大型实战讲座：塔器流体力学设计大讲堂——Wiseboy主讲

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一些内容，你在大学里学不到。
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第一课 序言
海友们，化工单元操作设备是化学工厂最重要的组成部分。三大单元设备：换热器、蒸馏塔、反应器是最重要的单元。
关于换热器，我在换热器工艺设计大学花费了相当的篇幅进行了系统的介绍，历经数年的写作和更新。今天，应许多
海友的电话、邮件请求，我终于下定决心，开始为大家科普塔器设计。塔器是一个广泛的概念，在这里我只讨论涉及到
吸收、解析、汽提、蒸馏相关的塔器，而且主要是流体力学设计。
我们首先注重经典、基础理论，而教科书、手册上没有或者模糊的、甚至是不够准确部分，我要加以纠正。
尽量给出一些手算内容，以便大家理解基本原理。但是准确一点的、要求计算速度的计算，会引用有关软件。
你愿意手算、软件计算，根据个人情况特别是知识文化层次，选择学习。
引用的软件有：
1. Aspen Hysys(USA)
2. PROII (USA)
3. WPTR （PRC）
为了方便检索，我把课程做一个列表：
第一篇 概论
第一课 序言
第二课 塔器分离的理论基础
第三课 塔器的诞生
第四课 气液平衡——热力学的重大研究课题
第五课 塔器热力学基础
第六课 塔器理论分离级计算-简化算法
第七课 塔器理论分离级计算-通用算法
第八课 塔器理论分离级计算-小结
第二篇 流体力学
第九课 本讲座涉及的塔型
第十课 核心参数—泛点气速
第十一课 散装填料泛点气速计算之Eckert关联图法（一）
第十二课 散装填料泛点气速计算之Eckert关联图法（二）
第十三课 散装填料泛点气速计算之软件算法（三）
第十四课 空塔速度的和塔径计算
第十五课 塔压降计算之Eckert关联图法
第十六课 塔压降计算之软件算法（一）
第十七课 塔压降计算之软件算法（二）
第十八课 填料塔和板式塔液泛的区别（答疑课）
第十九课 散装填料泛点气速计算之公式法（一）
第二十课 散装填料泛点气速计算之公式法（二）

第二课 塔器分离的理论基础
我们这里讨论的塔，是用于流体混合物中组分的分离。这里的流体一般指气体、液体混合物，偶然包括固体。
分离的基本原理是组分在气、液两相中平衡后组成（含量）不同。大家都常说：两种组分的混合物，沸点不
同，就可以用蒸馏分离它们。事实上：沸点不同就导致了在气、液两相中平衡后组成（含量）不同。
比如：常温20°C、常压101.325 kPa，质量组成为20%的乙醇，是液体混合物。我们把它加热到95.61°C，它就有部分汽化而成为气液混合物。
把这个混合物倾倒入一个罐子，让气液分离开来：汽、液两部分的乙醇含量就不同了：

气相组成：乙醇：67.13%
液相组成：乙醇：4.34%
这就起到了分离作用：20%的乙醇现在在气相中提纯到了67.13%。而这个过程中的代价是加热器的能耗。而且如果你要把气相变成液体，还需要冷量。

第三课 塔器的诞生

从第二课看出，加热+气液分离，一对操作让乙醇提纯了一次，我们称这个过程为一次气液平衡。
那么把得到的气相冷凝为液体，再来一次加热+气液分离，就可以让乙醇再提纯一次。如此多级
平衡，可以让乙醇得到深度的分离，获得更高的浓度。
那么问题来了：20级平衡就需要20个加热+气液分离设备，这是不是让人不堪重负？于是，塔器
应运而生。以板式塔为例：一个塔盘相当于一个加热+气液分离装置。你可以把塔盘做到几百个，
相当于几百个加热+气液分离单元。

第四课 气液平衡——热力学的重大研究课题

在第二课，我们给出了一次平衡后的气相、液相组成，但是这些组成你是怎么知道的？
当然，你可以通过实验测定出来。但是不能事事都做实验。热力学一个重要研究领域
就是研究它们的规律：气液平衡。这个关系用来描述组分气相摩尔分率y和液相摩尔分率x
的数学关系：
y=f(x)
这个关系就要涉及到状态方程（Equation Of State），这是相当复杂的理论体系，无数人
为此奋斗一生。本讲座无力涉及深入的内容，只介绍它的一些应用。
以二元组分A,B混合物液体为例，假定A比B更容易挥发。特殊情况下：
理想溶液是理想化的、简单的液体，它的气液平衡如上，比较简单。式中a 称为相对挥发度。
事实上，绝大多是体系不是理想溶液，上式最合适的情况也许是大学教学使用，它几乎不能
用于工程实际。问题是，一大批本科毕业生，把这个平衡关系当成了准确的、普遍适用的公式。
这个误区，让部分人把气液平衡看得过于简单了因而把蒸馏技术也看的那么简单。

谢谢大佬分享，学习了

第五课 塔器热力学基础
在第四课，我们大致讲了一下气液平衡，它是塔器热力学的重要组成部分。但是不限于此，塔器热力学包含的内容很多，其中一些是基础热力学内容。
如：气、液两相的：比热、密度、粘度、导热系数、表面张力，等等。因为塔分离的是混合物、浓度、温度、压力都是变化的。我们喜欢、x i惯于查手册，但是：组成21.34%的乙醇溶液，在183.45 kPa,34.54°C时候的密度，你查一查？我敢保证，你翻遍地球上的手册都没有。于是问题来了：我们如何获得这些数据？也许你想到了实验测量——这是可以的，但不是经济的。热力学方法就是估算这些物性的方法。长达数百多年的工业革命，热力学有了翻天覆地的变化，如今热力学方法已经能够比较准确地估算大多数混合物的热力学数据，但是还不够，各种公式、方法都有自己的适应范围，这也说明人们对它的研究仍然存在严重不足。
现在我们不讲具体的热力学方法和计算，那超出了这里大多数人的知识范畴，我们这一刻要弄明白的是：
1.  热力学方法的作用是什么；
2.  方法都有自己的适应范围，我们需要正确选择它。

第六课 塔器理论分离级计算-简化算法
前面提到，塔器分离是靠多级气液平衡实现的，每一级气液平衡就是一个理论级。我们x i惯上称为理论塔板数。
在化工原理这门课程上，做了一些假设后，用图解法可以求解。这些假设主要有：
1. 混合物是二元组分
2. 全塔恒摩尔流

关于化工原理这门课程上的这一系列做法，对学习基本概念是必须的。但他们都是简化的粗略算法，这里不再赘述。

谢谢老师的讲解

第七课 塔器理论分离级计算-通用算法
在第六课 塔器理论分离级计算-简化算法中，我们简介了教科书上的入门算法，它的作用十分有限，几乎无法用于大多数实际工程，原因是：
1. 恒摩尔流假设。这个是是近似的。
2. 适合二组分混合物。尽管我们可以在多组分混合物中找出两个关键组分，把问题简化为二组分，但这显然是一种近似。

为了比较准确的计算理论分离级，严格的做法是建立每一块塔盘上的物料平衡和能量平衡方程组，然后求解它们。我们称为
MESH 4大方程组。其中：M——质量平衡；E——能量平衡；S——相平衡；S——组分加和
每一块塔板有四大方程组，我们需要对N块理论板的每一块板求解。由于S——相平衡方程的高度非线性，求解过程收敛性非常差。
在计算机技术出现以前，这种计算的工作量大的无法想象，极少有人尝试手工求解，但仍有先驱者躺过雷区。上个世纪70年代后
随着计算机的进步和普及，MESH 方程组算法可谓是百家争鸣，方兴未艾，其中不乏屡屡失败者，最终发展了好多有效的算法。
其中三对角矩阵法、松弛法、超松弛法是最初获得成功的数学方法。在此我们要感谢热力学家、计算数学家为此输出的艰辛劳动，并为蒸馏技术进步创造的辉煌成就。
我们不详细做进一步讨论，这超出了大部分非正规科班出身的读者的知识范畴。
但我们需要特别记住：
1. 《化工原理》上的二元图解法，用处非常有限，只适合原理性教学，
     你不要因为学了《化工原理》就以为学会了蒸馏计算，现在它几乎没有工程实用价值。
2. 严格的MESH 方程组算法是当今的主流，但你不要尝试手工计算——最好想都不要想。
3. 无需纠结，计算机技术为我们扫平了道路，Aspen、PROII、ChemCAD......都是我们可
    以利用的强大武器，我们只需要充分理解原理即可。

第八课 塔器理论分离级计算-小结
本讲座主题是流体力学设计，但我们花了一定课时概述了理论分离，即热力学计算，它是流体力学计算的前一步。
在我以往的企业级塔器流体力学设计（注意不是大学教学）培训中，学员都需要先了解这一部分。它是基础、但
很复杂。对于大多数人来说，弄清原理和计算工具就行了。计算工具就是热力学计算解决方案。多次强调，
严格的理论分离级计算用手算如今已经是不可能的。目前使用的计算工具主要是：Aspen、Aspen Hysys和PROII。
我们用一个乙醇分离塔来结束塔器理论分离级计算这一部分。
举例:
乙醇提浓塔：
进料：乙醇浓度（wt）20%，常温常压
分离要求：
产品：乙醇浓度（wt）≥90%
乙醇回收率：≥90%

使用软件：Hysys
塔设定：理论板（分离级）：10，进料位置：第6块板（自上向下编号）
结果如下：

小知识：产品回收率算法：

第九课 本讲座涉及的塔型（填料、塔盘）
作为一个大型讲座，我们将涉及广阔范围的塔型（填料、塔盘），而不是零碎的几个：

• 散装填料塔：44种填料；
• 规整填料塔：27种填料；
• 板式塔      ：筛板、导向筛板、斜孔阀、F1浮阀、梯形导向浮阀、圆角梯形浮阀、ADV浮阀、固阀8种塔盘。
  

这些塔型几乎涵盖了大家常用的塔型。提供的数据也是最全面、经过科学甄别和修正的。
填料塔计算方面，我们提供比外国人更精准的关联式，比如湿填料因子关联，以展现我国科学技术的成就。

第十课 核心参数—泛点气速
分离塔内部，气体自下而上流动、液体自上而下流动，是一个气液逆流设备。我们自然可以想到：
如果气速过大，液体被托住甚至被吹上去，无法往下流，这时塔就不能正常起到分离作用了。
这个液体被托住不能往下流的的现象，叫做液泛、淹塔，这个气速叫做泛点气速。显然，塔器气速
u必须工作在泛点气速u_f之下，常常我们用泛点率k_f表达：
k_f=u/u_f，常用的k_f≤0.8。
这里的气速都用空塔截面计算，也就是空塔气速，简称为气速。
有了u 就可以算出塔径D了。因此，泛点气速的计算就成了流体力学计算的中心问题。
填料塔、板式塔，u_f的计算方法完全不同。近百年来，科技工作者为此进行了
不懈的努力，至今泛点气速仍然是研究热门。
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举例：某一块塔板上，气体流量V=12.34 m3/S，假定泛点气速u_f=2.50 m/S，取泛点率k_f=0.65，试计算塔径D。
解：u=0.65×2.5=1.625 m/S
      V=Au=(πD ²/4)u
      D=[4V/πu]^0.5=[4×12.34/(3.14×1.625)]^0.5=3.110 m
计算这么简单？原因是这里先假定了泛点气速u_f=2.50 m/S，在后面的课程中，我们将讨论如何计算泛点气速。

第十一课 散装填料泛点气速计算之Eckert关联图法（一）
散装填料是最早发展起来的填料，也是填料研究的基本对象。最初研究者进行了大量的实验，绘制了所谓Eckert关联图。
后来应用者泛点气速的计算普遍使用该图至今。好多文献有这幅图，大部分很模糊。更让人头痛的是，一些文件提供的是英制单位制。我提供一个图，是我主编的：
《塔填料流体力学及传质性能测试规范》上的图形，比较清晰，单位制也是SI：


为了清晰，我把符号说明部分放大一下：


注意：μ_L——液体密度，mPa.S，不是Pa.S，其它的都是SI单位。
有了这幅图，我们就可以计算泛点气速了。在此要注意一个参数：填料因子，它分为干填料因子和湿填料因子。你可以简单地理解为：干填料因子是塔内没有液体时的填料因子，湿填料因子是塔正常操作（有液体）时的填料因子。泛点气速计算用的是湿填料因子。每一种填料，干、湿填料因子都不同，这就是区别不同填料的参数之一。

wiseboy 发表于 2020-12-9 11:15
第十课 核心参数—泛点气速
分离塔内部，气体自下而上流动、液体自上而下流动，是一个气液逆流设备。我们 ...

谢谢大神分享
请教下，降液管液泛率怎么确定？是否需要跟塔板的泛点率同时确定？

Zhenglily 发表于 2020-12-13 17:06
谢谢大神分享
请教下，降液管液泛率怎么确定？是否需要跟塔板的泛点率同时确定？

还没有讲到板式塔。提前回答一下：降液管一般不液泛就可以，通常它＜=80%即可。确定当然是同时进行的。一般不把降液管液泛率作为指定参数，塔板计算完成后，根据已经计算好的塔板参数去计算降液管液泛率，合格（<=80%）即可。顺便看一个算例：

第十二课 散装填料泛点气速计算之Eckert关联图法（二）
手算举例：
填料塔基本条件：某一块塔盘上：
气体：
ρ_G=3.68 kg/m³；
G=13900 kg/h;
μ_L=0.23 cP；
液体：
ρ_L=757 kg/m³;
L=15300 kg/h;
φ=66 1/m。
用Eckert关联图法计算泛点气速u_f.

计算：
FLV=（L/G）(ρG/ρL)^0.5=(15300/13900)(3.68/757)^0.5=0.0770
根据FLV差Eckert图上的乱堆填料泛点曲线：
(u²φψ/g)(ρG/ρL)μ_L^0.2=0.1550
ψ=1000/757=1.32
所以：
(u²66×1.32/9.81)(3.68/757)×0.23^0.2=0.1550
u²×0.03218=0.1550
u=u_f=2.19 m/S.
至此，我们计算出了泛点气速u_f。这是一步比较繁琐的工作。

第十三课 散装填料泛点气速计算之软件算法（三）
在十二课，我们体验了泛点气速的手算，尽管它很繁琐，毕竟满足了手算人的心愿。不过对于流体力学而言，它才是万里长征的第一步。
本节课程很轻松，它是软件算法，填好数据即可。我们使用的是中国.西安，维维计算机技术有限责任公司的WPTR。
软件计算的是2.13 m/S，和手工计算基本一致。误差在于软件的“查图”更准确——它使用了图形数字化技术。当然你看不到Eckert图形。
输入7个数据，WPTR自动计算。这是：即输、即算、即见的3S理念软件。

第十四课 空塔速度和塔径计算
大多数教科书，空塔速度u计算使用下式：
k_f=u/u_f或者：u=k_fu_f
比如：泛点率k_f=0.65，泛点气速u_f=2.19，u=0.65×2.19=1.4235 m/S。
但这个算法是不对的，现在必须予以纠正。为此引入系统因子的概念。如果物料是容易气泡的，那么显然要降低气速u，以抵消泡沫的影响。我们用系统因子k_b来表达物料的气泡性能。这时：
u=k_fk_bu_f
关于系统因子的叫法最为混乱，它有多个名字：系统因子，泡沫因子、发泡因子、发泡系数，泡沫密度。很多初学者为此痛断肝肠，说不清真正含义。理论上，叫泡沫密度最为合适。这样理解：泡沫密度越小，说明泡沫中气体越多，泡沫越严重。
泡沫密度=1.0，全部是液体，没有气体，等于没有泡沫；
泡沫密度=0.8，80%是液体，20%是气体，泡沫较小；
泡沫密度=0.7，70%是液体，30%是气体，泡沫比较严重；
泡沫密度=0.6，60%是液体，40%是气体，泡沫很严重。
......
可见：叫泡沫密度是名副其实的。不过其他叫法我也无权反对，大家看文献、软件时候，知道怎么回事就行。
比如在上面的：u=0.65×2.19=1.4235 m/S。
考虑轻度泡沫k_b=0.8
u=0.65×0.8×2.19=1.1388 m/S。
显然，考虑了泡沫，u小了，塔径自然就大了。这也是一些塔器设计失败的原因之一：没有考虑泡沫因素，塔径D算小了。
根据：V=Au=（πD²/4）u
内径：D=（4V/πu）^0.5
至此，我们可以完全计算出塔径了。对于大多数读者而言，一个塔的一半计算任务完成了。

学习到了。请教一下  为什么HYSYS模拟出来的塔径和实际的有很大的差距。另外有一个现成的处理量为30t/h的塔，现在要做 一个15t/h的塔可以用根2的关系来计算塔径吗？

学习到了。请教一下  为什么HYSYS模拟出来的塔径和实际的有很大的差距。另外有一个现成的处理量为30t/h的塔，现在要做 一个15t/h的塔可以用根2的关系来计算塔径吗？