CN101306257A - 一种均匀分配液流的塔板降液管 - Google Patents

Abstract

一种均匀分配液流的塔板降液管，基本上由降液板、塔内壁和分流板组成，塔内壁与降液板构成降液管，分流板是一组以不同的角度设置在降液板和塔内壁之间的金属片，其顶端距离降液管顶部的高度H约为1/4～1/2H_T，H_T为板间距，它上端面将降液管面积均匀地划分成若干个具有相同或相近液体流量的通道，从而有效改善了降液管内液体的初始分布，下端面向降液管两侧倾斜，以加速靠近塔壁侧流体的流动，促使塔板上各流道区域停留时间均等，最大限度的消除塔板上出现涡流区的可能性，使塔板上的液体流动呈较为理想的活塞流，从而较大幅度提高塔板效率。

Description

一种均匀分配液流的塔板降液管

技术领域

本发明涉及传质、传热领域的板式分离塔塔板，具体的说，涉及分离塔塔板的降液管。

背景技术

在石油加工、化工、精细化工等化学过程中，要使用大量的板式分离塔，以便使多种多样的液相混合物、气相混合物等按照要求分离开来。板式塔有很多类型，如泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舍形塔板、穿流栅板塔、旋流板塔等。板上液体流动状态是塔板传质效率的重要的影响因素，大量的研究表明，塔板上的液体流动并不是很规则的活塞流，对于大型塔板而言，其不规则性尤其严重，涡流、回流、停滞流及返混流等不规则流动普遍存在。一般而言，大部分塔板的降液管中，液体由于塔壁应力的影响，其中的液体流动是不均匀的，中央流速快，液量大，边缘流速小，液量较少。液体从入口堰进入塔板后，这种液量分布的不均匀性继续存在。液体首先经过塔板的扩展段，流速进一步降低，而塔壁边缘由于液量少，液体流速进一步减小，最终形成停滞流。而当塔板扩展至最大后，液体进入塔板的收缩段，此时，塔板边缘的液体与塔壁产生碰撞，发生回流。因此，液体不是以均匀的流速在整个塔板宽度方向上均匀向前流动的，而是中间流速大，两侧流速小，大部分液体以从进口堰到出口堰的直线路径流过塔板。而弓形区内的流动则非常缓慢，加上液体的回流，弓形区内的液体将呈滞止或回流状态。如图1所示(参见R.B.Solari，E.Saze，I.D’apollo and A.bellet，Chen.Eng.Comm.，1982，13：369)，塔板上的流体流动可分为两个区域：中央主流区II和涡流区I。中央主流区内液体流量大，流速快；涡流区内的液体流速速度非常慢，且流量小，存在回流现象。涡流区I的面积大小与板上液量分布以及堰高有关，其最大值可占塔板面积的25％～40％。

塔板上液体流动的非均匀性，对塔板的传质非常得不利。在涡流区内，液体总体流动很慢，液量小，板上停留时间长，液体虽然很快与通过它的汽相达到平衡但由于不能被新的液体更新，从而形成实际的传质“死区”，塔板实际传质区域减小，板效率大幅下降。近年来，随着对存在涡流区的普遍认同，国内外专家对此也提出了一些改进措施：专利CN00261944.X在塔板上设置导流板来改善板上速度分布，消除涡流区。这种做法能够部分解决板上涡流问题，但并不能改变板上的液量分布。专利CN98110893.8提出在塔盘上弓形降液管液体出口处设置一块中间向两边倾斜的液流均布板，使液体在进入塔盘之前，先进行一次液体的均匀分布，同时调控进入盘面各个位置的液体流量，以此来有效消除盘面液体的沟流和回流。此种方法有一定的效果，但是由于传质区域两侧流速较中间小，在等同流量条件下，两侧的液体停留时间仍然较长，因此仍有发生“小涡流区”的可能。此外入口分布板增加了降液管底部液体出口的阻力，大流量下降液管容易液泛。如果既能够实现液体的均量分布，又能在不增加液体流动阻力的前提下对液体出口流速进行调节，以破除涡流区实现平稳流，则是一种较理想的改进方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种均匀分配液流的塔板降液管，主要通过分流板调节液体在降液管内的分配来改善塔板上液量的分布；同时加快靠近塔两侧的液体出口流速，减少靠近塔壁两侧区域内液体停留时间，消除塔板上液体流动的涡流、回流等现象，提高塔板效率。

本发明的技术方案如下：

一种均匀分配液流的塔板降液管，基本上由降液板、塔内壁和分流板组成，塔内壁与降液板构成降液管，分流板是一组以不同的角度设置在降液板和塔内壁之间的金属片，其顶端距离降液管顶部的高度H约为1/4～1/2H_T，H_T为板间距，它上端面将降液管面积均匀地划分成若干个具有相同或相近液体流量的通道，从而有效改善了降液管内液体的初始分布，下端面向降液管两侧倾斜，以加速靠近塔壁侧流体的流动，促使塔板上各流道区域停留时间均等。

降液板底边根据分流板的情况设置为光滑或者锯齿形的多边形或者弧形，进一步强化液体均匀地进入下层塔板传质区，减小塔板上液体发生涡流和沟流的可能性。如果与导流板(CN00261944.X)或者导向孔配合使用，则可完全实现图9所示的均匀液流，提高塔板的传质效率。

降液板上分流板如图2所示，分流片上端将降液管面积均匀地划分成若干个具有相同或相近液体流量的通道，分流片数目N与塔径D的关系为D＜1.0m时，N＝2；D≥1.0m时，N＝1.8D(四舍五入取整)。分流板沿降液管中心线对称分布，与降液管底部成θ角，50°≤θ≤90°；其顶端距离降液管顶部的高度H＝1/4～1/2板间距；分流片厚度δ为1～4mm。处于对称位置的分流板，其θ相同，顶端在同一水平高度上；处于非对称位置的分流板，顶端可以不在同一水平高度上。如图3所示，分流片一侧以角度θ焊接在降液板上，另一侧与塔内壁留有缝隙d，d＝5～30mm。：如图4所示，分流片与降液板夹角α，60°≤α≤120°。分流片下端的作用是分配降液管出口的流速，调节塔板上的液体流动，保证液体在板上具有相同的停留时间。如图9所示，液体在普通塔板上通过的距离不同，很明显l_c＜l₁，因此液体通过的时间也不同，这是造成塔板涡流区的主要原因。采用分流片可以调节降液管内液体的流速，适当提高两侧液体流速，改善液体在塔板上的分布。如图10所示，W为降液管厚度，降液管横截面积为2S，其大小与塔板内径R和W有关。L1为折流板上部到轴线X距离，对应的分配面积为S1，L2是折流板下部到轴线X距离，对应的分配面积为S2。根据液体分配原理以及板上液体通过时间相同的原则，可以得到下面的关系式：

$\frac{S-S1}{S1}=\frac{S-S2}{S2}\left(\frac{l_1}{l_c}\right)---\left(1\right)$

$S=\frac{a}{2}{R}^2-\frac{1}{2}(R-W)\sqrt{R^2-{(R-W)}^2}---\left(2\right)$

$S1=\frac{\mathrm{\π}}{4}{R}^2-(R-L1)(R-W)-[\frac{{\mathrm{\β}}_1}{2}{R}^2-\frac{1}{2}(R-L1)\sqrt{R^2-{(R-L1)}^2}]---\left(3\right)$

$S2=\frac{\mathrm{\π}}{4}{R}^2-(R-L2)(R-W)-[\frac{{\mathrm{\β}}_2}{2}{R}^2-\frac{1}{2}(R-L2)\sqrt{R^2-{(R-L2)}^2}]---\left(4\right)$

其中， $a=\mathrm{acr}\cos \frac{R-W}{R},$ ${\mathrm{\β}}_1=\mathrm{acr}\cos \frac{R-L1}{R},$ ${\mathrm{\β}}_2=\mathrm{acr}\cos \frac{R-L2}{R}.$ 分流板垂直高度 $H=\frac{2}{3}(H_T-h_0),$ 其中H_T为板间距，h₀为降液管出口底隙高度。由方程(1)～(4)可知，S1和S2分别由L1和L2决定，而分流板倾角定义为：

$\mathrm{tg\θ}=\frac{L2-L1}{H}---\left(5\right)$

在降液管的设计中，首先确定倾角θ和分流片垂直高度H，然后可以由方程(1)～(5)计算得到L1和L2的值。

为了进一步改善板上液体分配，将降液管底部设置为光滑或者锯齿形的多边形或者弧形，降液管底边离下层塔板的最大距离和最小距离分别为：h_max和h_min，其中h_min＝0.4～0.9h_max，优选值为h_min＝0.5～0.75h_max。分流板底部相平或超出降液板下缘0～0.9h_min，优选范围为0.3～0.6h_min。专利CN98223345.0曾提出一种由若干块板拼装组成的降液板，其下缘为对应于塔身内壁的多边形(水平向)，以扩大塔板的传质区面积。而本专利降液板下缘是垂直方向的多边形或者弧形，主要用于改善液体初始分配和改变降液管底隙出口流速。

本发明具有以下优点：

1.本发明首先将降液管面积均匀地划分成若干个具有相同或相近液体流量的通道，实现液体的初始分布均匀。其次加速靠近塔壁侧流体的流动，促使塔板上各流道区域停留时间均等。再次降液管底部设置为光滑或者锯齿形的多边形或者弧形进一步改善进入传质区的液体初始分配和出口流速，最大限度的消除塔板上出现涡流区的可能性，使塔板上的液体流动呈较为理想的活塞流，从而较大幅度提高塔板效率。

2.本发明不增加降液管出口处或者塔板上任何区域的液体流动阻力

3.本发明可单独应用于各类塔板，亦可和其他塔板技术结合使用。其中与导流板(CN00261944.X)或者导向孔等结构配合使用效果更好。

4.本发明结构简单制作方便，安装方便，实用性强，基本不增加成本。

附图说明

图1是塔板涡流区示意图，其中：5为受液区，6为降液区；

图2是具有均匀分配液流的降液管的塔板的示意图，其中：1为降液板，2为分流板，3为塔内壁，4为塔板；

图3是均匀分配液流的降液管的示意图；

图4是图3中的A-A剖视图；

图5是图3中的B-B剖面图；

图6是θ＝90°时均匀分配液流的降液管的示意图；

图7是底部为梯形的降液板示意图；

图8是四块分流板的均匀分配液流的降液管的示意图；

图9是圆锥出口的均匀分配液流的降液管的示意图；

图10为均匀流塔板示意图，其中：5为受液区，6为降液区；

图11为分流板的面积计算示意图。

具体实施方式

均匀分配液流的降液管，是在降液板和塔内壁之间设置一组不同的角度的金属分流板。分流板沿降液管中心线对称分布，以焊接方式固定在降液板上，与降液管底部成θ角，50°≤θ≤90°。分流板的另一侧与塔内壁留有缝隙d，d＝5～20mm；分流板顶端距离降液管底部的高度H＝1/2～2/3板间距；分流片厚度δ为1～4mm。处于对称位置的分流板，其θ相同，顶端在同一水平高度上；处于非对称位置的分流板，顶端可以不在同一水平高度上：如图4所示，分流片与降液板夹角α，60°≤α≤120°，根据具体液量和降液管面积以及塔内壁结构尺寸而定。

实施例1：

对于以内径为600mm的塔板，其降液管如图2所，其降液板1宽800mm，长1100mm，厚3mm。分流片2厚度为2mm，宽80mm，长270mm，其与塔板4的夹角θ为75°，与降液板1夹角α为60°。分流片2距离塔壁3最窄处为6mm，最宽处为26mm。降液板1底部为锯齿状弧形，长为440mm。

实施例2：

对于以内径为600mm的塔板，其降液管如图5所，其降液板1宽800mm，长1100mm，厚3mm。分流板2厚度为2mm，宽80mm，长270mm，其与塔板4的夹角θ为75°，与降液板1夹角α为90°。分流板2距离塔壁3最窄处为6mm，最宽处为20mm。降液板1底部为光滑弧形，长为440mm。

实施例3：

对于以内径为600mm的塔板，其降液管如图6所，其降液板1宽800mm，长1100mm，厚3mm。分流板2厚度为2mm，宽80mm，长270mm，其与塔板4的夹角θ为75°，与降液板1夹角α为90°。分流片2距离塔壁3最窄处为6mm，最宽处为20mm。降液板1底部为锯齿状梯形，顶长200mm，高70mm。其中分流板2的焊接方向与梯形的腰相交。

实施例4：

对于有较大内径的塔板，其降液板很宽，故可采用多个分流板。图7中塔板内径1200mm，其降液板1宽1600mm，长2200mm，厚5mm。分流板2厚度为3mm，宽160mm，长500mm，其与塔板4的夹角θ为75°，与降液板1夹角α为90°。分流板2距离塔壁3最窄处为6mm，最宽处为30mm。降液板1底部为弧形，长为880mm。四块分流板2为对称设置，每侧两块，相互平行，板间距为120mm。降液管1底部为弧形，长为880mm。

实施例5：

对于有较大内径的塔板，其降液板很宽，故可采用多个分流板。图7中塔板内径1200mm，其降液板1宽1600mm，长2500mm，厚5mm。分流板2厚度为3mm，宽160mm，长500mm，其与塔板4的夹角θ为75°，与降液板1夹角α为90°。分流板2距离塔壁3最窄处为6mm，最宽处为30mm。降液板1冲压为圆锥外壁结构，进一步调节液体流量。

Claims (7)

1.一种均匀分配液流的塔板降液管，其特征是：它由降液板、塔内壁和分流板组成，塔内壁与降液板构成降液管，分流板是一组以不同的角度设置在降液板和塔内壁之间的金属片，它上端面将降液管面积均匀地划分成若干个具有相同或相近液体流量的通道，下端面向降液管两侧倾斜，以加速靠近塔壁侧流体的流动，促使塔板上各流道区域停留时间均等。

2.根据权利要求1所述的均匀分配液流的塔板降液管，其特征是：所述的分流片的数目N与塔径D的关系为D＜1.0m时，N＝2；D≥1.0m时，N＝1.8D，取自然数。

3.根据权利要求1所述的均匀分配液流的塔板降液管，其特征是：所述的分流片与降液板夹角α，其取值范围为60°≤α≤120°，分流片一侧焊接在降液板上，另一侧与塔内壁留有缝隙d，d＝5～50mm。

4.根据权利要求2所述的均匀分配液流的塔板降液管，其特征是：所述的分流板沿降液管中心线对称分布，与降液管底部成θ角，其取值范围为50°≤θ≤90°；其顶端距离降液管顶部的高度H＝1/4～1/2板间距；分流片厚度δ为1～4mm。

5.根据权利要求4所述的均匀分配液流的塔板降液管，其特征是：处于对称位置的分流板，其θ相同，顶端必须在同一水平高度上；处于非对称位置的分流板，顶端可以不在同一水平高度上。

6.根据权利要求1所述均匀分配液流的塔板降液管，其特征在于：降液管底部为光滑或锯齿状的多边形或弧形，底边离下层塔板的最大距离h_max和最小距离h_min的关系为h_min＝0.4～0.9h_max。

7.根据权利要求6所述均匀分配液流的塔板降液管，其特征在于：分流板底部与降液板下缘相平或超出降液板下缘0～0.9h_min。

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