CN112295253B - 一种毛细管液相分布器及精馏柱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种毛细管液相分布器及精馏柱，其中毛细管液相分布器包括分布板、升气通道管和多个毛细管，其中分布板为环形板结构；升气通道管垂直立设于所述分布板的环孔上，所述升气通道管的侧壁上开设有溢流孔；多个毛细管竖直贯穿所述分布板，并以所述分布板的中心为圆心呈多层圆周分布。与现有技术相比，本发明中的液体分布器在喷淋密度介于0.01m³/(m²×h)～2.5m³/(m²×h)时，依旧可以保证相同尺寸毛细管的流量相同，从根本上避免分布不均匀的现象；具有良好的分布稳定性，可以大大缓解液体的脉冲现象；适用于15mm～150mm小直径精馏柱的液体分布，特别适用于同位素、高纯试剂等精细化工特殊产品的生产。

Description

一种毛细管液相分布器及精馏柱

技术领域

本发明涉及气液分布设备领域，尤其是涉及一种毛细管液相分布器及精馏柱。

背景技术

在填料塔精馏过程中，从塔顶自上而下的液体通过液体分布装置，分布至填料的表面，与从塔釜自下而上的气体在填料表面逆流接触，进行质量与热量的传递，从而使物料中的轻组分在塔顶富集，重组分在塔釜富集，最终达到分离的目的。为了充分发挥填料的效率，需要尽可能地将液体均匀、稳定地分布至填料表面。如分布不均匀，极有可能形成气相短路及填料表面部分未润湿的现象，将大大降低气液接触的表面积，降低精馏塔效率。因此，液体分布装置的分布性能是影响填料塔效率的关键因素之一。

当填料塔的直径小于150mm后，精馏柱内空间紧凑，市面上常用的液体分布装置结构复杂、部件较大，大部分无法加工及安装；当填料塔的直径小于80mm后，市面上已没有适用的且性能较好的液体分布装置。同时，小直径精馏柱需要的液体喷淋密度很低，常规液体分布装置无法满足。因此，在实际运用中，小直径精馏柱内通常不使用液体分布装置，从而无法完全发挥精馏塔的效率。这一情况在同位素、高纯试剂等精细化工特殊产品的生产中极为常见。

工业使用的液体分布装置有排管式、槽式和孔盘式液体分布器等，常规喷淋密度范围为2.5m³/(m²×h)～25m³/(m²×h)。目前，常用的槽式分布装置为二级槽式液体分布器，其允许喷淋密度范围大，气流通道大，易支撑，造价低，但槽的支撑水平度、液面波动均会影响二级槽的液量分配，最终影响分布性能。近年来，也产生了不少新型液体分布装置。

专利CN 110354763A公开了一种新型槽式液体分布器，包括排管、分布器一级槽、稳液槽、二级槽、导液板和挡液板，排管包括进液管和分布管，一级槽内设有稳液槽，二级槽内设有稳液板，二级槽侧面开有喷淋孔。该装置本质上为二级槽式液体分布器，因此无法根本解决分布器外圈液体分布量低的通病，同时该装置结构复杂，不利于工业化生产，无法应用于小精馏柱中。而且，虽然该装置的喷淋密度可以低于0.1m³/(m²×h)，但是没有任何额外的设计控制最下两排中各个喷淋孔的流量，实际应用中无法避免出现喷淋孔流量不均匀的现象。

专利CN 111514823A公开了一种化工填料塔的液体分布器。该装置主要包括导流管、集流槽和集流腔，采用四级分流的方式分布液体。该装置结构比二级槽式分布器更为复杂，重量大，造价高，难以工业化应用，而且无法应用于小精馏柱中。

专利CN 103920302B公开了一种集束精馏回流液自动等量分配装置，包括外槽壁、连接回流液下料管的回流液内槽、放射状均布的隔板及回流液导流管。该装置通过内槽将回流液分配至外围的各个分槽中，分槽中的回流液导流管再将液体分布至每个精馏柱中。该装置结构相对简单，造价低，但在内槽分配至各个分槽的过程中，十分容易出现分配不均的情况，同时每个分槽中仅有一个回流液导流管，负责集束精馏塔中一个精馏柱的回流液导流，但是回流液导流管中的液体直接流至填料表面，没有经过再次分布，因此对于每个精馏柱来说，液体相当于没有分布。

因此，本领域还需要开发一种液体分布装置，装置体积更小，允许液体喷淋密度更低，适用于小直径精馏柱的液体分布，从而填补小直径精密精馏塔液体分布技术的空白。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种毛细管液相分布器及精馏柱，使液体分布更加可控，更加均匀，更加稳定，装置体积更小，液体喷淋密度最小可达0.01m³/(m²×h)；当液体喷淋密度低于2.5m³/(m²×h)时，利用毛细管内液体流动的特殊性，依然可以保证相同尺寸毛细管的流量相同，十分适用于小直径精馏柱的液体分布。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明中的毛细管液相分布器，包括分布板、升气通道管和多个毛细管，其中具体地：

分布板为环形板结构；

升气通道管垂直立设于所述分布板的环孔上，所述升气通道管的侧壁上开设有溢流孔；

多个毛细管竖直贯穿所述分布板，并以所述分布板的中心为圆心呈多层圆周分布。

进一步地，所述升气通道管为定径直管；

所述分布板的外周为圆形；

进一步地，分布板的外径为15mm～150mm。

进一步地，所述升气通道管的轴线穿过所述分布板的圆心。

进一步地，所述溢流孔的孔径大小为1mm～10mm。

进一步地，在垂向高度上，所述溢流孔的下端高于毛细管的上端。

进一步地，所述分布板的环孔形态与所述升气通道管的截面形态相匹配，使得所述分布板的环孔与升气通道管的下端封闭连接。

本发明中的多个毛细管呈1层～20层圆周分布。较好为2层～15层，更好为3层～13层，宜4层～10层。

进一步地，所述毛细管的内径为0.1mm～2mm。

进一步地，自分布板中心向外方向，每一层中的毛细管数量增加至少一个，且每一层中的毛细管沿周向均匀分布。

进一步地，多个毛细管中，至少具有两种长度，且按不同长度交错排列；

进一步地，所述毛细管的长度为1～10种，较好为2～8种，更好为3～6种，宜4～5种，每种长度的毛细管的数量为一个或多个。

进一步地，长度相同的毛细管，其内径也相同。

毛细管的最下端位于分布板下方；

在垂向高度上，多个毛细管的最下端在水平方向上齐平，所述毛细管的上端不低于分布板的上表面，且至少有一个毛细管1的上端与分布板2的上表面齐平。

进一步地，每一层圆周分布的毛细管中具有一种或多种长度。

进一步优选地，每一层圆周分布的毛细管中具有至少两种长度，且按不同长度交错排列。

毛细管液相分布器还包括液体导流片，所述液体导流片通过铁丝支撑于所述升气通道管上方，以此防止上部滴落的液体穿过升气通道管；

所述液体导流片的径向最大截面积不小于所述升气通道管的径向截面积，所述液体导流片的中心在所述升气通道管的轴线上。

本发明所保护的精馏柱，其内部包含至少一个上述毛细管液相分布器。

进一步地，所述升气通道管的径向截面积与精馏柱的径向截面积之比为5％～30％，较好为8％～25％，更好为10％～20％，宜12％～15％；

进一步地，所述毛细管的数量与精馏柱的径向截面积之比为0.1个/平方厘米～10个/平方厘米，所述毛细管1的长度为10mm～400mm，较好为15mm～300mm，更好为20mm～200mm，宜为30mm～150mm，优选为50mm～100mm。

进一步地，所述毛细管液相分布器的喷淋密度为0.01m³/(m²×h)～2.5m³/(m²×h)；

所述精馏柱的直径为15mm～150mm。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

1)本发明的液体分布器的喷淋密度范围大，适合超低喷淋密度的工况，最小喷淋密度可达0.01m³/(m²×h)；

2)本发明的液体分布器在喷淋密度介于0.01m³/(m²×h)～2.5m³/(m²×h)时，依旧可以保证相同尺寸毛细管的流量相同，从根本上避免分布不均匀的现象；

3)本发明的液体分布器具有良好的分布稳定性，可以大大缓解液体的脉冲现象；

4)本发明的液体分布器体积小，结构简单，分布均匀，适用于15mm～150mm小直径精馏柱的液体分布，特别适用于同位素、高纯试剂等精细化工特殊产品的生产。

附图说明

图1是本发明一个实施例中的毛细管液体分布器的俯视示意图；

图2是图1所示实施例中a-a截面的主视示意图；

图3是图1所示实施例中b-b截面的主视示意图；

图4是本发明另一个实施例中的毛细管液体分布器的俯视示意图；

图5是图4所示实施例中毛细管及升气通道管的长度示意图。

图中：1-毛细管；2-分布板；3-升气通道管；4-溢流孔；5-液体导流片；101-长度最短的毛细管；102-长度居中的毛细管；103-长度最长的毛细管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例中的毛细管液相分布器设于精馏柱的内部，参见图1～3，毛细管液相分布器包括毛细管1、分布板2及升气通道管3，其中升气通道管3竖直立于分布板2上；分布板2为环形板结构，环形板的内侧由升气通道管3的形状决定，环形板结构的外侧为圆形；毛细管1沿轴向竖直贯穿于分布板2；所述升气通道管3的最下端与分布板2封闭连接，所述升气通道管3为定径管，所述升气通道管3的径向截面为中心对称的几何形状，所述升气通道管3的轴线通过分布板2的圆心，所述升气通道管3的侧面开有一个溢流孔4，所述溢流孔4的直径大小为1mm～10mm，所述溢流孔的最下端高于所有毛细管的最上端。

本实施例中所述毛细管1的数量为多个，以分布板2中心为圆心呈多层圆周分布，层数为1层～20层，较好为2层～15层，更好为3层～13层，宜4层～10层，且自中心向外方向，每一层中的毛细管1数量增加，且每一层中的毛细管1沿周向均匀排列，所述毛细管1的外侧与分布板2封闭连接。

本实施例中所述毛细管1的内径为0.1mm～2mm，且每个毛细管1的内径不变，且具有多种不同的长度，所述毛细管1的长度为1～10种，较好为2～8种，更好为3～6种，宜4～5种，每种长度的毛细管1的数量为一个或多个，且长度相同的毛细管1内径也相同。

本实施例中毛细管1的最下端位于分布板2下方，所述毛细管1的最下端在水平方向上齐平，所述毛细管1的最上端不低于分布板2的上表面，且至少有一个毛细管1的最上端与分布板2的上表面齐平。

本实施例中每一层圆周分布的毛细管1中具有一种或多种长度，且每一层圆周分布的毛细管1中具有至少两种长度，且按不同长度交错排列。

本实施例中所述液体导流片5通过铁丝支撑于所述升气通道管3上方，防止上部滴落的液体穿过升气通道管3，所述液体导流片5的径向最大截面积不小于所述升气通道管3的径向截面积，所述液体导流片5的中心在所述升气通道管3的轴线上。

本实施例中所述分布板2的外径为15mm～150mm，所述升气通道管3的径向截面积与精馏柱的径向截面积之比为5％～30％，较好为8％～25％，更好为10％～20％，宜12％～15％，所述毛细管1的数量与精馏柱的径向截面积之比为0.1个/平方厘米～10个/平方厘米，所述毛细管1的长度为10mm～400mm，较好为15mm～300mm，更好为20mm～200mm，宜为30mm～150mm，优选为50mm～100mm。

本实施例的毛细管液体分布器的工作原理如下：

在非毛细管中，液体流动受到的阻力随着流速的增加而增加，变化的阻力是导致两个相同的管道，流量却不总相同的根本原因，这就解释了虽然市面上的液体分布器中的管道直径相同，但是却始终存在液体分布不均匀的情况。但是在毛细管中，液体流动的阻力与流速无关，只要毛细管两端的压差不变，液体在相同长度、内径的毛细管中受到的阻力相同，且始终不变，因此不同于非毛细管，相同毛细管中的液体流量始终保持稳定、相同，从而从根本上解决了液体分布不均匀的问题。

以公知的物理理论知识为基础进行推导，可以得到竖直毛细管中液体流量的计算式：

上式中Q为毛细管中液体的流量、ρ为液体密度、η为液体的粘度、h为毛细管最上端至液面的距离、L为毛细管长度、d为毛细管内径、g为重力加速度、π为圆周率。

实施例2

为进一步更好地解释本器的工作原理，接下来将以图4及图5为例详细说明。在图4所示的一个毛细管液体分布器的实施例中，毛细管1具有三种长度，从短至长分别为毛细管101、毛细管102及毛细管103。所有的毛细管1的最下端在水平方向上齐平，毛细管101的最上端与分布板2的上表面齐平，毛细管102的最上端略高于毛细管101的最上端，毛细管103的最上端略高于毛细管102的最上端，溢流孔4的最下端高于毛细管103的最上端，升气通道管3的最上端高于毛细管103的最上端。毛细管1以分布板2中心为圆心呈三层圆周分布，由内自外分别为第一、二、三层。第一层的毛细管1按照毛细管101、毛细管102的顺序顺时针循环排列；第二层的毛细管1按照毛细管103、毛细管101、毛细管102的顺序顺时针循环排列；第三层的毛细管1按照毛细管101、毛细管102的顺序顺时针循环排列。每一层中的毛细管1沿周向均匀排列。当液体流入液体分布器且分布板2上的液位高度介于毛细管101及毛细管102的最上端之间时，液体仅通过毛细管101流下，由于液体的流动性，毛细管101的最上端到液面的距离h均相同，又因毛细管101的长度L和内径r也相同，因此毛细管101的流量相同，当液位高度变化不大时，毛细管的流量变化很小。当流入液体分布器的流量逐渐升高，分布板2上的液位逐渐上升，液面高于毛细管102的最上端后，液体同时通过毛细管101及毛细管102流下。当流入液体分布器的流量继续增加，液面高于毛细管103的最上端，液体同时通过毛细管101、毛细管102、毛细管103流下，从而促使液面下降。当流入液体分布器的流量超过分布器的设计最大液体喷淋量后，分布板2上的液面将持续上升直至从溢流孔4流下。正常工况下，流入液体分布器的流量变化不大，依靠不同长度的毛细管1可以将分布板2上的液面稳定在一个合理的区间，此时液体分布器下的液体分布均匀且稳定；当流入液体分布器的流量具有脉冲现象时，通过本实施例的毛细管液体分布器，脉冲现象将大大减少。

与市面上常用的液体分布器相同，本实施例的毛细管液体分布器也需要根据具体的精馏柱工况进行设计，以图4及图5为例，申请人指出设计要点如下：

A.在最小液体喷淋密度的工况下，设计液位应介于毛细管101及毛细管102的最上端之间，且毛细管101的总流量应等于最小液体喷淋量。

B.在正常液体喷淋密度工况下，应至少使液体通过两种长度的毛细管1，在此例中，设计液位应介于毛细管101及毛细管102的最上端之间，且毛细管101和毛细管102的总流量应等于正常液体喷淋量。

C.在最大液体喷淋密度工况下，液体通过所有的毛细管1，此时设计液位应介于毛细管103的最上端及溢流孔4的最下端，所有毛细管1的总流量应不小于最大液体喷淋量。

D.仅在最大液体喷淋密度工况下液体通过的毛细管1(在此例中为毛细管103)，应尽量不要设置在分布板2的最外或最内侧。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种毛细管液相分布器，其特征在于，包括：

分布板（2），其为环形板结构；

升气通道管（3），垂直立设于所述分布板（2）的环孔上；

多个毛细管（1），竖直贯穿所述分布板（2），并以所述分布板（2）的中心为圆心呈多层圆周分布；

所述升气通道管（3）为定径直管；

所述分布板（2）的外周为圆形；

所述升气通道管（3）的轴线穿过所述分布板（2）的圆心；

所述分布板（2）的环孔形态与所述升气通道管（3）的截面形态相匹配，使得所述分布板（2）的环孔与升气通道管（3）的下端封闭连接；

所述升气通道管（3）的侧壁上开设有溢流孔（4）。

2.根据权利要求1所述的一种毛细管液相分布器，其特征在于，多个毛细管（1）呈1层~20层圆周分布。

3.根据权利要求2所述的一种毛细管液相分布器，其特征在于，自分布板（2）中心向外方向，每一层中的毛细管（1）数量增加至少一个，且每一层中的毛细管（1）沿周向均匀分布。

4.根据权利要求1所述的一种毛细管液相分布器，其特征在于，所述溢流孔（4）的孔径大小为1mm~10mm；

在垂向高度上，所述溢流孔（4）的下端高于毛细管（1）的上端。

5.根据权利要求1所述的一种毛细管液相分布器，其特征在于，多个毛细管（1）中，至少具有两种长度，且按不同长度交错排列；

毛细管（1）的最下端位于分布板（2）下方；

在垂向高度上，多个毛细管（1）的最下端在水平方向上齐平，所述毛细管（1）的上端不低于分布板（2）的上表面，且至少有一个毛细管1的上端与分布板2的上表面齐平。

6.根据权利要求1所述的一种毛细管液相分布器，其特征在于，所述毛细管液相分布器还包括液体导流片（5），所述液体导流片（5）通过铁丝支撑于所述升气通道管（3）上方，以此防止上部滴落的液体穿过升气通道管（3）；

所述液体导流片（5）的径向最大截面积不小于所述升气通道管（3）的径向截面积，所述液体导流片（5）的中心在所述升气通道管（3）的轴线上。

7.一种精馏柱，其特征在于，所述精馏柱内部包含至少一个权利要求1中所述的毛细管液相分布器；

所述升气通道管（3）的径向截面积与精馏柱的径向截面积之比为5%~30%；

所述毛细管（1）的数量与精馏柱的径向截面积之比为0.1 个/平方厘米~10 个/平方厘米，所述毛细管1的长度为10 mm~400 mm。

8.根据权利要求7所述的精馏柱，其特征在于，所述毛细管液相分布器的喷淋密度为0.01 m³/（m²×h）~2.5 m³/（m²×h）；

所述精馏柱的直径为15 mm~150 mm。

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