一种具有传质功能的液体分布器的制作方法

本发明涉及一种化工塔内件设备,特别涉及一种具有传质功能的液体分布器。

背景技术：
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作为化学工业传质、分离的重要基础设备，填料塔是以塔内的填料作为气液两相接触构件的传质设备。气、液两相沿塔截面的均匀分布是高效传质，组分在有效程内得以分离的保证。为避免液体的不良分布，保证分布均匀性，塔内需设置液体分布器和再分布器。分布质量的好坏显著影响着填料分离效率和塔的操作弹性。因此，液体分布器与再分布器是极为重要的填料塔内件。

作为承接上下两段填料的液体再分布器，同时起到收集、再分布的作用，及时更正由于填料自身性能造成的壁流、偏流、沟流等引起的塔截面上的浓度差异。分布器形制众多，结构各异，因此优点不一而同。按推动力分为压力型和重力型；按流出方式分为孔流、堰流、导管流和导液板上的薄膜流等；按结构形制分为管式、槽式、盘式。

盘式分布器应用广泛，布液盘上设有布液孔和升气管道，气体从升气管上升，气、液通道是分开的；同时液体经布液孔进行均布。根据升气管不同又分为孔盘式和槽盘式两种。

由于上述分布器在设计时，气液分流、追求低压降，分布器的气、液通道是分开的，升气管和收集盘是无缝隙焊接的，分布器只是对气、液进行了收集、分布的作用。而且因为升气管对液体流动的阻挡和液体本身在径向上的流动不均匀性，使得收集盘上的液体存在浓度分布差异、液面高度落差、大量占用塔内有效体积等问题。

技术实现要素：
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本发明的目的在于针对传统槽盘式液体分布器存在的不足,提供一种具有传质功能的液体分布器。该分布器通过喷射板下部与收集盘之间设置的空隙，作为液体进入罩体的通道，同时利用该通道液体被高速运动的气体携带到升气管内混合，使传质过程充分进行；一方面液体在升气管内混合，另一方面加强了收集盘上液体的流动，从而能有效消除浓度分布差异、液面高度落差等问题。

本发明的技术方案如下：

一种具有传质功能的液体分布器，该分布器的结构包括收集盘、CTST帽罩、升气孔、布液孔、导液管和挡液板；

其中，所述的收集盘上开有平行的矩形升气孔，升气孔的长边焊有竖直的挡液板；其中，升气孔在收集盘上的开孔率为22％-35％，间隔30-70mm，中心对称分布；升气孔宽度相同为20-60mm；挡液板的高度为10-30mm；升气孔上面设置有CTST帽罩；

所述的CTST帽罩的为矩形筒状结构，矩形的长边处为两块喷射板，长度同升气孔长边的长度，短边处为两块端板，宽度比升气孔的短边宽5-20mm；CTST帽罩高为150-250mm，顶部设置有分离板，分离板的长度等同升气孔长边的长度，分离板的两侧在长出端板15-50mm处向下翻折90⁰，并垂直向下延长50-80mm，遮挡喷射出的气液混合物；

端板的下部焊接在升气孔的短边边沿，上部与分离板焊接；喷射板上部距端板的顶部的距离为30-50mm；下部距收集盘的距离为5-20mm，形成的间隙的高度低于挡液板的高度5～20mm；

所述的布液孔分布在收集盘上，正方形均匀排列，布液孔密度300-1000个/m²；位于喷射板的外侧；布液孔的直径为6-10mm；相邻布液孔之间的间距为30-80mm；在收集盘的下部，每个布液孔正下方焊接有一个导液管；导液管的长度30-50mm，内径为16-30mm。

本发明的有益效果是：

针对现有传统分布器气、液通道分开，分布器这个塔内件上气、液不接触，只有分布作用，浪费了塔内空间；由于升气管对收集盘上液体流动的阻挡和液体本身径向上的流动不均匀性，收集盘上的液体存在浓度分布差异、液面高度落差等问题，设计出兼具传质能力的新型液体分布器。该分布器通过在升气罩内气、液混合方式消除上述传统分布器所存在的问题；该分布器在起到气液收集、分布的同时兼具传质效果，综合利用了塔内的有效空间。

该液体分布器(1)在进行气、液均匀分布的同时兼具传质功能，充分利用了塔内空间；结构上，传统的分布器气液两相通道是独立的，分布器只是对气、液进行了收集、分布，此装置同时结合了升气孔与导液管，同时升气管道上方结合了大通量立体传质CTST的帽罩，使得气液两相在通道内充分接触，进行相间传质；由于收集盘上导液孔与升气孔结合在一起使得(2)通过在升气管内气、液混合方式，一方面液体在升气管内混合，另一方面加强了收集盘上液体的流动，从而消除上述传统分布器所存在浓度分布差异、液面高度落差等问题，综合利用了塔内的有效空间。

本发明的液体分布器通过测试，大部分分布点流率相对偏差在4％以内，分布器性能为优。在常压精馏或者加压精馏等对压降不敏感组分分离过程中，该新型液体分布器因特有的传质功能，能实现塔内空间的最大化利用。

附图说明：

图1具有传质功能的槽盘式液体分布器仰视图；

图2具有传质功能的槽盘式液体分布器剖视图；

其中：1—收集盘；2—CTST帽罩；3—升气孔；4—布液孔；5—导液管；6—挡液板；7—分离板；8—两侧喷射板；9—端板；

图3CTST帽罩示意图；

图4空塔气速F₀＝1.5时各布液点流率图；

图5空塔气速F₀＝1.5时各布液点相对偏差图；

图6喷淋密度对分布器压降的影响图；

图7空塔气速F₀＝1.5时各喷淋密度下的液面高度。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明的具有传质功能的槽盘式液体分布器，如图1-3所述，主要由收集盘(1)、CTST帽罩(2)、升气孔(3)、布液孔(4)、导液管(5)、挡液板(6)构成；具体结构如下述；

所述的收集盘(1)上开有平行的矩形升气孔(3)，升气孔(3)的长边焊有竖直的挡液板(6)；其中，升气孔(3)在收集盘(1)上的开孔率为22％-35％，间隔30-70mm，中心对称分布；升气孔(3)宽度相同为20-60mm，挡液板(6)的高度为10-30mm；升气孔(3)上面设置有CTST帽罩(2)；

所述的CTST帽罩(2)的主体为投影状为矩形的筒状结构，矩形的长边处为两块喷射板(8)，长度同升气孔(3)长边的长度，短边处为两块端板(9)，宽度比升气孔(3)的短边宽5-20mm，(两侧长出距离相等)；CTST帽罩(2)高为150-250mm，顶部设置有分离板(7)，分离板(7)的长度同升气孔(3)长边的长度，分离板(7)的两侧在长出端板15-50mm处向下翻折90⁰，并垂直向下延长50-80mm，遮挡喷射出的气液混合物；

端板(9)的下部焊接在升气孔(3)的短边边沿，上部与分离板(7)焊接；喷射板(8)的高度不同于端板(9)的高度，上部距端板(9)的顶部的距离为30-50mm，为气液混合物的出口；下部距收集盘(1)的距离为5-20mm，形成的间隙的高度低于挡液板(6)的高度5～20mm；形成的间隙为液体进入CTST帽罩(2)罩体的通道；

所述的布液孔(4)分布在收集盘(1)上，正方形均匀排列，布液孔密度300-1000个/m²；位于喷射板(8)的外侧；

布液孔(4)的直径为6-10mm；相邻布液孔(4)之间的间距为30-80mm；在收集盘(1)的下部，每个布液孔(4)正下方焊接有一个导液管(5)；导液管(5)的长度30-50mm，内径为16-30mm。

实施例1

如图1所示，本发明的具有传质功能的槽盘式液体分布器，主要由收集盘(1)、CTST帽罩(2)、升气孔(3)、布液孔(4)、导液管(5)、挡液板(6)构成；收集盘(1)上设置有升气孔(3)；矩形升气孔(3)两侧设置有高度30mm挡液板(6)；升气孔(3)上方设置有CTST帽罩(2)，CTST帽罩(2)高度200mm,由分离板(7)、两侧喷射板(8)、端板(9)组成，矩形帽罩两侧喷射板(8)下部和收集盘间设置有10mm底隙，为液体进入罩体的通道；收集盘(1)上设置有布液孔(4),布液孔(4)直径6mm,布液孔密度300个/m²；布液孔(4)下方设置有导液管(5)，导液管(5)长度50mm。

如图2所示，该分布器以收集盘(1)为基准；开设布液孔(4)，综合液体负荷、液面高度、孔流系数相关公式，布液孔直径6mm,间距50mm,正方形均匀排列；开设矩形升气孔(3)，核算开孔率为27％，矩形孔宽度为30mm；

如图3所示，矩形升气孔(3)两侧焊接挡液板(6)，高度30mm；矩形升气孔(3)上方即为CTST帽罩(2)部分；

如图1所示，其中CTST帽罩高度200mm,长度和矩形升气孔(3)等长，宽度比矩形升气孔(3)宽20mm,两边各10mm,端板(9)底部和收集盘(1)焊接；两侧喷射板(8)下端距收集盘(1)10mm,设置该底隙，为液体进入罩体的通道，上端距分离板(7)50mm,该空隙作为气液混合物的出口；分离板(7)比罩体宽50mm，两边各25mm，向下延长70mm，遮挡喷射出气液混合物，防止夹带。

其原理为：气体穿过板上的升气孔(3)上升，因为升气通道收缩，速度变高，气体变为高速运动的射流。高速通过的气体在CTST帽罩内形成低压，通过喷射板下端预留底隙降将集板上的液体吸入，并与之充分混合接触，进行相间传质。

来自上层填料段的液体在收集盘(1)上富集，形成一定高度液层；通过喷射板下端预留底隙，液体被高速运动的气体吸入到CTST帽罩(2)升气管内混合，并进一步提升、拉膜、破碎，气、液两相充分接触，强化了传质过程。

液体通过布液孔(4)匀布后由导液管(5)进入下一填料段。

传统分布器因为升气管对液体流动的阻挡和液体本身在径向上的流动不均匀性，使得收集盘上的液体存在浓度分布差异、液面高度落差等问题。CTST帽罩通过设置底隙，利用气体将液体吸入、提升、混合、喷出的立体化过程强化了液体流动，从而解决了上述传统分布器存在的问题。

气体穿过板上的升气孔(3)上升，高速通过的气体在CTST帽罩内和液体接触。来自上层填料段的液体在收集盘(1)上富集，形成一定高度液层；通过预留底隙，通过该通道液体被高速运动的气体携带到CTST帽罩(2)升气管内混合，并进一步提升、拉膜、破碎，气、液两相充分接触，强化了传质过程。

液体通过布液孔(4)匀布后由导液管(5)进入下一填料段。

搭建了一套直径为580mm有机玻璃塔测试系统，以空气-水系统对该分布器进行了分布性能测试。

分布器性能测试系统主要包括供水系统、通风系统、计量部分、分布器等几部分。打开风机，调节蝶阀开度，观察连接皮托管的微压计视数到设定大小；稳定一段时间后开启离心泵，将循环水箱中的提升至直径580mm冷膜塔塔顶；先经排管分布器预分布；然后经分布器分散后，返回水箱；水量大小由阀门和流量计控制、显示；保证分布器安装的水平。实验安排空塔气速F₀＝1.5下的流体力学实验研究。实验开始前，先打开风机，调节蝶阀开度到所需气速；稳定一段时间后，打开循环水泵，调节阀门，从小到大依次观察各个液体流量下的板上液层高度，压降，待稳定后，计时接液计量，并记录上述各测量值。

采用统计学中偏差的概念，对各分布点流出均匀性进行评估，相对偏差来表示各分布点流率与平均流率偏差量的相对大小，当相对偏差>10％，分布均匀性性能中；相对偏差4％-6％，分布均匀性性能良；相对偏差<4％，分布均匀性性能优；评价结果表明：除个别分布点流率偏差较大之外，大部分分布点流率相对偏差在4％以内，分布器性能为优。

对于布液点数量少的分布器可以将每个布液点当作一个分布点，以此判断分布器性能的好坏。计算每个分布点流率、相对偏差如下图所示；

同一工况不同喷淋密度下各布液孔流率如图4所示，可以发现：

随着喷淋密度增大，各布液孔流率差值减小，分布趋于均匀。这是因为随着喷淋密度增大，液层高度升高，气、液在帽罩空间内混合加剧，布液孔受下落液滴冲击的影响逐渐变小，各点流率趋于均匀。

图5为各布液点相对偏差，通过对结果评价，我们看到：当空塔气速为7.5m³/(h.m²)时，有9个分布点流率偏差超过4％；当空塔气速为19.7m³/(h.m²)时，只有1个分布点流率偏差超过4％，说明该新型液体分布器分布质量为优，操作弹性1：2.6。

这意味着，在常压精馏或者加压精馏等对压降不敏感组分分离过程中，该新型液体分布器因特有的传质功能，能实现塔内空间的最大化利用。

分布器压降如图6所示：

压降产生的主要原因是对部分液体的提升作用，从而造成压降相较于传统分布器较高。通过底隙，液体被气体提升到帽罩空间内混合、破碎，气、液两相充分接触，实现在立体空间内的传质过程，这是CTST塔板的主要特点。图6表明通过在升气管内气、液混合方式，一方面液体在升气管内混合，另一方面加强了收集盘上液体的流动，从而消除上述传统分布器所存在浓度分布差异、液面高度落差等问题。

同一工况不同喷淋密度下各布液孔流率如图7所示，可以发现；

液面高度几乎一样，这是因为随着喷淋密度增大，液层高度升高，气、液在帽罩空间内混合加剧，加强了收集盘上液体的流动，下落液滴冲击对液面波动的影响逐渐变小，液层高度差异变小。

本发明提出的具有传质功能的槽盘式液体分布器,已通过较佳实施例子进行了描述,相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的结构和设备进行改动或适当变更与组合,来实现本技术发明。特别需要指出的是,所有相似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的,他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

实施例2

修改分布器中CTST帽罩两侧喷射板和收集盘间底隙的参数，设置底隙高度为5mm，其他参数均保持不变。按上述步骤对该分布器进行了分布性能测试。结果表明：相较于实施例1中的分布器，相同操作条件下的分布器压降降低50-70Pa、收集盘上液层高度升高3-5mm、布液点流率相对偏差大于4％的布液点数量减少到1-3个，分布器质量得到提升，但是操作弹性下降为1：2.2。

这是因为底隙高度减小为5mm,液体进入CTST帽罩的通道变小，阻力增大，相同条件下液体的提升量变小，分布器压降降低，同时导致收集盘上的液层高度相比较而言就会升高，所以各布液点流率就更加趋于稳定。但是液层升高就导致相同条件下操作弹性的降低。

实施例3

修改分布器中升气孔开孔面积参数，设置开孔率为21％，矩形孔的宽减小为22mm.其他参数均保持不变。按上述步骤对该分布器进行了分布性能测试。结果表明：相较于实施例1中的分布器，相同操作条件下的压降升高80-100Pa、收集盘上液层高度降低2-3mm、布液点流率相对偏差大于4％的布液点数量减少1-2个，并没有明显增多。分布器质量得到提升，操作弹性上升为1：3.2。

这是因为减小升气孔开孔面积后，气体穿过后的气速变得更高，相对应的CTST帽罩内的压强就会更低，有更多的液体被吸入，分布器压降就有了明显的增大，但是同样的液体的提升量增大。相较于实施例1中的分布器，液层高度有所下降，但是收集盘上的液体不断的被吸入、喷出，这个过程加强了液体的流动性，消除了液面落差问题、浓度差异问题，同时操作弹性增大。

本发明未尽事宜为公知技术。