完整的实验数据。
二、散堆填料塔 –扩散系数（WPTR）
二、散堆填料塔 –扩散系数
N2,O2的本征传质能力 14
传质能力 D,cm2/s
气相传质×100 液相传质×100000
12 10 8 6 4 2 0
•`
-200 -150 -100 -50
0.5
ΔP = k2 f ΔPf 其中：kf=泛点率
二、规整填料塔–填料参数(WPTR)
基本算法
• 泛点算法：
• • • 最大负荷因子关联式 压降计算 传质计算 • • • • 关系式有10几个，计算比较繁琐，略去。 规整填料的研究集中在250X和250Y上，其他尺寸型号的研究较少。 核心仍然是扩散系数。所有没有“扩散系数”的软件计算传质，都是不负责任的。
致谢
•天津大学几十年来的理论研究和试验数据 •中石化部分专家整理的算法 •上海化工研究院的专家的相关译著 •陕西部分大学的软件实现 •谢谢各位的光临！
lg(φ F ) = E + F .L
lg(φF ) = E + F . lg(L)
二、散堆填料塔 –基本算法
基本算法
• 泛点算法：散对填料的传统算法。 • Bain-Hougen关联式 • • Eckert 通用关联图 中国学者的贡献 • 湿填料压降因子的关联 lg(φ F ) = E + F .L lg(φF ) = E + F . lg(L) 填料压降因子的关联
0
5 10 温度,t/C
15
20
25
30
二、散堆填料塔工艺计算软件–WPTR
二、散堆填料塔工艺计算软件–WPTR
二、散堆填料塔 –WPTR计算报告
二、散堆填料塔 –WPTR的操作性能图
二、散堆填料塔 –WPTR流程模拟接口
二、散堆填料塔 –注意事项
注意事项：
• 喷淋密度不足及施
• • • • 减小比表面小 增大泛点率 修改工艺，增大回流 放弃散堆填料，改用规整填料
•
lg(φ p ) = M + N .L lg(φP ) = C + D. lg(L)
• 大量的样品实验数据测试 天津大学等作了大量的理论研究 和试验测试，并发表 • 工程计算中存在的关键问题 • • • • 泛点计算中查图 关联公式的数据 喷淋密度计算校核(临界喷淋密度)
载点算法 载点算法基于“载液点”，大约为泛点的70%左右。
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载点算法
•
存在问题
二、散堆填料塔 –工程计算
工程计算解决方案
• 半手工/半软件计算
• 种类： • Excel电子表格 • 简易软件
•
优缺点
• • 优点：简易、随意、无成本 缺点：一般地需要查Eckert 通用关联图 计算公式和方法粗糟
•
专业化软件
• • FRI：美国蒸馏协会著名的软件，普遍认可。缺点：较难使用，不符合中国填料国情。 免费软件：网络流传的某流体力学计算软件，免费。缺点：总体计算结果很差。 传质计算几乎没有可取之处，原因是没有传递性质的物性数据参与计算。 传质系数： Ka=f(G,P)=g(对流扩散，分子扩散) G：填料的几何结构和特性 P：物料性质（核心：气液相扩散系数）
开孔（数量、大小、排列） 元件结构（浮阀、泡罩尺寸等）
•液流堰
堰结构（宽度、高度、长度）降液管
三、板式塔–计算内容(WPTR)
流体力学（塔盘结构）计算详细内容：
流程数 塔板间距 安定区 边缘区 泛点率 泛点气速 空塔气速 流动因素 降液管压降 降液管清液高 塔经 降液管停留 指定塔径 操作上限 操作下限 堰径比 堰高 堰齿深 降液管塔板间隙 堰长 降液管宽度 降液管面积 开孔区面积 堰上液头 清液高度 液相下限 液相上限 1 300.0000 70.0000 50.0000 70.0493 0.5832 0.4085 0.1523 2.6392 140.9614 950 15 950 156 57 85.0000 50.0000 5.0000 25.0000 807.5017 224.7787 18.0870 0.2969 14.2203 39.0828 1.0948 27.6921 mm mm mm % m/s m/s mm mm mm s mm % % % mm mm mm mm mm % m2 mm mm m3/h m3/h 塔板类型 排孔方式 塔板分块 孔径 孔距/孔径 塔板厚度 孔距 孔数 开孔率 孔速 干板压降 板压降 筛板 正三角叉列 2 6.0000 3.0000 2.0000 18.0000 1038.0000 9.8840 8.0818 35.0191 74.1018
τ=
Aahl Ls
• •
气液相反应，仅考虑板上；液相催化反应，仅考虑催化剂区域，常常是降液管；全部液相参加反应， 板上、降液管均考虑。
三、板式塔流体力学计算软件–WPTR
三、板式塔–WPTR计算报告
三、板式塔–WPTR流程模拟接口
三、板式塔–WPTR流程模拟接口
三、板式塔–WPTR流程模拟接口
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规整填料
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二、散堆填料塔 –基本算法
基本算法
• 泛点算法：散对填料的传统算法。
• Bain-Hougen关联式
1/ 4 ⎞ 0 .2 ⎤ ρv ⎛L⎞ ⎛ ⎟ = − μ A B ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ L ⎥ ⎜ ⎝ G ⎠ ⎝ ρl ⎥ ⎠ ⎦
⎡u2 f a ⎛ ρv lg ⎢ 3 ⎜ ⎜ ⎢ ⎣ gε ⎝ ρ l
二、散堆填料塔 –填料参数（WPTR）
二、散堆填料塔 –填料参数(WPTR)
二、散堆填料塔 –新型算法
基本算法
• 泛点算法：散对填料的传统算法。
• • • • Bain-Hougen关联式 Eckert 通用关联图 中国学者的贡献 工程计算中存在的关键问题 基本情况。载点算法基于“载液”，大约为泛点 的70% 左右。在载点之下操作稳定、压降小。 • 算法优点： • • • • • • 理论清晰、计算简洁 有前途 有时u─ΔP 曲线平滑， 载点不明确 关联式、测试数据相对少，限制了应用 软件开发者却步不前，因为没有充分的数据基础
三、板式塔–WPTR流程模拟接口
三、板式塔–WPTR流程模拟接口
四、总结
工程设计中流体力学计算路线图：
⎧FRI(美国) ⎪ ⎪ WPR（中国，填料） −−→⎨ WPR+WTR=WPTR ⎪ WTR（中国，板式塔） ⎪ ⎩.
OII Hysys
•PROII,Aspen Hysys,WPTR(维维塔器流体力学计算)
同样地可连接 Hysys、Proii
三、板式塔的流体力学计算
板式塔塔盘分类
• 有液流堰
• • • 筛板 浮阀 泡罩 穿流筛板 种类繁多
• •
无液流堰
• •
新型塔盘
常用塔板类型
• • • • 筛板 导向筛板（大孔径） 浮法 固阀（化工行业不很熟悉）
三、板式塔–计算内容
•计算的主要内容
•塔盘
• •
塔径不要取较大的保险系数 传质计算（等板高度）。的计算只有物性数据正确时候才可靠。
二、规整填料塔–基本算法
基本算法
• 泛点算法： • 最大负荷因子关联式
C g max = C f (b 0 +b1 FP3 + b2 ln FP + B3 / FP )
泛点关联 ⎡ ⎛ ρl − ρv U f = ⎢C g max ⎜ ⎜ ρ v ⎝ ⎣ Cf=校正系数 • 压降计算 • • 基本计算公式有8个。 求解难题：有效重力加速度： ⎞ ⎛ ρ l − ρ v ⎞⎛ ⎜ 1 − ΔP ⎟ ⎟ ge = g ⎜ ⎜ ρ ⎟⎜ ΔP ⎟ v f ⎠ ⎝ ⎠⎝ • 在求ge的时候，ΔPf换没有计算出来，属于尹函数，为此需要解非线性方程组。由于求解的复杂性， 为了避免求解方程组，不少学者建议： ΔPf=1025 Pa/m。但是这种取值显然是不负责任的，常常导 致无法计算。解决方案是利用程惠亭公式： ⎞⎤ ⎟ ⎟⎥ ⎠⎦
•
计算工具
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流体力学
• 计算的基本内容
• 设备基本尺寸
• • 塔直径等外形尺寸 塔盘、降液管等塔内件 压降、操作弹性等
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流体力学特性
•
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计算工具
• FRI、Sulcol
• WPTR（国产，简体中文版本，已经被大型国企设计院普遍认可）
设备计算
二、填料塔的流体力学计算
填料分类
• 散对填料
塔器工程设计的流体力学解决方案
维维塔器流体力学（WPTR） htcsoft @
目录
• • 一、塔器设计计算的基本任务 二、填料塔的流体力学计算
– 散堆填料塔 – 规整填料塔
•
三、板式塔的流体力学计算
一、塔器设计计算的基本任务
热力学计算
• 计算的基本内容
• • • 理论分离级（理论板数） 外接物流（进、出料）位置 逐板流量及物性 Aspen、Proii、Hysys、ChemCAD ECSS（国产）
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
1/ 8
评价：计算简单，但是误差比较大。 • Eckert 通用关联图 使用复杂的关联式来关联Eckert关联图， 以适应现代电子计算机计算，给传统算 法注入了新的活力。已发表的关联式很 多，有的关联式高达10几个常数，以天 津大学、福州大学、程惠亭的关联式为代 表。 • 中国学者的贡献 • 湿填料因子的关联