空氣冷卻塔中部回水結(jié)構(gòu)的改進(jìn)①

余曉赟，孫磊磊，葛成娟

(1.杭州杭氧股份有限公司設(shè)計(jì)院，杭州下城中山北路592號(hào)弘元大廈701室310004;2.寧波昊業(yè)石化設(shè)備有限公司，浙江寧波）

空氣冷卻塔中部回水結(jié)構(gòu)的改進(jìn)①

余曉赟1，孫磊磊1，葛成娟2

(1.杭州杭氧股份有限公司設(shè)計(jì)院，杭州下城中山北路592號(hào)弘元大廈701室310004;2.寧波昊業(yè)石化設(shè)備有限公司，浙江寧波）

介紹了帶冷水機(jī)組的空冷塔中部回水結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，優(yōu)點(diǎn)是:1.減少冷水損失，降低了能耗;2.使入空冷塔上部的空氣分布得更均勻，強(qiáng)化了傳質(zhì)傳熱過(guò)程。此方案可供有類(lèi)似流程的單位參考。

空氣冷卻塔;中部回水結(jié)構(gòu);空分設(shè)備

空分設(shè)備中，空氣預(yù)冷系統(tǒng)作為重要的組成部分，對(duì)空氣進(jìn)行降溫、除濕、除塵以及清除空氣中的有害氣體，減少對(duì)后續(xù)分子篩吸附能力有害的雜質(zhì)，保證了整套空分設(shè)備的正常運(yùn)行［1］。為了配合空分現(xiàn)場(chǎng)的條件和客戶(hù)的需求，空氣預(yù)冷系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)和流程也會(huì)采用不同的結(jié)構(gòu)，其中空氣冷卻塔中部回水流程就是一個(gè)典型例子。但目前常用的中部回水結(jié)構(gòu)存在一些固有的問(wèn)題，有待通過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化。

1 空氣預(yù)冷系統(tǒng)中部回水流程

中部回水流程主要由空氣冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、冷水機(jī)組和各管路及其相關(guān)附件組成。如圖1所示，流程的原理就是高溫壓縮空氣自空氣冷卻塔下部進(jìn)入，通過(guò)塔內(nèi)上下兩段填料與由上而下的循環(huán)水傳熱傳質(zhì)后冷卻出空氣冷卻塔入分子篩純化系統(tǒng);水路分兩部分循環(huán)，一部分常溫水在空氣冷卻塔的下段填料循環(huán)，另一部分經(jīng)冷水機(jī)組降溫的冷凍水在空氣冷卻塔的上段填料循環(huán)。由流程圖可以看出，塔內(nèi)中心筒的作用即是收集經(jīng)上段填料換熱后流下的冷凍水，將這部分水回收再通過(guò)冷水機(jī)組降溫后再次進(jìn)入塔內(nèi)上段填料頂部循環(huán)使用。因上段是溫度較低的冷凍水，單獨(dú)一條循環(huán)線路，不參與整套空分的循環(huán)水中，所以對(duì)這部分水質(zhì)要求較高，以防止上部填料段結(jié)垢，所以對(duì)這部分溫度較低、水質(zhì)要求較高的循環(huán)水要盡可能的減少不必要的浪費(fèi)，中心筒收集液體的能力至關(guān)重要。

圖1 空氣預(yù)冷系統(tǒng)中部回水流程Fig.1 Central water recycle process in air precooling system

2 空氣冷卻塔中部回水結(jié)構(gòu)及常見(jiàn)問(wèn)題

圖2 空氣冷卻塔中部回水常用結(jié)構(gòu)Fig.2 Common centralwater recycle structure

2.1 空氣冷卻塔中部回水結(jié)構(gòu)的原理

經(jīng)空氣冷卻塔上部填料傳質(zhì)傳熱后流下的水一部分直接流入中心筒，另一部分經(jīng)中心筒上部的接液盤(pán)收集以后再流入中心筒，最終通過(guò)中心筒下部一側(cè)的排水管排出，再進(jìn)入循環(huán)管路。

因?yàn)樯喜康难h(huán)水要反復(fù)使用，為了防止空氣冷卻塔上部結(jié)垢，對(duì)這部分水質(zhì)要求較高，所以上部的循環(huán)水需要一股新鮮水單獨(dú)供給;另外中部回水結(jié)構(gòu)需要空氣冷卻塔上段水的溫差相對(duì)較小，需保持較低水溫，倘若有外泄水量，需從常溫水中補(bǔ)充一部分進(jìn)入上段的循環(huán)，此時(shí)冷水機(jī)組進(jìn)出口溫差加大，增大了負(fù)荷，所以為了防止能耗損失及新鮮水浪費(fèi)，應(yīng)盡量減少上段部分冷凍循環(huán)水的浪費(fèi)。

2.2 中部回水結(jié)構(gòu)常見(jiàn)問(wèn)題分析

空氣冷卻塔采用中部回水結(jié)構(gòu)常見(jiàn)以下問(wèn)題:

1.中心筒持續(xù)漏液、濺液，造成冷量和新鮮水浪費(fèi)，增大水耗和冷水機(jī)組能耗。按照常用的中部回水結(jié)構(gòu)，考慮到氣體流速及動(dòng)能因子的影響，接液盤(pán)的面積不可能無(wú)限制增大，所以導(dǎo)致液體由上流下會(huì)出現(xiàn)圖2所示幾條線路:a上面液體直接流入中心筒;b液體流入中心筒后飛濺出;c直接斜流入空筒段;d沿接液盤(pán)底部流動(dòng)進(jìn)入空筒段。雖然a線路占主導(dǎo)但造成冷凍水損失的b、c、d線路也占有不少的份額，特別是隨著塔徑的增大，這一問(wèn)題表現(xiàn)得越突出，所以盡可能減少這部分損失是關(guān)鍵。

2.氣體分布不均勻，影響傳質(zhì)、傳熱效果。因?yàn)楸旧斫Y(jié)構(gòu)的限制，氣流從下向上受接液盤(pán)的阻擋，被迫從接液盤(pán)的四周，沿筒體內(nèi)壁上升，受成本的限制，中心筒上部的分配空間不能過(guò)大，所以大部分氣流是沿筒壁進(jìn)入上部填料段，使中間部分的填料起不到作用，傳熱效果降低，浪費(fèi)理論塔板數(shù)。

3.中心筒液位容易波動(dòng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致液位顯示和報(bào)警不準(zhǔn)確。液體從接液盤(pán)上方落下，不斷沖擊中心筒內(nèi)液面，液滴飛濺，液面波動(dòng)頻繁，致使液位計(jì)顯示上下浮動(dòng)，顯示精度降低，特別是對(duì)于氣動(dòng)浮球液位控制器，若液位控制不當(dāng)，會(huì)引起頻繁報(bào)警。

3 空氣冷卻塔中部回水結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)常用的空氣冷卻塔中部回水結(jié)構(gòu)存在的主要問(wèn)題，本文對(duì)中心筒部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)型結(jié)構(gòu)主要由中心筒、降液管、接液盤(pán)、升氣管等幾部分組成，即將常用的再分配器稍作改進(jìn)作為接液盤(pán)使用，根據(jù)動(dòng)能因子和氣體流通面積的需求，經(jīng)過(guò)計(jì)算在接液盤(pán)表面均勻地開(kāi)一定數(shù)量的通氣孔，并焊接有帶擋板的升氣管，在接液盤(pán)邊緣處根據(jù)塔徑的大小均勻開(kāi)一定數(shù)量的孔并焊接降液管，并使降液管伸入中心筒內(nèi)部液面以下，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

改進(jìn)型結(jié)構(gòu)重點(diǎn)解決了中心筒漏液的問(wèn)題。經(jīng)改進(jìn)后，能有效解決圖2中導(dǎo)致漏液的b、c、d三條線路的問(wèn)題，有效地防止漏液、濺液，使絕大部分的液體在接液盤(pán)聚集，最終通過(guò)沿筒壁的降液管有序地流入中心筒內(nèi)部。

圖3 中部回水改進(jìn)型結(jié)構(gòu)Fig.3 Improved centralwater recycle structure

通過(guò)降液管將液體直接送入中心筒內(nèi)部液面以下，能有效解決中心筒液位波動(dòng)不穩(wěn)定，引起液位計(jì)顯示和報(bào)警不準(zhǔn)確的因素。

另外，氣體從均勻分布的升氣管里流出，相較常用結(jié)構(gòu)，氣體分布效果大有改觀，中心筒上部所需分配空間減小，縮短筒體長(zhǎng)度，相應(yīng)成本也有所減少。

4 可行性計(jì)算與分析

以一套4200 m3/h的空分為例，相關(guān)工藝參數(shù)如下:

介質(zhì):空氣和水;處理氣量:Q=23 500 m3/ h;工作壓力:P=0.611 MPa(A）;空氣冷卻塔塔內(nèi)徑:d1=1500 mm;中心筒內(nèi)徑:d2=1000 mm;中心筒總高:l=1500 mm;接液盤(pán)直徑:d4=1100 mm;空氣至空氣冷卻塔中部溫度:34℃;空氣密度:ρ=6.933 kg/mm3;空氣粘度:μ=1.9×10－5P·s;空塔流速:ν=0.69 m/s。

4.1 能耗的可行性

往往設(shè)計(jì)中比較關(guān)鍵的問(wèn)題是能耗，即設(shè)備的阻力損失，阻力的大小決定了改進(jìn)結(jié)構(gòu)是否可行。

4.1.1 常有結(jié)構(gòu)阻力計(jì)算

為了方便進(jìn)行中部回水結(jié)構(gòu)的阻力計(jì)算，可將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，近似視為管路變徑引起的阻力，常用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后可分為:縮小—擴(kuò)大—縮小—擴(kuò)大四個(gè)階段。如圖4。

圖4 常有結(jié)構(gòu)尺寸及其簡(jiǎn)化模型Fig.4 Common structure dimension and simplemodel

各段的流通面積

在整個(gè)管路流動(dòng)過(guò)程中，管路截面積變化不大，壓力和溫度近似恒定，忽略空氣的可壓縮性，各段的阻力系數(shù):

取ε/d=0.0003，根據(jù)Re查得，摩擦系數(shù)λ= 0.017。

所以，通過(guò)中心筒的總阻力

4.1.2 改進(jìn)型結(jié)構(gòu)阻力計(jì)算

圖5 接液盤(pán)開(kāi)孔分布Fig.5 Holes＇distribution of liquid plate

改進(jìn)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后如圖6所示。模型可簡(jiǎn)化為:縮小—擴(kuò)大—縮小—擋板四個(gè)階段。取接液盤(pán)的升氣管數(shù)量為55個(gè)，升氣管規(guī)格Φ133×2，接液盤(pán)的開(kāi)孔分布如圖5所示。

通過(guò)升氣管的總流通面積為

圖6 改進(jìn)型結(jié)構(gòu)尺寸及其簡(jiǎn)化模型Fig.6 Improved structure dimension and simplemodel

各段的流通面積

各段的阻力系數(shù)

取ε/d=0.0003，根據(jù)Re查得，摩擦系數(shù)λ=0.017。

通過(guò)中心筒的總阻力

通過(guò)計(jì)算可以看出，采用改進(jìn)型結(jié)構(gòu)后，中心筒部分阻力增大了約8 Pa，空氣冷卻塔一般允許阻力約在8 kPa左右，中心筒處阻力約占總阻力的0.2%，在允許阻力范圍之內(nèi)，設(shè)計(jì)可行。

4.2 設(shè)計(jì)、制造的可行性。

在加工制造方面，與常用的結(jié)構(gòu)相比，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)即是在原有的基礎(chǔ)上將常用的再分配器略加改進(jìn)作為接液盤(pán)使用，雖然制造難度和成本投入上略有增加，但是再分配器的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)都已經(jīng)相當(dāng)成熟，只需將原有的結(jié)構(gòu)稍加改進(jìn)即可應(yīng)用于中心筒處，所以，設(shè)計(jì)和制造方面可行。

改進(jìn)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造要點(diǎn):1.接液盤(pán)周邊焊有降液管的開(kāi)孔要均勻，可避免因接液盤(pán)和中心筒安裝不平導(dǎo)致液體流向不均勻的問(wèn)題;2.要確定降液管伸至中心筒液面以下，保證中心筒內(nèi)液面的穩(wěn)定性;3.降液管與接液盤(pán)安裝 (或焊接）密封好，防止氣體由降液管處泄漏;4.中心筒與塔壁焊接牢固，防止漏水。

5 空氣分配效果的數(shù)值模擬

空氣通過(guò)中心筒不僅要滿(mǎn)足工藝的要求，而且要使氣體通過(guò)中心筒后能以最短的距離使空氣流速在同一截面上分布均勻，這樣不但能縮短中心筒上部的分配空間，最大限度的降低制造成本，而且能有效利用填料，保證正常的傳熱、傳質(zhì)交換效果。為了考察改進(jìn)型結(jié)構(gòu)的空氣分配效果，故對(duì)常用結(jié)構(gòu)和改進(jìn)型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流場(chǎng)的數(shù)值模擬，對(duì)其空氣分配效果進(jìn)行比較。

5.1 模型計(jì)算

本文模型計(jì)算過(guò)程所涉及到的控制方程如下:

連續(xù)性方程:

其中邊界條件的確定如下:

出口條件壓力:P2=510 820 Pa;溫度:307 K;

2．改進(jìn)型模型參數(shù)。入口條件質(zhì)量流量:4.22 kg/s;壓力:P1=511 000 Pa(G）;溫度:307 K;

由伯努利方程式計(jì)算出口壓力

出口條件壓力:P2=510 812 Pa;溫度:307 K;

圖7 模型建立Fig.7 Model create

對(duì)常用結(jié)構(gòu)和改進(jìn)型結(jié)構(gòu)建立如圖7所示的模型，在模型的求解過(guò)程中，選用了面對(duì)稱(chēng)的方式。并對(duì)上述模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定，其中網(wǎng)格采用三維六面體的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)局部進(jìn)行加密處理，并對(duì)網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行計(jì)算。其中常用結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)為113萬(wàn)，改進(jìn)型結(jié)構(gòu)為110萬(wàn)，計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)的 K-ε湍流模型，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法。邊界條件采用質(zhì)量流量進(jìn)口和壓力出口。在求解過(guò)程中，當(dāng)連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和體積方程中的變量殘差均達(dá)到10－3時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。

5.2 結(jié)果分析

圖9 出口的速度場(chǎng)分布對(duì)比Fig.9 Comparison of outlet`s velocity distribution

由圖8和圖9的速度場(chǎng)分布可以明顯看出，常用結(jié)構(gòu)的出口截面速度分布呈明顯的層狀，經(jīng)接液盤(pán)后空氣流速由筒體邊緣處往中心方向依次減小。而對(duì)于改進(jìn)型結(jié)構(gòu)，在同等高度位置，由圖9可清晰的看出，在同樣高度的出口位置，改進(jìn)型結(jié)構(gòu)的空氣流速分布明顯比常用結(jié)構(gòu)的更均勻。所以，改進(jìn)型結(jié)構(gòu)比常用結(jié)構(gòu)在空氣分配效果上更優(yōu)。

6 小 結(jié)

通過(guò)計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，改進(jìn)型中部回水結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)而言，雖然阻力要大，但相較整個(gè)設(shè)備阻力而言只占很小一部分比例;雖一次性制造成本略高，但其空氣分配效果更均勻，且縮短了筒體的長(zhǎng)度，一定程度上也收回部分成本?？傮w而言，改進(jìn)型結(jié)構(gòu)收集液體的效果更佳，且同等情況下空氣的分布更加均勻。

［1］毛紹融，朱朔元，周智勇，等.現(xiàn)代空分設(shè)備技術(shù)與操作原理［M］.杭州:杭州出版社，2005.

［2］譚天恩，竇梅，周明華，等.化工原理［M］.3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Im provements of The CentralW ater Recycle Structure in Air Cooling Tower

YU Xiaoyun1，SUN Leilei1，GE Chengjuan2

(1.Designing Institute，Hangzhou Hangyang Co.，Ltd.，Hangzhou 310004，China; 2.Ningbo Haoye Petrochemical Engineering Equipment Co.，Ltd.，Ningbo，China）

An improved method of air cooling tower central collected container＇s structure is described in this paper.It has two advantages:I.reduce the possible of liquid leaking，and cut down the waste of energy.II.the air distribution will be more symmetrical，so heat and mass transfer effectwill be enforced.Thismethod can be referred and used in similar flow process units.

air cooling tower;central collected container＇s structure;air separation plant

TQ051.5

B

1007-7804(2012）04-0022-06

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.04.005

2012-04-09

余曉赟 (1976），女，本科，工程師，現(xiàn)任杭州杭氧股份有限公司設(shè)計(jì)研究院空冷室主任，從事空分設(shè)備空氣預(yù)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。