一種懸臂式溢流堰的製作方法

2023-12-04 09:13:46

專利名稱：一種懸臂式溢流堰的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種主要用於石油和化學加工工業板式塔中的溢流堰。
背景技術：
溢流堰是板式塔的重要內構件。常規溢流堰都直接安裝在塔板的出口，可以在塔 板上維持一定厚度的液層，使上升的汽相與板上流動的液相進行充分接觸傳質。溢流堰的 結構雖然簡單，但是對塔板和降液管的處理能力、操作穩定性，以及傳質效率都有顯著影 響。 目前在工業中應用最普遍的為平口堰，堰板為一直板，上緣平直；當液相負荷較低 時，也可採用齒形堰，以保證低液量下塔板上的液體均勻流動。此外，西方國家還常用一種 "後掠式堰(Sw印t-back)"或"弧形堰"(專利號W0-9818534)，堰板採用折邊或弧形，可增 加堰長，降低溢流強度，並對改善流場有一定作用。近年來，還開發了一些有關堰或與堰相 關的降液管專利和專有技術，主要包括"層板塔用降液管"(即Vortex塔板)是Sulzer公司開發的專利產品(專利號 98805791. 3)，採用了形狀如同旋風分離器的降液管，利用切向進液產生的離心力可對降液 管內的汽液混合物分離具有促進作用。"—類高性能入、出口堰"是中國石油大學開發的專利產品(專利號
ZL00233539. 5)，堰板採用抹斜形狀，通過降低堰兩側高度，使兩側的流動阻力降低，適當的
提高塔板兩側的液流量，使弧形區域內的液體動能增加，可以調整塔板上的液流分布，改善
塔板上的汽液相接觸狀況，也可以在一定程度上改善降液管內的汽液分離。"具有多個降液管的氣-液接觸塔板"是shell公司開發的專利產品(專利號
ZL01805101. 4)，特點是具有多個降液管口 ，液體分別從降液管的兩邊進入，降液管中設置
多層板，主要起到防衝擋板和導向板的作用，可防止矩形降液管兩側液體之間的對衝，改善
生產能力。 目前廣泛應用的普通平堰結構，從結構上存在一定局限性 (1)當液體溢流越過堰時，會形成液體"瀑布"，把降液管內與液體分離逸出的氣體 包封住不能排出，在堰板後面產生氣體空腔，使得液流容易在降液管口形成噎噻，不能正常 下流，由此也會造成降液管液泛(見圖1)。 (2)普通平直板結構對塔板上流場分布的均勻性也有顯著影響。因堰板對液流具 有阻擋作用，會產生液體反彈，並且塔壁會促進溢流堰附近液流的收縮，再加上塔板上鼓泡 元件及氣體上升的阻滯作用，塔板上的液流不能形成理想的平推流，特別是在堰板附近產 生液體反彈區，同時在塔板兩側還會形成液體滯留和返混區(見圖2);同時，溢流堰對液流 具有阻滯作用，堰板越高(如加壓塔)，液層越厚，汽液接觸時間越長，傳質效率也就越高， 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，處理能力會有所降低。因 此，在實際工程設計中，溢流堰的尺寸和類型都有一定的設計要求。
(3)使用常規堰時，如果操作氣速較低，塔板上的液體通過鼓泡元件的洩漏量較
3大，再加上液體受堰板的阻擋作用，液體將不能越過堰形成溢流。當氣體向上通過塔板鼓泡 元件時，氣體會受到板上液層的阻滯，因氣體是可壓縮流體，只有當壓力積聚到大於上面的 液頭壓力時才能衝破液層，因此會形成脈衝式的波動，因為此時的液層沒有溢流過堰，氣體 波動會引起液層的波動，而流體的波動能因為液體無法自由溢流而不能釋放，會引起間歇 式的振動，當波動的脈衝頻率與塔設備的固有頻率一致時，就會引起流體與設備的共振，這 種共振對設備所造成的機械損壞和對操作穩定性的破壞是巨大的，特別是對於大型設備。 低於噎噻點氣速下的共振現象是普遍存在的，這些已經由實驗室和工業應用得到證實。而 塔板上流體的這種波動能，只有當液體溢流越過堰以後，隨著流體的自由拋射才能得到釋 放，也就是說，流體與設備的共振只有當有液體越堰流入降液管才消失。 前面提到的堰或降液管專利中，"具有多個降液管的汽液接觸性塔板"在降液管中 增加了液體導流擋板結構，可緩解形成氣穴，並起到防衝擋板的作用；"一類高性能入、出口 堰"可改善塔板上的流場分布，對提高傳質效率具有一定作用；"層板塔用降液管"(Vortex 塔板)利用旋流離心力可促進降液管內的汽液分離。這些改進措施對改善塔板或降液管的 某項性能具有一定作用，但是因為溢流堰與塔板出口沒有洩流口 ，所以不能解決操作下限 時流體與設備的共振問題；而且堰上液頭高度較高，塔板上的波動加劇，不利於穩定操作； 這些專利堰一般必須採用配套的降液管結構，對普通降液管的設備改造並不適用。

發明內容
本發明的目的在於提出一種新型、高效的溢流堰，能夠促進塔板和降液管的操作 穩定性。該結構可消除低氣速下流體與塔設備形成的共振，破壞板上液層波動，拓寬操作下 限；液流可以從塔板溢流口或從堰板上溢流，可以調整液流的分配，通過液體分流，可降低 堰上液頭高度，使板上液流更趨於平推流，緩解滯留返混，兩股液流在降液管內相互作用， 有利於氣體逸出；懸臂式堰板上有堰板開口 ，可將部分液體卸流，能較好滿足降液管空間利 用率及對塔板設計彈性的要求。
本發明是這樣實現的 —種懸臂式溢流堰，在降液管內設置堰板(l)，堰板(1)通過懸臂(2)與塔板相互 連接，在堰板(1)與塔板出口之間的空間內，多個懸臂(2)之間的空隙就構成了塔板溢流口 (3)。 所述堰板(1)的下緣與塔板平齊或低於塔板，堰板高度與液流強度、操作壓力和 處理能力上限有關。 堰板(1)上可以設置堰板開口 (4)。當堰高在30mm以下時，不設置堰板開口 (4)。
堰板(1)的上緣形狀可以為平直，也可為弓形、梯形、齒形或其它非平直結構。堰 板(1)的堰本身可以為平直板，也可以為弧形、弓形或其它非直板結構。
塔板溢流口 (3)可以為一個條形長孔或多個條形長孔並行排列。塔板溢流口 (3) 的總面積等於堰板(1)與塔板之間的間隙減去懸臂(2)的面積。塔板溢流口 (3)的個數等 於懸臂(2)的個數減一，塔板溢流口 (3)的寬度與液體溢流強度、堰高相關，其寬度範圍是 2 50mm，最優寬度範圍是5 30mm。塔板溢流口 (3)的長度與塔徑、塔板溢流口 (3)的寬 度、液體溢流強度、堰高相關，長度範圍是100 500mm，最優長度範圍是150 400mm。堰 板(1)上的堰板開口 (4)可以為圓孔、也可以長條形齒縫。
(1)與常規堰相比，本發明的堰板1與懸臂2相連伸入到降液管內，在堰板1與塔 板出口之間形成塔板溢流口 3，在進入塔板溢流口 3的地方沒有溢流堰。該結構在任何操作 氣速下都可以保證有液體自由溢流進入降液管，不會象常規堰對液流阻擋產生反彈衝擊， 因此可使流體脈衝式的波動能得到釋放，有效的改善了塔板設計的放大效應問題。在低氣 速操作時，可以避免共振現象的發生，這樣不僅可以減少設備的機械損壞，還可以大大降低 噎噻點氣速，拓寬操作下限，增加操作的穩定性，彈性範圍可增加5 15%，而且堰板1還 可以使塔板上保持一定液層高度，保證了汽液相之間的充分接觸傳質和高效穩定的傳質效 率。 (2)本構型的液量可以根據堰板1的堰高和塔板溢流口 3的面積進行分配。當塔
板上的操作液量較小時，液流直接從塔板溢流口 3進入降液管，沒有出現越堰拋射過程，因
此不會在堰板1後形成液簾阻塞降液管口、在降液管內形成氣穴，能較好滿足降液管空間
利用率。當液量較大時，液體開始從堰板1上溢流，即塔板上的液流從堰板1上以及塔板溢
流口 3分成兩股流入降液管。這種結構可以控制降液管入口的液流強度，即堰上液頭高，增
加處理能力，並可有效緩解因堰上液頭高引起的塔板操作的波動性；此外，兩股液流在降液
管內相互作用，可以破壞降液管內形成的氣穴，有利於夾帶氣體的逸出。
(3)由於堰前洩流，可減少塔板上由於堰的阻擋而產生的液體反彈，使得塔板上的
液流分布均勻，塔板出口的液流收縮係數更趨近於l，液流更趨向於平推流運動，塔板兩側
的弓形滯留和返混區也得到改善，有助於提高傳質效率。
(4)堰板1下端長度範圍隨液流強度自由調節，可以控制液體分配比例，增強降液
管中液體的相互作用，對流體可以產生定向擾動，有利於液體中夾帶氣體的逸出。
(5)可根據塔徑和裝置內的汽液負荷，選擇堰板l的形狀(如弓形堰或齒形堰
等)，由此可調整塔板上的液流方向及流量分布，使得液體滯留區和返混得到緩解或消除，
促進液流分布的均勻性，改善汽液接觸。 (6)堰板1上根據體系物性(黏度、表面張力)和塔板的機械強度，可設一個或多 個垂直排列的矩形條孔、或水平排列的多個圓孔或長條形齒縫的堰板開口 4，可將部分液體 從開孔卸流，增加操作的穩定性。 (7)本發明的結構簡單，實施方便，設計靈活，對現有普通降液管的改造不需對其 他塔內件作任何改動，可根據設備規模、操作負荷、體系起泡性等特點選取相應結構，通過 液體分流可提高塔板和降液管操作穩定性，適用於各種液體負荷。


圖1是常規堰在降液管內形成氣穴的示意圖 圖2是常規堰在塔板上形成液體反彈區和滯留返混區的示意圖。 圖3是本發明在塔內的結構示意圖(主視圖)。(a)堰板下緣與塔板平齊，(b)堰
板下緣低於塔板。 圖4是本發明在塔內的結構示意圖(俯視圖)，塔板溢流口為一個長條孔(b)塔板 溢流口為多個長條孔並行排列。 圖5為本發明的懸臂式堰板的上緣形狀示意圖。(a)平口上緣，(b)齒形上緣，(c)弧形上緣，(d)弓形上緣。 圖6為本發明的懸臂式堰板的形狀示意圖。(a)平板，(b)弧形板，(c)弓形板。 圖7為本發明的堰板開孔的示意圖。(a)圓孔，(b)齒縫。 圖8為本發明促進降液管內汽液分離的原理圖。(a)小液量，(b)大液量。 圖9為本發明的孔流係數、機械能損失與塔板上液層高的實驗數據。 圖10為採用常規堰的塔板與採用本發明懸臂堰的塔板流場停留時間分布圖。(a)
常規溢流堰，(b)懸臂溢流堰。
圖11為採用本發明的塔板與採用常規溢流堰的塔板的效率對比。
(a)低液流強度，(b)高液流強度。
具體實施例方式
本發明涉及一種懸臂式溢流堰，參閱圖3和圖4所示，包括堰板1、懸臂2、塔板溢 流口 3和堰板開口 4，在堰板1與塔板出口之間開有條形塔板溢流口 3，堰板1與懸臂2相 連伸入到降液管內，堰板1上開有堰板開口 4。 如圖3所示，堰板1的下緣與塔板平齊或低於塔板，堰板高度與液流強度、操作壓 力和處理能力上限有關。堰板l的上緣形狀可以為平直，也可為弓形、梯形、齒形或其它非 平直結構，構型如圖5所示。堰板l的堰本身可以為平直板，也可以為弧形、弓形或其它非 直板結構，構型如圖5所示。 塔板溢流口 3可以為一個條形長孔或多個條形長孔並行排列，構型如圖6所示，塔 板溢流口 3的總面積等於堰板1與塔板之間的間隙減去懸臂2的面積。塔板溢流口 3的個 數等於懸臂2的個數減一，塔板溢流口 3的寬度與液體溢流強度、堰高相關，其寬度範圍是 2 50mm，最優寬度範圍是5 30mm。塔板溢流口 3的長度與塔徑、塔板溢流口 3的寬度、 液體溢流強度、堰高相關，長度範圍是100 500mm，最優長度範圍是150 400mm。
堰板1上的堰板開口 4可以為一個或多個垂直排列的矩形條孔、也可以為水平排 列的多個圓孔或長條形齒縫。堰板1上可以設置堰板開口 4，也可以不設置堰板開口 4，對 30mm以下的低堰不設置堰板開口 4。堰板開口 4的結構可參閱圖7。 與常規堰相比，本發明的堰板1與懸臂2相連伸入到降液管內，在堰板1與塔板出 口之間形成塔板溢流口 3，在進入塔板溢流口 3的地方沒有溢流堰。該結構在任何操作氣速 下都可以保證有液體自由溢流進入降液管，不會象常規堰對液流阻擋產生反彈衝擊，因此 可使流體脈衝式的波動能得到釋放，有效的改善了塔板設計的放大效應問題。在低氣速操 作時，可以避免共振現象的發生，這樣不僅可以減少設備的機械損壞，還可以大大降低噎噻 點氣速，拓寬操作下限，增加操作的穩定性，彈性範圍可增加5 15% ，而且堰板1還可以使 塔板上保持一定液層高度，保證了汽液相之間的充分接觸傳質和高效穩定的傳質效率。
本構型的液量可以根據堰板1的堰高和塔板溢流口 3的面積進行分配。當塔板上 的操作液量較小時，液流直接從塔板溢流口 3進入降液管，沒有出現越堰拋射過程，因此不 會在堰板後形成液簾阻塞降液管口、在降液管內形成氣穴，能較好滿足降液管空間利用率。 當液量較大時，液體開始從堰板1上溢流，即塔板上的液流從堰板1上以及塔板溢流口分成 兩股流入降液管。這種結構可以控制降液管入口的液流強度，即堰上液頭高，增加處理能 力，並可有效緩解因堰上液頭高引起的塔板操作的波動性；此外，兩股液流在降液管內相互作用，可以破壞降液管內形成的氣穴，有利於夾帶氣體的逸出，其工作原理可參閱圖8。通過 塔板溢流口的液流的孔流係數及阻力損失與板上液層高的關係可參閱圖9的實驗數據，可 據此關係設計塔板溢流口的結構尺寸。 由於堰前洩流，可減少塔板上由於堰的阻擋而產生的液體反彈，使得塔板上的液 流分布均勻，塔板出口的液流收縮係數更趨緊於1 ，液流更趨向於平推流運動，塔板兩側的 弓形滯留和返混區也得到改善，有助於提高傳質效率。 為了說明本發明的應用效果，對採用常規堰的塔板與採用本發明懸臂堰的塔板的 流場停留時間分布進行了實驗，實驗結果可參見圖10。由圖IO可知，懸臂堰對塔板流場具 有明顯的改善作用。圖11為採用本發明的塔板與採用常規溢流堰的塔板的效率對比，由圖 ll可知，懸臂堰對塔板效率，特別是在低氣速下操作的塔板效率具有較好的改善作用，操作 彈性得以提高。 溢流擋板下端長度範圍隨液流強度調節，可以控制液體分配比例，增強降液管中
液體的相互作用，對流體可以產生定向擾動，有利於液體中夾帶氣體的逸出。 可根據塔徑和裝置內的汽液負荷，選擇堰板1的形狀(如弓形堰或齒形堰等)，由
此可調整塔板上的液流方向及流量分布，使得液體滯留區和返混得到緩解或消除，促進液
流分布的均勻性，改善汽液接觸。 堰板1上根據體系物性(黏度、表面張力)和塔板的機械強度，設有圓孔或齒縫作 為堰板開口 4，可將部分液體從開口卸流，增加操作的穩定性。 本發明的結構簡單，實施方便，設計靈活，對現有普通降液管的改造不需對其他塔 內件作任何改動，可根據設備規模、操作負荷、體系起泡性等特點選取相應結構，通過液體 分流可提高塔板和降液管操作穩定性，適用於各種液體負荷。
權利要求
一種懸臂式溢流堰，其特徵在於在降液管內設置堰板(1)，堰板(1)通過懸臂(2)與塔板相互連接，在堰板(1)與塔板出口之間的空間內，多個懸臂(2)之間的空隙就構成了塔板溢流口(3)。
2. 根據權利要求1所述的懸臂式溢流堰，其特徵在於所述堰板(1)的下緣與塔板平齊或低於塔板。
3. 根據權利要求1或2所述的懸臂式溢流堰，其特徵在於堰板(1)上可以設置堰板開口 (4)。
4. 根據權利要求3所述的懸臂式溢流堰，其特徵在於當堰高在30mm以下時，不設置堰板開口 (4)。
5. 根據權利要求l-3任意一項所述的懸臂式溢流堰，其特徵在於堰板(1)的上緣形狀可以為平直形狀，也可為弓形、梯形、齒形或其它非平直形狀。
6. 根據權利要求l-5任意一項所述的懸臂式溢流堰，其特徵在於堰板(1)的堰本身可以為平直板，也可以為弧形、弓形或其它非直板結構。
7. 根據權利要求l所述的懸臂式溢流堰，其特徵在於塔板溢流口 (3)可以為一個條形長孔或多個條形長孔並行排列。
8. 根據權利要求7所述的懸臂式溢流堰，其特徵在於塔板溢流口 (3)的寬度範圍是2 50mm。
9. 根據權利要求7-8所述的懸臂式溢流堰，其特徵在於塔板溢流口 (3)的長度範圍是100 500mm。
10. 根據權利要求3所述的一種懸臂式溢流堰，其特徵在於堰板(1)上的堰板開口(4)可以為圓孔或長條形齒縫。
11. 一種板式塔，其特徵在於在板式塔中設置了如權利要求l-10所述的懸臂式溢流堰。
全文摘要
本發明涉及一種懸臂式溢流堰，包括堰板、懸臂、塔板溢流口、堰板開口，堰板與懸臂相連伸入到降液管內，在堰板與塔板出口間形成塔板溢流口。該結構可消除低氣速下流體與塔設備形成的共振，破壞板上液層波動，拓寬操作下限，彈性範圍增加5～15％；液量較小時，液流直接從塔板溢流口進入降液管，沒有越堰拋射，不會在降液管內形成氣穴；液量較大時，液體從塔板溢流口和堰板上溢流，通過液體分流，可降低堰上液頭高度，使板上液流更趨於平推流，緩解滯留返混，兩股液流在降液管內相互作用，有利於氣體逸出；堰板上有堰板開口，可將部分液體卸流。該構型結構簡單，通過液體分流可提高塔板和降液管操作穩定性，適用於各種液量。
文檔編號B01D3/18GK101721827SQ200910242078
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月3日 優先權日2009年12月3日
發明者嚴超宇, 劉擁軍, 劉豔升, 曹睿 申請人:中國石油天然氣集團公司;中國石油大學(北京)