排管式液体分布器的设计

收稿日期：2011-05-29作者简介：罗彩霞(1974-)，女，硕士，讲师，主要从事化工设备与机械方面的教学研究，E-mail：[e-mail]排管式液体分布器的设计研究罗彩霞（太原科技大学化学与生物工程学院，太原030021）摘要：液体初始分布质量直接关系到填料性能和填料塔效率的发挥，液体初始分布要通过液体分布器实现。以简化的修正动量方程为理论基础，给出了排管式液体分布器的设计方法，并且通过一个实例来阐明具体设计过程。关键词：填料塔；液体分布器；设计中图分类号：TQ053文献标识码：A文章编号：1672-9870(2011)03-0122-04DesignofCalandriaLiquidDistributorinPackedColumnsLUOCaixia(InstituteofChemicalandBiologicalTechnologyTaiYuanUniversityofScience＆Technology，TaiYuan，030021)Abstract：Thequalityofliquidinitialdistributiondirectlyrelatedtopackingperformanceandefficiencyofpackedcol-umns，liquidinitialdistributionisachievedbyliquiddistributor.simplifiedrevisionsmomentumequationsaregivenforthetheoreticalbasis，theliquidcalandriadistributor'sdesignmethodisalsogiven，andthroughanexampletoillustratethespecificdesignprocess.Keywords：packedcolumns；Liquiddistributor；design填料塔是化工生产中广泛使用的连续接触式的气液传质设备。它具有结构简单、压力降小、分离效率高等优点，尤其是在处理有腐蚀性的物料以及真空操作时，有其独特的优越性。液体分布器作为填料塔重要的塔内件之一，作用是使液体均匀喷淋到填料表面上，其设计的好坏直接影响填料性能和全塔效率的发挥。实验证明，即使性能良好的填料也会因为液体的不良分布而导致湿润、面积减少以及严重的沟流，从而使塔效率降低，图1［1］和图2［2］说明了液体初始分布的重要性。从图1中可看出液体分布质量愈好，填料分离性能愈好，其填料层中理论板数（HETP）愈低，其原因是分布质量好可使整个填料面积都得到充分利用壁流，沟流大为减少，规整填料传质效率高的优势可以得到充分发挥。从图2中可看出，填料层实际具有的理论板数越多，则液体初始分布质量对填料塔效率的影响越大。当液体初始分布质量下降到40%时，20理论级的填料层下降到10级，而8级理论级下降到5级。综上所述，液体初始分布至关重要，而液体初始分布要靠液体分布器实现，故液体分布器的设计要给予足够重视。1排管式液体分布器设计的理论基础排管式液体分布器由于结构简单而得到广泛的应用。它由进液口1、液位管2、液体分配管3及布液管4组成。液体分配管将进口液体分流给各布液管，布液管底部打孔以将液体分布到填料上。管式分布器中液体沿分配管和布液管的流动均属于变质量流动，管内压力变化受摩擦阻力和动量交换的影响，需参考多孔管中流体的流动行为进行研究和设计。多孔管中液体的流动行为多采用修正动量方程描述［3］，其形式为：dp+λ2Dρu2dx+K′ρdx2=0，（1）式中K′—动量修正系数；p—流体静压，N/m；u—主流速度，m/s；ρ—流体密度kg/m3；；λ—管道长春理工大学学报（自然科学版）JournalofChangchunUniversityofScienceandTechnology（NaturalScienceEdition）第34卷第3期2011年9月Vol.34No.3Sep.2011第三期罗彩霞：排管式液体分布器的设计研究摩擦系数；D—管内径，mm。应用上式描述变质量流的管内静压分布，关键在于λ和K′值的确定。而这两个值目前尚无统一定论。可对修正动量方程作相应处理。对于有n个孔口的多孔管，假设液体沿各孔口均匀分布即孔口流量相等，将上式作用于第i个孔有Pi-Pi-1+Kiρ(u2i-u2i-1)=0（2）其中Ki=K″-λL4Dn(n+12-i)（3）Ki—为动量、摩擦修正系数设管进口端压力为P0，由式得从进口端沿轴向各孔口的压力分布为：ΔPiρu20-ΔP0ρu20=Ki［1-(1-in)2］（4）式中ΔPi=Pi-Pa，ΔP0=P0-Pa，P0-管进口端压力，Pa—管外压力。----ΔPi为第i个孔口的穿孔压强，其值等于孔前后压降的平均值，即----ΔPi=ΔPi-1+ΔPi2（5）对于该孔口，穿孔压强----ΔPi与穿孔速度uIi间关系为：----ΔPi=ξiρu2Ii2（6）式中ξi—孔口阻力系数。Ki和ξi无法从理论公式直接计算，需用下述的实验关联式［4］：当uIiui-1≤2.88，Ki=0.605-0.0109uIiui-1；ξi=2.80(u0iui-1)-0.3188当uIiui-12.88，ξi=2.03-0.00769uIiui-1其中uIi-i号孔口穿孔速度，m/s；ui-i号孔口液体流速，m/s上述各式是分析和测定排管内流体静压力和穿孔速度沿管道变化规律的理论基础。现用Mf表示多孔管流动的不均匀程度，Mf=éëêêùûúú1N∑I=1Næèçöø÷Q0i-Qˉ0iQˉ0i20.5（7）Q0I为N个小孔的平均流量。Mf越小，流量分配越均匀。定义管入口流的压力与动量之比为分布准数M0=ΔP0ρu20，在均布条件下，对于第i个孔口，若近似用ΔPˉi代替ΔP0得M0=12ξ1D4In2d40。图4M0和Mf的关系Fig.4relationofM0andMf从实验测得的M0和Mf的关系如图3所示。可以看出，Mf随M0的增大而降低。对均匀开孔的多孔管，采用较大的管径，较高的D1/d0，和较大的M0，可提高小孔流量分配的均匀性。2排管式液体分布器的设计排管式分布器的设计方法是先进行初步设计，确定出分布器的工艺尺寸，再进行核算，检查分布器是否能达到所要求的不均匀度。例现有一填料塔，塔径为600mm，塔顶液体流量0.00047m3/s选用规整调料中的250Y型塑料板波纹填料。拟选用排管式液体分布器，工艺尺寸为：分配管的直径为60图1分布器性能对HETP的影响Fig.1InflunceofdistributorfunctiontoHETP图2液体初始分布质量对填料性能的影响Fig.2Influnceofthequalityofliquidinitialdistributiontofillerfunction图3排管式液体分布器Fig.3calandrialiquiddistributor123长春理工大学学报（自然科学版）2011年mm，布液管的内径为35mm，总管数为2×5=10根，对称排列，间距为100mm，长度分别为270/260/260/190/190mm，小孔直径为4mm，孔间距为100mm，按正方形排列且离塔壁距离20mm区不布孔，分配管的最下方开4个孔，布液管开26个孔，分别为3/3/3/2/2，均开在下方，孔总数为30个，喷淋点密度为100点/m2。现校核如下：（1）计算布液管流量按均布原则分配各布液管流量，计算式为：LI=LnINL1=0.00047×330=0.000047m3/s，；L2=L1=0.000047m3/s，L3=0.00047×230=0.000031m3/s（2）计算各布液管始端的压强ΔPI0和主流速率uI0压强近似按下式计算ΔPI0=ξIρu20m2；流速uI0=4LIπD2IΔP0=ξIρu20m2=2×998×1.522=2245.5Pa，ΔP10=ΔP20=ΔP30=ΔΔP0=2245.5Pa，u10=4L1πD2I=0.0000470.785×0.0352=0.049m/s，u20=u10=0.049m/s，u30=4L3πD2I=0.0000310.785×0.0352=0.032m/s式中u0m—平均穿孔速度，取u0m=1.5m/s；ξI值取2。DI—第I个布液管的内径。（3）逐孔计算穿孔压强------ΔPIi和穿孔速度uIi对于第一个布液管（长270mm，开3个孔）的第一个孔：先假设穿孔速度为1.6mm，则u11u10=1.60.049=32.65〉2.88，K1=0.605-0.0109u11u10=0.605-0.0109×32.65=0.250ξ1=2.03-0.00769u11u10=2.03-0.00769×32.65=1.779ΔP1=K1［1-(1-in)2］ρu02+ΔP0=0.250×51262×998×0.0492+2245.5=2245.5Pa------ΔP11=ΔP1+ΔP02=2245.5+2245.52=2245.5Pau11=------ΔP11×2ρ×ξ1=2245.5×2998×1.779=1.590m/s，U11和假设值相差很小，且对K和ξ值影响很小，所以可以认为假设正确。同样方法算出u12=1.595m/s；u13=1.600m/s，然后计算出第二和第三个布液管各孔的穿孔速度，结果列表汇总见表1从表中看出，各孔的流速量基本相近，所以可以认为流速均匀。表1布液管各孔穿孔速度Tab.1PerforationspeedofeverydistributingliquidpipeL=1687.1kg/h序号123LI，m3/s0.0000470.0000470.000031uI1，m/s1.5901.5951.600uI2，m/s1.5901.5951.600uI3，m/s1.6531.6610.0000计算Mf值若Mf值达到指标，即认为设计合理，否则应调整uom重新计算M0=12ξ1D4In2d40=12×1.779×354262×44=7.7117.5Mf=0.1776M0-0.398=0.1776×7.71-0.398=0.079，值较小，故各孔流量分配均匀，所设计的排管式液体分布器能够满足使用要求。3结论排管式液体分布器中液体流动属于变质量流动，参考了多孔管中液体的流动行为进行设计，采用简化的修正动量方程作为设计的理论基础，给出了排管式液体分布器的设计方法。通过计算流动的不均匀度来校核所设计的液体分布器是否满足要求，具有一定的工程实际意义。参考文献：［1］罗彩霞.有机垃圾处理机尾气除臭技术装备的研究［D］.同济大学硕士学位论文，2006.［2］王树楹.现代填料塔技术指南［M］.北京：中国石化出版社，1998：165.［3］王昂，刘衔烈，倪炳华，等.多孔管流体流动行为研究［J］.化学工程.1992，20（3）：52-57.［4］董谊仁，裘俊红，陈国标.填料塔液体分布器的设计［J］.化工生产与技术.1998，18（2）：1-5.124