空氣冷卻塔中部回水結構的改進①

余曉赟，孫磊磊，葛成娟

(1.杭州杭氧股份有限公司設計院，杭州下城中山北路592號弘元大廈701室310004;2.寧波昊業石化設備有限公司，浙江寧波）

空氣冷卻塔中部回水結構的改進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計院，杭州下城中山北路592號弘元大廈701室310004;2.寧波昊業石化設備有限公司，浙江寧波）

介紹了帶冷水機組的空冷塔中部回水結構的改進方案，優點是: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，強化了傳質傳熱過程。此方案可供有類似流程的單位參考。

空氣冷卻塔;中部回水結構;空分設備

空分設備中，空氣預冷系統作為重要的組成部分，對空氣進行降溫、除濕、除塵以及清除空氣中的有害氣體，減少對后續分子篩吸附能力有害的雜質，保證了整套空分設備的正常運行［1］。為了配合空分現場的條件和客戶的需求，空氣預冷系統的設備結構和流程也會采用不同的結構，其中空氣冷卻塔中部回水流程就是一個典型例子。但目前常用的中部回水結構存在一些固有的問題，有待通過進一步的改進和優化。

1 空氣預冷系統中部回水流程

中部回水流程主要由空氣冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、冷水機組和各管路及其相關附件組成。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入，通過塔內上下兩段填料與由上而下的循環水傳熱傳質后冷卻出空氣冷卻塔入分子篩純化系統;水路分兩部分循環，一部分常溫水在空氣冷卻塔的下段填料循環，另一部分經冷水機組降溫的冷凍水在空氣冷卻塔的上段填料循環。由流程圖可以看出，塔內中心筒的作用即是收集經上段填料換熱后流下的冷凍水，將這部分水回收再通過冷水機組降溫后再次進入塔內上段填料頂部循環使用。因上段是溫度較低的冷凍水，單獨一條循環線路，不參與整套空分的循環水中，所以對這部分水質要求較高，以防止上部填料段結垢，所以對這部分溫度較低、水質要求較高的循環水要盡可能的減少不必要的浪費，中心筒收集液體的能力至關重要。

圖1 空氣預冷系統中部回水流程Fig.1 Central water recycle process in air precooling system

2 空氣冷卻塔中部回水結構及常見問題

圖2 空氣冷卻塔中部回水常用結構Fig.2 Common centralwater recycle structure

2.1 空氣冷卻塔中部回水結構的原理

經空氣冷卻塔上部填料傳質傳熱后流下的水一部分直接流入中心筒，另一部分經中心筒上部的接液盤收集以后再流入中心筒，最終通過中心筒下部一側的排水管排出，再進入循環管路。

因為上部的循環水要反復使用，為了防止空氣冷卻塔上部結垢，對這部分水質要求較高，所以上部的循環水需要一股新鮮水單獨供給;另外中部回水結構需要空氣冷卻塔上段水的溫差相對較小，需保持較低水溫，倘若有外泄水量，需從常溫水中補充一部分進入上段的循環，此時冷水機組進出口溫差加大，增大了負荷，所以為了防止能耗損失及新鮮水浪費，應盡量減少上段部分冷凍循環水的浪費。

2.2 中部回水結構常見問題分析

空氣冷卻塔采用中部回水結構常見以下問題:

1.中心筒持續漏液、濺液，造成冷量和新鮮水浪費，增大水耗和冷水機組能耗。按照常用的中部回水結構，考慮到氣體流速及動能因子的影響，接液盤的面積不可能無限制增大，所以導致液體由上流下會出現圖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沿接液盤底部流動進入空筒段。雖然a線路占主導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，這一問題表現得越突出，所以盡可能減少這部分損失是關鍵。

2.氣體分布不均勻，影響傳質、傳熱效果。因為本身結構的限制，氣流從下向上受接液盤的阻擋，被迫從接液盤的四周，沿筒體內壁上升，受成本的限制，中心筒上部的分配空間不能過大，所以大部分氣流是沿筒壁進入上部填料段，使中間部分的填料起不到作用，傳熱效果降低，浪費理論塔板數。

3.中心筒液位容易波動不穩定，導致液位顯示和報警不準確。液體從接液盤上方落下，不斷沖擊中心筒內液面，液滴飛濺，液面波動頻繁，致使液位計顯示上下浮動，顯示精度降低，特別是對于氣動浮球液位控制器，若液位控制不當，會引起頻繁報警。

3 空氣冷卻塔中部回水結構改進設計

針對常用的空氣冷卻塔中部回水結構存在的主要問題，本文對中心筒部分結構進行了改進。改進型結構主要由中心筒、降液管、接液盤、升氣管等幾部分組成，即將常用的再分配器稍作改進作為接液盤使用，根據動能因子和氣體流通面積的需求，經過計算在接液盤表面均勻地開一定數量的通氣孔，并焊接有帶擋板的升氣管，在接液盤邊緣處根據塔徑的大小均勻開一定數量的孔并焊接降液管，并使降液管伸入中心筒內部液面以下，結構如圖3所示。

改進型結構重點解決了中心筒漏液的問題。經改進后，能有效解決圖2中導致漏液的b、c、d三條線路的問題，有效地防止漏液、濺液，使絕大部分的液體在接液盤聚集，最終通過沿筒壁的降液管有序地流入中心筒內部。

圖3 中部回水改進型結構Fig.3 Improved centralwater recycle structure

通過降液管將液體直接送入中心筒內部液面以下，能有效解決中心筒液位波動不穩定，引起液位計顯示和報警不準確的因素。

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

4 可行性計算與分析

以一套4200 m3/h的空分為例，相關工藝參數如下:

介質:空氣和水;處理氣量:Q=23 500 m3/ h;工作壓力:P=0.611 MPa(A）;空氣冷卻塔塔內徑:d1=1500 mm;中心筒內徑:d2=1000 mm;中心筒總高:l=1500 mm;接液盤直徑: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

往往設計中比較關鍵的問題是能耗，即設備的阻力損失，阻力的大小決定了改進結構是否可行。

4.1.1 常有結構阻力計算

為了方便進行中部回水結構的阻力計算，可將模型進行簡化，近似視為管路變徑引起的阻力，常用結構簡化后可分為:縮小—擴大—縮小—擴大四個階段。如圖4。

圖4 常有結構尺寸及其簡化模型Fig.4 Common structure dimension and simplemodel

各段的流通面積

在整個管路流動過程中，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:

取ε/d=0.0003，根據Re查得，摩擦系數λ= 0.017。

所以，通過中心筒的總阻力

4.1.2 改進型結構阻力計算

圖5 接液盤開孔分布Fig.5 Holes＇distribution of liquid plate

改進型結構簡化后如圖6所示。模型可簡化為:縮小—擴大—縮小—擋板四個階段。取接液盤的升氣管數量為55個，升氣管規格Φ133×2，接液盤的開孔分布如圖5所示。

通過升氣管的總流通面積為

圖6 改進型結構尺寸及其簡化模型Fig.6 Improved structure dimension and simplemodel

各段的流通面積

各段的阻力系數

取ε/d=0.0003，根據Re查得，摩擦系數λ=0.017。

通過中心筒的總阻力

通過計算可以看出，采用改進型結構后，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，設計可行。

4.2 設計、制造的可行性。

在加工制造方面，與常用的結構相比，改進后的結構即是在原有的基礎上將常用的再分配器略加改進作為接液盤使用，雖然制造難度和成本投入上略有增加，但是再分配器的設計和制造技術都已經相當成熟，只需將原有的結構稍加改進即可應用于中心筒處，所以，設計和制造方面可行。

改進型結構設計、制造要點:1.接液盤周邊焊有降液管的開孔要均勻，可避免因接液盤和中心筒安裝不平導致液體流向不均勻的問題;2.要確定降液管伸至中心筒液面以下，保證中心筒內液面的穩定性;3.降液管與接液盤安裝 (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 空氣分配效果的數值模擬

空氣通過中心筒不僅要滿足工藝的要求，而且要使氣體通過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、傳質交換效果。為了考察改進型結構的空氣分配效果，故對常用結構和改進型結構進行了流場的數值模擬，對其空氣分配效果進行比較。

5.1 模型計算

本文模型計算過程所涉及到的控制方程如下:

連續性方程:

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．改進型模型參數。入口條件質量流量: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

對常用結構和改進型結構建立如圖7所示的模型，在模型的求解過程中，選用了面對稱的方式。并對上述模型進行網格劃分和邊界條件設定，其中網格采用三維六面體的非結構網格，對局部進行加密處理，并對網格獨立性進行計算。其中常用結構的網格數為113萬，改進型結構為110萬，計算采用標準的 K-ε湍流模型，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法。邊界條件采用質量流量進口和壓力出口。在求解過程中，當連續性方程、動量方程和體積方程中的變量殘差均達到10－3時認為計算收斂。

5.2 結果分析

圖9 出口的速度場分布對比Fig.9 Comparison of outlet`s velocity distribution

由圖8和圖9的速度場分布可以明顯看出，常用結構的出口截面速度分布呈明顯的層狀，經接液盤后空氣流速由筒體邊緣處往中心方向依次減小。而對于改進型結構，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，改進型結構的空氣流速分布明顯比常用結構的更均勻。所以，改進型結構比常用結構在空氣分配效果上更優。

6 小 結

通過計算和數值模擬結果可以看出，改進型中部回水結構相對于傳統的結構而言，雖然阻力要大，但相較整個設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，且縮短了筒體的長度，一定程度上也收回部分成本。總體而言，改進型結構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.現代空分設備技術與操作原理［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:化學工業出版社，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，現任杭州杭氧股份有限公司設計研究院空冷室主任，從事空分設備空氣預冷系統的設計工作。