專利名稱：一類高性能入、出口堰的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種用于石油和化學(xué)加工工業(yè)分餾塔中的一類高性能入、出口堰。
塔設(shè)備是分離操作中最常用的單元設(shè)備，按汽液接觸方式的不同可分為板式塔和填料塔，這兩種類型的塔設(shè)備各自有不同的特點(diǎn)，適用于不同生產(chǎn)場(chǎng)合，并存發(fā)展。
板式塔的內(nèi)構(gòu)件主要由塔板和降液管構(gòu)成。為了使通過塔板上升的汽相與板上流動(dòng)的液相充分接觸，須在塔板上維持一定厚度的液層，常常在塔板液流出口與降液管入口相連的位置設(shè)置出口堰(也稱溢流堰)。溢流堰越高，液層越厚，汽液接觸時(shí)間越長(zhǎng)，傳質(zhì)效率也就越高，但氣相通過塔板需要克服的阻力也越大，塔板的壓力降也就越大。另外，在塔板液流入口位置上也可設(shè)置堰，稱為入口堰。
當(dāng)前對(duì)板式塔內(nèi)件研究開發(fā)的熱點(diǎn)主要集中在塔板、降液管及鼓泡元件上，對(duì)堰的研究極少，在工業(yè)實(shí)際中選用的結(jié)構(gòu)比較固定。目前最常用的是平口堰，堰板為一直板，上緣平直，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用非常普遍；另一種為齒形堰，齒形堰與平口堰的區(qū)別是堰的上緣為鋸齒狀，適用于低液相負(fù)荷的情況，以保證塔板上的液體流動(dòng)不發(fā)生偏流，維持正常分布。這兩種結(jié)構(gòu)為國(guó)內(nèi)外普遍采用。到目前為止，有關(guān)堰的專利和專有技術(shù)非常少見，其中專利號(hào)為96205153.5、名稱為“帶有側(cè)吹孔式出口堰的新型降液管”涉及一種新型的堰結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)是入口堰與降液管相連，具有折三角形的結(jié)構(gòu)，堰上帶有側(cè)吹孔，從塔板下上升的氣流有一部分通過側(cè)孔吹出，利用這部分氣流的推動(dòng)作用，可以降低板上液層厚度，減小塔板壓降、提高處理能力。國(guó)外還有一種柵堰(Picket Fence Weirs)，柵堰的堰板上部呈矩形齒狀，在同樣的降液管弦長(zhǎng)下，柵堰的堰長(zhǎng)較長(zhǎng)，可以降低堰上溢流強(qiáng)度，堰板還可部分起到防沖濺擋板的作用，并且對(duì)安裝水平度的要求小于齒形堰，一般用于三溢流或多溢流塔板。
通過綜合分析，現(xiàn)有的堰在結(jié)構(gòu)上存在一些問題，特別是對(duì)大液量和加壓操作的塔設(shè)備。具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面(1)當(dāng)液體負(fù)荷較大時(shí)，液體由降液管流入塔板時(shí)的動(dòng)能較大，依慣性，它有沿直線流過塔板的趨勢(shì)，再加上弓形區(qū)塔壁對(duì)液體的阻滯作用，使得塔板上的液體從塔板中心到弓形區(qū)塔壁附近形成一個(gè)速度梯度，主流區(qū)速度梯度小而弓形區(qū)速度梯度大，引起液流不均勻分布，從而產(chǎn)生著名的液體“滯留區(qū)”，導(dǎo)致塔板效率的降低。消除和改善液體滯留區(qū)一直是國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。
(2)當(dāng)液體越過出口堰呈“瀑布”狀下流時(shí)，由于沖擊作用，在降液管中容易形成旋渦，加速降液管中液體中夾帶的氣泡的破裂并與液體分離，分離出的氣相由于液體“瀑布”的阻礙而難以從降液管中溢出，在降液管中形成“空腔”，阻止正常液體向下的流動(dòng)，降低降液管的液體流動(dòng)能力，尤其是在大液量的情況下?！翱涨弧敝袣怏w由于降液管中氣泡的不斷破裂而不斷累積，當(dāng)其壓力大干液體“瀑布”的阻力時(shí)，就會(huì)沖開液體而排出，隨后再累積，周而復(fù)始，引起降液管的液體流動(dòng)發(fā)生脈動(dòng)，降低了操作的穩(wěn)定性，并使塔操作產(chǎn)生波動(dòng)。
(3)在許多易起泡體系，降液管中氣泡分離需要較長(zhǎng)的停留時(shí)間，或設(shè)計(jì)較大降液管，或增大塔徑，造成很大的不經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)，尤其是加壓操作的塔設(shè)備。
(4)普通平口堰的上緣是平直的，堰板也是平直的，直線距離最短，從而堰長(zhǎng)最小，相同液量下，溢流強(qiáng)度最大，塔設(shè)計(jì)易造成塔徑增加或降液管面積較大，使得塔板有效傳質(zhì)區(qū)面積減小，所以平口堰在大處理量下使用有局限性，這些問題在加壓塔中尤為突出。
(5)當(dāng)塔設(shè)備擴(kuò)能改造時(shí)，經(jīng)常性地需要擴(kuò)大降液管出口間隙高度，擴(kuò)大后常常使得降液管液封盤的作用失效，易造成液封失敗和塔板入口液流沖擊太大，使得塔設(shè)備操作性能變差，采用合理的入口堰設(shè)計(jì)極為重要。液體溢流越過常規(guī)平直入口堰時(shí)，在入口堰后部易形成旋渦擾動(dòng)，會(huì)增大板上液面落差、引起塔板液面波動(dòng)，加劇塔板入口處的泄漏。
上述問題已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、工程經(jīng)驗(yàn)及工業(yè)實(shí)際所證實(shí)。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種新型、高效且適用于各種液體負(fù)荷，特別適用于大液量，可以有效改善塔板上的液體分布狀況，降低塔板壓力降，減小塔板入口泄漏，降低降液管內(nèi)液體的汽含率，實(shí)現(xiàn)提高傳質(zhì)效率，增大處理能力的一類高性能入、出口堰。
本實(shí)用新型主要是這樣實(shí)現(xiàn)的在板式塔2中有塔板3，塔板3與降液管4相連，在塔板3的出口與降液管4相連處設(shè)有出口堰1，在塔板3入口處設(shè)有入口堰1，堰1由堰板101、開孔102、導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)103組成，在堰板101上有開孔102并設(shè)置有導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)103。
堰板101的上緣形狀可以為弓形、梯形或其它任何中間高、兩端低的曲線。
堰板101的形狀可以為直板，也可以是弓形、梯形或其它曲面。
堰板101的上緣形狀可以為光滑的邊，也可以是齒形的。
堰板101上可以有開孔102，也可以沒有開孔102。
堰板101上可以有導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)103，也可以沒有導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)103。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于1、與常規(guī)堰相比，液體流過入口堰時(shí)，可以調(diào)整流量分布，堰兩端流量較大，逐漸向中間遞減，即流向塔板兩側(cè)弓形區(qū)的液量相對(duì)增加，使得液體滯留區(qū)和返混的情況得到改善或消除，塔板上的液體分布得到顯著改善，滯留區(qū)面積減小，塔板效率可以提高約2～10％。；同時(shí)還可以改變液體流動(dòng)方向，使得液體進(jìn)入塔板時(shí)呈輻射狀流動(dòng)，塔板上的液體分布得到顯著改善，滯留區(qū)面積減小，塔板效率提高。
2、使用傳統(tǒng)的出口堰，難以達(dá)到設(shè)計(jì)彈性的要求，而本實(shí)用新型則能較好地解決這類問題，在同樣的降液管弦長(zhǎng)下，本實(shí)用新型的堰長(zhǎng)較長(zhǎng)，可以有效降低溢流強(qiáng)度，同時(shí)，當(dāng)堰板上緣采用齒形邊時(shí)，在較低液量下也可以正常操作，所以操作彈性范圍可增大約10～20％，提高處理能力。
3、本實(shí)用新型的堰板上可以有開孔，在入口堰上開孔可以減緩形成渦流的趨勢(shì)，減少入口阻力，降低液面落差，塔板入口可以降低板上液層厚度，降低塔板壓力降，其泄漏量可減少10～15％，同時(shí)開孔有利于液體流動(dòng)，可以降低板上液層厚度，降低塔板壓力降；4、在出口堰上開孔，可以降低降液管內(nèi)氣含率，提高操作穩(wěn)定性，降液管處理能力可增大約10～20％；傳統(tǒng)的堰難以達(dá)到液體分布均勻及對(duì)設(shè)計(jì)彈性的要求，而本實(shí)用新型可以很好的解決這個(gè)問題；當(dāng)液體越過出口堰時(shí)，一部分液體從開孔泄流，可以部分降低出口堰上部的溢流強(qiáng)度，對(duì)降液管中泡沫層形成沖擊，加速降液管中氣液的分離；利用粘滯力的作用，加速弓形區(qū)域液體的流動(dòng)，部分抵消液體形成滯留區(qū)的動(dòng)能；增加降液管中空間的利用率等。
5、在出口堰板上設(shè)置導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)，使得降液管中分離出的氣相易于從導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)中導(dǎo)出，增加降液管空間的利用率，降低降液管內(nèi)氣含率，消除降液管操作的壓力波動(dòng)，提高操作穩(wěn)定性和降液管處理能力。
6、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、操作性能可靠。


圖1為本實(shí)用新型安裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型堰板101上部為梯形的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型堰板101上部為弓形的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型堰板101為弓形板的結(jié)構(gòu)示意圖5為本實(shí)用新型堰板101為梯形板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本實(shí)用新型塔板上的液流速度場(chǎng)示意圖；圖7為本實(shí)用新型堰板101帶導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)103的結(jié)構(gòu)示意圖。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的描述在板式塔2中，存在汽相和液相兩股物流，氣相和液相物流從總的流動(dòng)方向上看是呈逆流流動(dòng)，具體在每塊塔板3上的流動(dòng)是呈錯(cuò)流流動(dòng)，即液體物流從降液管4降下，進(jìn)入塔板3，在塔板3上，先是溢流越過入口堰1，進(jìn)入塔板3鼓泡區(qū)，與從塔板3下通過鼓泡元件上升的氣相進(jìn)行接觸傳質(zhì)，然后溢流越過出口堰1，進(jìn)入下層降液管4，汽液相物流在塔2內(nèi)經(jīng)過多次逐板接觸傳質(zhì)，最終達(dá)到所要求的分離效果。
出口堰1設(shè)置在塔板3液流出口與降液管4相連的位置(見
圖1)，目的是為了保證塔板3上有一定厚度的液層，使通過塔板3上升的汽相與塔板3上流動(dòng)的液相充分接觸，溢流堰1越高，液層越厚，汽液接觸時(shí)間越長(zhǎng)，傳質(zhì)效率也越高，但氣相通過塔板3需要克服的阻力也越大，塔板3的壓力降也越大。入口堰1設(shè)置在塔板3液流入口位置上(見圖2)，它對(duì)進(jìn)入塔板的液體起分布和緩沖作用，使降液管流下的液體均勻分布至塔板3上并減弱上層塔板3下流液體的沖擊作用；此外，入口堰1具有液體密封的作用，降液管4下緣低于入口堰1上緣，可防止氣相從降液管短路。在一般情況下，當(dāng)采用弓形降液管4時(shí)，降液管4的下緣本身可起到一定的分布作用，所以常不設(shè)入口堰，但是一般的塔板3都設(shè)有出口堰。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，堰1的尺寸和類型都有一定的設(shè)計(jì)要求。
堰板101的上緣形狀可以為弓形、梯形或其它任何中間高、兩端低的非平直結(jié)構(gòu)。與常規(guī)堰相比，液體流過入口堰1時(shí)，可以調(diào)整流量分布，堰1兩端流量較大，逐漸向中間遞減，即流向塔板3兩側(cè)弓形區(qū)的液量相對(duì)增加，使得液體滯留和返混的情況得到緩解。
堰板101本身可以為直板，也可以為弓形、梯形或其它非直板結(jié)構(gòu)。因?yàn)橐后w由降液管4流下進(jìn)入塔板3時(shí)的動(dòng)能較大，依慣性，它有沿直線流過塔板3的趨勢(shì)，當(dāng)堰板101采用非直板結(jié)構(gòu)時(shí)，可以改變液體流動(dòng)方向，使得液體進(jìn)入塔板3時(shí)呈輻射狀流動(dòng)，塔板3上的液體分布得到顯著改善，滯留區(qū)面積減小，塔板3效率提高。
使用傳統(tǒng)的出口堰3，難以達(dá)到設(shè)計(jì)彈性的要求，而本實(shí)用新型則能較好地解決這類問題，在同樣的降液管4弦長(zhǎng)下，本實(shí)用新型的堰長(zhǎng)較長(zhǎng)，可以有效降低溢流強(qiáng)度，提高處理能力，同時(shí)，本實(shí)用新型的堰板1上緣可以為光滑的邊，也可以是齒形的，當(dāng)堰板101上緣采用齒形邊時(shí)，在較低液量下也可以正常操作，所以可增大操作彈性范圍。
堰板101上可以有開孔102，也可以沒有開孔102。在堰板101上可以設(shè)置導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)103，也可以不設(shè)導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)103。當(dāng)入口堰1上有開孔102時(shí)，可以減緩形成渦流的趨勢(shì)，減少入口阻力，降低液面落差，減少塔板3入口泄漏量，同時(shí)開孔有利于液體流動(dòng)，可以降低板上液層厚度，降低塔板3壓力降；在出口堰上設(shè)開孔102，當(dāng)液體越過出口堰1時(shí)，一部分液體從開孔102卸流，可以減輕形成渦流的趨勢(shì)，汽體不易從開孔102中通過，使液體中夾帶的氣泡減少，再加上有些氣泡可以從導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)103中導(dǎo)出，所以降液管4內(nèi)氣含率降低，操作穩(wěn)定性和降液管處理能力提高。
權(quán)利要求1．一類高性能入、出口堰，在板式塔(2)中有塔板(3)，塔板(3)與降液管(4)相連，在塔板(3)的出口與降液管(4)相連處設(shè)有出口堰(1)，在塔板(3)入口處設(shè)有入口堰(1)，其特征在于堰(1)由堰板(101)、開孔(102)、導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)(103)組成，在堰板(101)上有開孔(102)并設(shè)置有導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)(103)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的一類高性能入、出口堰，其特征在于堰板(101)的上緣形狀可以為弓形、梯形或其它任何中間高、兩端低的曲線。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的一類高性能入、出口堰，其特征在于堰板(101)的形狀可以為直板，也可以是弓形、梯形或其它曲面。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的一類高性能入、出口堰，其特征在于堰板(101)的上緣形狀可以為光滑的邊，也可以是齒形的。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一類主要用于石油和化學(xué)加工工業(yè)分餾塔中的堰,它包括堰板、開孔和導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)三部分,該結(jié)構(gòu)可以調(diào)整塔板上液體流動(dòng)方向及流量分布,改善塔板上汽液相接觸狀況,塔板效率能提高2～10%;它的堰長(zhǎng)較長(zhǎng),可降低堰上溢流強(qiáng)度,處理能力可提高10～20%,特別適合大液相負(fù)荷操作;堰板上可設(shè)開孔和導(dǎo)氣結(jié)構(gòu),一部分液體從小孔卸流,能減輕形成渦流的趨勢(shì),減少塔板入口泄漏,降低液層高度和塔板壓力降,促進(jìn)降液管內(nèi)的汽液分離,提高操作穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)B01D3/14GK2441535SQ00233539
公開日2001年8月8日 申請(qǐng)日期2000年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月2日
發(fā)明者劉艷升, 曹睿, 濮蕓輝, 張萬(wàn)有 申請(qǐng)人:中國(guó)石油化工集團(tuán)公司, 石油大學(xué)(北京)