CN100542648C - 带有气体分布功能的液体预分布器 - Google Patents

Abstract

本发明属带有气体分布功能的液体预分布器。利用面对称两维导流型双列叶片气体分布器气体分布均匀的特性，同时设计加入挡气密封环2，使其与集液内筒3、集液底环4共同形成环状物料汽液两相分离室。该室的上端开有方形或圆形孔作为汽液分离后气体的出口，气体进入到面对称两维导流型双列叶片气体分布器中，均匀分布后进入到上面的填料层中，而液体则通过分离室底部集液底环上的导流孔中流入下面的汽液分布器中。本发明占塔空间低，节约设备投资；安装简便要求低，操作弹性范围广，适用性强。可用于工业生产中气液传质、分离、传热等操作过程中各种规格的填料塔的两相进料或闪蒸进料的装置中。

Description

带有气体分布功能的液体预分布器

技术领域

本发明属于分布器的技术领域，特别涉及带有气体分布功能的液体预分布器。

背景技术

填料塔内尤其是大直径填料塔气体分布其实非常重要。气体分布不均匀不但造成填料传质效率的下降，而且由于它的偏流存在，产生“马太效应”，进而造成原本与其逆向均匀流动的液体偏流，因此高效填料塔的设计与改造，对于气相进料及气体分布装置的设计应予以足够的重视。气相分布装置就是为了在不同情况下使气相进入塔内初期达到稳定、均匀的目的。气体分布器主要有管式、排管式、缺口式、双列叶片式、双切向环流式等。

在液体进料装置中，液体进料状态不同，进料装置各异。对于一般流量液体单相进料，可直接进入液体分布器，对于大流量液体单相进料则先进入液体预分布器，然后再由液体预分布器流入液体分布器。

进液装置中的液体预分布器就对液体分布器性能发挥的好坏产生重要的影响。重力型液体分布器是依靠每个分布孔上的液位一致性达到均匀分布得目的，如果每个孔上液位不一样，则意味着每个分布孔流出的液体量不相同，达不到均匀分布的效果。当进液预分布器的下面采用槽盘式液体分布器且液体流量较大时，如果采用一般的进液预分布器，由于液体预分布器分布点少，液体预分布器每孔流出的液体流量大、初始流速高、动量大，再加上自由落体的加速度，使得进入到槽盘式液体分布器的液体具有很高的速度，造成对液体分布器液面的冲击，冲击点附近的液位极不稳定，从而造成液体不均匀分布，进而影响到填料的传质性能。

通常填料塔进料位置分为塔底进料、填料层间进料、塔顶进料。包括气相进料、液相进料与气液两相进料。在填料塔的进料中，存在着大量的汽液混合进料过程，如中间再沸器的进料、减压进料、闪蒸进料等。为了使气液两相均匀分布，一般处理方法分为两种，一是在塔外设置汽液分离罐先将汽液进行分离然后分别进入塔内，其缺点是增加一台设备；二是采用最常用的管式汽液分布器，在塔内进行汽液分离，但缺点是在大流量下容易造成气体分布不均匀，且占塔空间大。对于闪蒸进料，由于存在气相而不能直接进入分布器或集液槽中，而必须先将气液分离开，然后气体和液体分别进入上段填料层和下面的液体分布器中。

已申请的专利2006201520038“提高气液分布器液流量精度的壁流布液器”就一种提高槽盘式气液分布器液流量精度的液体预分布器。它针对在大液体流量下，气液分布器上面下流的液体直接落在受液盘的液面上动能较大，使受液盘上的液面波动很大，因此造成槽盘式液体分布器上各喷淋孔的液流量波动大、不均匀、与设计值相差较大，致使液体分布不均匀、传质效率低下等问题，使之得到改善和解决。但是对于含有气体的混合进料过程，如果使用该专利，只能在沿塔壁周边的环形范围内分布上升气体，而塔中心处没有气体，气体分布及不均匀，并且由于环形气体上升的面积小造成上升气速非常高，形成雾沫夹带造成填料塔内传质效率的下降。

发明内容

为解决上述问题，本发明在“提高气液分布器液流量精度的壁流布液器”专利的基础上，经过更进一步的研究和实验，利用面对称两维导流型双列叶片气体分布器气体分布均匀的特性，同时设计加入挡气密封环2，使其与集液内筒3、集液底环4共同形成环状物料汽液两相分离室。该室的上端开有方形或圆形孔作为汽液分离后气体的出口，然后气体进入到面对称两维导流型双列叶片气体分布器中，均匀分布后再进入到上面的填料层中，而液体则通过分离室底部集液底环上的导流孔中流入下面的汽液分布器中。但是，这并不是简单的组合，而是经过诸多的实验、计算而得到的。

随着计算流体力学理论与计算手段的发展，采用数值模拟方法对化工单元操作设备的内部流场进行分析，并将结果和结论用于指导大型气体分布结构设计已成为可能.按照填料塔内气体分布结构截面对称的设计原则，并且采用FLUENT软件应用相应的物理数学模型对不同结构的气体分布结构进行数值模拟，以此来设计气体分布器。对面对称两维导流型双列叶片气体分布器可采用三维N—S方程作为控制方程，利用标准湍流模型和封闭雷诺时均方程，选择合适的壁函数方法处理其湍流的固体边界，研究得出气体进口处流体动能因子的最佳取值范围在4.5—13(m/s·(Kg/m3)^0.5)之间，可以充分保证面对称两维导流型双列叶片气体分布器的分布不均匀度控制在0.5以下。因为气体初始进气速度对气体分布器的分布均匀度影响至关重要，一般以控制汽液分离后气体进入双列叶片气体分布器进口的动能因数为主，其计算公式为：

$F=\frac{\mathrm{\φL}}{3600A_s\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g}}$

其中 φ—进料中含气率(Kg/Kg)           ρ_G—气体密度(Kg/m³)

     L—进料流量(Kg/h)                A_S—集液内筒3开孔面积(m²)

     F—动能因子(m/s·(Kg/m³)^0.5)

当然气体分布不均匀度还同气体粘度、双列叶片长度、叶片结构形式等参数有关，但计算结果表明只要动能因子在一定范围内其不均匀度变化范围不大，在工程控制误差范围内，是可行的。

本发明的带有气体分布功能的液体预分布器，包括集液内筒3、集液底环4、挡气密封环2、导液体5、双列叶片气体分布器1、防冲环板6；其特征是所述双列叶片气体分布器1固定在集液内筒3上面，双列叶片气体分布器1气体进口与集液内筒3上的出口相接。

所述双列叶片气体分布器1的大端形状和面积与集液内筒上的方孔或圆孔相匹配，其面积大于集液内筒上的方孔或圆孔的面积。

所述的集液内筒3置于集液底环4的上面并与之密封焊接，在其上端面的外侧与挡气密封环2密封焊接。

所述的挡气密封环2与集液内筒3、塔壁7相密封焊接，并同集液底环4共同形成环状物料汽液两相分离室，经过面对称两维导流型双列叶片气体分布器，气体均匀分布后进入到上面的填料层中，液体则通过分离室底部集液底环上的导流孔中流入下面的汽液分布器中。

所述集液底环4与塔壁7相焊接。在其之上开有一定数量的布液孔并通过该孔液体流到导液板5上。

在填料塔的设计和改造过程中，可于存在的下列情况中采用带有气体分布功能的液体预分布器：

1.在塔体的顶端、填料之间、和塔体下端设有进料口。

2.进塔物料中含有汽液两相或进塔后液体物料部分形成闪蒸。

3.含有一定量气体且液体流量非常大，一般指空塔液体喷淋密度大于20m³/m².h。

4.与槽盘式汽液分布器共同使用。

5.空塔液体喷淋密度小于20m³/m².h时可与其它进液预分布形式并存。

带有气体分布功能的液体预分布器比较排管式液体预分布器制作简单，省工、省料成本低；占塔空间低，节约设备投资；安装简便要求低，操作弹性范围广，适用性强。可用于工业生产中气液传质、分离、传热等操作过程中各种规格的填料塔的两相进料或闪蒸进料的装置中。

附图说明

图1：本发明结构示意图。

图2：本发明俯视结构示意图。

图3：本发明侧视结构示意图。

图4：本发明在填料塔内工作状态示意图。

图5：本发明中双列叶片气体分布器局部放大结构示意图。

图6：本发明局部放大结构示意图一。

图7：本发明局部放大结构示意图二。

1-双列叶片气体分布器  2-挡气密封环  3-集液内筒  4-集液底环  5-导液板  6-防冲环板  7-塔壁  8-进料管  9-槽盘式液体分布器

具体实施方式

下面结合附图1-7对本发明做进一步的详细说明：参见附图1、图2和图3含有一定量的气体进料溶液从进料管8送入到塔内，首先进入到有集液内筒3、集液底环4、挡气密封环2、塔壁7共同形成环形的汽液体分离和储存空间，在其中气体从溶液中分离或闪蒸出来储存在空间的上部，不含气体的溶液储存在空间的下部；上部的气体通过设在集液内筒3上的方形或圆形气体出口一定的流速进入到面对称两维导流型双列叶片气体分布器1中，参见附图5，气体分布器将气体均匀分布后进入到上面的填料层中；参见附图6和附图7，储存空间下部的液体则通过集液底环4上的导流孔流入到导液板5上。导液板5焊接在集液底环2上，并与之形成30度角并朝向塔壁7倾斜。参见附图4，从导液板5流下的液体流到防冲环板6上并沿塔壁流到下面的槽盘式汽液分布器中。该分布器再将液体进行均匀分布。

某石油化工厂甲乙酮装置中的萃取精馏塔，直径2400mm，高度约71米，工艺上采用MEK溶液萃取精馏丁烷和丁烯。为了提高精馏效率，降低能耗在塔的中部设置了2个中间再沸器。从上段填料经收集后流出的液体进入再沸器，经过其加热后再进入下段的填料层中。再沸器中溶液循环量为170m³/h，液体空塔喷淋密度达到45m³/m²·h，加热后气化率约为循环量的10-20％，含有大量的气体。原设计进料方式仅为单管式塔内汽液分离进料形式，由于气体集中在塔中心的一条直线范围内闪蒸，使得在如此大的直径塔中进入上段填料的气体分布极不均匀；同时由于其液体出口流出速度为3m/s左右，再加上分布管孔距离液体分布器液面1.2m的高度，液体进入到分布器中的流速高达5-6m/s，这样高的速度会对液体分布器的液面稳定性带来极不利的影响，使得液体流入处的液面产生剧烈波动，从而造成液体分布不均匀。由于汽液初始分布的不均匀，影响到填料的传质效率，使得萃取精馏塔丁烷收率标达不到规定要求。如果设计采用塔外汽液分离罐，会增加许多附加设备投资，如果采用塔内气体分布加液体分布器，由于需要空间较大，塔体高度增加较多，不但增加内件投资也增加设备投资。

我们设计采用带有气体分布功能的液体预分布器。含有气体的溶液从直径为3000mm进液管8中进入塔内，带有气体分布功能的液体预分布器的集液底环2距槽盘式气液分布器底盘1200mm；集液底环4和挡气密封环2的宽度都为240mm；集液内筒3高度450mm，其上开有沿塔周长方向长400mm，沿塔高方向长200mm的方形气体出口。分离后的气体经此口进入到面对称两维导流型双列叶片气体分布器1中，然后进行气体分布，气体进口的动能因子为11m/s·(Kg/m3)^0.5，可以满足气体分布器均匀分布的要求。由于双列叶片气体分布器1的存在，使得上段填料的气体初始分布得到较好的改善，分布非常均匀；在集液底环4之上开有218个Φ15mm的布液孔，液体通过该孔流到导液板5上。从导液板流下的液体流到防冲环板6上并沿塔壁流到下面的槽盘式液体分布器中。防冲环板6是具有400mm高度和12mm厚度且沿塔体周长焊接一圈的与塔体具有相同材质的材料，其作用一是起到动能缓冲，二是防止对塔壁造成冲刷腐蚀。导液板5充分吸收了高速液体的冲击能量并在全塔周长的范围内流出液体，使得液体初始流速非常低。以50mm液体出口宽度计算，液体初始流速仅为0.4m/s，再加上1m的空间高度到达液体分布器液面，液体流速不过2.5m/s，远远低于排管式液体预分布器的液体流速，对槽盘式液体分布器液面带来的影响几乎为零，从而保证了从槽盘式气液体分布器的升气槽槽板上的喷淋孔喷流出的液体量稳定，提高了气液分布器液流量精度。所以采用本发明不但在气体得到均匀分布的同时，液体分布器的分布也得到保证，是非常好的方案。

生产操作的结果表明，采用带有气体分布功能的液体预分布器后，由于气体、液体分布器初始分布的均匀性的提高，汽液传质效果明显得到改善，传质效率大幅提高，丁烷的收率达到了规定要求从而降低了产品成本，取得了很好的经济效益。

Claims (3)

1.一种带有气体分布功能的液体预分布器，包括集液内筒(3)、集液底环(4)、挡气密封环(2)、导液板(5)、双列叶片气体分布器(1)和防冲环板(6)；其特征是双列叶片气体分布器(1)固定在集液内筒(3)上面，双列叶片气体分布器(1)气体进口与集液内筒(3)上的出口相接；集液内筒(3)置于集液底环(4)的上面并与之密封焊接，集液内筒(3)上端面的外侧与挡气密封环(2)密封焊接；挡气密封环(2)与集液内筒(3)、塔壁(7)相密封焊接，并同集液底环(4)共同形成环状物料汽液两相分离室。

2.如权利要求1所述的带有气体分布功能的液体预分布器，其特征是所述的双列叶片气体分布器的大端的形状和面积与集液内筒上的连接的出口相匹配。

3.如权利要求2所述的带有气体分布功能的液体预分布器，其特征是所述的双列叶片气体分布器的大端面积大于集液内筒上的方孔或圆孔的面积。

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