填料塔液体分布装置的优化设计

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石油和化工设备2019年第22卷

填料塔液体分布装置的优化设计

穆传冰，侯添，朱灿朋，李义超，尹荣衡

（1.北京首钢国际工程技术有限公司焦化事业部， 北京 100043）（2.北京市冶金三维仿真设计工程技术研究中心， 北京 100043）

[摘 要] 介绍了填料塔液体分布器的设计方法、典型分布器的结构特点，分析不同结构分布器的使用场合和条件，给出液体分布装置选型的原则和方法。对国内常用的液体分布装置进行三维参数化和优化设计。[关键词] 填料塔；分布器；优化设计

1 引言

填料塔是精馏、吸收、解吸等化工单元操作过程中常见的气液传质设备，与板式塔相比，它具有压降低、通量大、效率高、适应性强等优点，在工业各个领域中得到广泛使用。特别是在低压操作、热敏性物系的分离和生产节能等方面有其特有的优越性。自上世纪70年代以来，性能优良的新型填料相继问世，特别是高效填料及新型塔内件的不断开发应用和基础理论研究的不断深入，使填料塔的放大技术有了新的突破，使填料塔的应用范围不断拓宽，改变了之前大直径塔器以板式塔为主的局面[1]。

在填料塔设计中，塔填料的选择很重要，塔填料是填料塔的核心构件，它为气液两相间热、质传递提供了有效的相界面，只有性能优良的塔填料再辅以理想的塔内件，才能构成技术上先进的填料塔。对于大型填料塔的设计来说，难点在于如何解决好放大效应问题[2]。

上世纪90年代，董谊仁等[3-4]对填料塔技术和液体分布器的设计进行了系列讨论，在国内起了很大反响。21世纪初，张文卿[6]、周海鹰[7]采用CFD计算软件对槽式分布器及预分布管进行了流场模拟，得到了一些定性和定量分析结果；王军等[8]、朱菊香等[9]对槽式液体分布器进行了理论计算和有关分析，也取得了一些定性和定量的结论。进入21世纪以来，随着计算机技术的发展和进步，基于计算流体动力学的计算机模拟技术的不断发展和试验手段的不断完善，使得气液分布装置的工艺计算已日渐成熟；三维参数化机械设计和计算机辅助几何设计（CAGD）广泛运用于工程设计领域，利用简单几何关系和关键参数驱动就能完成设

备的三维设计，并快速给出施工图，省去了传统二维制图复杂的投影关系的转换和尺寸计算，特别适用于液体分布装置这种结构复杂、形式多变类型的零部件设计。2 液体分布器的设计

国外对工业规模的试验塔内填料性能进行了系统的研究，结果表明，塔径的变化对填料性能的影响很小，填料床层上液体的初始分布才是影响填料效率的关键因素。由此可知，解决填料塔放大问题的关键是液体分布器的设计[3]。

每一种填料都有一种自然流分布，理想的初始分布也将衰变成自然流分布。只有当塔填料层的液体分布尽快达到自然流时，塔效率才会趋向稳定的较高值。液体不良初始分布的改善能够大大提高塔的分离效率。填料塔中理论级数越多，则液体分布器的初始分布质量对填料层效率的影响也越大[4]。为满足新型填料和塔的大型化的良好液体初始分布的要求，目前常用的液体分布器可分为三种类型：喷淋式液体分布器、盘式液体分布器、槽式液体分布器。

2.1 喷淋式液体分布器的设计

喷淋式液体分布器分重力型和压力型两种，从结构上又分为排管式和环管式两大类。选用这种分布器时，影响填料传质效率的因素较多。该种分布器不需要严格的水平度，也可作为槽式分布器的预分布器进行使用，对于大直径的塔，经济实用性好。但是其分布效果与槽式和盘式相比较差、易堵

作者简介：穆传冰（1982—），男，辽宁大连人，高级工程师。

现从事化工设备设计与项目管理工作。

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塞，多用于清洁介质[5]。

（1）排管式液体分布器主要由液体分配管和数排布液管组成，液体分配管和布液管端均用盲板堵死，各布液管的下方开有喷淋小孔。排管式液体分布器主要尺寸参数见表1。

表1 排管式液体分布器主要尺寸参数

参数数值关键进口直径 d1/mm250是主管直径 d2/mm300是支管直径 d3/mm100是支管间距 L1/mm800是支管开孔大小 d/mm5是开孔倾角 α/°30是开孔间距 L2/mm

50

是

表1中参数进口直径、主管直径和支管直径与进液量VL有关；参数支管间距、开孔间距、支管开孔大小和开孔倾角与塔径大小DN和喷淋要求有关。

（2）环管式液体分布器主要由液体分配管和数圈布液管组成，每圈液体分配管之间用支管相连，各布液管的下方开有喷淋小孔。环管式液体分布器主要尺寸参数见表2。

表2 环管式液体分布器主要尺寸参数

参数数值关键进口直径 d1/mm250是主管直径 d2/mm300是环管间距 L1/mm1000是支管开孔大小 d/mm5是开孔倾角 α/°30是开孔间距 L2/mm

50

是

表2中参数进口直径和主管直径与进液量有关；参数环管间距、开孔间距、支管开孔大小和开孔倾角与塔径大小和喷淋要求有关。

排管式液体分布器在设计中可按以下步骤进行：

①根据进液量（喷淋推动力为液柱高度时，按设计流速0.3m/s；如借助泵送压力，流速则可适当提高）来计算进口直径和主管直径；

②根据设备内径Di确定支管间距，一般以600-800mm为宜；

③根据进液量和支管数量按设计流速0.2m/s来计算支管直径；

④根据分布器的安装高度（一般应大于400mm）和支管间距来确定开孔倾角，取值为15-45°之间的整数；

⑤支管开孔大小和开孔间距可依据式（1）进行设计[9]：

式（1）

式中：VL-进液量，m3/s；d-小孔直径，m；n-布液孔数；φ-小孔流量系数；g-重力加速度，g=9.81m/s2；h-孔口以上的液层高度，m。首先确定支管开孔大小（φ一般取0.6），再通过公式计算需要开孔的个数n，并根据支管可开孔总长度来确定开孔间距。

环管式液体分布器的设计流程也遵循上述步骤，将相关参数替换即可。根据上述步骤设计完成的结果见表1和表2。将这一系列步骤的计算结果带入三维参数化设计软件中进行建模，得到的结果如图1和图2所示。

主支管连接详图 支管开孔详图

图1 排管式液体分布器三维建维模型图

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主支管连接详图 支管开孔详图

图2 环管式液体分布器三维建维模型图

2.2 盘式液体分布器的设计

盘式液体分布器属于重力型分布器，适合于液体流量变化较大的场合，其操作弹性大，通过增加开孔数和孔径可以获得更高的操作弹性。但是气体流通面积一般较其它类型的分布器小，气流通过分布器的压降较大，对水平度的要求较高。

盘式分布器结构形式很多，主要有盘式孔流型和盘式溢流型两种，适用的塔径多在2m以下。随着填料塔大型化的发展趋势，盘式分布器也进行了相应的变化和发展。

本次设计的盘式分布器采用双层塔板结构，上塔板一定区域内开孔，见图3。液体随进液管先进入下塔板，通过开孔区域溢流到上塔板，再通过降液管流出，气体通过升气管上升。采用的双层结构的盘式分布器和孔流型相比液面波动小，使液体的分布更为均匀；与溢流型相比升气管与降液管独立运行，可以消除局部液泛等不良影响。盘式液体分布器主要尺寸参数见表3。

表3 盘式液体分布器主要尺寸参数

参数数值关键进口直径 d1/mm630是降液管直径 d2/mm76是升气管直径 d3/mm

273

是

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降液管数量 n1/个436是升气管数量 n2/个106是开孔大小 d/ mm20是开孔间距 L/mm

40

是

表3中参数进口直径、降液管直径、降液管数量、开孔大小和间距与进液量有关；参数升气管直径和升气管数量与进气量有关。

盘式液体分布器在设计中可按以下步骤进行：①根据进液量按经济流速1.5m/s来计算进口直径，进而确定降液管直径和降液管数量；

②根据设备内径和填料孔隙率等数据确定气体流道的面积，进而确定合理的升气管直径和升气管数量；

③根据进液量和降液管的有关数据确定合适的上塔板开孔范围、开孔和间距；

④升气管高度应高于稳定液面150mm，降液管应高于上塔板15mm；

⑤盘式分布器由于气体流通通道小、结构复杂，造成局部压力降较其它形式分布器大，所以在设计时应进行校验（一般以压力降不超过900Pa为宜）[7]。

根据上述步骤设计完成的结果见表3。将这一系列步骤的计算结果带入三维参数化设计软件中进行建模，得到的结果如图3所示。

入口分布结构 开孔结构示意

图3 盘式液体分布器三维建维模型图

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2.3 槽式液体分布器的设计

槽式分布器为重力型分布器，在填料塔中的应用十分普遍，它适用于液体流量范围较宽的场合，其操作弹性大。该分布器的气相流通面积比盘式液体分布器大，因此可降低气流通过分布器的压降。侧壁开孔的槽式分布器还具有抗结垢能力，使固体杂质沉积在槽的底部。这种分布器对水平偏差十分敏感，安装时要保证水平度[8]。

槽式分布器结构形式很多，目前适合大型填料塔使用的是悬槽型液体分布器，除了具有原有槽式分布器的特点以外，还用了液体预分布结构和二级分布槽结构，液体先经过预分布器进入一级槽，一级槽位于二级槽的上部，靠一定的液位由一级槽底部的布液孔将液体分配到各个二级槽中，再由二级槽将液体均匀地分布到填料表面上。其布液性能较传统槽式分布器有很大提高。

（1）排管液体预分布器的设计排管液体预分布器主要尺寸参数见表4。表4 排管液体预分布器主要尺寸参数

参数数值关键进口直径 d1/mm630是支管直径 d2/mm325是分布管直径 d3/mm89是支管间距 L1/mm1400是分布管间距 L2/mm

200

是

表4中参数进口直径、支管直径和分布管直径与进液量有关；支管间距与一级槽间距（根据塔径确定）有关；分布管间距与进液量和一级槽结构尺寸有关。

排管预分布器在设计中可以依据排管式液体分布器的设计步骤进行设计。只是步骤⑤中公式系数φ的取值有所不同。设计完成的结果见表4。将这一系列步骤的计算结果带入三维参数化设计软件中进行建模，得到的结果如图4所示。

图4 排管液体预分布三维建维模型图

（2）悬槽液体分布器的设计

悬槽液体预分布器主要尺寸参数见表5。

表5 悬槽液体分布器主要尺寸参数

参数数值关键一级槽间距 l1/mm1400是一级槽宽 b1/ mm300是一级槽高 h1/mm220是二级槽间距 l2/mm205是二级槽宽 b2/mm60是二级槽高 h2/mm220是开孔大小 d/mm16是开孔间距 L/mm

60

是

表5中参数一级槽间距与塔径大小有关；参数一级槽宽、高与一级槽进液量有关；参数二级槽间距、开孔大小和间距与喷淋点密度要求有关；参数二级槽宽、高与二级槽进液量有关。

悬槽液体分布器在设计中可按以下步骤进行：①根据设备内径和一级槽数量n1确定合理的一级槽间距，4m以下设2个一级槽，间距取塔径DN/3；4-6m设3个一级槽，间距取塔径DN/4；6m以上设4个一级槽，间距取塔径DN/5；

②根据进液量按经济流速1.5m/s来计算一级槽宽、高，满足稳定液位的要求；

③根据设备内径和喷淋密度要求选择合适的二级槽间距，一般间距在200-220mm之间为宜；④根据分配到二级槽的进液量来计算二级槽宽b2/高h2，满足稳定液位的要求；

⑤根据进液量和喷淋密度要求选择开孔大小和间距，开孔大小依据液体性质范围在10-20mm之间；间距应不大于50mm。

根据上述步骤设计完成的结果见表5。将这一系列步骤的计算结果带入三维参数化设计软件中进行建模，得到的结果如图5所示。

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一级槽截面 二级槽截面

图5 悬槽式液体分布器三维建维模型图

以上的设计计算只满足了工艺设计的要求，在设备结构设计方面还要考虑以下问题：

（1）分布器支承结构的设计，包括支座支承、角钢横梁、上下塔板等构件的结构尺寸校核；（2）分布器在塔内的组装，主要部件的尺寸尽可能满足通过人孔的要求，长构件可考虑分片制造的要求；

（3）分布器的焊接接头数量应尽量减少，焊接位置的确定也要以减少塔内部焊接操作为目标，进行合理设计。

3 液体分布器设计的改进措施

以上介绍的液体分布器都是国内常用的液体分布装置。由于其形状特殊，对于特定工况需要进行专门设计，因此均为非标设备，难以进行标准化，在实际设计时时间和精力的消耗都很大。

采用三维参数化设计的模型可以快速改变尺寸，并可将建模结果导入CFD计算软件中进行相关模拟计算，弥补CFD软件建模能力弱的劣势；在施工图设计方面也有很大的优势，设计效率和精准性有很大提高。在设计中充分借鉴国内外文献和工程实践经验，对液体分布器进行了结构改进的一些尝试，得到了一些成果。3.1 排管式液体分布器的改进

排管式液体分布器的主要优点是在设计流量范围内均布性好，气体通道大，空间占位小、结构简单、加工方便，容易支承，造价低廉等。缺点是喷淋密度不高，操作弹性小，对孔口流速较敏感，对物料要求比较严格[9]。

因此除了要按照2.1节的内容设计外，可以进行以下几方面的尝试：

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（1）将原来等径开孔的改成不等径，逐渐加大孔径，一般按10%扩大，这样可以有效改善低流速工况下开孔流量不均匀的问题；

（2）在主管和支管相贯位置下方开直径5mm的泄压孔，可以有效改善高流速工况下开孔流量不均匀的问题；

（3）将直管和支管中心线等高布置，改为下相切结构，这样可以消除主管下部的死区，改善喷淋效果。

3.2 盘式液体分布器的改进

盘式液体分布器是均布性能最好的一种液体分布器，它具有均布性能优良，操作弹性较高，允许相当大的液体通量，气、液分流，流动互不干扰等优点。缺点是气流通道小，给喷淋点的合理布置增加了难度，结构比较复杂，空间占位大。此外，降液孔堵塞和安装水平度不合格等因素均会影响液体的均匀分布[10]。

因此除了要按照2.2节的内容设计外，还可以进行以下几方面的尝试：

（1）优化进液方式，将单层进料结构改为双层结构，下板作为预分布器，可明显改善进料位置对液体均布的影响；

（2）通过气液比合理布置升气管和降液管的面积比率，并尽可能扩大气体流道面积，减小压力降；

（3）通过合理结构设计减小支承尺寸，简化支承结构，减小分布器的占位空间。3.3 悬槽式液体分布器的改进

悬槽式液体分布器主要优点是气流通道大，操作十分可靠，很少出现排液口被堵塞的现象，故分布质量稳定；不仅操作弹性比大，而且流量范围大，且占空间小，易支承，造价较低。缺点是分布质量较差，支承水平度、液面波动、水力梯度均会对分布质量产生很大影响[11]。

因此除了要按照2.3节的内容设计外，还可以进行以下几方面的尝试：

（1）在槽的底面或侧面开孔，这就成为堰孔结合型的分布器，可以满足不同操作比条件下的分布要求；

（2）在槽的侧面不同高度的水平面上开两排堰，低流量时仅下排堰在操作，高流量时两排同时操作，可增大操作弹性，优化分布；

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（3）优化分布器截面结构，增加刚度，简化支承结构，以满足对安装水平度的要求。3.4 液体分布器的选择

在实际工程中有气液双相流和气液固三相流等工况，所选择的液体初始分布器一定要适于该种工况。准确评价液体初始分布器的性能优劣，需要利用科学实验和流场模拟等手段，测定流体分布的不均匀度、液沫夹带率和压力降等指标。

上述的选型方法需要大量的时间和费用成本，在实际工作中可按以下原则进行选型：

（1）对于喷淋点密度、布液均匀性要求较高，操作比大，对压力降要求不高的塔器，可优先选择盘式液体分布器；

（2）对于喷淋点密度、布液均匀性要求不高，操作比小，对压力降要求较高的塔器，优先选择喷淋式液体分布器；

（3）对于喷淋点密度、布液均匀性、操作比、压力降要求均较高的塔器，优先选择悬槽式液体分布器。4 结语

通过以上分析，可以得到以下结论：（1）良好的液体分布器结构应具有使初始分布快速达到填料层的自然流分布，有足够的气体流通面积，较小的压力降等特点；

（2）新型高效填料一般具有较小的径向扩散系数，对气液分布质量更加敏感，因此更依赖于良好的初始分布；

（3）要充分考虑介质物系的性质和操作工况要求，选择合理的液体分布器；

（4）对于填料塔的整体设计而言，应注意液体分布装置与填料性能之间的匹配，配置合理才能使设计的填料塔可行、经济合理。

◆参考文献

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[12] 兰州石油机械研究所主编. 现代塔器技术[M].北京：中国石化出版社，2005，886-889.

收稿日期：2018-11-09；修回日期：2019-03-01