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塔的水力学计算手册
1.目的与适用范围
为提高工艺工程师的设计质量,推广计算机应用而编写本手册。
本手册是针对气液传质塔设备中的普遍性问题而编写。对于某些具体塔设备的数据(比如:某生产流程中针对某塔设备的板效率而采用的计算关联式,或者对于某吸收填料塔的传质单元高度或等板高度而采用的具体计算公式)则未予收入。本设计手册以应用为主，主要是指导性的计算方法和步骤，并配合相应的计算程序，具体公式及理论推阐可参考有关文献。
2.塔设备特性
作为气(汽)、液两相传质用的塔设备，首先必须能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以得到较高的传质分离效率。
此外，塔设备还应具有以下一些特点：
(1)当气(汽)、液处理量过大(超过设计值)时，仍不致于发生大量的雾
沫挟带或液泛等影响正常操作的现象。
(2)当操作波动(设计值的50％～120％)较大时，仍能维持在较高的传
质效率下稳定操作，并具有长期连续操作所必须具备的可靠性。
(3)塔压力降尽量小。
(4)结构简单、耗材少、制造和安装容易。
(5)耐腐蚀、不易堵塞。
(6)塔内的滞留液量要小。
3.名词术语和定义
塔径(tower diameter)，D T
塔筒体内壁直径，见图(a)。
板间距(tray spacing)，H T
塔内相邻两层塔盘间的距离，见图(a)。
降液管(downcomer)，DC
各层塔盘之间专供液相流体通过的组件，单溢流型塔盘为侧降液管，双溢流型塔盘有侧降液管和中央降液管，三或多溢流型塔盘有侧降液管、偏侧降液管、偏中央降液管及中央降液管。
降液管顶部宽度(DC top width)，Wd
弓形降液管面积的弦高。掠堰另有算法，见图(a),-(b)。
降液管底间隙(DC clearance)，ho
降液管底部边缘至塔盘(或受液盘)之间的距离，见图(a)。
溢流堰高度(weir height)，hw
降液管顶部边缘高出塔板的距离，见图(a)。
总的塔盘横截面积(total tower cross-section area)，A T
以塔内径计算的横截面积，A T = π(D T/2)2
降液管截面积(DC area)，A D
侧降液管、偏侧降液管、偏中央降液管及中央降液管的横截面积。其面积多为弓形，但对于小塔也有采用圆形。对于斜降液管，顶部和底部的横截面积是不同的。
净面积(net area，free area)，A N、A f
气相流体通过塔板间的最小横截面积，即总的塔盘横截面积A T减去总的降液管顶部横截面积∑A D(包括多流程的中央、偏侧、偏中央降液管的横截面积)，也称自由面积。
(a) (b)
图塔盘布置示意图
开孔面积(hole area)， A h
塔盘上总的开孔的面积，即允许气相流体通过的面积。 A h = 筛孔数目?单孔面积
鼓泡面积(bubbling area，active area)，A B
用于靠近塔盘平板上气相流动的面积，即总的塔盘横截面积A T减去总的降液管截面积、降液管密封面积(不安装阀件、筛孔的区域)，也称活动面积。
A B= A T - ? A Di
阀缝隙面积(slot area)，A S
总的(所有浮阀)垂直开缝面积，即气相离开浮阀时以水平方向流经的面积，A S = N?d v h v (N、d v、h v 分别为阀数目、阀径、升程)
最大阀缝隙面积(open slot area)，A SO
当所有浮阀全部开启时的阀缝隙面积。
A SO = N?d v h v,max (式中N、d v、h v,max为阀数目、阀径、最大升程)
开孔率(fractional hole area)，?
对于浮阀塔盘：为阀缝隙面积与鼓泡面积之比，A f=A SO/A B
对于筛孔塔盘：为开孔面积与鼓泡面积之比，A f=A h/A B
气相流率(vapor flow rate)，CFS
在塔内操作条件下气体的实际体积流量。
密度(vapor density，liquid density)，?V，?L
在塔内操作条件下气体、液体单位体积的质量。
气相负荷(vapor load)，V load
V load = CFS?(?V/(?L-?V))1/2
表观气相流速(superficial vapor velocity)，?s
?s = V load/A (式中A为A B或A N)
液相负荷(liquid load)，Q L
Q L = GPM/L weir
式中GPM为每分钟流过的加仑，即液相流率；L weir为堰的长度，以英寸表示
液相流经塔盘的通量，单位长度出口堰上的液体体积流率(gal/min/in)。
降液管液相负荷(downcomer liquid load)，Q D
Q D = GPM/A D
在降液管顶部入口处，单位截面积上的清液流率(gal/min/ft2)。
液泛(flooding)
在塔内部液相超限地积累。
喷雾挟带液泛(spray entrainment flooding)
液相流率很小，塔盘操作在喷雾状态，即塔盘上大部分液体呈液滴形式。当气相流速上升时，这些液滴大都被挟带到上一层塔盘，积累在上一层塔盘而不是流到下一层塔盘。
雾沫挟带液泛(froth entrainment flooding)
液相流率很大，液相以泡沫形式分散在塔盘上，当气相流速上升时，泡沫高度增加。当塔盘间距较小时，气液两相的泡沫趋近于上一层塔盘，随着这一表层接近上一层塔盘，挟带则迅速增加，引起在上一层塔盘液相积累。
降液管返混液泛(downcomer backup flooding)
由于塔盘压降、塔盘上泡沫层高度、降液管入口处摩擦阻力等原因，充气的液体返回流进降液管内。当液相流率增大时，所有这些因素也随着加强，当气相流率增大时，塔盘压降也随着增大。当充气液体返流回降液管内超过塔盘间距时，液相就会积累在上一层塔盘，引起降液管返混液泛。
降液管阻塞液泛(downcomer choke flooding)
当液相流率增大时，降液管中充气液体的流速也增大。超过一定极限后，降液管里和入口处的摩擦阻力就变得过大，混合的泡沫液相不能由此输送到下一层塔盘，则在上一层塔盘引起液相的积累。
径比(diameter ratio)
塔径与填料直径之比。
填料类型(packing type)
填料可以分为乱堆填料、规整填料和高效填料，其中每种填料里又依据其形状不同，而分为各种型式填料，详见表－1，－2，－3。
最小润湿率(minimum wetted rate)
当填料充分润湿所需的最小喷淋量时，单位填料体积的表面积上液体流量。
持液量(liquid holdup)
填料塔操作时在填料空隙中及填料表面上所积存的液体总量。
表－1 乱堆填料(random packing)：以乱堆的方式进行装填。
表－2 规整填料(structured packing)：排列整齐。
表－3 高效填料(effective packing)：有较大的比表面积和自由空间。
干填料因子(packing factor)
表征填料流体力学特性的数群，a/?3。
其中a为填料的比表面积，以m2/m3表示；?为湿填料的空隙率，以％表示。载点(loading point)
在逆流操作的填料塔内，压降随着气相流速的上升而显着变化，表明塔内持液量不断增大的过程转折点。有时这一变化规律在局部上看不到一个点，而是一个曲率渐变的曲线。其压降～气相流速变化曲线，由二次幂的关系渐变为三次幂的关系。
泛点(flooding point)
在逆流操作的填料塔内，压降突然直线上升，表明塔内已发生液泛现象的过程转折点，或在不影响精馏效率前提下的最大操作负荷。
漏液(泪)点(weeping point)
上升气速增大到使液体不从筛孔泄漏的操作点。
单位制
本手册在未加特意注明的情况下，各参数以SI单位制为基准。
参考文献
Glitsch,Inc,Ballast Tray Design Manual,Bulletin ,3rd Ed. Fractionation Research Inc."SIEVE TRAY DESIGN"
Ernest E. Ludwig, "Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants"
兰州石油机械研究所“现代塔器技术”，(1984)
化学工业出版社“化学工程手册－气液传质设备”,(1979)
中国石化出版社“现代填料塔技术指南”,(1998)
4.浮阀/筛孔板式塔盘的设计
设计原则
为满足塔盘水力学性能要求，设计计算时可参考以下几何参数：
出口堰长度应大于塔径的一半。
堰上的液流高度应大于6mm，小于100mm。
堰高一般为25～100mm，或为板间距的15％，Glitsch取50mm。
对粘度大的液体取25～75mm；对要求压降小的真空减压塔，堰高可降低到12mm;对要求液体在塔盘上有较长停留时间的反应塔，可高达150mm。
降液管下端至受液盘间的距离(降液管底间隙)应大于堰上液流高度的倍。一般情况下，液流通过该间隙时流速不大于降液管内流速，通常间隙不小于20～25mm。
降液管面积应大于塔截面积的10％。
筛孔中心距为～5)d0，浮阀间距可参考筛孔正三角形排列计算，开孔率一般在4～15%。
塔盘上气液接触单元的布置区域(发泡区)与堰之间需要有安定过渡区域：
系统因数(system factor)表征物系的发泡趋势，取值～。不同模型、计算程序中的选值范围不尽相同，略有出入。
根据机械安装/检修的要求，板间距通常大于460mm。但随塔径变化也可取不同值。
该值且随着塔盘处理能力增大而增加，一直取到极限值：
气相密度小于32kg/m3(2 lb/ft3)时，极限值为1224mm(48in)；
气相密度很高时，极限值<1224mm(48in)；
当气相密度?V = 8 kg/m3 lb/ft3)时，板间距大于300mm的负荷系数为。
降液管内澄清液层高度(downcomer backup)应小于板间距的一半。
干板压降一般小于50mm水柱，假如降液管内清液柱高度小于板间距的一半,则可取至85mm水柱。
塔盘上液相流动形式(flow paths)取决于液相负荷的范围，单流型(SXF)是最常用的；当塔径较大，或液相负荷较大时，宜采用双流型(DXF)，甚至三、四流型(TXF、QXF)或阶梯型(Cascade)；在液气比很小时才采用U形流型。
液相负荷(m3/h)与板型的关系：
降液管下端出口处液流速度(velocity under DC)一般小于～米/秒，降液管内液流速度根据物系发泡趋势在～sec之间选取，发泡严重物系取小者(降液管内液流速度 = 液相负荷/降液管横截面积)。
液流在降液管内的停留时间?(DC residence time)通常大于4秒，通常
对于低发泡及中等发泡物系，? > 3～4 秒
对于较高发泡及严重发泡物系，? > 5～7 秒
塔盘上液面梯度(堰上溢流强度)取90m3/m?hr，一般在50～130m3/m?hr之间。当液量过小时，可采用齿型堰(notched weir)；
当堰上溢流强度大于8～10 GPM/L weir时，则应使用凹形受液盘(inlet pot)；
当堰上溢流强度大于15 GPM/L weir时，则宜增加溢流程数(Number of flow paths or pass)或增加堰长(weir lenght)或改为后掠式堰(swept-back weir)。
阀孔气速太低会导致漏液，塔盘操作下限即漏液气速。最低阀孔动能因子(阀孔气速?(气相密度)1/2)应大于5～6米/秒。
Glitsch规定阀孔气速必须大于 C1/(?V/(?L-?V))1/2
对于V-1型浮阀C1 = ；V-4型浮阀C1 = ;
当堰高为25mm时， V-1型浮阀C1 = ；V-4型浮阀C1 =
对于新塔设计，建议按设计负荷不大于泛点负荷的82%来设计塔径。若要求塔盘能够在设计负荷的110%下操作，就要以= 的液泛系数(flood factor)做为最大值来设计塔径。减压真空塔的液泛系数一般小于，雾沫挟带量不大于10%。较高的液泛系数可以计算出较小的塔，但会造成过多的雾沫挟带(e = 气相中液滴雾沫量/总的液相量)，对于实际操作，塔径偏小。对于塔径小于900mm的塔盘，液泛系数取～。
设计步骤
塔径初估
(1) Smith法归纳了工业塔数据的简化关联，可做为初步估算塔径之用。由Smith初估塔径图中查得C值(表面张力为20dyn/cm时的经验系数)，经过系统表面张力修正后,算出塔盘上允许的有效空塔速度及塔径。
(2) 有效截面积法的基本出发点是分别估算气相通道及液相通道的横截面积；按总的塔盘横截面积减去总的降液管截面积计算有效空塔速度，根据液相负荷及分界粘度计算允许液流最大速度。塔截面积为这两部分截面积之和，以此初估塔径。
塔盘布置
(1) 根据塔径及流体负荷量而确定流动形式(溢流程数)。
(2) 根据塔径、气液相负荷而确定降液管型式，液流在降液管内的停留时间(经计算得出)也是塔盘设计中重要指标之一。
(3) 溢流堰起着维持塔盘上液位、使液体均匀分布的作用。
a. 单溢流型塔盘的堰长可取塔径的～倍，对于双溢流型的塔盘，堰长可取塔径的～倍，并尽量使中央降液管面积等于两侧降液管面积之和；
b. 为保证堰上溢流强度不致过大，堰的高度可适当降低；
c. 当堰的上边缘各点水平度偏差过大或堰上溢流强度过小时，可采用齿型堰；
d. 为保证上一层塔盘的液相经过降液管流入的液体能在塔盘上均匀分布，并减少降液管底部出口处的水平冲击，可设置内堰，堰高必须保证液封；
e. 当液相流量很大时，设置凹形受液盘应避免压降过大。
(4) 设置塔盘上其它非鼓泡区域是为了消除泡沫挟带
a. 外堰前安定区宽度取70～100mm，内堰前安定区宽度取50～100mm，小塔径中的安定区域酌减；
b. 为支撑塔盘及内件，塔壁边缘区宽度一般取50mm，大塔径边缘区宽度一般取60mm以上；
计算塔盘的操作能力的准则
(1) 气相负荷泛点率＝最小鼓泡面积/鼓泡面积。
(2) 以可以允许的气速为判据设计塔盘。
(3) 恒定气液比情况下的泛点率。
(4) 以漏液点做为气相负荷下限。
(5) 以雾沫挟带量e < 液体/kg气体做为气相负荷上限。
(6) 以堰上最小溢流强度做为液相负荷下限。
(7) 以板上最高清液层做为液相负荷上限。
计算降液管的操作能力的准则
气体穿过塔盘的总压降 = 干板压降＋穿过液层的压降
设计范例
格里奇(Glitsch)重盘式浮阀(Ballast tray)设计范例：
设计一个双溢流型塔盘，板间距(H T)为20英寸。主要数据如下，实际板数为75块，V-1阀型。
气相负荷为271500磅/小时，密度?V为磅/英尺3
液相负荷为259100磅/小时，密度?L为磅/英尺3
按最大负荷设计相应的降液管截面积，用户规定在小于70%泛点率(FF)的要求下做塔盘设计，即液泛系数FF = 。本系统物系为不发泡，系统发泡因数取。
液相流率GPM = 259100 / = 8834 英尺3/小时 = 1100 (美)加仑/分
选取双流型塔盘，NP = 2
气相流率CFS = 271500 /3600 = 英尺3/秒
气相负荷V load = CFS ? (?V / (?L - ?V) )1/2
= ? - )1/2 = 英尺3/秒
设计气速VD dsg = ? (TS)1/2? (?L - ?V)1/2? system factor
= ?(20)1/2? = 170加仑/分/英尺2
由附图5a查得 CAF O = 英尺/秒
负荷因子CAF = CAF O ? system factor = ? = 英尺/秒
由附图6查得塔径D T(初估值) = 7英尺5英寸(基于24英寸板间距和80%泛点率)
流程长度FPL(初估值) = 9 ? D T(初估值) / NP = 9?2 = 英寸
最小鼓泡区面积AAM = (V load + GPM ? FPL / 13000) / (CAF ? FF)
= +1100?13000)/?=英尺2
最小降液管截面积ADM = GPM / (VD dsg ? FF) = 1100/(170? = 英尺2
最小塔截面积A T?MIN = A B?MIN + 2 ? A D?MIN = +2? = 61英尺2
塔径D T = (A T?MIN / (? / 4))1/2 = (61/1/2 = 英尺 (取9英尺或108英寸)
塔截面积A T = ?? r2 = ??D T 2/4 = ?92 = 英尺2
总的降液管截面积?A D = A T ? A D?MIN / A T?MIN = ?61 = 英尺2
降液管截面积大于塔截面积10%(?A D>10%A T)，符合设计原则。
中央降液管宽度H3 = WF ? A D / D T = 12?9 = 英寸
其中由下表查得WF= 12
侧降液管截面积A D1 = 2 = 英尺2
A D1/A T = = ，继而由附表4查得H1/D T =
侧降液管宽度H1 = ? D T = ?108 = 英寸
流程长度FPL模数 = (WF ? D T - (2?H1 + H3 + 2?H5 + 2?H7))/NP = (12?9-(2?+)/2=英寸
其中NP=2，所以H5 = 0；H7 = 0。
经计算FPL模数为或34英寸，取英寸。
取整后，H1=英寸；H3=14英寸。
侧降液管(弓形)截面积A D1 = 扇形面积 - 三角形面积
扇形面积 = ? / 360 ??? r2 = ? / 360 ??? D T 2/4
其中弧心角? = 2 ? cos-1((r - H1)/r) = 2 ? cos-1(1 - H1/D T)
三角形面积 = (r - H1)?(r2 - (r - H1)2)1/2
= (D T/2 - H1)?(D T 2/4 - (D T/2 - H1)2)1/2
计算得A D1 = 英尺2；2 ? A D1=英尺2。
中央降液管(双圆缺形)截面积A D3 = 矩形面积 + 2 ?弓形面积
矩形面积 = 2 ? ( r2 - (H3/2)2)1/2? H3 = 2 ? (D T2/4 - (H3/2)2)1/2? H3
弓形面积 = 扇形面积 - 三角形面积
扇形面积 = ? / 360 ??? r2 = ? / 360 ??? D T 2/4
其中弧心角? = 2 ? sin-1((H3/2)/r) = 2 ? sin-1(H3/D T)
三角形面积 = (H3/4) ? (D T 2 - H32)1/2
当 2H3/D T很小时， A D3 = 矩形面积 = D T? H3 = 英尺2
平均降液管面积 A D = (2?A D1 + A D3) / 2 = 英尺2
鼓泡区面积 A B = A T - (2?A D1 + A D3 + 2?A D5 + 2?A D7)