一種精餾塔氣液分配器及其槽孔的構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種氣液分配器及其孔構(gòu)建方法，特別是是涉及了一種精餾塔氣液分 配器及其槽孔的構(gòu)建方法，適用于大型空分精餾塔孔槽式氣液分配器。
【背景技術(shù)】
[0002] 精餾塔是實(shí)現(xiàn)低溫空氣分離的關(guān)鍵裝備，隨著精餾塔尺寸大型化，塔內(nèi)氣液分配 不均勻引起傳質(zhì)效率降低問(wèn)題愈加突出，塔徑越大，損失越大，大型化使得填料將壁流、溝 流等不良分配轉(zhuǎn)化為自然流分配更困難。氣液分配器是最重要的塔內(nèi)件，位于精餾塔填料 的上端，將液相均勻的分配到填料表面上，形成液體初始分配。液體分配狀態(tài)的好壞是影響 填料塔性能的重要因素之一，在功能要求相同的前提下，液體初始分配的好壞直接影響填 料性能，不良的液體初始分配可能使填料的性能下降50~70%，越是性能優(yōu)越的填料，或 填料的床層越淺，對(duì)氣液分配器的要求越高，要求液體分配越均勻。所以，流體均勻分配是 氣液分配器最基本也是最重要的要求。
[0003] 目前氣液分配器有許多類型，按液體流動(dòng)的推動(dòng)力分為壓力型和重力型，重力式 分配器包括槽式、板式、盤(pán)式等，壓力式分配器主要包括管式、噴頭式等；按液體流出分配器 的方式分為孔口型和堰型。當(dāng)前大型空分系統(tǒng)的精餾塔通常使用重力驅(qū)動(dòng)的孔槽式氣液分 配器。液體經(jīng)過(guò)進(jìn)料管從氣液分配器中央進(jìn)入氣液分配器主槽，然后經(jīng)主槽流入副槽，從副 槽的小孔流出，將液體分配到填料上。
[0004] 流體均勻分配是氣液分配器最基本也是最重要的要求，而對(duì)于大型精餾塔的孔槽 式氣液分配器而言，由于氣液分配器直徑很大，從分配器中心位置進(jìn)入氣液分配器的流體 在流向分配器邊緣的過(guò)程中就會(huì)造成液位高度的較大變化，現(xiàn)在的孔槽式氣液分配器絕大 部分采用等徑均布孔，而根據(jù)液體穿孔的流量計(jì)算公式g = Cd A^/^，如果小孔均布且 孔的直徑不變，液位高度h的變化就會(huì)導(dǎo)致孔的流量變化，使液體不能均勻分配。而且，現(xiàn) 在的孔槽式氣液分配器的小孔一般采用普通圓柱孔，流阻很大，導(dǎo)致液體分配效率低?？?之，由于現(xiàn)有孔槽式氣液分配器流體分配不均勻和分配效率低，導(dǎo)致大型精餾塔的性能大 幅下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有大型精餾塔孔槽式氣液分配器流體分配不均勻和分配效率低的問(wèn) 題，本發(fā)明提供了一種精餾塔氣液分配器及其槽孔的構(gòu)建方法，包括流線型小孔設(shè)計(jì)和小 孔非等徑非均布的設(shè)計(jì)。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是采用以下步驟：
[0007] 1)建立等徑均布孔氣液分配器的流體仿真模型進(jìn)行仿真，其中氣液分配器所有小 孔的圓孔壁曲線均采用由圓弧和直線拼接成的流線型孔壁曲線，得到當(dāng)氣液分配器處于工 作穩(wěn)態(tài)時(shí)的主槽和副槽上各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的液位高度；
[0008] 等徑均布?xì)庖悍峙淦髦?，液體穿孔的流量計(jì)算可采用以下公式：
其中A表示孔的截面積，g為重力加速度，Cd為流量系數(shù)，h表示孔上方的液位高度。
[0009] 2)以氣液分配器中心為原點(diǎn)、其主槽中軸線為Y軸、其副槽中軸線為X軸建立坐標(biāo) 系，主槽上小孔的各個(gè)孔徑采用以下公式得到：
[0011] 其中，Q為氣液分配器的流量，Cd為流量系數(shù)，g為重力加速度，l\(y ki)為Y軸第 i個(gè)小孔的液位高度，y Ri為主槽上第i個(gè)小孔的Y軸坐標(biāo)位置，i表示主槽上小孔的序數(shù)； i表示主槽上小孔的序數(shù)；
[0012] 3)副槽小孔孔徑與該副槽中軸線和主槽中軸線交點(diǎn)處的小孔直徑相同，并依次計(jì) 算得到副槽上各個(gè)小孔的位置；
[0013] 4)由上述得到的主槽和副槽的小孔孔徑和副槽小孔位置重復(fù)步驟1)建立流體仿 真模型進(jìn)行仿真，觀測(cè)點(diǎn)與步驟1)的觀測(cè)點(diǎn)相同，從而仿真獲得主槽和副槽上各個(gè)小孔的 流量q；；，:進(jìn)而采用以下公式計(jì)算得到第P個(gè)小孔的流量和噴淋區(qū)域面積之比k;:
[0015] 其中，Lp為第p個(gè)小孔正方形噴淋區(qū)域的邊長(zhǎng)。
[0016] 若所有小孔的流量和噴淋區(qū)域面積之比:?滿足
E為液體分配均 勻度閾值，則將最近一次得到的主槽和副槽的小孔孔徑和副槽小孔位置作為最終非等徑非 均布?xì)庖悍峙淦鞯牟伎追桨高M(jìn)行構(gòu)建；
[0017] 若其中任一小孔的流量和噴淋區(qū)域面積之比K不滿足
則回到 步驟2)重新計(jì)算，直到所有小孔的流量和噴淋區(qū)域面積之比<滿足
[0018] 流線型孔壁曲線是為了降低流線型孔壁的加工難度，孔壁曲線的上部為與孔端面 相切的圓弧，孔壁曲線的下部為與圓弧相切銜接的直線，圓弧所占的中心角為110-130度。
[0019] 本發(fā)明對(duì)于孔槽式氣液分配器，采用小孔非等徑非均布的設(shè)計(jì)方式，主槽上小孔 采用不同孔徑，副槽上的小孔采用非均布的方式，根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)、液體穿孔的流量計(jì)算公 式、拉格朗日插值公式構(gòu)造方程求解出小孔的孔徑和位置。
[0020] 所述步驟1)和5)中觀測(cè)點(diǎn)采用以下方式設(shè)定：以氣液分配器的中心為原點(diǎn)，以主 槽中軸線為Y軸，以副槽中軸線為X軸，在主槽上從氣液分配器中心開(kāi)始向Y軸正方向等間 隔設(shè)定多個(gè)主槽觀測(cè)點(diǎn)，在副槽上從主槽中軸線和副槽中軸線交點(diǎn)開(kāi)始向X軸正方向等間 隔設(shè)定多個(gè)副槽觀測(cè)點(diǎn)。本發(fā)明僅以氣液分配器其中一個(gè)副槽（圖4中X軸所在副槽）為 例對(duì)副槽槽孔的構(gòu)建方法進(jìn)行說(shuō)明，其他副槽槽孔的構(gòu)建可完全參照該副槽進(jìn)行確定。
[0021] 所述步驟2)中主槽上小孔的Y軸坐標(biāo)位置y K1的液位高度H^yki)采用以下公式計(jì) 算：
[0023] 其中，Ii1 (y)表示Y軸坐標(biāo)位置y處的液位高度，s和t均表示主槽上觀測(cè)點(diǎn)的序 數(shù)，η為主槽上觀測(cè)點(diǎn)的總數(shù)，ht表示第t個(gè)觀測(cè)點(diǎn)仿真的液位高度，y 3和y t分別表示第s 個(gè)和第t個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)位置。
[0024] 所述步驟3)具體為：
[0025] 3. 1)副槽上第一個(gè)小孔中心與主槽中軸線和副槽中軸線交點(diǎn)處的距離采用以下 公式計(jì)算：
[0027] 其中，L。表示等徑均布?xì)庖悍峙淦飨噜徯】椎拈g距常數(shù)，見(jiàn)圖7, L i表示副槽第一 個(gè)小孔正方形噴淋區(qū)域的邊長(zhǎng)，所述副槽第一個(gè)小孔正方形噴淋區(qū)域的邊長(zhǎng)L1采用以下公 式求解得到：
[0029] 其中，qiS副槽上第一個(gè)小孔的流量，
為X軸坐標(biāo)為
處的液 位高度，即第一個(gè)小孔的液位高度，山表示步驟2)得到的主槽上第i個(gè)小孔的直徑，k。表 示等徑均布?xì)庖悍峙淦鲉蝹€(gè)小孔的流量和噴淋區(qū)域面積之比，k。為常數(shù)；
[0030] 3. 2)副槽上第二個(gè)小孔中心與主槽中軸線和副槽中軸線交點(diǎn)處的距離采用以下 公式計(jì)算：
[0032] 其中，L。表示等徑均布?xì)庖悍峙淦飨噜徯】椎拈g距常數(shù)，L i表示副槽第一個(gè)小孔 正方形噴淋區(qū)域的邊長(zhǎng)，1^表示副槽第二個(gè)小孔正方形噴淋區(qū)域的邊長(zhǎng)，所述副槽第二個(gè) 小孔正方形噴淋區(qū)域的邊長(zhǎng)1^采用以下公式求解得到：
[0034] 其中，q2S副槽上第二個(gè)小孔的流量，
為X軸坐標(biāo)為
處 的液位高度，即第二個(gè)小孔的液位高度，山表示步驟2)得到的主槽上第i個(gè)小孔的直徑，k。 表示等徑均布?xì)庖悍峙淦鲉蝹€(gè)小孔的流量和噴淋區(qū)域面積之比；
[0035] 3. 3)依次類推，副槽上第i個(gè)小孔中心與主槽中軸線和副槽中軸線交點(diǎn)處的距離 采用以下公式計(jì)算：
[0037] 其中，Lj表示副槽第j個(gè)小孔正方形噴淋區(qū)域的邊長(zhǎng)，j表示副槽上小孔序數(shù)，所 述副槽第j個(gè)小孔正方形噴淋區(qū)域的邊長(zhǎng)1^采用以下公式求解得到：
[0039] 其中，為副槽上第j個(gè)小孔的流量，
為X軸坐標(biāo) 為
處的液位高度，即第j個(gè)小孔的液位高度，山表示步驟2)得 到的主槽上第i個(gè)小孔的直徑，k。表示等徑均布?xì)庖悍峙淦鲉蝹€(gè)小孔的流量和噴淋區(qū)域面 積之比。
[0040] 上述副槽上小孔的X軸坐標(biāo)位置X處的液位高度函數(shù)h2 (X)采用以下公式計(jì)算：
[0042] 其中，u和V均表示副槽上觀測(cè)點(diǎn)的序數(shù)，m為副槽上觀測(cè)點(diǎn)的總數(shù)，hv表示第V個(gè) 觀測(cè)點(diǎn)仿真的液位高度，\和X v分別表示第U個(gè)和第V個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的X軸坐標(biāo)位置。
[0043] 所述的等徑均布?xì)庖悍峙淦鲉蝹€(gè)小孔的流量和噴淋區(qū)域面積之比k。采用以下公 式計(jì)算：
[0045] 其中，Q為氣液分配器的流量，Z為氣液分配器上所有小孔的個(gè)數(shù)，L。表示等徑均 布?xì)庖悍峙淦飨噜徯】椎拈g距常數(shù)。
[0046] 本發(fā)明通過(guò)步驟2)孔徑的設(shè)定使得主槽上所有孔的流量相同，即液體是均與分 配的；再通過(guò)步驟3)中設(shè)定副槽上的小孔均采用副槽與主槽軸線的交點(diǎn)處小孔的直徑，然 后求解方程得到副槽上各個(gè)小孔的位置，最終通過(guò)小孔位置非均布的方式，使得單位面積 上的液體流量是均勻的，即達(dá)到了液體均勻分配的效果。提高了氣液分配器液體分配的均 勻性。
[0047] 由于小孔的大小和位置改變后，氣液分配器在工作穩(wěn)態(tài)下觀測(cè)點(diǎn)的液位高度會(huì)發(fā) 生一定變化，所以迭代前三步以進(jìn)一步提高液體分配均勻性。最后經(jīng)過(guò)數(shù)次迭代后，使得副 槽孔與主槽孔的孔徑和位置優(yōu)化，以進(jìn)一步提高液體分配均勻性，最終可使氣液分配器的 液體分配均勻性達(dá)到設(shè)定要求。
[0048] 本發(fā)明與【背景技術(shù)】相