[發(fā)明專利]以等停留時(shí)間法設(shè)計(jì)多溢流塔板的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210027386.6
• 申請(qǐng)日: 2012-02-08
• 公開（公告）號(hào): CN103239883A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曹睿;劉艷升;李勝山;劉統(tǒng)華;王蘊(yùn)慧;劉擁軍;李愛凌;劉登峰;昌興文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)石油天然氣股份有限公司;中國(guó)石油天然氣華東勘察設(shè)計(jì)研究院
• 主分類號(hào): B01D3/16
• 分類號(hào): B01D3/16
• 代理公司: 北京市中實(shí)友知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11013
• 代理人: 金杰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種以等停留時(shí)間法設(shè)計(jì)多溢流塔板的方法，屬于石油和化學(xué)加工工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

塔設(shè)備是常用的汽液傳質(zhì)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油和化學(xué)加工工業(yè)，目前在大型工業(yè)裝置中一般以板式塔為主。板式塔中通常采用汽液兩相錯(cuò)流接觸的形式，圖1為塔內(nèi)汽液接觸的示意圖。通常液體從塔板入口到出口堰之間沿液體流向存在液面落差，會(huì)造成板上液層高度的不均勻分布。隨著塔設(shè)備規(guī)模的擴(kuò)大，由于板上持液慣性力的增大以及汽液傳質(zhì)元件數(shù)目的增多，加劇了流體傳遞的波動(dòng)性和操作狀態(tài)的隨機(jī)性，使得塔內(nèi)汽液分布的均勻性急劇下降，在靠近塔板入口的區(qū)域液層較厚(氣體分布較少)，容易發(fā)生過(guò)量泄漏，在靠近塔板出口的區(qū)域液層較薄(氣體分布較多)，容易發(fā)生過(guò)量霧沫夾帶，對(duì)大型塔設(shè)備而言，二者可以同時(shí)出現(xiàn)且呈數(shù)量級(jí)猛增，這種汽液分布的不均勻性會(huì)嚴(yán)重影響塔設(shè)備的處理能力和板效率，也會(huì)給塔板上的操作帶來(lái)極大的不確定性。該現(xiàn)象稱之為塔設(shè)備的放大效應(yīng)，塔徑或液相負(fù)荷越大，放大效應(yīng)就越嚴(yán)重。圖2(a)是中、小規(guī)模塔板上液層不均勻分布的照片，液層沿著塔板流向呈現(xiàn)出較連續(xù)的液面梯度。圖2(b)是大規(guī)模塔設(shè)備的液層分布照片，液層的不均勻分布波動(dòng)性增強(qiáng)、規(guī)律性較差。塔設(shè)備存在著規(guī)模經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，為了降低成本，大型化是發(fā)展的必然趨勢(shì)，目前直徑10m以上的塔已經(jīng)很常見，所以緩解放大效應(yīng)對(duì)塔設(shè)備操作帶來(lái)的影響是普遍面臨的問(wèn)題。

目前解決放大效應(yīng)最為有效的方法是采用多溢流設(shè)計(jì)，即在塔板上采用多根降液管，將塔板分隔成多個(gè)鼓泡區(qū)，以減少流道長(zhǎng)度，并降低單股液體的液流強(qiáng)度(見圖3)。在多溢流設(shè)計(jì)中，中間降液管下來(lái)的液體要向兩邊的鼓泡區(qū)分配，設(shè)計(jì)難度比較大，因?yàn)橹虚g降液管向兩邊鼓泡區(qū)分配的液量由降液管兩側(cè)出口的截面積決定降液管出口截面積等于降液管出口的底隙(即降液管出口底邊至下層塔板的垂直距離)高度乘以出口堰長(zhǎng)。形狀對(duì)稱的降液管設(shè)計(jì)相對(duì)容易一些，而對(duì)于溢流通道數(shù)大于等于三溢流的塔板，中間存在著非對(duì)稱的偏心式降液管，就很難實(shí)現(xiàn)液體的均勻分配。偏心式降液管的水平截面為梯形(見圖4)，左右兩邊的堰長(zhǎng)不等，使得同樣的底隙(即降液管出口底邊至下層塔板的垂直距離)高度下降液管的出口面積不等，出口阻力不等，從而引起液體的不均勻分配，流道數(shù)越多，分配效果越差。因此，帶有偏心式降液管的多溢流塔板設(shè)計(jì)存在著極大的復(fù)雜性和不確定性?，F(xiàn)有專利技術(shù)中，“一種能平衡液體流動(dòng)的多溢流塔板”(專利號(hào)US4995946)，在各個(gè)偏心降液管或者同一偏心降液管左右兩側(cè)的降液管板下方采用了不同的底隙高度，以確保底隙出口面積相同。這種方法中每個(gè)偏心降液管、甚至同一個(gè)偏心降液管下方的底隙高度都是不同的，設(shè)計(jì)上比較麻煩。“一種汽液傳質(zhì)設(shè)備”(專利號(hào)US3729179)，在降液管底隙下安裝了多個(gè)擋條，通過(guò)改變擋條的個(gè)數(shù)和安裝高度來(lái)調(diào)整底隙面積。這種方法雖然每個(gè)偏心降液管下方的底隙高度是一樣的，但在降液管板下緣需要安裝新的塔內(nèi)件，增加了安裝的困難，操作中也很容易損壞，而且每個(gè)降液管下方的結(jié)構(gòu)也都有差別，增加了設(shè)計(jì)難度。

此外，塔板上的液流受堰的阻擋以及塔壁的約束作用，會(huì)引起收縮或擴(kuò)張流動(dòng)，使得板上的液層厚度增加、液體流型更為復(fù)雜，影響液流在流道上的停留時(shí)間，不利于流動(dòng)分布和氣液充分接觸，很大程度上降低了板效率和各個(gè)流道的處理能力。圖5是塔板上液體的縮流示意圖，圖6是板上液層高度的縮流系數(shù)的計(jì)算圖。

目前，多溢流塔板設(shè)計(jì)一般有兩種基本方法，等鼓泡面積法(EBA)和等流道長(zhǎng)度法(EFPL)。等鼓泡面積法(見圖7a)中，各流道的有效鼓泡面積相等，氣體在各鼓泡區(qū)分配的量也相等。理論上看，因?yàn)闅庖毫髁烤?，接觸后應(yīng)該能達(dá)到較為理想的傳質(zhì)效果。但實(shí)際上，塔板上各個(gè)鼓泡區(qū)的寬度是不同的，所以在同樣面積下鼓泡區(qū)的流道長(zhǎng)度就會(huì)不同，塔板中間的鼓泡區(qū)寬度最長(zhǎng)，流道長(zhǎng)度最短，所以液流在鼓泡區(qū)的停留時(shí)間也就最短。從動(dòng)力學(xué)角度看，氣液接觸時(shí)間決定了傳質(zhì)的效率。因此，等鼓泡面積法中各鼓泡區(qū)的汽液傳質(zhì)效果不均勻。

等流道長(zhǎng)度法(見圖7b)則在一定程度上克服了等鼓泡面積法的上述不足，由于流道長(zhǎng)度相等，在各鼓泡區(qū)內(nèi)液體的停留時(shí)間比較接近，傳質(zhì)效果相當(dāng)。但等流道長(zhǎng)度法的鼓泡區(qū)面積也因此相差較大，特別是兩側(cè)邊緣鼓泡區(qū)的面積就遠(yuǎn)小于中心鼓泡區(qū)，各個(gè)鼓泡區(qū)內(nèi)分布的汽、液相流量也差別較大，從而引起各區(qū)內(nèi)汽液流型的差異。