CN104722095A - 受液导流式降液管 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种受液导流式降液管，包括降液管主体、溢流堰、附于塔壁和管壁上的单级或多级受液室、管底部的受液板和降液板。本发明的降液管通过改变塔器内液相、气相的流动与接触状态，达到增强气液接触和分离强度，提高塔器分馏效率、全塔通量和操作弹性的目的，同时使塔器抗堵性能增强，塔板压降减小，降低了能耗和设备投资成本，使塔器的综合性能得到提升。

Description

受液导流式降液管

技术领域

本发明属于炼油、化工、生物、医药设备技术领域，尤其涉及一种板式塔设备内构件的降液管结构。

背景技术

塔器是炼油、化工、生物、医药等行业最基础的设备之一，是进行蒸馏、分馏、精馏、吸收和萃取等化工单元操作必备的过程设备。依据内部结构的不同，塔器可分为填料塔和板式塔，分别适用于不同的工况条件和工艺任务。除穿流式结构外，板式塔包含塔板和降液管等内构件，以实现气液两相的逆流接触和分离，利用相对挥发度的不同（萃取塔是利用不同溶液中的介质溶解度的不同），达到分离不同组分物质的目的。因几乎所有的化工工艺流程中，原料精制、产品分离等关键过程异常重要，且塔器数量众多，所以提高塔器性能对化工装置的设备成本、工艺操作、产品质量、装置能耗等产生极其重要的影响。

提高板式塔性能的主要方法是加强气液接触条件和加强液相中气泡的分离，主要表现为以下几个关键问题的优化和解决：①分离效率；②塔板压降；③全塔负荷；④雾沫夹带；⑤液泛；⑥液面梯度；⑦防堵性；⑧操作难度；⑨设备成本等。

其中①分离效率是指单位压降条件下，塔的分离效果，对板式塔以板效率表示；②塔板压降是塔器设备能耗的主要体现，也是影响设备长周期平稳运行的重要参数，例如对于二烯烃或环戊二烯的精馏物系，由于存在严重的聚合反应，在塔温控制不良的情况下，易造成塔板的严重堵塞，使塔板压降大幅上升，严重时致使停工；③全塔负荷表示塔设备的处理能力，经常以通量或允许空塔气速表示；④雾沫夹带是指上升气流穿过塔板上液层时，将板上液体带入上层塔板的现象，其造成液相在塔板间的返混，导致塔板效率严重下降，是制约塔器各方面性能的主要因素之一；⑤液泛是指现有结构的塔内气、液两相中之一的流量增大，使降液管内液体不能顺利流下，使得上下两板间液体相连，甚至液相充满两板之间，全塔操作遭到严重破坏，压降大幅上升，也是制约塔器各方面性能的主要因素之一；⑥液面梯度是指液相在塔板上流动的过程中，因各种阻力原因，使其沿流动方向产生的板上液层厚度的梯度变化，这种液面的不均匀性使得局部气相接触不良，甚至直接穿透，严重时使全塔效率大幅下降，并影响正常操作；⑦防堵性主要是指特殊（如黏度较大，含沉淀较多，易絮凝等）物系性质条件下的分离操作，使得塔器设备内构件需要具备一些特殊的结构以防止该恶性现象的发生；⑧操作难度是在全力避免上述现象发生的前提下，全塔可供操作的灵活度和可调量，包括回流比、气液比等因素。另外，由雾沫夹带、液泛、液相负荷上限、漏液、液相负荷下限等形成对塔器的负荷性能图。

上述关键问题相互关联影响，例如，在提高全塔负荷的同时，单层塔板的分离效率和全塔效率往往不能维持最佳；在保证较高的全塔负荷且不发生雾沫夹带和液泛等恶性现象的同时，操作难度和能耗提高；等等。

目前行业内提高塔器性能的主要研究方向是从塔板方面入手，以优化塔板结构和开发新型浮阀为主要方法，从而提供更有益于气液接触、传质传热的条件来达到目的。这些研究的应用专利非常丰富，但也遇到了一些瓶颈问题，不能从根本上有效避免前述关键问题的影响及其关联性产生的恶性循环。

同时由于现有降液管的结构简单，被误认为可优化改进的内容较少，对于改善或解决前述关键问题不具有效性，使得对于降液管结构的研究和优化改进相较塔板结构少得多。

现有的降液管仅是由降液管管壁与塔壁、受液盘围成一个受液空间，由受液盘和管壁之间的留口空隙作为管内液体的流出通道。在避免塔内气相出现塔板短路的情况下，降液管通常需要建立液封，即需要将该流出通道低于下层塔板，以避免气相由管内上升而将塔板短路，这就使得管内液体的流出阻力变得更大。

现有结构十分简单，易于建设制造，但同时产生以下若干具体问题，越来越严重地制约全塔性能的提高。

1） 流出阻力的存在使得管内液相不易流出，在一些特殊情况下，例如塔板压降逐渐变大时，液泛现象极易发生，严重影响平稳生产和全塔效率。

2） 同时流出阻力使从降液管流入塔板的液相流速变慢，极易产生沉淀，堵塞塔板，造成塔板压降变大，塔器设备能耗上升，且不能长周期运行。

3） 板上液相流速较慢，不能有效抑制雾沫夹带现象。雾沫夹带的本质气相由于本身的能量较大，在液层中鼓泡，气泡迅速破裂，使液体破碎成飞溅的液滴，被快速上升的气相带到上层塔板，形成塔内液相的板间返混，大幅降低全塔效率，在大通量、特殊工况下极易发生，严重限制全塔负荷。

4） 降液管流入塔板的液相流速较慢，易产生液面梯度问题。液面梯度使塔板上液相产生偏流、死区等不均匀流动，严重影响塔板上气液两相的接触情况，使分离效率波动或严重下降。

5） 液相需要在降液管底部建立澄净的清液层，即气泡完全脱出的液相。当全塔通量变大时，管内清液层高度变低，易将气泡带入下层塔板，即使塔内气相返混加剧，大幅降低全塔效率。

6） 由于存在流速慢、易沉淀、液面梯度等问题使塔板上液相流动状况复杂，气液两相接触不能一直维持在最佳条件下，使得塔板分离效率比理论板降低较多，在现有结构中，需要增大塔板占塔器截面的面积比例来弥补效率的不足，使得降液管的截面积占比较低，影响全塔通量、设备成本等。

这些问题使得降液管作为气液两相有效分离的重要场所，未能伴随塔板和浮阀型式的改进，同步提高塔器通量、分馏效率和单位能耗等整体性能。

且由已经少量出现的一些关于降液管结构改进的技术来看，针对塔器性能的优化是有效且具体的。例如UOP公司的MD多降液管式筛孔塔板、浙江工业大学的DJ塔板等仍是从塔板结构出发，以改变降液管的数量和整体分布的方法，从而在改善板上流体分布的均匀性、流动性等方面进行的优化创新；专利文献CN98805791的层板塔用降液管、专利文献CN201420463238的一种液液萃取塔用悬挂式降液管等是从专一用途角度对降液管结构进行了局部改善。但结合塔板上流态型式，对降液管结构进行的整体改进，未查有实例。

发明内容

本发明的目的是提供一种受液导流式降液管的新型结构，它能通过对降液管结构的改进，影响塔板上液体的流态形式，有效解决或规避前述关键问题，从而达到较大提高塔器性能、降低成本、加强效率的目的。

本发明所述的受液导流式降液管，相较现有降液管的结构，包括如下结构和技术特征。

1） 将降液管管壁上方的塔板溢流堰由竖直布置改成向塔壁侧倾斜布置，并根据塔内物系性质，用网状结构延伸或替代现有溢流堰的实板结构。

2） 附着于塔壁、管壁上设置单级或多级受液室结构，其型式为斗式、槽式、（无顶盖）箱式或（无顶盖）筒式，作为上层塔板流出的液相的缓冲脱气结构，其单数级（如第一级、第三极）受液室设置于塔壁上，双数级（如第二级、第四级）受液室设置于管壁上，随级数增加，受液室越接近受液板，级数和位置由塔内物系性质和具体工艺计算确定。

3） 在降液管底部设置水平或倾斜式受液板，将现有降液管结构中的开孔或开口位置其由管壁侧移到了塔壁侧。

4） 在降液板下方设置倾斜式降液板，该板可为直板式、折板式或弧形板式，并在该板上开有斜孔或设置顶点朝上、一面平行于降液板、底面开口的椎体或圆锥体（帽型）结构作为管内流出液相的导流结构。

通过上述结构和技术特征，本发明的发明目的是通过以下过程实现的。

1） 由于本发明将降液管出口位置移到塔壁侧，并配合可倾斜式的受液板，管内液相可以更加顺畅的流出降液管。

2） 降液管流出液相随后进入设置在受液板下的倾斜直板式或弧形板式的降液板上，并被降液板的倾斜角度导流。同时，降液板板上设置斜孔或椎体型式的导流元件，引导下层塔板空间的气相由此斜向喷出，对降液管流出液相进行加速，进一步产生导流和加速降液板上流出液相。

3） 被导流和加速的液相随后进入塔板区域，由于流速较现有结构快的多，所以塔板上的液面梯度、死区、偏流等现象相应大大减少，同时穿过塔板的气相被更加细密、均匀地分散在液相当中，接触条件更好，传热传质效果大大提高。

4） 由于本发明的板上液相流速较快，气泡更加细密，使得气泡脱出的难度加大，所以需要加强气泡脱出措施。一个是设置倾斜式实板或网状型式溢流堰的措施，在保证板上液层高度的同时，以倾斜的角度对板上流出液相进行导流，使其在流入降液管之前滑落更远的距离，并能够落入设置在塔壁上的第一级受液室中；另一个是设置斗式、槽式、（无顶盖）箱式或（无顶盖）筒式的降液管内部的单级或多级受液室，作为液相的缓冲脱气结构：液相流落入受液室并溢出，下落速度降低，同时其中的细密气泡聚集、碰撞合成较大气泡，随液相溢出。

5） 经过聚合后含有较多较大气泡的液相进入由受液板、降液管管壁、塔壁组成的降液管主体空间内，在受液板的开孔或开口面积限制下，建立降液管内液位。管内上层液体含有气泡较多，经过再一次更缓慢的聚合后脱出；管内下层液体含有气泡较少或为基本不含气泡的澄液液，经受液板、降液板进入下层塔盘，重复上述过程。

相较现有结构技术，本发明具有以下创新和优势。

1） 采取了有效结构，将板上液流加速，形成乳化态，气液接触更加充分；同时加强脱气措施，使气液分离更加有效。这两过程的优化使分/精馏效率得到较大提高。

2） 由于形成乳化态，板上液气动能比大幅提高，气相在液层中分散的更加均匀，不易逸出或鼓穿液层，使得雾沫夹带现象从根本上得到抑制，全塔操作适应性得到较大提高。

3） 由于本发明的降液管结构，使管内液相极易流出，使降液管液泛现象以根本上得到抑制，全塔操作适应性进一步加大。

4） 由于形成乳化态，板上液层流速大幅加快，特殊物系（如黏度较大、含沉淀较多、易絮凝等）沉降聚合的难度加大，塔器抗堵性得到大大加强。

5） 由于形成乳化态，液相流量加大，相应的气相流量可调范围大大增加，极大提高了全塔气液比、回流比的可调范围，全塔操作灵活性得到极大提高。意味着在无需较大整改的情况下，设备能够处理的物系性质差异范围变大了，设备通用性加强了。对于老装置的增产改造或对现有装置的节能降耗等要求的可操作裕度大大加强了。

6） 由于板上气液接触的状态较现有结构改变较大，主要是液相流速增大较多，对于板上筛孔或浮阀结构产生一定的抽力，降低了气相的单板压降，全塔能耗得到降低，对于髙成本、大负荷、长周期生产的化工装置来说节能环保的意义重大。

7） 由于采用多项导流措施，且雾沫夹带、液泛等恶性现象从本质上得到抑制，使得即使在特殊工况（如装置开工、停工、事故异常）下，由上述恶性现象积累引发的冲塔、淹塔等严重事故得到极为有效地避免，使化工装置生产稳定性、安全性、可控度得到加强。同时操作难度降低，使产品合格率得到提高，降低了人为失误导致生产异常的机率。

8） 由于全塔操作适应性得到极大提高，气、液相流量可在更宽的范围内调整，意味着全塔通量即全塔负荷得到相应幅度地提高，也即设备成本得到相应幅度地降低。

综上所述，本发明通过对结构的改进，使前述影响塔器性能的若干关键问题得到有效解决和规避，对塔器设备性能进行了全面提升。

附图说明

图1是降液管的现有结构简图，其中：

1-塔板；2-溢流堰；3-降液管管壁；4-受液盘；5-塔壁。

图2（a）是本发明的降液管结构简图（正视图），其中：

1-塔板；2-溢流堰；3-降液管管壁；4-降液板及导流构件；5-塔壁；6-受液室；7-受液板。

图2（b）是本发明的降液管结构简图（A-A’剖面图），其中：

1-塔板；2-溢流堰；3-降液管管壁；4-降液板及导流构件；5-塔壁；7-受液板。

图2（c）是本发明的降液管结构简图（俯视图），其中：

1-塔板；2-溢流堰；3-降液管管壁；5-塔壁；6-受液室；7-受液板。

图3是本发明的降液管结构简图（双级受液室基本结构简图），其中：

1-塔板；2-溢流堰；3-降液管管壁；5-塔壁；6-受液室；7-受液板。

具体实施方式

本发明涉及的是一种板式塔的内构件，是在由钢板制作的圆柱形筒节组焊制造塔壁的过程中具体实施完成的。如图2（a）所示，具体是由塔壁、管壁、溢流堰、受液室、受液板及降液板构成。

一般情况下上述各部件采用和塔器设备主体相同的工程材料，如碳钢、不锈钢等，以便于生产制造或防止热胀系数等物性差异，但由于一些特殊用途或强酸/碱、易锈/腐等环境中，也将采用其他材料。

如图2（a）（b）（c）中结构[1][3][5][7]所示，降液管管壁与受液板均为平面实板，分别与塔板、塔壁相互垂直连接构成横截面为弓形的降液管主体，采用材料与管壁等相同，连接方式一般采用焊接。其中管壁为竖直布置，受液板为水平或倾斜布置且在塔壁侧区域设置开孔或开口，作为管内液相的流出通道。这些结构与现有结构基本相同，生产制造工艺及过程也无本质区别，但根据具体的分离任务和塔内物系性质进行工艺计算时，降液管容积（包括管壁的高度、宽度，受液板的弦长、弓形高等参数）可以有效放大，以实现前述优化改进能力。

本发明中将现有结构中的竖直溢流堰改为向塔壁倾斜，如图2（a）中结构[2]所示，角度为10°~60°，并可采用网状结构作为现有结构中溢流堰所用平面板的延伸或替代，由具体工艺要求而定。溢流堰设置位置为塔板与降液管壁连接处，采用材料与塔壁等相同，连接方式一般采用焊接。

本发明的受液室构件设在降液管内，可分为单级和多级。如图3中结构[6]所示，单级受液室基本结构为一块竖直平面板和一块水平平面板与塔壁连接而成的半封闭式空间，类似于降液管主体结构，所不同的是水平平面板上无开孔或开口，进入受液室的液体是从竖直板上方溢流而出。采用材料与塔壁等相同，连接方式一般采用焊接。多级受液室是将单级受液室相错设置在塔壁和管壁上而成，单数级（如第一级、第三极）受液室设置于塔壁上，双数级（如第二级、第四级）受液室设置于管壁上，随级数增加，受液室越接近受液板，级数和位置由塔内物系性质和具体工艺计算确定。每一级受液室的宽度须大于降液管整体宽度的60%，以保证上级受液室溢出液相能够有效流入下一级，且两级间距要较大于该塔器140%负荷时该层塔板的液层厚度。

多级受液室的单体型式可为斗式、槽式、（无顶盖）箱式或桶式。箱式结构是在上述单级受液室基本机构上加装两面竖直平板作受液室侧板，从而形成无顶盖的箱状结构。桶式结构是将箱式结构的三个侧面板以一块弧形板替代从而与塔壁形成桶状的结构。斗式结构是在上述单级受液室基本结构上取消底板，而将竖直板改为倾斜，其底部与两侧均直接焊接在塔壁或管壁上而成，如图2（a）中结构[6]所示。槽式结构与箱式结构类似，不过将竖直板高度大大降低，受液室由箱型变为槽型，容积随之下降。上述几种多级受液室结构可以分别适用于不同的分离任务的工况和塔内物系性质要求。例如，单级受液室的基本结构可满足大多数流程和结构的工艺要求。在装置处理量较大、物系粘度较高、密度较大等特殊工况时，可以采用箱式、桶式受液室的降液管结构以强化全塔结构。在塔内物系相对挥发度较小或含有组分较多时，可以采用多级受液室的降液管结构以适应工艺要求。

本发明结构中，在受液板的下方设置一块倾斜平板作为降液板，该降液板连接了塔壁和下层塔板，采用材料与塔壁等相同，连接方式一般采用焊接，如图2(a)(b)中结构[4]所示。该降液板板长、倾角及与受液板的间距由塔内物系性质和具体工艺计算确定。本发明要求该降液板具有导流和强化气液接触的作用，为达此目的，需在板上增加开孔或导流构件。如图2(a)(b)中结构[4]所示，板上开孔需要与降液板面成一定角度，此角度应使板上孔道导指向或平行与下层塔板平面。板上导流构件是由三块三角形平板与降液板连接而成的锥形结构，采用材料与塔壁等相同，连接方式一般采用焊接。该锥形导流构件的顶角朝向塔壁，中线与降液板中线成一定夹角，该角度随两中线间距的增大而增大。该锥形导流构件的底面板朝向下层塔板。在底面板上设置开孔作为导流气相的通道，或直接不设置底面板，仅由两块三角形平面板成一定锥角连接在降液板上而成。降液板上该锥体区域内须设置开孔或开口，使降液板下的气相能够通过降液板上的开孔或开口进入锥形导流构件，然后由锥形导流构件底面板上的开孔或开孔喷出，从而产生导流和加速作用。该导流构件可根据具体工艺和结构设计的特殊需要，设置成圆锥形或舌形浮阀式，具体开孔或开口面积和分布密度等由塔内物系性质和具体工艺计算确定。

Claims (9)

1.一种受液导流式降液管，包括与塔壁围成下降通路的降液管主体管壁、置于管壁上部的塔板的溢流堰、置于管内的单级或多级受液室、置于管壁下方的受液板和降液板，其特征是：塔板溢流堰呈向塔壁倾斜状，塔壁和管壁上设置单级或多级受液室结构，受液板为水平或倾斜式并在塔壁侧留有开孔或开口，受液板下设置采用导流构件的倾斜式降液板。

2.根据权利要求1所述的本类型降液管，其特征是：塔板溢流堰为倾斜式，倾斜角度为10°~ 60°。

3.根据权利要求1和2所述的本类型降液管的溢流堰，其特征是：可根据塔内物系性质和具体工艺要求设置为实板或网状结构，或者以网状结构作为实板的延伸。

4.根据权利要求1所述的本类型降液管，其特征是：塔壁和管壁上设置的受液室结构型式为多级时，单体型式可为斗式、槽式、（无顶盖）箱式或桶式。

5.根据权利要求1和4所述的本类型降液管的受液室，其特征是：其为单级时，须设置在塔壁上；其为多级时，相错设置在塔壁和管壁上，单数级（如第一级、第三极）受液室设置于塔壁上，双数级（如第二级、第四级）受液室设置于管壁上，随级数增加，受液室越接近受液板，级数和位置由塔内物系性质和具体工艺计算确定。

6.根据权利要求1所述的本类型降液管，其特征是：受液板设置方式为水平或倾斜式。

7.根据权利要求1和6所述的本类型降液管的受液板，其特征是受液板在塔壁侧留有开孔或开口作为管内介质的流过通道，开孔或开口面积由塔内物系性质和具体工艺计算确定。

8.根据权利要求1所述的本类型降液管，其特征是在受液板下设置倾斜式降液板，倾斜角度由塔内物系性质和具体工艺计算确定。

9.根据权利要求1、8所述的本类型降液管的降液板，其特征是降液板上开有斜孔或设置顶点朝上、一面平行于降液板、底面开口的椎体或圆锥体（帽型）结构。