CN103239883A - 以等停留时间法设计多溢流塔板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以等停留时间法设计多溢流塔板的方法，是为能提高塔板传质效率和处理能力，缓解设备的放大效应而设计的。该方法根据液体在塔板鼓泡区上的停留时间定义，综合了等流道长度法和等鼓泡面积法的优点，并考虑了塔壁对液流的收缩作用以及物性条件对流动的影响，提出了一组等停留时间下的塔板鼓泡区流道长度的计算公式。将塔板两侧边缘降液管堰设计为后掠式堰结构，以增加两侧降液管的溢流周边长度。将偏心式降液板下缘采用弧形或齿形结构，以平衡降液管底隙出口面积。在受液盘内设置液体分配板，以均匀降液管出口两侧的液流分布。本设计方法能使塔板各鼓泡区上的液流具有相近的停留时间和传质效率，达到合理分配液体，促进气液均匀分布，缓解塔设备放大效应的作用。该方法特别适合汽、液相负荷较高的大型塔设备。

Description

以等停留时间法设计多溢流塔板的方法

技术领域

本发明涉及一种以等停留时间法设计多溢流塔板的方法，属于石油和化学加工工业技术领域。

背景技术

塔设备是常用的汽液传质设备，广泛应用于石油和化学加工工业，目前在大型工业装置中一般以板式塔为主。板式塔中通常采用汽液两相错流接触的形式，图1为塔内汽液接触的示意图。通常液体从塔板入口到出口堰之间沿液体流向存在液面落差，会造成板上液层高度的不均匀分布。随着塔设备规模的扩大，由于板上持液惯性力的增大以及汽液传质元件数目的增多，加剧了流体传递的波动性和操作状态的随机性，使得塔内汽液分布的均匀性急剧下降，在靠近塔板入口的区域液层较厚(气体分布较少)，容易发生过量泄漏，在靠近塔板出口的区域液层较薄(气体分布较多)，容易发生过量雾沫夹带，对大型塔设备而言，二者可以同时出现且呈数量级猛增，这种汽液分布的不均匀性会严重影响塔设备的处理能力和板效率，也会给塔板上的操作带来极大的不确定性。该现象称之为塔设备的放大效应，塔径或液相负荷越大，放大效应就越严重。图2(a)是中、小规模塔板上液层不均匀分布的照片，液层沿着塔板流向呈现出较连续的液面梯度。图2(b)是大规模塔设备的液层分布照片，液层的不均匀分布波动性增强、规律性较差。塔设备存在着规模经济的特点，为了降低成本，大型化是发展的必然趋势，目前直径10m以上的塔已经很常见，所以缓解放大效应对塔设备操作带来的影响是普遍面临的问题。

目前解决放大效应最为有效的方法是采用多溢流设计，即在塔板上采用多根降液管，将塔板分隔成多个鼓泡区，以减少流道长度，并降低单股液体的液流强度(见图3)。在多溢流设计中，中间降液管下来的液体要向两边的鼓泡区分配，设计难度比较大，因为中间降液管向两边鼓泡区分配的液量由降液管两侧出口的截面积决定降液管出口截面积等于降液管出口的底隙(即降液管出口底边至下层塔板的垂直距离)高度乘以出口堰长。形状对称的降液管设计相对容易一些，而对于溢流通道数大于等于三溢流的塔板，中间存在着非对称的偏心式降液管，就很难实现液体的均匀分配。偏心式降液管的水平截面为梯形(见图4)，左右两边的堰长不等，使得同样的底隙(即降液管出口底边至下层塔板的垂直距离)高度下降液管的出口面积不等，出口阻力不等，从而引起液体的不均匀分配，流道数越多，分配效果越差。因此，带有偏心式降液管的多溢流塔板设计存在着极大的复杂性和不确定性。现有专利技术中，“一种能平衡液体流动的多溢流塔板”(专利号US4995946)，在各个偏心降液管或者同一偏心降液管左右两侧的降液管板下方采用了不同的底隙高度，以确保底隙出口面积相同。这种方法中每个偏心降液管、甚至同一个偏心降液管下方的底隙高度都是不同的，设计上比较麻烦。“一种汽液传质设备”(专利号US3729179)，在降液管底隙下安装了多个挡条，通过改变挡条的个数和安装高度来调整底隙面积。这种方法虽然每个偏心降液管下方的底隙高度是一样的，但在降液管板下缘需要安装新的塔内件，增加了安装的困难，操作中也很容易损坏，而且每个降液管下方的结构也都有差别，增加了设计难度。

此外，塔板上的液流受堰的阻挡以及塔壁的约束作用，会引起收缩或扩张流动，使得板上的液层厚度增加、液体流型更为复杂，影响液流在流道上的停留时间，不利于流动分布和气液充分接触，很大程度上降低了板效率和各个流道的处理能力。图5是塔板上液体的缩流示意图，图6是板上液层高度的缩流系数的计算图。

目前，多溢流塔板设计一般有两种基本方法，等鼓泡面积法(EBA)和等流道长度法(EFPL)。等鼓泡面积法(见图7a)中，各流道的有效鼓泡面积相等，气体在各鼓泡区分配的量也相等。理论上看，因为气液流量均布，接触后应该能达到较为理想的传质效果。但实际上，塔板上各个鼓泡区的宽度是不同的，所以在同样面积下鼓泡区的流道长度就会不同，塔板中间的鼓泡区宽度最长，流道长度最短，所以液流在鼓泡区的停留时间也就最短。从动力学角度看，气液接触时间决定了传质的效率。因此，等鼓泡面积法中各鼓泡区的汽液传质效果不均匀。

等流道长度法(见图7b)则在一定程度上克服了等鼓泡面积法的上述不足，由于流道长度相等，在各鼓泡区内液体的停留时间比较接近，传质效果相当。但等流道长度法的鼓泡区面积也因此相差较大，特别是两侧边缘鼓泡区的面积就远小于中心鼓泡区，各个鼓泡区内分布的汽、液相流量也差别较大，从而引起各区内汽液流型的差异。

综上所述，等流道长度法和等鼓泡区面积法各有其优、缺点。相比较而言，等流道长度法由于液体在各个鼓泡区的停留时间接近，流动更为均匀，具有较高的传质效率，有利于操作的稳定性，从设计上来说更为合理，但是两侧边缘鼓泡区的面积远小于中心鼓泡区，会影响塔板上的流型和边缘区汽液的分配。等鼓泡区面积法由于各鼓泡区面积相等，具有较均匀的汽液分配，但是中心区的液体停留时间较短，影响传质效率。而且，不论是等鼓泡面积法还是等流道长度法，前面提到的偏心式降液管的液流不均匀分配问题以及塔壁收缩系数的影响也都没有解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以等停留时间法设计多溢流塔板的方法，该方法能使液流在塔板各个鼓泡区内具有相近的停留时间和传质效率，弥补塔板两侧边缘区鼓泡区面积较小的不足，使塔板上的汽液分配更为均匀，有效解决多溢流塔板中偏心降液管的液体分配问题，在保证操作稳定性的同时，能大大提高塔板传质效率和处理能力，缓解设备的放大效应。

本发明所采用的技术方案如下：

1.以等停留时间法计算液流在鼓泡区流道的长度的方法：

鼓泡区液体等停留时间t_i定义为板上第i鼓泡区内液层体积Q_i与液体流率L_i的比值，即：

$t_i=\frac{Q_i}{L_i}---\left(1\right)$

Q_i为塔板鼓泡面积A_i与清液层高度h_cl的乘积，A_i等于鼓泡区的平均宽度

乘以流道长度S_i，见式(1-1)；L_i等于液流强度(即单位堰长的液体流量)L_Wi乘以出口堰长l_i，out，见式(1-2)：

$Q_i=A_i{h}_{\mathrm{cl}}=S_i{\stackrel{\‾}{l}}_i{h}_{\mathrm{cl}}---(1-1)$

L_i＝L_wil_i，out                        (1-2)

对于多溢流塔板，若保持各流道的传质效率相等，则需令各流道内的液体停留时间相等：

t_i＝t_j(1≤i，j≤n，i≠j)                (2)

令按等流道长度法计算的流道长度为S_li，S_li等于常数；

S_li＝C                                (3)

令按等鼓泡面积法计算的流道长度为S_bi，S_bi等于塔截面积减去降液管面积A_d和受液盘面积A_r，再除以鼓泡区平均宽度

和鼓泡区个数n：

$S_{\mathrm{bi}}=\frac{{\mathrm{\π}/4D}^2-{\mathrm{\ΣA}}_d-{\mathrm{\ΣA}}_r}{n{\stackrel{\‾}{l}}_i}---\left(4\right)$

此外，因为鼓泡区液体的停留时间也与塔板液流形式和液流强度、鼓泡区的位置、面积大小、以及流体物性条件等紧密相关，所以流道长度计算方法考虑了以下几个方面的影响：

(1).将等流道长度法的S_li和等鼓泡面积法的S_bi在等停留时间法中进行加权，并按照鼓泡区位置考虑加权因子的比例。鼓泡区的位置越靠近塔板中心时，流道长度S_i越接近等流道长度法的S_li，避免了等鼓泡区面积法中塔板中心位置的鼓泡区液体停留时间过短的缺点；鼓泡区位置越靠近塔板两侧边缘区，S_i越接近等鼓泡面积法的S_bi，这样可以适当增加两侧边缘鼓泡区面积，避免了液量分配过少。

(2).考虑了塔壁对堰附近液流的收缩系数k以及液流强度L_Wi的影响，对液体停留时间进行修正。

(3).因为液流的密度ρ、黏度μ、表面张力σ对液体在塔板上的流型、分布和停留时间都有影响，所以还考虑了物性方面的影响。

于是，按照停留时间相等的原则，得到了鼓泡区流道长度的计算公式：

S_i＝aS_li ^b+cS_bi ^d[kL_Wi ^eρ_L ^fμ^gσ^h(i-1)^m]        (5)

将计算出的塔板鼓泡区的流道长度限定在500-1000mm之间。

2.塔板两侧边缘降液管上端堰的设计方法：

因为塔板两侧边缘降液管上端的堰长远小于中心降液管，为此，两侧边缘降液管上端采用后掠式堰结构，即后掠式堰由主堰板和边缘堰板构成，主堰板为突向塔壁的弯板，边缘堰板为直板，主堰板占总堰长的比例为0.4-0.9；

主堰板上缘为中间高、两侧低的抹斜式结构，边缘堰板的上缘为堰板高度低于主堰板的直板，边缘堰板与主堰板的平均堰板高度比为0.6-0.95。

3、偏心式降液管出口的设计方法：

影响偏心式降液管出口液体流动分布的主要因素是降液管的出口面积。偏心式降液管出口靠近边缘一侧的堰长较短，为了平衡两边的出口面积，采用以下方法：

1)将布设的不同的偏心式降液管或同一偏心式降液管两侧降液板的下缘设成最低点相同且曲率半径不同的弧形，使降液管下方的当量

底隙高度自塔板中心向两侧依次增大；

2)将偏心式降液板下缘设成齿形，板齿数自塔板中心向边缘依次减少；

3)在偏心式降液管下方的受液盘中设置促进液流均匀分配的液体分配板。

本发明以等停留时间法设计多溢流塔板的方法的优点在于：

(1).与常规的多溢流塔板设计方法相比，等停留时间法采用了等流道长度法与等鼓泡面积法加权计算的方法，借鉴了等流道长度法在靠近塔板中心的鼓泡区流道上的停留时间较为接近和等鼓泡面积法在靠近塔板边缘的鼓泡区气、液量分配较均匀的特点，使得在各流道上的液流具有相近的停留时间和较均匀的流量，以保证有较充分的汽液接触时间和良好的传质效率。

(2).等停留时间法在计算流道长度时还考虑了塔壁对堰附近液流的收缩作用以及密度、黏度、表面张力等物性条件对各区液体停留时间的影响，对计算公式进行了修正，使各个流道气液分布更为均匀、合理。

(3).两侧边缘降液管上端的出口堰采用了主体堰为弯板、边缘堰为直板，且呈中间高、两边低的后掠式堰结构，能克服两侧边缘降液管堰长过短的缺点，显著改善板上液场的均匀性，对两侧返混区的流动具有强化作用。图14用CFD模拟软件fluent 6.0对采用普通堰和后掠式堰的塔板流场分别进行了模拟，结果显示，后掠式堰能形成辐射状的流场，减小普通平直堰板对液流的阻挡反弹，对消除塔板两边弓形区的液流返混和滞留作用明显，能改善塔板的压降性能及传质效率。

(4).降液管下缘的设计解决了降液管两侧出口底隙面积不等的问题，其不仅可以改变底隙面积，还可以调整液量沿降液管板的分配，使得降液管板两头的液量有所增加，还有利于改善塔板弓形滞留区的返混扰动。受液盘中分配板的设计可以保证两侧液体流量的均匀分配，缓解塔设备的放大效应。

以等停留时间法设计多溢流塔板的方法实用性强、设计灵活，可根据实际操作物系、处理能力和设备状况合理设计带有偏心式降液管的多溢流塔板结构，有效解决放大效应对操作的影响，适用于大塔径、高液相负荷体系。

附图说明

图1为汽液错流接触式多溢流塔板示意图；

图2为塔板上液层不均匀分布的照片；

(a)小塔  (b)大塔

图3为塔板鼓泡区的流道俯视图；

(a)、(b)四溢流  (c)、(d)六溢流

图4为偏心式降液管俯视图；

图5为塔板缩流示意图；

图6为缩流系数计算表图；

图7为鼓泡区流道长度俯视图；

(a)等流道长度设计法  (b)等鼓泡面积设计法

图8为分馏塔结构示意图；

图9为本发明方法设计的多溢流塔板结构示意图；

图10为后掠式堰结构的俯视图；

(a)弧形板  (b)弓形板

图11为后掠式堰结构的堰板上缘主视图；

(a)弓形  (b)梯形  (c)三角锯齿形  (d)矩形齿形

图12为本发明的偏心式降液管底隙结构示意图；

(a)降液板下缘为弧形  (b)降液板下缘为齿形

图13为受液盘内的液体分配板示意图；

图14为CFD模拟的塔板流场分布图；

(a)标尺  (b)塔板速度场矢量图  (c)塔板滞留区速度场局部放大图；

图15为用CFD模拟的采用后掠式堰的塔板流场分布图；

(a)标尺  (b)塔板速度场矢量图  (c)塔板滞留区速度场局部放大图。

具体实施方式

实施例：

参照图1至15对本发明的实施例进一步说明：

1.本发明是根据等停留时间法设计的一种多溢流塔板，即按以下公式计算液流在各鼓泡区3的流道长度，并依此设计多溢流塔板1。

$t_i=\frac{Q_i}{L_i}=\frac{A_i{h}_{\mathrm{cl}}}{L_i}=\frac{S_i{\stackrel{\‾}{l}}_i{h}_{\mathrm{cl}}}{L_{\mathrm{wi}}{l}_{i,\mathrm{out}}}---\left(1\right)$

t_i＝t_j(1≤i，j≤n，i≠j)                      (2)

S_li＝C                                        (3)

$S_{\mathrm{bi}}=\frac{{\mathrm{\π}/4D}^2-{\mathrm{\ΣA}}_d-{\mathrm{\ΣA}}_r}{n{\stackrel{\‾}{l}}_i}---\left(4\right)$

S_i＝aS_li ^b+cS_bi ^d[kL_Wi ^eρ_L ^fμ^gσ^h(i-1)^m]        (5)

式中：t_i(j)为液体在第i(j)鼓泡区的停留时间，s；Q_i为塔板1第i鼓泡区上的液体体积，由流道面积A_i与液层高度h_cl的乘积计算得到，m³；L_i为第i鼓泡区流道上液体的体积流量，m³·h^-1；L_Wi为第i鼓泡区流道出口的液流强度(即单位堰长的液体流量)，m³·h^-1·m^-1；l_i，out为第i鼓泡区的出口堰长，mm；A_d为降液管2截面积，m²；A_r为受液盘截面积，m²；S_i为按等停留时间法计算的第i鼓泡区3的流道长度，定义为从受液盘5边缘到出口堰之间的距离，mm；S_li为按等流道长度法计算的流道长度，mm；S_bi为按等鼓泡面积法计算的流道长度，mm；a、b、c、d、e、f、g、h、m为模型系数；C为常系数；D为塔内径，mm；k为液流收缩系数，与L_Wi/D有关；为第i鼓泡区的平均宽度，mm；ρ_L为液体密度，kg·m^-3；μ_L为液体粘度，cp；σ为表面张力，dyn；n为塔板1上的流道数，鼓泡区的编号i由中心向两边统计；

本实施例的计算出的鼓泡区3的流道长度为800mm。

2.将塔板1上两侧边缘降液管21上端采用后掠式堰4结构，后掠式堰4由主堰板41和边缘堰板42构成，主堰板41为突向塔壁的弯板(如弧形、弓形等，见图10)，边缘堰板42为直板。主堰板占总堰长的比例为0.4-0.9，采用弧形板时，弧形圆心角为60-120°，采用弓形板时，主堰板与边缘堰板的垂直距离为20-150mm。本实施例主堰板占总堰长的比例为0.5，采用弧形板时，弧形圆心角为90°，采用弓形板时，主堰板与边缘堰板的垂直距离为50mm。

将主堰板41上缘设为中间高、两侧低的抹斜式结构(如梯形、弓形、三角锯齿形和矩形齿形，见图11)，边缘堰板42的上缘为堰板高度低于主堰板41的直板。边缘堰板42与主堰板41的平均堰板高度比为0.6-0.95，本实施例的平均堰板高度比为0.8。

3.将布设的不同偏心式降液管22或同一偏心式降液管22两侧降液板的下缘设成最低点相同且曲率半径不同的弧形，使偏心式降液管22下方的当量底隙高度自塔板中心向两侧依次增大(见图12a)。或将偏心式降液板下缘设成齿形，板齿数自塔板1中心向边缘依次减少(见图12b)。在偏心式降液管22和中心降液管23下方的受液盘5中设置促进液流均匀分配的液体分配板6(见图13)。

本发明设计的多溢流塔板安装在分馏塔中(见图8和9)，该分馏塔主要由筒体7，塔顶出口71、回流口72、出料口73和进料口74组成。塔内装有多溢流塔板1、降液管2、堰4和受液盘5，塔板1上可以安装浮阀、或筛孔、或固阀、或斜喷式鼓泡元件等。使用时，原料(如加热后的原油)由进料口74进入塔内，其中的汽相物料依次通过各层塔板1，与回流液体进行逐级汽液传质，气相产品最后经塔顶出口71排出，液相产品从塔底出料口73排出。

Claims (8)

1.一种以等停留时间法设计多溢流塔板的方法，其特征在于：

1)以等停留时间法计算液流在塔板(1)鼓泡区(3)流道长度的方法：

$t_i=\frac{Q_i}{L_i}=\frac{A_i{h}_{\mathrm{cl}}}{L_i}=\frac{S_i{{\stackrel{\‾}{l}}_{i}h}_{\mathrm{cl}}}{L_{\mathrm{wi}}{l}_{i,\mathrm{out}}}---\left(1\right)$

t_i＝t_j(1≤i，j≤n，i≠j)                          (2)

S_li＝C                                            (3)

$S_{\mathrm{bi}}=\frac{{\mathrm{\π}/4D}^2-{\mathrm{\ΣA}}_d-{\mathrm{\ΣA}}_r}{n{\stackrel{\‾}{l}}_i}---\left(4\right)$

S_i＝aS_li ^b+cS_bi ^d[kL_Wi ^eρ_L ^fμ^gσ^h(i-1)^m]            (5)

上述公式中：t_i(j)为液体在第i(j)鼓泡区的停留时间，s；Q_i为塔板(1)第i鼓泡区(3)上的液体体积，由流道面积A_i与液层高度h_cl的乘积计算得到，m³；L_i为第i鼓泡区流道上液体的体积流量，m³·h^-1；L_Wi为第i鼓泡区流道出口的液流强度(即单位堰长的液体流量)，m³·h^-1·m^-1；l_i，out为第i鼓泡区的出口堰长，mm；A_d为降液管(2)截面积，m²；A_r为受液盘(5)截面积，m²；S_i为按等停留时间法计算的第i鼓泡区(3)的流道长度，定义为从受液盘边缘到出口堰之间的距离，mm；S_li为按等流道长度法计算的流道长度，mm；S_bi为按等鼓泡面积法计算的流道长度，mm；a、b、c、d、e、f、g、h、m为模型系数；C为常系数；D为塔内径，mm；k为液流收缩系数，与L_Wi/D有关；为第i鼓泡区的平均宽度，mm；ρ_L为液体密度，kg·m^-3；μ_L为液体粘度，cp；σ为表面张力，dyn；n为塔板(1)上的流道数，鼓泡区的编号i由中心向两边统计；

将计算出的塔板(1)鼓泡区(3)的流道长度限定在500-1000mm之间；

2)塔板两侧边缘降液管(21)上端堰(4)的设计方法：

将塔板(1)两侧边缘降液管(21)上端采用后掠式堰(4)结构，后掠式堰(4)由主堰板(41)和边缘堰板(42)构成，主堰板(41)为突向塔壁的弯板，边缘堰板(42)为直板，主堰板(41)占总堰长的比例为0.4-0.9；

将主堰板(41)上缘设为中间高、两侧低的抹斜式结构，边缘堰板(42)的上缘为堰板高度低于主堰板(41)的直板，边缘堰板(42)与主堰板(41)的平均堰板高度比为0.6-0.95；

3)偏心式降液管(22)出口的设计方法：

将布设的不同偏心式降液管(22)或同一偏心式降液管(22)两侧降液板的下缘设成最低点相同且曲率半径不同的弧形，使降液管(22)下方的当量底隙高度自塔板中心向两侧依次增大；或将偏心式降液板下缘设成齿形，板齿数自塔板(1)中心向边缘依次减少；在偏心式降液管(22)下方的受液盘(5)中设置促进液流均匀分配的液体分配板(5)。

2.如权利要求1所述的以等停留时间法计算液流在塔板(1)鼓泡区(3)流道长度的方法，其特征在于将等流道长度法的S_li和等鼓泡面积法的S_bi在等停留时间法中进行了加权，并按照鼓泡区位置考虑了加权因子的比例；考虑了塔壁对堰附近液流的收缩系数k以及液流强度L_Wi的影响，对液体停留时间进行了修正；考虑了液流的密度ρ、黏度μ和表面张力σ对液体在塔板上的流型和分布的影响，对液体停留时间进行了修正。

3.如权利要求1所述的以等停留时间法计算液流在塔板(1)鼓泡区(3)流道长度的方法，其特征在于可将塔板(1)鼓泡区(3)的流道长度设定为800mm。

4.如权利要求1所述的塔板(1)两侧边缘降液管(21)上端堰(4)的设计方法，其特征在于两侧边缘降液管(21)上端后掠式堰的主堰板(41)可设为弧形或弓形，采用弧形板时，弧形圆心角为60-120°，采用弓形板时，主堰板(41)与边缘堰板(42)的垂直距离为20-150mm。

5.如权利要求1所述的塔板(1)两侧边缘降液管(21)上端堰(4)的设计方法，其特征在于主堰板(41)上缘可设为弓形、梯形、三角锯齿形和矩形齿形。

6.如权利要求1所述的塔板(1)两侧边缘降液管(21)上端堰(4)的设计方法，其特征在于主堰板(41)占总堰长的比例可为0.5，边缘堰板(42)与主堰板(41)的平均堰板高度比可为0.8。

7.如权利要求4所述的边缘降液管(21)上端堰(4)的设计方法，其特征在于主堰板(41)采用弧形板时，弧形圆心角可为90°，采用弓形板时，主堰板(41)与边缘堰板(42)的垂直距离可为50mm。

8.如权利要求1所述的以等停留时间法设计多溢流塔板的方法，其特征在于该多溢流塔板(1)安装在分馏塔(7)中，该分馏塔(7)主要包括塔顶出口(71)、回流口(72)、出料口(73)和进料口(74)，塔内设有多溢流塔板(1)、降液管(2)、鼓泡区(3)、堰(4)、受液盘(5)和分配板(6)。

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