板式塔設計核心:負荷性能圖(水力學圖)
在我們對一個板式塔進行設計的時候,設計的塔結構(塔徑、閥孔數、板間距等)將決定這個塔的操作性能以及操作彈性是否達標。那我們通過什么指標來判斷塔的設計參數是否滿足要求呢?20世紀60年代,沈復教授等人在國內首次推出了浮閥塔板和固舌塔板負荷性能圖分析方法,將塔板自身結構性能所產生的適宜操作范圍與工藝負荷有機結合起來,成為我國精餾塔設計與操作分析的主流方法。

上圖是板式塔的主要操作結構及狀態(tài),液體自上而下,水平穿過塔板;氣體自下而上,通過泡罩穿過塔板,氣液在塔板上充分接觸,塔板上方會有一定的液沫(霧沫)區(qū)域(氣體夾帶液滴)。
而一個塔如果設計不合理,會出現一些非正常操作工況,負荷性能圖就是針對這些工況來為塔的適宜操作區(qū)域劃定邊界,負荷性能圖以液相負荷和氣相負荷為橫坐標及縱坐標,下面我們就把非正常工況和負荷性能圖二者結合起來為大家講解。

(1)霧沫夾帶線(2)液泛線(3)漏液線
(4)液相負荷上限線(5)液相負荷下限線
(R)操作線(P)操作點
(1)霧沫夾帶線。在霧沫夾帶線上方,氣相負荷較大,此時氣速更大,氣體從塔板下方穿過塔板時就會夾帶更多的液滴,且霧沫高度會更高,當霧沫高度達到上一層塔板時,少部分液體會被氣體直接帶到上一層塔板,這樣就造成了液相的返混,塔板效率就會下降。所以霧沫夾帶線下方為正常操作區(qū)域。
(2)液泛線(淹塔線)。由于全塔自上而下壓力上升,液體要從上往下流動,同時克服降液管阻力以及在塔板上橫向流動時的阻力,降液管內的液面一定比塔板液層液面要高,當降液管內液面高到與上一塊板堰口齊平時,造成降液管液泛(淹塔)現象,塔板效率急劇下降。所以液泛線左下方為正常操作區(qū)域。
(3)漏液線。漏液線下方,氣相負荷過小,氣體通過塔板的氣速也就小,這樣如果上升的氣體托不住塔板上方的液體,液體就會由于重力通過閥孔直接往下漏,形成漏液。這樣部分液體沒有經過很好的接觸就進入下層塔板,傳質效果下降。所以漏液線的上方為正常操作區(qū)域。

板式塔的一些非正常操作工況
(4)液相負荷上限線(降液管超負荷線)。液相負荷上限線右側,液相負荷過大,那么液體在降液管的流速就會變快(停留時間就會變短),上層塔板液體在進入降液管時是夾帶有氣泡的狀態(tài),如果在降液管停留時間過短,氣泡沒法破裂讓氣體往上走,則會被夾帶到下一層塔板,造成氣相的返混,俗稱氣泡夾帶(和霧沫夾帶類似),塔板效率也會下降。所以,液相負荷上限線左側為正常操作區(qū)域。
(5)液相負荷下限線。液相負荷下限線左側,液相負荷過小,液層在塔板上的分布則更容易不均勻,這樣氣體在上升的過程中更傾向于往阻力小的塔板區(qū)域通過,而阻力大的地方,液層更厚,但是氣速更小,易造成局部漏液。所以液相負荷下限線右側為正常操作區(qū)域。
依據以上五條線,圍成的區(qū)域就是正常的塔操作區(qū)域,但是,為了保證塔擁有更好的操作彈性(可承受進料波動等),圖中P點為較優(yōu)的操作點,操作線在R1和R2之間較優(yōu)。
總而言之,只有明白每一條線的含義,以及精餾塔每一個結構的調整對塔操作狀態(tài)的影響,才能在水力學分析出現問題時,準確的調整參數使操作狀態(tài)回到正常區(qū)間。如果這個掌握不了,那么水力學分析就只能靠運氣了。
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