CN114433000B - 一种高速自旋流气液传质系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速自旋流气液传质系统。所述传质系统包括壳体、塔板构件和塔板；塔板构件包括气液分离管、进液管和降液装置；气液分离管贯穿塔板设置，其中下部设置空心螺旋喷头，其下端设置底板，底板外边缘与气液分离管底部焊接，底板内边缘与空心螺旋喷头进口焊接固定；空心螺旋喷头中心流道为空心，螺旋锥为空心结构；进液管一端与空心螺旋喷头螺旋锥顶端进液口连接，另一端穿过气液分离管管壁延伸至相邻塔板上方；空心螺旋喷头螺旋锥四周设置与进液管相通的小孔；降液装置位于底板下方，其包括降液槽、分布槽；降液槽上端开口于底板上，降液槽下端开口与分布槽的开口相对。本发明的传质系统具有安全可靠、操作简单、投资费用低等特点。

Description

一种高速自旋流气液传质系统
技术领域
本发明涉及气液强化传质及节能技术领域，特别是涉及一种高速自旋流气液传质系统。
背景技术
随着石油化工生产装置的不断扩能升级，生产装置的处理量和体积不断加大，其中塔器是石化生产装置中尤为重要的设备。大直径塔器设备不仅增加了设备运输、现场安装的难度，重要的是大幅度增加了设备投资。因此，研发高效、大通量的气液传质塔器及塔盘具有很大的意义。
国内外Ⅰ类大通量塔板是通过减少阻力来增加有效重力系数，一方面采用喷射式塔板减少板间压降，比如舌型塔板、网孔塔板等；另一方面通过改变降液管结构或气液接触元件减少阻力。国内外Ⅱ类大通量塔板的原理是通过离心力来增加重力场力，通过引入离心接触和分离装置，提高塔板的处理能力和效果。比如Shell公司开发的Con-Sep塔板、Jager公司研发的Co-Flo塔板等，这些塔板以离心力强化传质后，存在大量雾沫夹带现象，如何再使气液能高效分离是该塔板的技术不足。
专利CN104959106A公开了一种气升旋流吸液与降液隔离式塔板。该发明属于接触式气液传质技术领域。其机理和外貌类似于普通塔板，但具明显差别。首先，该发明增设了一个隔绝气相的进液储液夹层，从而完全避免了常规塔板中，高速气相上升流推举液相，使其下降受阻导致“液泛”的问题。其次，在气相上升流各通道中，均固装一组旋流导流叶片，使上升气相高速旋转，产生离心力场：一方面从中心低压区吸入液相，使液相的循环流动更加顺畅；另一方面使吸入的液相在气相旋转“组合涡”层间角速度差剪切的作用下，撕裂成无数细小的雾滴颗粒，大大增加了与气相接触的比表面积，提高气液传质的效率；同时，高速旋转流场使得形成的雾滴高效分离，避免了雾沫夹带现象。该发明可成倍提升塔内气体流速、减小塔径，提高设备的单位体积效率。但是该发明中气相升流管的管壁设有多个管壁孔，处理气体可以通过管壁孔进入塔板之间的空间形成涡流而增加塔板阻力，并且气体只能通过气相升流管流动至塔顶，气体在塔板间不能再次分配，气体在塔内可能存在偏流问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种高速自旋流气液传质系统，所述系统通过设置静态旋流构件、高效气液分离构件等，强化气液传质效果，减少塔径塔高，提高气液传质效率。该系统具有安全可靠、设备及操作简单、投资费用低等特点。
本发明提供了一种高速自旋流气液传质系统，所述气液传质系统包括壳体，所述壳体内包括多个塔板构件和多块塔板；
所述的塔板构件包括气液分离管、底板、空心螺旋喷头、实心螺旋帽、进液管和降液装置；
所述的气液分离管贯穿塔板设置；气液分离管的中下部设置空心螺旋喷头，气液分离管下端设置圆环形底板，所述底板外边缘与气液分离管底部焊接，底板内边缘与空心螺旋喷头进口焊接固定；
所述的空心螺旋喷头中心流道为空心，螺旋锥为空心结构，中心流道与空心螺旋喷头进口管同轴；
所述进液管的一端与空心螺旋喷头螺旋锥顶端进液口连接，另一端（即进口端）穿过气液分离管管壁延伸至相邻塔板上方；
所述的空心螺旋喷头螺旋锥四周均匀设置若干小孔，若干小孔与进液管相通，若干小孔的开孔面积小于等于进液管截面积；
所述的降液装置位于圆环形底板下方；降液装置包括降液槽、分布槽；降液槽的上端开口于圆环形底板上，降液槽的下端开口与分布槽的开口相对。
进一步的，所述降液槽的上端开口为一条以上的条缝。降液条缝一般为3~8条，优选为4~6条。
进一步的，降液槽和分布槽均为环形槽。降液槽的上端与圆环形底板固定连接。分布槽位于降液槽外部，并通过降液槽外表面固定；其固定方式采用多点固定，一般采用4~8个点固定。分布槽包括内环、外环和底板，分布槽开口与降液槽的下端开口相对。分布槽的内环为短边，外环为长边。内环高度为外环高度的0.5~0.9倍，优选0.5~0.7倍。优选地，分布槽内环的上沿高于降液槽的下端开口。
进一步的，所述降液装置还包括外环导流板和内环导流板。所述内环导流板和外环导流板均为圆环形。内环导流板上端与空心螺旋喷头进口管下端固定连接；外环导流板上端与圆环形底板固定连接；内环导流板下端比分布槽内环下端低10mm~50mm，外环导流板下端与分布槽外环下端高度齐平。所述的分布槽、降液槽、内环导流板、外环导流板及底板均与螺旋喷头进口管为同中心轴布置。
进一步的，进液管的进口端穿过气液分离管且固定于气液分离管上。进液管的开口向下，进液管开口距塔板的高度一般为10~50mm，优选20~40mm。
进一步的，空心螺旋喷头上设置小孔的孔径一般为1~3mm，优选1~2mm。
进一步的，所述气液分离管的内壁设有若干条分离构件。分离构件优选为凸起。分离构件高度与气液分离管高度一致，分离构件厚度一般为1~2mm，宽度一般为4~10mm。分离构件的宽度方向与气液分离管内壁固定焊接。
本发明所述塔板系统的工作原理是：上一层塔板上的液体通过进液管进入空心螺旋喷头中，经由空心螺旋喷头螺旋锥四周的小孔流出。液体在螺旋喷头表面被螺旋上升的气体剪切、雾化，并进行传质过程。被雾化的液体随气流螺旋移动与气液分离管和实心螺旋帽相遇，携带雾化液体的气体撞击气液分离管内壁及实心螺旋帽壁，气体流速及流动方向均发生改变。气体流速和流向的改变，降低了气体对其中所含雾化液体的携带能力，使得雾化的液滴在分离构件与气液分离管管壁结合处被捕获并发生聚结。通过分离构件和实心螺旋帽实现雾化液体与气体分离，在气液分离的过程中进一步强化气液传质，被气液分离管分离的液体聚结成液流，并沿着分离构件由上向下流动至底板上。分离下来的液体通过降液槽流至分布槽内，液体进一步通过分布槽短边内环溢流、并经内环导流板再次分布为环形液幕，当气流从下一层塔板上升时首先与环形液幕接触发生气液传质，气液接触传质后液体落入下一塔板，气体进入空心螺旋喷头。当塔的操作液气比较大时，液体来不及从分布槽内环溢流时，液体可从分布槽外环溢流、并经外环导流板再次分布为环形液幕，强化气液传质，避免塔板液泛。
与现有技术相比，本发明的高速自旋流气液传质系统具有如下有益效果：
1、本发明的高速自旋流气液传质系统中，液体通过空心螺旋喷头、气液分离管及实心螺旋帽多次强化传质，强化气液传质及分离效果，有效地提高了塔板的传质效率。在气速增大的条件下，本发明强化传质的效果更为明显，可有效缩小塔板间距和塔径，减少塔器投资。
2、本发明的高速自旋流气液传质系统中，液体通过气液分离管从气体中分离出来，再经降液装置自流至下一层塔板，在液体和气体通过上下层塔板时，气液两相通过液幕（液膜）直接接触，可进一步提高气液传质效果。并且，由于上下塔板间气速远低于塔板构件内气速，可有效避免上升气体对下降液体的推举作用引起的气液夹带现象。
附图说明
图1 是本发明气液传质系统的结构示意图。
图2是本发明气液传质系统中塔板构件的结构示意图。
图3是本发明气液传质系统中气液分离管的纵截面结构示意图。
图4是本发明气液传质系统中气液分离管的横截面结构示意图。
图5是本发明气液传质系统中降液装置的纵截面结构示意图。
图6是本发明气液传质系统中降液装置的横截面结构示意图。
其中，1-壳体，2-塔板，3-塔板构件，4-底板，5-降液装置，6-空心螺旋喷头，7-进液管，8-实心螺旋帽，9-气液分离管，10-小孔，11-分离构件，12-降液槽，13-分布槽，14-内环导流板，15-外环导流板，121-上端开口，122-下端开口，131-内环，132-水平底板，133-外环。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体结构，但不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明气液传质系统由壳体1，壳体1内包括多个塔板2和多个塔板构件3。如图2所示，所述塔板构件3包括气液分离管9、圆环形底板4、空心螺旋喷头6、实心螺旋帽8、进液管7和降液装置5。
如图2所示，气液分离管9贯穿塔板2设置。气液分离管9的中下部设置空心螺旋喷头6，气液分离管9下端设置圆环形底板4，圆环形底板4的外边缘与气液分离管9底部焊接，圆环形底板4内边缘与空心螺旋喷头6进口焊接固定。
空心螺旋喷头6的中心流道为空心，螺旋锥为空心结构，中心流道与空心螺旋喷头6进口管同轴。进液管7的一端与空心螺旋喷头6螺旋锥顶端的进液口连接，另一端即进口端穿过气液分离管9管壁延伸至相邻塔板2上方。空心螺旋喷头6螺旋锥的四周均匀设置若干小孔10，小孔10与进液管7相通。若干小孔10的开孔面积小于等于进液管7截面积，小孔10的孔径一般为1~3mm，优选1~2mm。
进液管7的进口端穿过气液分离管9且固定于气液分离管9上，进液管7的进口向下。进液管7进口距塔板的高度一般为10~50mm，优选20~40mm。
如图3-4所示，气液分离管9的内壁设有若干条分离构件11。分离构件为凸起。分离构件11的高度与气液分离管9高度一致。分离构件11厚度一般为1~2mm，宽度一般为4~10mm。分离构件的宽度方向与分离管9内壁固定焊接。
如图2所示，所述的降液装置5位于圆环形底板4的下方。
如图5所示，降液装置5包括降液槽12、分布槽13，优选还包括外环导流板15和内环导流板14，降液槽12和分布槽13均为环形槽。降液槽12的上端开口121于圆环形底板4上，降液槽的下端开口122与分布槽13的开口相对。分布槽13由内环131、水平底板132和外环133构成，内环131的上沿低于外环133的上沿；优选地，内环131的上沿高于降液槽12的下端开口。内环131高度为外环133高度的0.5~0.9倍，优选0.5~0.7倍。降液槽12的上端与圆环形底板4固定连接，分布槽13位于降液槽12外部并通过降液槽12外表面固定。其固定方式采用多点固定，一般采用4~8个点固定。
内环导流板14和外环导流板15均为圆环形。内环导流板14位于内环131内侧，其上端与空心螺旋喷头6进口管下端固定连接；外环导流板15位于外环133外侧，其上端与圆环形底板4固定连接。内环导流板14下端低于分布槽13内环131的下端，优选低10mm~50mm。外环导流板15下端与分布槽13外环133下端高度齐平。的分布槽13、降液槽12、内环导流板14、外环导流板15及底板4均与螺旋喷头6进口管为同中心轴布置。
如图6所示，降液槽12的上端开口121包括若干条降液条缝。降液条缝的数量一般为3~8条，优选4~6条。
结合附图1-6，本发明的塔板系统的工作原理是：
上一层塔板2上的液体通过进液管7进入空心螺旋喷头6中，经由空心螺旋喷头6螺旋锥四周的小孔10流出。液体在螺旋喷头6表面被螺旋上升的气体剪切、雾化，并发生传质过程。被雾化的液体随气流螺旋移动与气液分离管9和实心螺旋帽8相遇，携带雾化液体的气体撞击气液分离管9内壁及实心螺旋帽8外壁，气体流速及流动方向均发生改变。气体流速和流向的改变，降低了气体对其中所含雾化液体的携带能力，使得雾化的液滴在分离构件11与气液分离管9管壁结合处被捕获并发生聚结。通过分离构件11和实心螺旋帽8实现雾化液体与气体分离，在气液分离的过程中进一步强化气液传质，被气液分离管9分离的液体聚结成液流，并沿着分离构件11由上向下流动至底板4上。分离下来的液体通过降液槽12流至分布槽13内，液体进一步通过分布槽13短边内环131溢流、并经内环导流板14再次分布为环形液幕，当气流从下一层塔板2上升时首先与环形液幕接触发生气液传质，气液接触传质后液体落入下一塔板2，气体进入空心螺旋喷头6。当塔的操作液气比较大时，液体来不及从分布槽13内环131溢流时，液体可从分布槽13外环133溢流、并经外环导流板15再次分布为环形液幕，强化气液传质，避免塔板2液泛。

Claims (12)

1.一种高速自旋流气液传质系统，所述气液传质系统包括壳体，所述壳体内包括多块塔板和多个塔板构件；所述的塔板构件包括气液分离管、圆环形底板、空心螺旋喷头、实心螺旋帽、进液管和降液装置；
所述的气液分离管贯穿塔板设置；气液分离管的中下部设置空心螺旋喷头，气液分离管下端设置圆环形底板，所述底板外边缘与气液分离管底部焊接，底板内边缘与空心螺旋喷头进口焊接固定；
所述的空心螺旋喷头中心流道为空心，空心螺旋喷头的螺旋锥为空心结构，中心流道与空心螺旋喷头进口管同轴；所述进液管的一端与空心螺旋喷头的螺旋锥顶端进液口连接，另一端穿过气液分离管管壁延伸至相邻塔板上方；
所述空心螺旋喷头的螺旋锥四周设置若干小孔，若干小孔与进液管相通，若干小孔的开孔面积小于等于进液管截面积；
所述的降液装置包括降液槽、分布槽；降液装置位于圆环形底板的下方；降液槽的上端开口于圆环形底板上，降液槽的下端开口与分布槽开口相对；
所述的实心螺旋帽位于气液分离管内，且位于空心螺旋喷头的上方；上一层塔板上的液体通过进液管进入空心螺旋喷头中，经由空心螺旋喷头的螺旋锥四周的小孔流出；液体在螺旋喷头表面被螺旋上升的气体剪切、雾化，并进行传质过程；被雾化的液体随气流螺旋移动与气液分离管和实心螺旋帽相遇，携带雾化液体的气体撞击气液分离管内壁及实心螺旋帽壁，气体流速及流动方向均发生改变。
2.按照权利要求1所述的气液传质系统，其特征在于，所述的分布槽包括内环、外环和水平底板，内环上沿低于外环上沿。
3.按照权利要求1所述的气液传质系统，其特征在于，所述降液槽的上端开口包括一条以上条缝。
4.按照权利要求1所述的气液传质系统，其特征在于，所述的降液槽和分布槽均为环形槽。
5.按照权利要求1所述的气液传质系统，其特征在于，所述降液槽的上端与圆环形底板固定连接，所述分布槽通过降液槽外表面固定。
6.按照权利要求1所述的气液传质系统，其特征在于，所述的降液装置还包括外环导流板和内环导流板，内环导流板上端与空心螺旋喷头进口管下端固定连接，外环导流板上端与圆环形底板固定连接。
7.按照权利要求6所述的气液传质系统，其特征在于，所述的分布槽、降液槽、内环导流板、外环导流板及底板均与螺旋喷头进口管为同中心轴布置。
8.按照权利要求2所述的气液传质系统，其特征在于，所述内环的上沿高于降液槽的下端开口。
9.按照权利要求1所述的气液传质系统，其特征在于，所述进液管的进口端穿过气液分离管且固定于气液分离管上，进液管的开口向下。
10.按照权利要求1所述的气液传质系统，其特征在于，空心螺旋喷头上设置小孔的孔径为1~3mm。
11.按照权利要求1所述的气液传质系统，其特征在于，所述气液分离管的内壁设有若干条分离构件，所述分离构件为凸起。
12.按照权利要求11所述的气液传质系统，其特征在于，所述分离构件的高度与气液分离管高度一致，分离构件的宽度方向与气液分离管内壁固定焊接。
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