CN101874933A - 一种促进汽液分离的复式溢流堰 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于板式塔中弓形降液管的复式溢流堰，包括堰板、开孔、汽液通道和导气管，堰板由两层或两层以上堰板构成，由低到高按一定梯度排列。该结构对液体进入降液管具有分配导流作用，能提高降液管空间利用率，可防止形成气穴，促进汽液分离，降液管处理能力可提高10～20％；堰板能形成多个不同高度的堰，板上液层高根据液量自动调节，设计弹性可增大10～15％；堰板下缘不平齐，流体在降液管内可以沿高差横向流动，有利于气体逸出；还可调整塔板液流分布，缓解滞留区和返混，改善汽液接触，传质效率能提高5～15％；堰板上开孔可将部分液体卸流，减轻形成涡流的趋势，导气管可将夹带气体导出，消除压力波动。适合大液量操作。

Description

一种促进汽液分离的复式溢流堰

技术领域

本发明涉及一种主要用于石油和化学加工工业板式塔中的溢流堰。

背景技术

溢流堰是板式塔的重要内构件。在塔板上设置溢流堰的作用是为了使塔板上维持一定厚度的液层，使通过塔板上升的汽相与板上流动的液相进行充分接触传质。溢流堰的结构尺寸对降液管的处理能力以及塔板的传质效率都有显著影响。

当液体溢流进入降液管后，液体中还夹带有相当多的未及分离的气体，使得降液管内的泡沫层增高，降液管的液相处理能力受此制约；并且，当液体流量较大而降液管面积又较窄时，液体溢流越堰抛射时会形成液体“瀑布”，把降液管内与液体分离逸出的气体包封住不能排出，在堰板后面产生气体空腔，使得液流容易在降液管口形成噎噻，不能正常下流，由此也会造成降液管液泛(见图1)。

溢流堰对塔板上流场分布的均匀性也有显著影响。因塔壁对溢流堰附近液流的收缩作用，以及塔板上鼓泡元件及气体上升的阻滞作用，塔板上的液流不能形成理想的平推流，特别是在塔板两侧存在液体滞留区(见图2)，堰的形状结构对滞留区面积大小及液体的返混程度有显著影响；同时，溢流堰越高(如加压塔)，液层越厚，汽液接触时间越长，传质效率也就越高，但气相通过塔板需要克服的阻力也越大，塔板的压力降也就越大，处理能力会有所降低。因此，在实际工程设计中，溢流堰的尺寸和类型都有一定的设计要求。

目前在工业中应用最普遍的主要为平口堰，堰板为一直板，上缘平直；当液相负荷较低时，也可采用齿形堰，以保证低液量下塔板上的液体均匀流动。此外，西方国家还常用一种“后掠式堰(Swept-back)”或“弧形堰”(专利号：WO-9818534)，堰板采用折边或弧形，可增加堰长，降低溢流强度，并对改善流场有一定作用。还有一种栅栏堰(Picket Fence Weirs)，栅栏堰的堰板上部呈矩形齿状，可起到防冲溅挡板的作用，对安装水平度要求小于齿形堰，一般用于多溢流塔板。

有关堰以及与堰相关的降液管专利和专有技术还有：

“带有侧吹孔式出口堰的新型降液管”(专利号：ZL96205153.5)，其特点是入口堰与降液管相连，具有折三角形结构，堰上带侧吹孔，从塔板下上升的气流有一部分从侧孔吹出，利用这部分气流的推动作用可降低板上液面梯度。

“层板塔用降液管”(即Vortex塔板)是Sulzer公司开发的专利产品(专利号：98805791.3)，采用了形状如同旋风分离器的降液管，利用切向进液产生的离心力可对降液管内的汽液混合物分离具有促进作用。

“一类高性能入、出口堰”是中国石油大学开发的专利产品(专利号：ZL00233539.5)，堰板采用抹斜形状，通过降低堰两侧高度，使两侧的流动阻力降低，适当的提高塔板两侧的液流量，使弧形区域内的液体动能增加，可以调整塔板上的液流分布，改善塔板上的汽液相接触状况，也可以在一定程度上改善降液管内的汽液分离。

“具有多个降液管的气-液接触塔板”是shell公司开发的专利产品(专利号：ZL01805101.4)，特点是具有多个降液管口，液体分别从降液管的两边进入，降液管中设置多层板，主要起到防冲挡板和导向板的作用，可防止矩形降液管两侧液体之间的对冲，改善生产能力。

“the downcomer weir”是Nottingham大学改进的堰技术，该结构为进口堰，位于降液管里面，其长度约为弦长的75％，此堰能节省塔板空间，具有较好的液封作用。

现有堰存在的主要问题如下所示：

上述堰结构中，除了shell公司的“具有多个降液管的汽液接触性塔板”以外，其他结构都为单层堰板结构，如前所述，当液体溢流过堰时在堰板后面都会形成气穴，降低降液管处理能力。并且气穴中的气体由于不断积聚，当压力大于液体“瀑布”的阻力时，就会发生脉冲式波动，降低了操作稳定性，特别是对大液量和加压操作的塔设备。

对普通平直堰结构，除了降液管内汽液分离效果不好以外，如前所述，塔板上两侧弓形区域还存在液体滞留和返混，会降低塔板传质效率；并且因堰长较短，液流强度较大，液相处理能力也较低。

后掠式堰(Swept-back)”或“弧形堰”虽然对改善塔板上的流场分布作用明显，但对降液管内的汽液分离影响不大，而且该结构必须采用配套的降液管结构，对普通降液管的设备改造并不适用。

“层板塔用降液管”(Vortex塔板)虽然利用离心力对降液管内的汽液分离具有促进作用，但是并不能完全消除气穴，而且塔板结构比较复杂，要求进料量相对稳定，采用多个降液管还会使塔板上的流场变得很复杂，该堰结构也必须采用配套降液管，对普通降液管的设备改造也不适用。

“一类高性能入、出口堰”，在普通平直堰和弧形堰的基础上进行了改进，对塔板上的液流具有导向作用和调节流量分布的作用，也适用于普通降液管，但是单层堰板对液体进入降液管不具有导流作用，不能完全消除气穴。

shell公司的“具有多个降液管的汽液接触性塔板”只适用于矩形降液管，可起到防冲挡板和液体导流的作用，但不适用于普通的弓形降液管，而且侧面挡板的弯曲弧度要与液流方向相适应，需要考虑塔设备直径、堰高、降液管宽度、液相处理能力等，设计较为复杂，如果不能与液流量相匹配，反而会对流体起阻挡作用，增加降液管入口阻力。

“带有侧吹孔式出口堰的新型降液管”和“Notingham的改进”是对入口堰而非出口溢流堰的改进，对降液管内的汽液分离和改善塔板上的流场没有影响。

上述问题已经被实验室试验及工业应用所证实。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于弓形降液管的新型、高效的复式溢流堰，能够促进降液管内的汽液分离并改善塔板上的液流分配。该结构包括堰板、开孔和导气管，堰板由低到高按一定梯度排列。对液体进入降液管具有分配导流作用，可防止在降液管内形成气穴，促进汽液分离，提高降液管处理能力；还可以调整塔板上的液流方向及流量分布，改善汽液接触，提高传质效率；并能较好满足降液管空间利用率及对塔板设计弹性的要求。

本发明是这样实现的：

一种促进降液管内汽液分离的复式溢流堰，包括两层或两层以上的堰板(1)、堰板上的开孔(2)和汽液通道(3)，堰板(1)设置在塔板出口和塔壁之间，两层堰板(1)之间的空间构成了汽液通道(3)。

各层堰板(1)安装在塔板出口和塔壁之间，在塔板出口与降液板相连处，不设置堰板(1)，降液板上缘与塔板平齐。

各层堰板(1)上缘沿着从塔板出口至塔壁的方向，按着由低到高的梯度进行排列。

各层堰板(1)下缘，沿着塔板出口至塔壁的方向，排列的方式可以与上缘相同，也可以不同。

堰板(1)的上缘形状可以为平直，也可为弓形、梯形、齿形或其它非平直结构。

堰板(1)的堰本身可以为平直板，也可以为弧形板、弓形板或其它非直板结构。

堰板(1)的各层堰板上高出塔板的部分可以有开孔(2)。

堰板(1)之间的汽液通道(3)内可以设置导气管(4)。

堰板(1)上的开孔(2)可以为圆孔或长条形齿缝。

沿着液流方向，即沿着从塔板出口到塔壁的方向，每两个堰板1之间的间距比的范围是1∶1～1.5。

沿着液流方向，即沿着从塔板出口到塔壁的方向，每两个堰板1之间的高度比的范围是1∶1～3。

该复式溢流堰安装在板式塔内。

本发明的优点在于：

(1)与常规堰相比，本构型由两层或两层以上堰板构成，堰板对液体进入降液管具有分配导流作用，使得不同溢流强度下液流都可以根据抛射轨迹进入相应的堰板轨道，而不至形成液帘阻塞降液管口、在降液管内形成气穴，能较好满足降液管空间利用率，对汽液分离具有促进作用，特别是液量较大、在塔板出口不设置第一层溢流堰时，基本上不形成气穴，降液管处理能力可增大约10～20％。

(2)堰板由低到高按一定梯度排列，可形成多个具有不同堰高和间距的溢流堰，使得塔板上的液层高度可根据液相负荷大小自动调节，可降低塔板压力降并提高操作稳定性，设计弹性范围可增加10～15％。

(3)在塔板出口与降液板相连处不设置堰板，可以改善塔板的放大效应。因为常规塔在塔板出口一般都设有溢流堰，流堰可以使塔板上保持一定的液层厚度，使得气液相进行接触传质，但堰板的存在的同时，也会对液流产生阻挡作用，使得流体在堰口处产生相方向的反弹冲击，使得流体呈现波动性，设备规模越大，波动性对塔板操作的影响越显著，因此，溢流堰的存在是造成塔设备放大效应的根源。而本结构通过设置复式堰板，即可以使塔板上具有一定液层高度，保证充分的汽液相接触，又可以消除堰板对流体的阻挡作用。

(4)堰板的下缘不平齐，流体在降液管内可以沿高差梯度横向流动，对流体可以产生定向的扰动，有利于液体中夹带气体的逸出。

(5)可根据塔径和装置内的汽液负荷，选择复合堰板的形状(如弓形堰或齿形堰等)，由此可调整塔板上的液流方向及流量分布，使得液体滞留区和返混得到缓解或消除，促进液流分布的均匀性，改善汽液接触，传质效率能提高5～15％。

(6)堰板上根据体系物性(黏度、表面张力)设圆形或齿缝形开孔，可将部分液体从小孔卸流，减轻形成涡流的趋势，减小溢流阻力，降低液面落差。

(7)堰板上设导气管可便于降液管内液体中夹带气体的导出，降低降液管气含率，消除降液管操作的压力波动，提高操作稳定性。

(8)本发明的结构简单，实施方便，设计灵活，对现有普通弓形降液管的改造不需对其他塔内件作任何改动，可根据设备规模、操作负荷、体系起泡性等特点选取相应的结构，适用于各种液体负荷，特别适用于大液量操作。

附图说明

图1为常规堰形成气穴的示意图。

图2为常规堰形成塔板滞留返混区的示意图。

图3为本发明的结构示意图。(a)两层堰板；(b)三层堰板；(c)四层堰板

图4为本发明促进降液管内汽液分离的原理图。

图5为堰板的上缘形状示意图。(a)平口上缘；(b)齿形上缘，(c)弓形上缘，(d)弧形上缘

图6为堰板的形状示意图。(a)平板，(b)弧形板，(c)弓形板

图7为堰板上的开孔结构示意图。(a)圆孔，(b)齿缝

图8为导气孔结构示意图。

图9采用复式溢流堰的塔板与采用常规溢流堰的塔板的压降性能对比图。(a)低液流强度，(b)高液流强度

图10采用复式溢流堰的塔板与采用常规溢流堰的塔板的雾沫夹带性能对比。(a)低液流强度，(b)高液流强度

图11采用复式溢流堰的塔板与采用常规溢流堰的塔板的泄漏性能对比。(a)低液流强度，(b)高液流强度

图12为采用复式溢流堰的塔板与采用常规堰的塔板的流场停留时间分布图。(a)常规溢流堰，b)复式溢流堰

图13采用复式溢流堰的塔板与采用常规溢流堰的塔板的效率对比。(a)低液流强度，(b)高液流强度

具体实施方式

如附图3所示，本发明涉及的一种用于板式塔中弓形降液管的复式溢流堰，包括两层或两层以上的堰板1、堰板上的开孔2和汽液通道3，各层堰板1设置在塔板出口和塔壁之间，两层堰板1之间的空间构成了汽液通道3，在塔板出口与降液板相连处，不设置堰板(1)，降液板上缘与塔板平齐。

各层堰板1上缘沿着从塔板出口至塔壁的方向，按着由低到高的梯度进行排列。各层堰板1下缘沿着塔板出口至塔壁的方向，排列的方式可以与上缘相同，也可以不同。沿着液流方向，即沿着从塔板出口到塔壁的方向，每两个堰板1之间的间距比的范围是1∶1～1.5。沿着液流方向，即沿着从塔板出口到塔壁的方向，每两个堰板1之间的高度比的范围是1∶1～3。

如附图5所示，堰板1的上缘形状可以为平直形状，也可为弓形、梯形、齿形或其它非平直结构。如附图6所示，堰本身可以为平直板，也可以为弧形板、弓形板或其它非直板。

堰板1的各层堰板上高出塔板的部分可以有开孔2，也可以没有开孔2，开孔2可以为圆孔，也可以为长条形齿缝，开孔2结构可参阅附图7。

堰板1之间的汽液通道3内可以设置导气管4，也可以不设导气管4，导气管4结构可参阅附图8。

与常规堰相比，本构型的堰板对液体进入降液管具有分配导流作用，使得不同溢流强度下液流都可以根据抛射轨迹进入相应的堰板轨道，而不至形成液帘阻塞降液管口、在降液管内形成气穴，能较好满足降液管空间利用率，对汽液分离具有促进作用，特别是液量较大、在塔板出口不设置第一层溢流堰时，基本上不形成气穴，工作原理可参阅附图4。

复式挡板由低到高按一定梯度排列，可形成多个具有不同堰高和间距的溢流堰，使得塔板上的液层高度可根据液相负荷大小自动调节，可降低塔板压力降，并提高操作稳定性和设计弹性。

在塔板出口与降液板相连处不设置堰板，可以改善塔板的放大效应。因为常规塔在塔板出口一般都设有溢流堰，流堰可以使塔板上保持一定的液层厚度，使得气液相进行接触传质，但堰板的存在的同时，也会对液流产生阻挡作用，使得流体在堰口处产生相方向的反弹冲击，使得流体呈现波动性，设备规模越大，波动性对塔板操作的影响越显著，因此，溢流堰的存在是造成塔设备放大效应的根源。而本结构通过设置复式堰板，即可以使塔板上具有一定液层高度，保证充分的汽液相接触，又可以消除堰板对流体的阻挡作用。

下面对采用复式溢流堰的塔板与采用常规溢流堰的塔板的性能进行了对比实验。复式溢流堰的结构为两层堰板，堰板间距为1∶1，堰板高度比为1∶2(第一层堰板高度为25mm，第二层堰板高度为50mm)，常规溢流堰的结构有两种，高度分别为25mm和50mm。图9为采用复式堰板结构的塔板和上述两种常规溢流堰的塔板的压降性能对比，由图9可知，与带常规堰相比，采用本专利的塔板压降大大降低。图10和图11为采用复式堰板结构的塔板与两种常规溢流堰的塔板的雾沫夹带性能和泄漏性能对比，由图10和图11可知，与带常规堰相比，采用复式溢流堰的塔板的雾沫夹带量和泄漏量显著降低，即拓宽了操作上限和下限，操作弹性增加，稳定性也得到改善。

堰板的下缘不平齐，流体在降液管内可以沿高差梯度横向流动，对流体可以产生定向的扰动，有利于液体中夹带气体的逸出。

复合堰板的形状(如弓形堰或齿形堰等)可根据塔径和装置内的汽液负荷选择，由此可调整塔板上的液流方向及流量分布，使得液体滞留区和返混得到缓解或消除，促进液流分布的均匀性，改善汽液接触，提高传质效率。图12为采用复式堰板结构的塔板和采用常规溢流堰的塔板的流场均匀性对比，由图12可知，与带传统堰塔板相比，采用复式溢流堰的塔板的流场均匀性得到显著改善。图13为采用复式溢流堰的塔板和采用常规溢流堰的塔板的效率性能对比，由图13可知，与带传统堰的塔板相比，采用本专利的塔板效率得到显著提高。

堰板上根据体系物性(黏度、表面张力)设圆形或齿缝形开孔，可将部分液体从小孔卸流，减轻形成涡流的趋势，减小溢流阻力，降低液面落差。

堰板上设导气管可便于降液管内液体中夹带气体的导出，降低降液管气含率，消除降液管操作的压力波动，提高操作稳定性。

该复式溢流堰结构简单，实施方便，设计灵活，可用于现有普通弓形降液管的改造实施，不需对其他塔内件作任何改动，可根据设备规模、操作负荷、体系起泡性等特点选取相应的结构，适用于各种液体负荷，特别适用于大液量操作。

Claims (12)

1.一种促进降液管内汽液分离的复式溢流堰，其特征在于：该复式溢流堰包括两层或两层以上的堰板(1)、堰板上的开孔(2)和汽液通道(3)，堰板(1)设置在塔板出口和塔壁之间，两层堰板(1)之间的空间构成了汽液通道(3)。

2.如权利要求1所述的溢流堰，其特征在于：该复式溢流堰的各层堰板(1)安装在塔板出口和塔壁之间，在塔板出口与降液板相连处，不设置堰板(1)，降液板上缘与塔板平齐。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的复式溢流堰，其特征在于：各层堰板(1)上缘沿着从塔板出口至塔壁的方向，按着由低到高的梯度进行排列。

4.根据权利要求1-2任意一项所述的复式溢流堰，其特征在于：各层堰板(1)下缘沿着塔板出口至塔壁的方向，排列的方式可以与上缘相同，也可以不同。

5.根据权利要求1-2任意一项所述的复式溢流堰，其特征在于：堰板(1)的上缘形状可以为平直形状，也可为弓形、梯形、齿形或其它非平直结构。

6.根据权利要求1-2任意一项所述的复式溢流堰，其特征在于：堰板(1)的堰本身为平直板、或弧形板、弓形板或其它非直板。

7.根据权利要求1-2任意一项所述的复式溢流堰，其特征在于：堰板(1)在高出塔板的部分有开孔(2)。

8.根据权利要求1所述的复式溢流堰，其特征在于：堰板(1)之间的汽液通道(3)内设置导气管(4)。

9.根据权利要求7所述的复式溢流堰，其特征在于：堰板(1)上的开孔(2)为圆孔或长条形齿缝。

10.根据权利要求1-2所述的复式溢流堰，其特征在于：沿着液流方向，即沿着从塔板出口到塔壁的方向，每两个堰板(1)之间的间距比的范围是1∶1～1.5。

11.根据权利要求1-2所述的复式溢流堰，其特征在于：沿着液流方向，即沿着从塔板出口到塔壁的方向，每两个堰板(1)之间的高度比的范围是1∶1～3。

12.一种板式塔，其特征在于：其中设置了如权利要求1-12所述的复式溢流堰。

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