[发明专利]以等停留时间法设计多溢流塔板的方法

说明书

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。