專利名稱：以等停留時間法設計多溢流塔板的方法
技術領域：
本發明涉及一種以等停留時間法設計多溢流塔板的方法，屬于石油和化學加工工業技術領域。
背景技術：
塔設備是常用的汽液傳質設備，廣泛應用于石油和化學加工工業，目前在大型工業裝置中一般以板式塔為主。板式塔中通常采用汽液兩相錯流接觸的形式，

圖1為塔內汽液接觸的示意圖。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，會造成板上液層高度的不均勻分布。隨著塔設備規模的擴大，由于板上持液慣性力的增大以及汽液傳質元件數目的增多，加劇了流體傳遞的波動性和操作狀態的隨機性，使得塔內汽液分布的均勻性急劇下降，在靠近塔板入口的區域液層較厚(氣體分布較少)，容易發生過量泄漏，在靠近塔板出口的區域液層較薄(氣體分布較多)，容易發生過量霧沫夾帶，對大型塔設備而言，二者可以同時出現且呈數量級猛 增，這種汽液分布的不均勻性會嚴重影響塔設備的處理能力和板效率，也會給塔板上的操作帶來極大的不確定性。該現象稱之為塔設備的放大效應，塔徑或液相負荷越大，放大效應就越嚴重。圖2(a)是中、小規模塔板上液層不均勻分布的照片，液層沿著塔板流向呈現出較連續的液面梯度。圖2(b)是大規模塔設備的液層分布照片，液層的不均勻分布波動性增強、規律性較差。塔設備存在著規模經濟的特點，為了降低成本，大型化是發展的必然趨勢，目前直徑IOm以上的塔已經很常見，所以緩解放大效應對塔設備操作帶來的影響是普遍面臨的問題。目前解決放大效應最為有效的方法是采用多溢流設計，即在塔板上采用多根降液管，將塔板分隔成多個鼓泡區，以減少流道長度，并降低單股液體的液流強度(見圖3)。在多溢流設計中，中間降液管下來的液體要向兩邊的鼓泡區分配，設計難度比較大，因為中間降液管向兩邊鼓泡區分配的液量由降液管兩側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。形狀對稱的降液管設計相對容易一些，而對于溢流通道數大于等于三溢流的塔板，中間存在著非對稱的偏心式降液管，就很難實現液體的均勻分配。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計存在著極大的復雜性和不確定性。現有專利技術中，“一種能平衡液體流動的多溢流塔板”(專利號US4995946)，在各個偏心降液管或者同一偏心降液管左右兩側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。這種方法中每個偏心降液管、甚至同一個偏心降液管下方的底隙高度都是不同的，設計上比較麻煩。“一種汽液傳質設備”(專利號US3729179)，在降液管底隙下安裝了多個擋條，通過改變擋條的個數和安裝高度來調整底隙面積。這種方法雖然每個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件，增加了安裝的困難，操作中也很容易損壞，而且每個降液管下方的結構也都有差別，增加了設計難度。
此外，塔板上的液流受堰的阻擋以及塔壁的約束作用，會引起收縮或擴張流動，使得板上的液層厚度增加、液體流型更為復雜，影響液流在流道上的停留時間，不利于流動分布和氣液充分接觸，很大程度上降低了板效率和各個流道的處理能力。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的計算圖。目前，多溢流塔板設計一般有兩種基本方法，等鼓泡面積法(EBA)和等流道長度法(EFPL)。等鼓泡面積法(見圖7a)中，各流道的有效鼓泡面積相等，氣體在各鼓泡區分配的量也相等。理論上看，因為氣液流量均布，接觸后應該能達到較為理想的傳質效果。但實際上，塔板上各個鼓泡區的寬度是不同的，所以在同樣面積下鼓泡區的流道長度就會不同，塔板中間的鼓泡區寬度最長，流道長度最短，所以液流在鼓泡區的停留時間也就最短。從動力學角度看，氣液接觸時間決定了傳質的效率。因此，等鼓泡面積法中各鼓泡區的汽液傳質效果不均勻。等流道長度法(見圖7b)則在一定程度上克服了等鼓泡面積法的上述不足，由于流道長度相等，在各鼓泡區內液體的停留時間比較接近，傳質效果相當。但等流道長度法的鼓泡區面積也因此相差較大，特別是兩側邊緣鼓泡區的面積就遠小于中心鼓泡區，各個鼓泡區內分布的汽、液相流量也差別較大，從而引起各區內汽液流型的差異。綜上所述，等流道長度法和等鼓泡區面積法各有其優、缺點。相比較而言，等流道長度法由于液體在各個鼓泡區的停留時間接近，流動更為均勻，具有較高的傳質效率，有利于操作的穩定性，從設計上來說更為合理，但是兩側邊緣鼓泡區的面積遠小于中心鼓泡區，會影響塔板上的流型和邊緣區汽液的分配。等鼓泡區面積法由于各鼓泡區面積相等，具有較均勻的汽液分配，但是中心區的液體停留時間較短，影響傳質效率。而且，不論是等鼓泡面積法還是等流道長度法，前面提到的偏心式降液管的液流不均勻分配問題以及塔壁收縮系數的影響也都沒有解決。

發明內容
本發明的目的在于提供一種以等停留時間法設計多溢流塔板的方法，該方法能使液流在塔板各個鼓泡區內具有 相近的停留時間和傳質效率，彌補塔板兩側邊緣區鼓泡區面積較小的不足，使塔板上的汽液分配更為均勻，有效解決多溢流塔板中偏心降液管的液體分配問題，在保證操作穩定性的同時，能大大提高塔板傳質效率和處理能力，緩解設備的放大效應。本發明所采用的技術方案如下:1.以等停留時間法計算液流在鼓泡區流道的長度的方法:鼓泡區液體等停留時間ti定義為板上第i鼓泡區內液層體積Qi與液體流率Li的比值，即:
r I t-么h -J-,、
h( I )Qi為塔板鼓泡面積八,與清液層高度Iicd的乘積,Ai等于鼓泡區的平均寬度^乘以流道長度Si，見式(1-1) ;Li等于液流強度(即單位堰長的液體流量)Lwi乘以出口堰長Ii,_，見式(1-2):
權利要求
1.一種以等停留時間法設計多溢流塔板的方法，其特征在于: 1)以等停留時間法計算液流在塔板(I)鼓泡區(3)流道長度的方法:
2.如權利要求1所述的以等停留時間法計算液流在塔板(I)鼓泡區(3)流道長度的方法，其特征在于將等流道長度法的Sli和等鼓泡面積法的Sbi在等停留時間法中進行了加權，并按照鼓泡區位置考慮了加權因子的比例；考慮了塔壁對堰附近液流的收縮系數k以及液流強度Lwi的影響，對液體停留時間進行了修正；考慮了液流的密度P、黏度μ和表面張力σ對液體在塔板上的流型和分布的影響，對液體停留時間進行了修正。
3.如權利要求1所述的以等停留時間法計算液流在塔板(I)鼓泡區(3)流道長度的方法，其特征在于可將塔板(I)鼓泡區(3)的流道長度設定為800_。
4.如權利要求1所述的塔板⑴兩側邊緣降液管(21)上端堰(4)的設計方法，其特征在于兩側邊緣降液管(21)上端后掠式堰的主堰板(41)可設為弧形或弓形，采用弧形板時，弧形圓心角為60-120°，采用弓形板時，主堰板(41)與邊緣堰板(42)的垂直距離為20_150mm。
5.如權利要求1所述的塔板(I)兩側邊緣降液管(21)上端堰(4)的設計方法，其特征在于主堰板(41)上緣可設為弓形、梯形、三角鋸齒形和矩形齒形。
6.如權利要求1所述的塔板(I)兩側邊緣降液管(21)上端堰(4)的設計方法，其特征在于主堰板(41)占總堰長的比例可為0.5，邊緣堰板(42)與主堰板(41)的平均堰板高度比可為0.8。
7.如權利要求4所述的邊緣降液管(21)上端堰(4)的設計方法，其特征在于主堰板(41)采用弧形板時，弧形圓心角可為90°，采用弓形板時，主堰板(41)與邊緣堰板(42)的垂直距離可為50mm。
8.如權利 要求1所述的以等停留時間法設計多溢流塔板的方法，其特征在于該多溢流塔板⑴安裝在分餾塔⑵中，該分餾塔(7)主要包括塔頂出口(71)、回流口(72)、出料口(73)和進料口(74)，塔內設有多溢流塔板(I)、降液管(2)、鼓泡區(3)、堰(4)、受液盤(5)和分配板(6)。
全文摘要
本發明涉及一種以等停留時間法設計多溢流塔板的方法，是為能提高塔板傳質效率和處理能力，緩解設備的放大效應而設計的。該方法根據液體在塔板鼓泡區上的停留時間定義，綜合了等流道長度法和等鼓泡面積法的優點，并考慮了塔壁對液流的收縮作用以及物性條件對流動的影響，提出了一組等停留時間下的塔板鼓泡區流道長度的計算公式。將塔板兩側邊緣降液管堰設計為后掠式堰結構，以增加兩側降液管的溢流周邊長度。將偏心式降液板下緣采用弧形或齒形結構，以平衡降液管底隙出口面積。在受液盤內設置液體分配板，以均勻降液管出口兩側的液流分布。本設計方法能使塔板各鼓泡區上的液流具有相近的停留時間和傳質效率，達到合理分配液體，促進氣液均勻分布，緩解塔設備放大效應的作用。該方法特別適合汽、液相負荷較高的大型塔設備。
文檔編號B01D3/16GK103239883SQ20121002738
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月8日 優先權日2012年2月8日
發明者曹睿, 劉艷升, 李勝山, 劉統華, 王蘊慧, 劉擁軍, 李愛凌, 劉登峰, 昌興文 申請人:中國石油天然氣股份有限公司, 中國石油天然氣華東勘察設計研究院