CN111906085B - 变径碳化塔 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变径碳化塔，塔体中段设置中段进气装置，其出口端向上倾斜，且均朝向同一时针方向，使得中段进气呈环形涡流，大大减小了与下方螺旋向上的气流发生撞击，塔内压力分布趋于平稳。通过调节中段进气速度，得到同一塔径下随着中段进气速度的改变得出塔内流场分布的变化，为工业操作提供优化参考。

Description

变径碳化塔

技术领域

本发明涉及碳化塔，具体涉及一种变径碳化塔。

背景技术

在碳化塔制碱过程中，冷却小管、塔壁和水箱会逐渐形成一层厚厚的NaHco3结疤，影响气液通道和碳化液停留时间。在制碱周期结束后需要改为清洗塔，来恢复碳化塔的制碱和冷却能力。碳化塔的清洗强度与CO2浓度以及清洗气量等多方面有关系。NaHCO3结疤主要集中在冷却段，当清洗气进入塔底后，CO2被快速吸收，进入到筛板层时，体积已缩小约40％，筛孔气体喷射和液体湍流强度不足，塔圈液位高，漏液现象增多，清洗效果差。所以，在同样的清洗周期里，筛板塔需要更强的清洗强度。

此外，现有碳化塔的中段进气装置存在进气不均匀，进气时气体对水箱中的换热管产生的冲击大，易使换热管局部变形等问题，极大的影响了清洗效率。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种变径碳化塔，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：变径碳化塔，包括，

位于中段的塔体；

中段进气装置，中段进气装置与塔体同轴线设置，中段进气装置包括圆环形管，圆环形管上具有若干个延其周向均匀分布的出气口，圆环形管由若干段弧形管构成，弧形管两端封闭，弧形管中部径向向外设置有进气口，弧形管径向向内具有两个出气口，两个出气口对称设置在进气口的两侧；

喷流管，喷流管为直角弯管，喷流管固定安装在塔体上，喷流管与出气口之间通过分流管连接，喷流管一端与分流管固定连接，另一端为出口端，出口端向上倾斜设置且均朝向同一时针方向，倾斜角度α为10°；

增压喷嘴，增压喷嘴安装在出口端。

在上述方案的基础上，作为优选，弧形管有三段。

在上述方案的基础上，作为优选，分流管与进气口之间通过法兰盘固定连接。

在上述方案的基础上，作为优选，增压喷嘴包括管体、内管、喷嘴盖、喷嘴芯，内管位于管体内，内管一端固定连接喷嘴盖，另一端固定连接喷嘴芯，喷嘴盖与管体固定连接，管体、内管、喷嘴盖、喷嘴芯合围形成空腔以及将该空腔与喷嘴芯的进气端连通的进气通道，空腔内设置有将其气密分割为两个空间的挡板，喷嘴盖和挡板之间设置有弹簧。

在上述方案的基础上，作为优选，内管为阶梯管，管体为直管，喷嘴盖为环形板，喷嘴盖的内环边设置有挡边，挡边与内管上端螺纹固定连接，喷嘴盖的外环边与管体通过螺栓固定连接。

在上述方案的基础上，作为优选，内管包括管A、管B，管A的直径小于管B的直径，管A的下端固定连接管B形成阶梯管，喷嘴芯包括管C、管D，管C的下端设置有环边，管C的外壁与管B的内壁螺纹固定连接，环边固定连接管D的上端，环边与管D的内壁之间形成与空腔连通的进气通道，进气通道的出气端设有若干个间隔分布的U形板。

一种变径碳化塔作清洗塔清洗效果优化方法，包括如下步骤：

1、变径碳化塔物理模型的建立：根据研究变径碳化塔的结构和设备尺寸以及内部对流场影响的零件进行简化变径碳化塔物理模型，利用soildworks完成建模；

2、求解域的确定和计算域网格文件的划分，将建立的变径碳化塔物理模型导入ICEM CFD软件并确定模拟计算域，所述模拟求解域确定CO2中段进气口、CO2出口及塔体外表面为边界的封闭流体域；在其封闭流体域上采用结构网格进行划分；对边界部分命名并导出网格文件，进入求解；

3、求解过程：

1) 本过程选用fluent软件进行求解，将保存好的网格文件导入fluent软件后，首先对网格文件进行第一步检查确保无负体积出现并修改尺寸比例使网格和计算域中的单位尺度一致；

2) 选择数学模型并设置初始条件，标准k-epsilon湍流模型；

3) 确定材料属性CO2 ;

4) 进行边界条件的设置，本技术方案采用多孔介质代替气体在筛板出的流动，粘性阻力系数：除了主要方向给定数值,其它方向的阻力系数均是主方向系数的1000倍；惯性阻力系数：除了主要方向给定数值，其它方向的惯性系数均是主方向系数的1000倍；由于多孔介质区域为层流流动特性，因此选择层流模型Laminar Zone；本次采用阻力系数的计算方法为压力降与速度实验数据计算阻力系数。设置进出口边界条件Intensity andHydraulic Diameter；

5）根据探究的变径碳化塔实际情况设置求解计算控制参数，设置求解格式、离散格式、和收敛条件并激活监视器；

6）初始化流场并完成迭代求解计算，得到所需的变径碳化塔塔内的基本物理量；

7）后处理，主要为把求解结果显示为云图或散点图形式，便于清晰了解碳化塔内的流场分布情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的中段进气装置其出口端向上倾斜，且均朝向同一时针方向，使得中段进气呈环形涡流，大大减小了与下方螺旋向上的气流发生撞击，塔内压力分布趋于平稳；

2、本发明的中段进气装置，进气分布均匀，便于操作中段进气量；

3、本发明的中段进气装置，使得中段进气呈环形涡流，大大减少对换热水箱中管束的冲击磨损。

4、本发明的中段进气装置其出口端装有增压喷嘴，增加了进入塔内清洗气的压力，提高了清洗效果。

5、常规模拟方案都是依据现实塔内情况，建立一个贴近实例，模型简化的方案，以便模拟结果更为精确。本发明方案为，改变现有装置进气分布不均匀的情况，使得现有进气分布均匀，贴近理想化，模拟结果更为精确；

6、本发明的模拟方案，如图6、7所示，通过调节中段进气速度，得到同一塔径下随着中段进气速度的改变得出塔内流场分布的变化，为工业操作提供优化参考；

7、本发明的模拟方案，克服了工程试验投资大、周期长等缺点。

8、图6中图（2）为进气速度是图（1）进气速度2倍下的压力分布云图，从图6中我们可以看出随着清洗气的增加，塔内压力随之增加且塔内压力分布更加均匀。塔内压力变化波动小，有利于清洗气清除碳疤，提高清洗效率。图7中图（2）为进气速度是图（1）进气速度2倍下的压力分布云图，从图7中我们可以看出随着清洗气的增加，塔内中部速度随之增加。速度增加使得液体湍流强度增加，塔圈液位较低，漏液现象减少，清洗效果好。

附图说明

图1为本发明中段进气装置结构示意图；

图2为本发明喷嘴的剖面图；

图3为本发明喷嘴连接轴的三维视图；

图4为本发明喷嘴芯的三维视图；

图5为本发明变径碳化塔的三维物理模型图；

图6为本发明具体实施工况下压力分布云图；

图7为本发明具体实施工况下速度分布云图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，在本文中，可拆式固定是指不破坏零部件的原有性能可以拆解。

如图1所示，变径碳化塔，包括，

位于中段的塔体1；

中段进气装置，中段进气装置与塔体同轴线设置，中段进气装置包括圆环形管，圆环形管上具有若干个延其周向均匀分布的出气口4，圆环形管由若干段弧形管2构成，弧形管两端封闭，弧形管中部径向向外设置有进气口3，弧形管径向向内具有两个出气口，两个出气口对称设置在进气口的两侧；

喷流管5，喷流管为直角弯管，喷流管固定安装在塔体上，喷流管与出气口之间通过分流管6连接，喷流管一端与分流管固定连接，另一端为出口端，出口端向上倾斜设置且均朝向同一时针方向，倾斜角度α为10°；

增压喷嘴，增压喷嘴安装在出口端。

在上述的方案中，圆环形管上均匀设置多个分流管，增大了单位时间内的进气量，提高了碳化塔内气体分布的均匀性，提高了碳化塔的进气效率；分流管上设置有喷流管，喷流管采用直角弯管，并且其出口端向上倾斜设置，使得排出的气体成环形涡流，分散于各个方向，相比于常规多分流管直接进气的方式，其进气方式更为合理，可避免了对换热水箱中的管束的冲击磨损，提高了设备的使用寿命。

弧形管有三段。

分流管与进气口之间通过法兰盘固定连接。

增压喷嘴包括管体7、内管8、喷嘴盖9、喷嘴芯10，内管位于管体内，内管一端固定连接喷嘴盖，另一端固定连接喷嘴芯，喷嘴盖与管体固定连接，管体、内管、喷嘴盖、喷嘴芯合围形成空腔以及将该空腔11与喷嘴芯的进气端连通的进气通道，空腔内设置有将其气密分割为两个空间的挡板12，喷嘴盖和挡板之间设置有弹簧13。

气体通过喷流管，会分成两个支路，一个支路的气体自喷嘴芯进入塔内，另一个支路会自进气通道进入增压腔中。进入增压腔的气体会慢慢挤压挡板和弹簧，由于增压腔是封闭的，该支路的气体会返回，返回的气体还会受到弹簧的推力作用，以此方法来提高喷嘴出气的压力，提高清洗效果。

内管为阶梯管，管体为直管，喷嘴盖为环形板，喷嘴盖的内环边设置有挡边14，挡边与内管上端螺纹固定连接，喷嘴盖的外环边与管体通过螺栓固定连接。

内管包括管A15、管B16，管A的直径小于管B的直径，管A的下端固定连接管B形成阶梯管，喷嘴芯包括管C17、管D18，管C的下端设置有环边19，管C的外壁与管B的内壁螺纹固定连接，环边固定连接管D的上端，环边与管D的内壁之间形成与空腔连通的进气通道21，进气通道的出气端设有若干个间隔分布的U形板20。

通过U形板的设计，使得进气通道出气端的气流方向发生改变，一个方向为沿进气通道竖直向上，另一个方向为在竖直方向上受到U形板阻挡，由其两侧向空腔进气；两种不同的进气方向使得增压腔的增压效果更为明显。

一种变径碳化塔作清洗塔清洗效果优化方法，包括如下步骤：

1、变径碳化塔物理模型的建立：根据研究变径碳化塔的结构和设备尺寸以及内部对流场影响的零件进行简化变径碳化塔物理模型，利用soildworks完成建模；

2、求解域的确定和计算域网格文件的划分，将建立的变径碳化塔物理模型导入ICEM CFD软件并确定模拟计算域，所述模拟求解域确定CO2中段进气口、CO2出口及塔体外表面为边界的封闭流体域；在其封闭流体域上采用结构网格进行划分；对边界部分命名并导出网格文件，进入求解；

3、求解过程：

1) 本过程选用fluent软件进行求解，将保存好的网格文件导入fluent软件后，首先对网格文件进行第一步检查确保无负体积出现并修改尺寸比例使网格和计算域中的单位尺度一致；

2) 选择数学模型并设置初始条件，标准k-epsilon湍流模型；

3) 确定材料属性CO2 ;

4) 进行边界条件的设置，本技术方案采用多孔介质代替气体在筛板出的流动，粘性阻力系数：除了主要方向给定数值,其它方向的阻力系数均是主方向系数的1000倍；惯性阻力系数：除了主要方向给定数值，其它方向的惯性系数均是主方向系数的1000倍；由于多孔介质区域为层流流动特性，因此选择层流模型Laminar Zone；本次采用阻力系数的计算方法为压力降与速度实验数据计算阻力系数。设置进出口边界条件Intensity andHydraulic Diameter；

5）根据探究的变径碳化塔实际情况设置求解计算控制参数，设置求解格式、离散格式、和收敛条件并激活监视器；

6）初始化流场并完成迭代求解计算，得到所需的变径碳化塔塔内的基本物理量；

7）后处理，主要为把求解结果显示为云图或散点图形式，便于清晰了解脱硫塔内的流场分布情况。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (3)

1.变径碳化塔，其特征在于，包括，

位于中段的塔体；

中段进气装置，中段进气装置与塔体同轴线设置，中段进气装置包括圆环形管，圆环形管上具有若干个沿其周向均匀分布的出气口，圆环形管由若干段弧形管构成，弧形管两端封闭，弧形管中部径向向外设置有进气口，弧形管径向向内具有两个出气口，两个出气口对称设置在进气口的两侧；

喷流管，喷流管为直角弯管，喷流管固定安装在塔体上，喷流管与出气口之间通过分流管连接，喷流管一端与分流管固定连接，另一端为出口端，出口端向上倾斜设置且均朝向同一时针方向，倾斜角度α为10°；

增压喷嘴，增压喷嘴安装在出口端；

增压喷嘴包括管体、内管、喷嘴盖、喷嘴芯，内管位于管体内，内管一端固定连接喷嘴盖，另一端固定连接喷嘴芯，喷嘴盖与管体固定连接，管体、内管、喷嘴盖、喷嘴芯合围形成空腔以及将该空腔与喷嘴芯的进气端连通的进气通道，空腔内设置有将其气密分割为两个空间的挡板，喷嘴盖和挡板之间设置有弹簧，

内管为阶梯管，管体为直管，喷嘴盖为环形板，喷嘴盖的内环边设置有挡边，挡边与内管上端螺纹固定连接，喷嘴盖的外环边与管体通过螺栓固定连接，

内管包括管A、管B，管A的直径小于管B的直径，管A的下端固定连接管B形成阶梯管，喷嘴芯包括管C、管D，管C的下端设置有环边，管C的外壁与管B的内壁螺纹固定连接，环边固定连接管D的上端，环边与管D的内壁之间形成与空腔连通的进气通道，进气通道的出气端设有若干个间隔分布的U形板。

2.如权利要求1所述的变径碳化塔，其特征在于，弧形管有三段。

3.如权利要求1所述的变径碳化塔，其特征在于，分流管与出气口之间通过法兰盘固定连接。

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