[发明专利]悬挂式偏心降液管浮阀塔板设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种悬挂式偏心降液管浮阀塔板设计方法，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(见图1)，液体从塔板入口到出口之间沿液体流向的液面落差会造成板上液层高度的不均匀分布，并由此影响气体的分布，因为气体密度小，液层厚的区域气体分配少，所以靠近塔板入口的区域液层较厚，容易发生过量泄漏，靠近塔板出口的区域液层较薄，容易发生过量雾沫夹带，这种汽液分布的不均匀性严重影响了塔设备的处理能力和板效率。对大型塔设备，随着规模的扩大，由于板上持液惯性力的增大以及鼓泡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，汽液分布的均匀性急剧下降，汽液分布在宏观上不再简单遵循液面落差的分布规律，塔板上的操作状况也存在着很大的不确定性，不能再像小塔一样有效预测。因此，塔设备规模扩大会造成放大效应，主要表现在：泄漏点滞后、泄漏量猛增；雾沫夹带提前发生、将带量猛增；液噻点气速提前；持液不均匀分布导致气体不均匀分布，造成雾沫夹带、泄漏不均匀分布等。塔径或液相负荷越大，放大效应越严重。图2是小塔(Φ500mm)和大塔(Φ6400mm)的雾沫夹带与泄漏性能的试验数据对比。一般在小塔中，小气速下容易发生泄漏，而在高气速下容易发生雾沫夹带，所以图2(a)中小塔在泄漏现象消失以后才逐渐出现雾沫夹带，而图2(b)中大塔的泄漏消失点堰长，出现雾沫夹带的气速点提前，泄漏和雾沫夹带范围甚至重叠，即二者可以同时出现，说明大塔的不均匀性明显增加。图3为小塔和大塔的塔板泄漏照片，图3(a)中小塔的板上液层沿着液流方向形成较有规律的液面梯度，泄漏量沿着塔板上液流方向的分布也比较有规律，而图3(b)中大塔的泄漏量明显高于小塔，几乎呈数量级猛增。图4给出了Φ6400mm的大塔沿液流方向在塔板上分区的泄漏数据，鼓泡区入口的泄漏量明显高于其他区域，说明大塔泄漏的非均匀性十分显著。

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，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1)。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。偏心式降液管俯视显示为梯形(见图5)，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。

目前处理大液量、大塔径的多溢流问题，较为有效的技术为多降液管筛孔塔板(即MD塔板)，其全部降液管都采用悬挂在气相空间的结构，使得降液管出口阻力处处相等，在一定程度上缓解了多溢流塔板的液体不均匀分布。但MD塔板的相邻两层塔板的降液管呈90°交错排布，板上液体流场比较混乱，部分液流的路径很短，使得液体在塔板上的停留时间较短，部分区域还容易形成滞留和返混，影响塔板效率。并且，MD塔板在降液管下方不设受液盘，虽然增加了塔板的有效鼓泡区面积，但上层降液管下来的液体直接砸落到下层塔板上，存在严重的冲击泄漏，塔板效率低于普通塔板。

此外，悬挂式降液管没有板上液封，设计时要保证降液管里有一定高度的液层，能够形成自封，避免气体短路(见图6a)。降液管内的液层高主要由底板开孔率(即开孔面积/鼓泡区面积)和孔流系数C_o(见公式(1))决定。

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