CN104941565A - 一种降低塔盘上液面波动幅度的装置 - Google Patents

Abstract

一种降低塔盘上液面波动幅度的装置，其主要是：纵向分液隔板有3-8个平行排列，它们的间距均等于横向分液隔板的长度，所述横向分液隔板有1-4列，该横向分液隔板分别垂直连接于两相邻的纵向分液隔板之间组成格栅，在每个矩形栅格区域内均设有一个浮板，其开孔率大于塔板的开孔率，每个浮板的四个角分别通过一个圆柱螺旋拉伸弹簧与纵向分液隔板相连，浮板下表面到塔板的距离等于塔板上液层的高度，上述降低塔盘上液面波动幅度的装置，其纵向分液隔板下端与塔板的相连。本发明整个装置结构简单，控制效果好，安装、维护方便，成本低，对于降低风载荷作用下，塔体振动引起的塔板上液体的大幅度波动有很好的效果。

Description

一种降低塔盘上液面波动幅度的装置

技术领域

本发明涉及一种化学工业中传热传质用板式塔设备，特别是其内部结构件。

背景技术

塔设备在化工、石油化工、炼油等生产过程中具有重要地位，常见的单元操作如精馏、吸收、解吸和萃取等过程大都需要塔设备。塔设备的投资巨大，约占化工、石化项目总投资的30％～40％，其性能好坏，对于整个装置的生产能力、三废处理和环境保护等各个方面都有较大影响。塔板效率是塔设备最重要的性能指标，而塔板效率受到诸多因素的影响，其中塔板上液位分布不均对塔板效率的影响很大，因而在《板式塔设计手册》上，塔盘的制造和安装规范中，对支持圈的水平度、塔板的平面度和水平度均有严格的要求。

近年来，随着石化产业的快速发展、装置的逐步大型化以及环保要求的日益严格，高耸塔及高径比大的塔设备越来越多，当塔体的高度增加、直径增大时，对塔板水平度的要求也相应提高，维持塔板上液位分布均匀的难度也随之增大。尤其是在工业实际中，绝大多数的塔设备都是置于室外的，而室外的风载荷是随时随地发生的，因此在塔设备的使用寿命期间无时无刻不在风载荷的作用之下。风载荷的作用分为两部分：顺风向的风振作用和横风向的风振作用，其中顺风向的风振作用会使塔设备沿顺风向挠曲振动，横风向的风振作用会引起塔设备在垂直于风向上产生诱导振动，二者的叠加，更会使塔设备产生无规则的晃动，特别是塔体的中上部，晃动幅度更大。

塔设备在风载荷作用下的振动，必然引起塔板的倾斜，塔板的倾斜不可避 免地会导致塔板上液面大幅波动、液层厚薄不均。液层较厚处气体阻力大，通过气量小，容易在该处造成漏液；液层较薄处气体阻力小，通过气量大、气速高，容易在该部位产生严重的雾沫夹带。对于双流型塔板，塔板倾斜后容易使塔板的两半液量分配不均，液流量较少的一侧，堰液头过低使塔板难以稳定操作；塔板另一侧则液流量过大，由于过高的堰液头会使降液管中液体负荷过大，甚至产生液泛。塔体的倾斜或挠曲还会降低塔的操作弹性。这些均不利于塔设备的正常运行，并将严重影响塔盘上的气液分布及塔板效率。

目前，针对以上问题，常用的减小风致塔体振动的方法有：增加塔壁的厚度、增设扰流装置以及增设阻尼器。其中增加塔壁的厚度可以提高塔体的刚度，从而提高塔体抵抗风载荷的作用，但是往往会受到制造成本的限制；中国专利CN101672125A在塔体的中上部增设翅片扰流装置，以达到扰流减振的目的；中国专利CN102644337A在塔的顶部设置TMD阻尼器，以减少高耸塔设备风诱导振动。但这些方法都只是针对塔体振动的，且只能减少或降低塔体在风载荷作用下的振动幅度，而实际工况中塔体的振动、塔盘的倾斜依然存在，随之引起的塔盘上液面大幅波动、液位分布不均，进而造成塔板效率降低的现象依然存在。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能降低风载荷作用下塔体振动引起塔盘上液面的大幅度波动的装置。

本发明主要包括：纵向分液隔板，横向分液隔板，浮板，挂耳，圆柱螺旋拉伸弹簧及翅片型挡液板。其中，纵向分液隔板有一条板形基体，其高度大于塔盘上液层高度40毫米，其长度有两种规格，较长的板形基体的长度等于塔盘上气液接触区的宽度，较短的板形基体长度与较长的板形基体长度相差一个二倍半圆形槽孔的直径。该条板形基体下端边上设有若干半圆形槽孔，相邻的两 半圆形槽孔的间距等于半圆形槽孔的直径，在每两个半圆形槽孔间隔部分均设有一个半径等于溢流堰上液层高度二倍的大直径圆通孔，该大直径圆通孔的圆心位于相邻两半圆形槽孔间隔区域的正上方并且圆心到下端边的距离等于塔板上液层的高度。纵向分液隔板长度方向的两个端边均过一个大直径圆通孔的圆心，使两个端边为非直边。上述两相邻大直径圆通孔之间的板体上设有若干规则排列的小直径通孔，最好为按等边三角形排列的五排。上述纵向分液隔板有3-8个平行排列，具体数目的选择主要是根据塔盘的结构参数确定，确保在形成网格栅后每个格栅区域适中，便于后续浮板、弹簧等的安装。纵向分液隔板的间距均等于横向分液隔板的长度，该横向分液隔板的长度＝(溢流堰长度-2×纵向分液隔板个数)/纵向分液隔板个数。所述横向分液隔板有1-4列，具体数目的选择与纵向分液隔板同理。该横向分液隔板分别垂直连接于两相邻的纵向分液隔板之间组成格栅，将纵向分液隔板所围成的区域分隔成多个面积相等的矩形区域。两种规格的纵向分液隔板交错布置，以使相邻两纵向分液隔板的网孔错位对应，即一个纵向分液隔板底部的半圆孔对应另一个纵向分液隔板的间隔区域。所述纵向分液隔板与横向分液隔板的连接可以是可拆卸的螺栓连接，也可以是不可拆卸的焊接，但在采用分块式塔盘结构的塔体中，对于跨越两块塔板的横向分液隔板，其与纵向分液隔板的连接必须采用螺栓连接，以便工作人员在检修塔体时，可以轻松的拆开此连接。该横向分液隔板与纵向分液隔板结构完全相同，只是该横向分液隔板或以过中间一个大直径圆通孔的竖直直径的中心线为对称，或以过中间一个半圆形槽孔的竖直直径的中心线为对称。在每个矩形栅格区域内均设有一个矩形浮板，最好浮板的面积等于矩形栅格区域面积的一半，其为孔板，该孔板上的孔或是圆孔或是正六边形孔，最好，孔为等边三角形排列的网孔，开孔率大于塔板的开孔率，在每个孔板的四个角各设一 个连接孔，每个连接孔分别与一个圆柱螺旋拉伸弹簧的一端连接，该圆柱螺旋拉伸弹簧另一端连接在一个挂耳上，该挂耳固定在纵向分液隔板上，最好弹簧和挂耳对称设置，通过四个圆柱螺旋拉伸弹簧和四个挂耳可将浮板固定在该矩形栅格区域的中间，浮板下表面到塔板的距离等于塔板上液层的高度，最好浮板的四个边到与其所对应的纵向分液隔板及横向分液隔板的距离相等。上述由纵向分液隔板、横向分液隔板及浮板组成的降低塔盘上液面波动幅度的装置，其纵向分液隔板下端与塔板的相连，使其固定在塔板上，所述连接可以是可拆卸的螺栓连接，也可以是不可拆卸的焊接。所述降低塔盘上液面波动幅度的装置安装在塔盘上之后，可将塔盘的气液接触区分隔为两个塔盘弓形区和多个矩形栅格区。最好，在两塔盘弓形区对称设有1-4个平行的翅片型挡液板，它们之间间隔均匀并与横向分液隔板成30°或45°的夹角，该翅片型挡液板下端与塔板相连，其可以是可拆卸的螺栓连接，也可以是不可拆卸的焊接。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、结构简单，控制效果好，安装、维护方便，成本低；

2、沿液流方向横向设置的带网孔的分液隔板，可以减缓液体的流速，同时平行的多个纵向分液隔板上，错位设置的网孔，可以引导液体流向不同的方向，这样不仅可以减缓流速、增加液体流程，从而延长气液相接触时间，还可以增加液体的湍动，使气液接触更加充分，对于提高塔板效率都是有利的。

3、纵向分液隔板与横向分液隔板所构成的网格栅，有效地将气液接触区上的液体分隔成多个部分，以防止塔体振动时，液体被连续加速，而引起液位的大幅度波动，可以起到碎流的作用。

4、每个栅格中的浮板，在弹簧拉力、自身重力及液体浮力的作用下，恰好漂浮在液面上，当塔体振动导致液面波动时，大部分波动能量经浮板传递到弹 簧，最后被弹簧吸收，只剩下浮板的小幅晃动，不再有液体大幅波动甚至飞溅的现象，从而有效地起到了碎波、整流的目的。

5、在塔盘上增设此装置，可有效抑制塔板两侧弧形区域内液体的返混现象，使整个塔板上液体均匀流动，此外，该装置对于塔结构本身的受力性能无不良影响，相反，在一定程度上增加了塔体的重量，提高了塔体的刚度，对于抵抗风载荷作用，减少塔体振动也是有利的。

附图说明

图1是本发明纵向分液隔板的主视示意图；

图2是本发明横向分液隔板的主视示意图；

图3是本发明浮板的一种结构的俯视示意图；

图4是本发明浮板的另一种结构的俯视示意图；

图5是本发明挂耳的主视示意图；

图6是本发明L型连接板的主视示意图；

图7是本发明纵向分液隔板与横向分液隔板采用螺栓连接的局部立体示意图；

图8是本发明纵向分液隔板与塔板采用螺栓连接的局部立体示意图；

图9是本发明纵向分液隔板与横向分液隔板组成的网格栅的四种实施例的俯视示意图；

图10是本发明纵向分液隔板与横向分液隔板组成的网格栅的一种实施例的等轴侧图；

图11是本发明浮板装配在网格栅上的一种实施例的俯视示意图；

图12是图11的左视图；

图13是图11的等轴测图；

图14是本发明具体实例使用状态的俯视图；

图15是图14的A-A向视图；

图16是图14的B-B向视图；

图17是本发明具体实例的效果对比图。

图中1.纵向分液隔板，2.横向分液隔板，3.浮板，4.挂耳，5.圆柱螺旋拉伸弹簧，6.翅片型挡液板，7.塔壁，8.塔盘弓形区，9.L型连接板，10.半圆槽孔，11.大直径圆通孔，12.小圆孔，13.连接孔，14.圆孔，15.正六边形孔，16.受液盘，17.塔板，18.溢流堰，19.六角螺栓，20.螺母。

具体实施方式

在图1所示的降低塔盘上液面波动幅度的装置纵向分液隔板的主视示意图中，纵向分液隔板有一条板形基体，其高度大于塔盘上液层高度40毫米，其长度有两种规格，较长的板形基体的长度等于塔盘上气液接触区的宽度，较短的板形基体长度与较长的板形基体长度相差一个二倍半圆形槽孔的直径。该条板形基体下端边上设有若干半圆形槽孔，相邻的两半圆形槽孔的间距等于半圆形槽孔的直径，在每两个半圆形槽孔间隔部分均设有一个半径等于溢流堰上液层高度二倍的大直径圆通孔，该大直径圆通孔的圆心位于相邻两半圆形槽孔间隔区域的正上方并且圆心到下端边的距离等于塔板上液层的高度。纵向分液隔板长度方向的两个端边均过一个大直径圆通孔的圆心。上述两相邻大直径圆通孔之间的板体上设有若干按等边三角形排列的五排规则排列的小直径通孔。上述纵向分液隔板有3、4、5及7个平行排列，如图9所示。纵向分液隔板的间距均等于横向分液隔板的长度。在图2所示的降低塔盘上液面波动幅度的装置横 向分液隔板的主视示意图中，该横向分液隔板的长度＝(溢流堰长度-2×纵向分液隔板个数)/纵向分液隔板个数。所述横向分液隔板有1、2及3列，如图9所示。该横向分液隔板分别垂直连接于两相邻的纵向分液隔板之间组成格栅，将纵向分液隔板所围成的区域分隔成多个面积相等的矩形区域。两种规格的纵向分液隔板交错布置，以使相邻两纵向分液隔板的网孔错位对应，即一个纵向分液隔板底部的半圆孔对应另一个纵向分液隔板的间隔区域，如图10所示。所述纵向分液隔板与横向分液隔板的连接采用图6所示的L型连接板及螺栓连接，如图7所示。又在图2中，该横向分液隔板与纵向分液隔板结构完全相同，只是该横向分液隔板或以过中间一个大直径圆通孔的竖直直径的中心线为对称，或以过中间一个半圆形槽孔的竖直直径的中心线为对称。在每个矩形栅格区域内均设有一个矩形浮板，如图3和图4所示，浮板的面积等于矩形栅格区域面积的一半，其为孔板，该孔板上的孔或是圆孔或是正六边形孔，孔为等边三角形排列的网孔，开孔率大于塔板的开孔率，在每个孔板的四个角各设一个连接孔，每个连接孔分别与一个圆柱螺旋拉伸弹簧的一端连接，如图11、12和图13所示，该圆柱螺旋拉伸弹簧另一端连接在一个半圆环形挂耳上，如图5所示，该挂耳开口两端焊接在纵向分液隔板上，距离纵向分液隔板上端边10毫米处，并且对称设置，如图12所示，通过四个圆柱螺旋拉伸弹簧和四个挂耳可将浮板固定在该矩形栅格区域的中间，同时浮板下表面到塔板的距离等于塔板上液层的高度，浮板的四个边到与其所对应的纵向分液隔板及横向分液隔板的距离相等。

上述由纵向分液隔板、横向分液隔板及浮板组成的降低塔盘上液面波动幅度的装置，其纵向分液隔板下端与塔板的相连，其采用L型连接板及螺栓连接，如图8所示。所述降低塔盘上液面波动幅度的装置安装在塔盘上之后，如图14、 图15及图16所示，将塔盘的气液接触区分隔为两个塔盘弓形区和多个矩形栅格区。在两塔盘弓形区对称设有3个平行的翅片型挡液板，它们之间间隔均匀并与横向分液隔板成45°的夹角，该翅片型挡液板下端与塔板焊接相连。本实例中气液接触区两侧的塔盘弓形区域面积远大于单个栅格的面积，振动状态下液体容易产生连续加速，安装翅片型挡液板将有效地避免这种现象的产生。

效果对比实例 

某石化装置中常压操作的精馏塔，塔总高73300毫米，塔内径1600毫米，采用单溢流，分块式塔盘结构，溢流堰长1072毫米，堰高60毫米，塔板上液层高度为72毫米。由于该塔的高径比较大，安装好之后，在风载荷作用下有明显的振动效应，采取了一系列措施，包括安装TMD阻尼器之后，对风诱导振动的控制效果最大才达到64％，并不能完全消除风对塔的影响，塔体的振动、塔盘的倾斜依然存在，随之引起的塔盘上液面大幅波动、液位分布不均等都将严重影响塔板的传热传质效率。

将本发明应用在上述精馏塔上，所涉及的具体参数如下：

根据塔内径为1600毫米，采用单溢流，选定纵向分液隔板5个，横向分液隔板2列，分成十二个矩形栅格区域后。根据溢流堰长1072毫米，计算出每个横向分液隔板的长度等于132毫米，由于相邻两纵向分液隔板需错位安装，故纵向分液隔板有两种长度规格，分别为1056毫米和1188毫米。根据塔板上液层高度为72毫米，确定纵向分液隔板及横向分液隔板的高度均为112毫米。大直径圆通孔半径等于24毫米，其圆心到底面的高度等于72毫米。

根据纵向分液隔板与横向分液隔板所组成的栅格的面积大小，确定浮板的面积为44184平方毫米，等于矩形栅格面积的一半；确定浮板的长度为263毫米，宽度为168毫米，这样浮板的四个边到对应的横、纵分液隔板的距离都等于46 毫米；因为塔板17上液层高度为72毫米，故确定浮板3下表面到塔板17的距离也等于72毫米。浮板3的厚度为6毫米，浮板上通孔为直径10毫米圆孔14，孔间距12毫米，按等边三角形排列。弹簧的自由长度为45.3毫米，刚度为0.313N/mm，连接浮板3之后的总长度为46.82毫米。在塔板上气液接触区两侧的弓形区安装的翅片型挡液板，长度为160毫米，高度为112毫米，厚度为2毫米，3块板相互间隔120毫米，与横向分液隔板2成30°排布，两侧对称。

图17是上述精馏塔采用本发明装置前后塔盘上液面波动及液位分布对比结果图，这里选择两个栅格区域作为计算域，利用大型有限元分析软件ANSYS Fluent进行计算，在每幅图中，左侧是未安装本发明装置的计算结果，右侧是安装了本发明装置后的计算结果，图中黑色区域是塔板上的流体。在0-0.5秒时，两种情况都处于静止状态，液面高度均为72毫米，如图(a)所示，右侧图中的两个浮板恰好位于液面上，一块分液隔板在中间，其中的间隔区域代表网孔；在0.5秒时，分别给两个计算域施加相同的外部激励，并记录0.5秒之后，相同时间点上，两个计算域内流体的波动状态；图(b)是0.7秒时两个计算域内流体的波动状态，左侧未安装本发明装置的塔板上液面波动幅度正在增大，右侧安装了本发明装置的塔板上液面波动幅度已达最大值；图(c)是0.9秒时两个计算域内流体的波动状态，左侧未安装本发明装置的塔板上液面波动幅度还在增大，右侧安装了本发明装置的塔板上液面波动幅度已从最大值开始减小；图(d)是1.1秒时两个计算域内流体的波动状态，左侧未安装本发明装置的塔板上液面波动幅度还在持续增大，右侧安装了本发明装置的塔板上液面波动幅度还在进一步减小；图(e)是1.3秒时两个计算域内流体的波动状态，左侧未安装本发明装置的塔板上液面波动幅度还在增大，液面不平度继续增加，而右侧安装了本发明装置的塔板上液面波动幅度还在进一步减小；图(f)是1.5 秒时两个计算域内流体的波动状态，左侧未安装本发明装置的塔板上液面波动幅度达到最大值，右侧安装了本发明装置的塔板上液面波动幅度已经很小了；图(g)是1.7秒时两个计算域内流体的波动状态，左侧未安装本发明装置的塔板上液面波动幅度已从最大值开始减小，而右侧安装了本发明装置的塔板上液面波动已趋于平稳；图(h)到图(l)是1.9秒到5.0秒之间，两个计算域内流体的波动状态，左侧未安装本发明装置的塔板上液面还在大幅度波动，而右侧安装了本发明装置的塔板上液面早已平稳了。

综上，未安装本发明装置时，塔板上液体以2.2秒左右的时间周期持续大幅波动，直到5.0秒末，液面还未平稳，而安装了本发明装置后，塔板上液体在1.2秒的时间内就停止了波动，达到了平稳状态，可见本发明装置对于降低塔板上液面波动幅度有很好的效果。

Claims (9)

1.一种降低塔盘上液面波动幅度的装置，其特征在于：其纵向分液隔板有3-8个平行排列，它们的间距均等于横向分液隔板的长度，所述横向分液隔板有1-4列，该横向分液隔板分别垂直连接于两相邻的纵向分液隔板之间组成格栅，在每个矩形栅格区域内均设有一个矩形浮板，其为孔板，开孔率大于塔板的开孔率，在每个孔板的四个角各设一个连接孔，每个连接孔分别与一个圆柱螺旋拉伸弹簧的一端连接，该圆柱螺旋拉伸弹簧另一端连接在一个挂耳上，该挂耳固定在纵向分液隔板上，浮板下表面到塔板的距离等于塔板上液层的高度，上述由纵向分液隔板、横向分液隔板及浮板组成的降低塔盘上液面波动幅度的装置，其纵向分液隔板下端与塔板的相连。

2.根据权利要求1所述的降低塔盘上液面波动幅度的装置，其特征在于：塔盘上气液接触区格栅区以外为两个塔盘弓形区，在两塔盘弓形区对称设有1-4个平行的翅片型挡液板，它们之间间隔均匀并与横向分液隔板成30^o或45^o的夹角，该翅片型挡液板下端与塔板相连。

3.根据权利要求1或2所述的降低塔盘上液面波动幅度的装置，其特征在于：纵向分液隔板有一条板形基体，其高度大于塔盘上液层高度40毫米，其长度有两种规格，较长的板形基体的长度等于塔盘上气液接触区的宽度，其与较短的板形基体的长度相差二倍半圆形槽孔的直径，该条板形基体下端边上设有若干半圆形槽孔，相邻的两半圆形槽孔的间距等于半圆形槽孔的直径，在每两个半圆形槽孔间隔部分均设有一个半径等于溢流堰上液层高度二倍的大直径圆通孔，该大直径圆通孔的圆心位于相邻两半圆形槽孔间隔区域的正上方并且圆心到下端边的距离等于塔板上液层的高度，纵向分液隔板长度方向的两个端边均过一个大直径圆通孔的圆心，上述两相邻大直径圆通孔之间的板体上设有若干规则排列的小直径通孔。

4.根据权利要求3所述的降低塔盘上液面波动幅度的装置，其特征在于：横向分液隔板与纵向分液隔板结构完全相同，只是该横向分液隔板或以过中间一个大直径圆通孔的竖直直径的中心线为对称，或以过中间一个半圆形槽孔的竖直直径的中心线为对称。

5.根据权利要求4所述的降低塔盘上液面波动幅度的装置，其特征在于该横向分液隔板的长度＝(溢流堰长度-2×纵向分液隔板个数)/纵向分液隔板个数。

6.根据权利要求1或2所述的降低塔盘上液面波动幅度的装置，其特征在于：浮板的面积等于矩形栅格区域面积的一半。

7.根据权利要求5所述的降低塔盘上液面波动幅度的装置，其特征在于：浮板上的孔或是圆孔或是正六边形孔。

8.根据权利要求1或2所述的降低塔盘上液面波动幅度的装置，其特征在于：弹簧和挂耳对称设置。

9.根据权利要求1或2所述的降低塔盘上液面波动幅度的装置，其特征在于：浮板的四个边到与其所对应的纵向分液隔板及横向分液隔板的距离相等。