一种精馏塔气液分配器及其槽孔的构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种气液分配器及其孔构建方法，特别是是涉及了一种精馏塔气液分 配器及其槽孔的构建方法，适用于大型空分精馏塔孔槽式气液分配器。
【背景技术】
[0002] 精馏塔是实现低温空气分离的关键装备，随着精馏塔尺寸大型化，塔内气液分配 不均匀引起传质效率降低问题愈加突出，塔径越大，损失越大，大型化使得填料将壁流、沟 流等不良分配转化为自然流分配更困难。气液分配器是最重要的塔内件，位于精馏塔填料 的上端，将液相均匀的分配到填料表面上，形成液体初始分配。液体分配状态的好坏是影响 填料塔性能的重要因素之一，在功能要求相同的前提下，液体初始分配的好坏直接影响填 料性能，不良的液体初始分配可能使填料的性能下降50~70%，越是性能优越的填料，或 填料的床层越浅，对气液分配器的要求越高，要求液体分配越均匀。所以，流体均匀分配是 气液分配器最基本也是最重要的要求。
[0003] 目前气液分配器有许多类型，按液体流动的推动力分为压力型和重力型，重力式 分配器包括槽式、板式、盘式等，压力式分配器主要包括管式、喷头式等；按液体流出分配器 的方式分为孔口型和堰型。当前大型空分系统的精馏塔通常使用重力驱动的孔槽式气液分 配器。液体经过进料管从气液分配器中央进入气液分配器主槽，然后经主槽流入副槽，从副 槽的小孔流出，将液体分配到填料上。
[0004] 流体均匀分配是气液分配器最基本也是最重要的要求，而对于大型精馏塔的孔槽 式气液分配器而言，由于气液分配器直径很大，从分配器中心位置进入气液分配器的流体 在流向分配器边缘的过程中就会造成液位高度的较大变化，现在的孔槽式气液分配器绝大 部分采用等径均布孔，而根据液体穿孔的流量计算公式g = Cd A^/^，如果小孔均布且 孔的直径不变，液位高度h的变化就会导致孔的流量变化，使液体不能均匀分配。而且，现 在的孔槽式气液分配器的小孔一般采用普通圆柱孔，流阻很大，导致液体分配效率低。总 之，由于现有孔槽式气液分配器流体分配不均匀和分配效率低，导致大型精馏塔的性能大 幅下降。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有大型精馏塔孔槽式气液分配器流体分配不均匀和分配效率低的问 题，本发明提供了一种精馏塔气液分配器及其槽孔的构建方法，包括流线型小孔设计和小 孔非等径非均布的设计。
[0006] 本发明采用的技术方案是采用以下步骤：
[0007] 1)建立等径均布孔气液分配器的流体仿真模型进行仿真，其中气液分配器所有小 孔的圆孔壁曲线均采用由圆弧和直线拼接成的流线型孔壁曲线，得到当气液分配器处于工 作稳态时的主槽和副槽上各个观测点的液位高度；
[0008] 等径均布气液分配器中，液体穿孔的流量计算可采用以下公式：
其中A表示孔的截面积，g为重力加速度，Cd为流量系数，h表示孔上方的液位高度。
[0009] 2)以气液分配器中心为原点、其主槽中轴线为Y轴、其副槽中轴线为X轴建立坐标 系，主槽上小孔的各个孔径采用以下公式得到：
[0011] 其中，Q为气液分配器的流量，Cd为流量系数，g为重力加速度，l\(y ki)为Y轴第 i个小孔的液位高度，y Ri为主槽上第i个小孔的Y轴坐标位置，i表示主槽上小孔的序数； i表示主槽上小孔的序数；
[0012] 3)副槽小孔孔径与该副槽中轴线和主槽中轴线交点处的小孔直径相同，并依次计 算得到副槽上各个小孔的位置；
[0013] 4)由上述得到的主槽和副槽的小孔孔径和副槽小孔位置重复步骤1)建立流体仿 真模型进行仿真，观测点与步骤1)的观测点相同，从而仿真获得主槽和副槽上各个小孔的 流量q；；，:进而采用以下公式计算得到第P个小孔的流量和喷淋区域面积之比k;:
[0015] 其中，Lp为第p个小孔正方形喷淋区域的边长。
[0016] 若所有小孔的流量和喷淋区域面积之比:?满足
E为液体分配均 匀度阈值，则将最近一次得到的主槽和副槽的小孔孔径和副槽小孔位置作为最终非等径非 均布气液分配器的布孔方案进行构建；
[0017] 若其中任一小孔的流量和喷淋区域面积之比K不满足
则回到 步骤2)重新计算，直到所有小孔的流量和喷淋区域面积之比<满足
[0018] 流线型孔壁曲线是为了降低流线型孔壁的加工难度，孔壁曲线的上部为与孔端面 相切的圆弧，孔壁曲线的下部为与圆弧相切衔接的直线，圆弧所占的中心角为110-130度。
[0019] 本发明对于孔槽式气液分配器，采用小孔非等径非均布的设计方式，主槽上小孔 采用不同孔径，副槽上的小孔采用非均布的方式，根据仿真实验、液体穿孔的流量计算公 式、拉格朗日插值公式构造方程求解出小孔的孔径和位置。
[0020] 所述步骤1)和5)中观测点采用以下方式设定：以气液分配器的中心为原点，以主 槽中轴线为Y轴，以副槽中轴线为X轴，在主槽上从气液分配器中心开始向Y轴正方向等间 隔设定多个主槽观测点，在副槽上从主槽中轴线和副槽中轴线交点开始向X轴正方向等间 隔设定多个副槽观测点。本发明仅以气液分配器其中一个副槽（图4中X轴所在副槽）为 例对副槽槽孔的构建方法进行说明，其他副槽槽孔的构建可完全参照该副槽进行确定。
[0021] 所述步骤2)中主槽上小孔的Y轴坐标位置y K1的液位高度H^yki)采用以下公式计 算：
[0023] 其中，Ii1 (y)表示Y轴坐标位置y处的液位高度，s和t均表示主槽上观测点的序 数，η为主槽上观测点的总数，ht表示第t个观测点仿真的液位高度，y 3和y t分别表示第s 个和第t个观测点的Y轴坐标位置。
[0024] 所述步骤3)具体为：
[0025] 3. 1)副槽上第一个小孔中心与主槽中轴线和副槽中轴线交点处的距离采用以下 公式计算：
[0027] 其中，L。表示等径均布气液分配器相邻小孔的间距常数，见图7, L i表示副槽第一 个小孔正方形喷淋区域的边长，所述副槽第一个小孔正方形喷淋区域的边长L1采用以下公 式求解得到：
[0029] 其中，qiS副槽上第一个小孔的流量，
为X轴坐标为
处的液 位高度，即第一个小孔的液位高度，山表示步骤2)得到的主槽上第i个小孔的直径，k。表 示等径均布气液分配器单个小孔的流量和喷淋区域面积之比，k。为常数；
[0030] 3. 2)副槽上第二个小孔中心与主槽中轴线和副槽中轴线交点处的距离采用以下 公式计算：
[0032] 其中，L。表示等径均布气液分配器相邻小孔的间距常数，L i表示副槽第一个小孔 正方形喷淋区域的边长，1^表示副槽第二个小孔正方形喷淋区域的边长，所述副槽第二个 小孔正方形喷淋区域的边长1^采用以下公式求解得到：
[0034] 其中，q2S副槽上第二个小孔的流量，
为X轴坐标为
处 的液位高度，即第二个小孔的液位高度，山表示步骤2)得到的主槽上第i个小孔的直径，k。 表示等径均布气液分配器单个小孔的流量和喷淋区域面积之比；
[0035] 3. 3)依次类推，副槽上第i个小孔中心与主槽中轴线和副槽中轴线交点处的距离 采用以下公式计算：
[0037] 其中，Lj表示副槽第j个小孔正方形喷淋区域的边长，j表示副槽上小孔序数，所 述副槽第j个小孔正方形喷淋区域的边长1^采用以下公式求解得到：
[0039] 其中，为副槽上第j个小孔的流量，
为X轴坐标 为
处的液位高度，即第j个小孔的液位高度，山表示步骤2)得 到的主槽上第i个小孔的直径，k。表示等径均布气液分配器单个小孔的流量和喷淋区域面 积之比。
[0040] 上述副槽上小孔的X轴坐标位置X处的液位高度函数h2 (X)采用以下公式计算：
[0042] 其中，u和V均表示副槽上观测点的序数，m为副槽上观测点的总数，hv表示第V个 观测点仿真的液位高度，\和X v分别表示第U个和第V个观测点的X轴坐标位置。
[0043] 所述的等径均布气液分配器单个小孔的流量和喷淋区域面积之比k。采用以下公 式计算：
[0045] 其中，Q为气液分配器的流量，Z为气液分配器上所有小孔的个数，L。表示等径均 布气液分配器相邻小孔的间距常数。
[0046] 本发明通过步骤2)孔径的设定使得主槽上所有孔的流量相同，即液体是均与分 配的；再通过步骤3)中设定副槽上的小孔均采用副槽与主槽轴线的交点处小孔的直径，然 后求解方程得到副槽上各个小孔的位置，最终通过小孔位置非均布的方式，使得单位面积 上的液体流量是均匀的，即达到了液体均匀分配的效果。提高了气液分配器液体分配的均 匀性。
[0047] 由于小孔的大小和位置改变后，气液分配器在工作稳态下观测点的液位高度会发 生一定变化，所以迭代前三步以进一步提高液体分配均匀性。最后经过数次迭代后，使得副 槽孔与主槽孔的孔径和位置优化，以进一步提高液体分配均匀性，最终可使气液分配器的 液体分配均匀性达到设定要求。
[0048] 本发明与【背景技术】相