空气冷却塔中部回水结构的改进①

余晓赟，孙磊磊，葛成娟

(1.杭州杭氧股份有限公司设计院，杭州下城中山北路592号弘元大厦701室310004;2.宁波昊业石化设备有限公司，浙江宁波）

空气冷却塔中部回水结构的改进①

余晓赟1，孙磊磊1，葛成娟2

(1.杭州杭氧股份有限公司设计院，杭州下城中山北路592号弘元大厦701室310004;2.宁波昊业石化设备有限公司，浙江宁波）

介绍了带冷水机组的空冷塔中部回水结构的改进方案，优点是:1.减少冷水损失，降低了能耗;2.使入空冷塔上部的空气分布得更均匀，强化了传质传热过程。此方案可供有类似流程的单位参考。

空气冷却塔;中部回水结构;空分设备

空分设备中，空气预冷系统作为重要的组成部分，对空气进行降温、除湿、除尘以及清除空气中的有害气体，减少对后续分子筛吸附能力有害的杂质，保证了整套空分设备的正常运行［1］。为了配合空分现场的条件和客户的需求，空气预冷系统的设备结构和流程也会采用不同的结构，其中空气冷却塔中部回水流程就是一个典型例子。但目前常用的中部回水结构存在一些固有的问题，有待通过进一步的改进和优化。

1 空气预冷系统中部回水流程

中部回水流程主要由空气冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、冷水机组和各管路及其相关附件组成。如图1所示，流程的原理就是高温压缩空气自空气冷却塔下部进入，通过塔内上下两段填料与由上而下的循环水传热传质后冷却出空气冷却塔入分子筛纯化系统;水路分两部分循环，一部分常温水在空气冷却塔的下段填料循环，另一部分经冷水机组降温的冷冻水在空气冷却塔的上段填料循环。由流程图可以看出，塔内中心筒的作用即是收集经上段填料换热后流下的冷冻水，将这部分水回收再通过冷水机组降温后再次进入塔内上段填料顶部循环使用。因上段是温度较低的冷冻水，单独一条循环线路，不参与整套空分的循环水中，所以对这部分水质要求较高，以防止上部填料段结垢，所以对这部分温度较低、水质要求较高的循环水要尽可能的减少不必要的浪费，中心筒收集液体的能力至关重要。

图1 空气预冷系统中部回水流程Fig.1 Central water recycle process in air precooling system

2 空气冷却塔中部回水结构及常见问题

图2 空气冷却塔中部回水常用结构Fig.2 Common centralwater recycle structure

2.1 空气冷却塔中部回水结构的原理

经空气冷却塔上部填料传质传热后流下的水一部分直接流入中心筒，另一部分经中心筒上部的接液盘收集以后再流入中心筒，最终通过中心筒下部一侧的排水管排出，再进入循环管路。

因为上部的循环水要反复使用，为了防止空气冷却塔上部结垢，对这部分水质要求较高，所以上部的循环水需要一股新鲜水单独供给;另外中部回水结构需要空气冷却塔上段水的温差相对较小，需保持较低水温，倘若有外泄水量，需从常温水中补充一部分进入上段的循环，此时冷水机组进出口温差加大，增大了负荷，所以为了防止能耗损失及新鲜水浪费，应尽量减少上段部分冷冻循环水的浪费。

2.2 中部回水结构常见问题分析

空气冷却塔采用中部回水结构常见以下问题:

1.中心筒持续漏液、溅液，造成冷量和新鲜水浪费，增大水耗和冷水机组能耗。按照常用的中部回水结构，考虑到气体流速及动能因子的影响，接液盘的面积不可能无限制增大，所以导致液体由上流下会出现图2所示几条线路:a上面液体直接流入中心筒;b液体流入中心筒后飞溅出;c直接斜流入空筒段;d沿接液盘底部流动进入空筒段。虽然a线路占主导但造成冷冻水损失的b、c、d线路也占有不少的份额，特别是随着塔径的增大，这一问题表现得越突出，所以尽可能减少这部分损失是关键。

2.气体分布不均匀，影响传质、传热效果。因为本身结构的限制，气流从下向上受接液盘的阻挡，被迫从接液盘的四周，沿筒体内壁上升，受成本的限制，中心筒上部的分配空间不能过大，所以大部分气流是沿筒壁进入上部填料段，使中间部分的填料起不到作用，传热效果降低，浪费理论塔板数。

3.中心筒液位容易波动不稳定，导致液位显示和报警不准确。液体从接液盘上方落下，不断冲击中心筒内液面，液滴飞溅，液面波动频繁，致使液位计显示上下浮动，显示精度降低，特别是对于气动浮球液位控制器，若液位控制不当，会引起频繁报警。

3 空气冷却塔中部回水结构改进设计

针对常用的空气冷却塔中部回水结构存在的主要问题，本文对中心筒部分结构进行了改进。改进型结构主要由中心筒、降液管、接液盘、升气管等几部分组成，即将常用的再分配器稍作改进作为接液盘使用，根据动能因子和气体流通面积的需求，经过计算在接液盘表面均匀地开一定数量的通气孔，并焊接有带挡板的升气管，在接液盘边缘处根据塔径的大小均匀开一定数量的孔并焊接降液管，并使降液管伸入中心筒内部液面以下，结构如图3所示。

改进型结构重点解决了中心筒漏液的问题。经改进后，能有效解决图2中导致漏液的b、c、d三条线路的问题，有效地防止漏液、溅液，使绝大部分的液体在接液盘聚集，最终通过沿筒壁的降液管有序地流入中心筒内部。

图3 中部回水改进型结构Fig.3 Improved centralwater recycle structure

通过降液管将液体直接送入中心筒内部液面以下，能有效解决中心筒液位波动不稳定，引起液位计显示和报警不准确的因素。

另外，气体从均匀分布的升气管里流出，相较常用结构，气体分布效果大有改观，中心筒上部所需分配空间减小，缩短筒体长度，相应成本也有所减少。

4 可行性计算与分析

以一套4200 m3/h的空分为例，相关工艺参数如下:

介质:空气和水;处理气量:Q=23 500 m3/ h;工作压力:P=0.611 MPa(A）;空气冷却塔塔内径:d1=1500 mm;中心筒内径:d2=1000 mm;中心筒总高:l=1500 mm;接液盘直径:d4=1100 mm;空气至空气冷却塔中部温度:34℃;空气密度:ρ=6.933 kg/mm3;空气粘度:μ=1.9×10－5P·s;空塔流速:ν=0.69 m/s。

4.1 能耗的可行性

往往设计中比较关键的问题是能耗，即设备的阻力损失，阻力的大小决定了改进结构是否可行。

4.1.1 常有结构阻力计算

为了方便进行中部回水结构的阻力计算，可将模型进行简化，近似视为管路变径引起的阻力，常用结构简化后可分为:缩小—扩大—缩小—扩大四个阶段。如图4。

图4 常有结构尺寸及其简化模型Fig.4 Common structure dimension and simplemodel

各段的流通面积

在整个管路流动过程中，管路截面积变化不大，压力和温度近似恒定，忽略空气的可压缩性，各段的阻力系数:

取ε/d=0.0003，根据Re查得，摩擦系数λ= 0.017。

所以，通过中心筒的总阻力

4.1.2 改进型结构阻力计算

图5 接液盘开孔分布Fig.5 Holes＇distribution of liquid plate

改进型结构简化后如图6所示。模型可简化为:缩小—扩大—缩小—挡板四个阶段。取接液盘的升气管数量为55个，升气管规格Φ133×2，接液盘的开孔分布如图5所示。

通过升气管的总流通面积为

图6 改进型结构尺寸及其简化模型Fig.6 Improved structure dimension and simplemodel

各段的流通面积

各段的阻力系数

取ε/d=0.0003，根据Re查得，摩擦系数λ=0.017。

通过中心筒的总阻力

通过计算可以看出，采用改进型结构后，中心筒部分阻力增大了约8 Pa，空气冷却塔一般允许阻力约在8 kPa左右，中心筒处阻力约占总阻力的0.2%，在允许阻力范围之内，设计可行。

4.2 设计、制造的可行性。

在加工制造方面，与常用的结构相比，改进后的结构即是在原有的基础上将常用的再分配器略加改进作为接液盘使用，虽然制造难度和成本投入上略有增加，但是再分配器的设计和制造技术都已经相当成熟，只需将原有的结构稍加改进即可应用于中心筒处，所以，设计和制造方面可行。

改进型结构设计、制造要点:1.接液盘周边焊有降液管的开孔要均匀，可避免因接液盘和中心筒安装不平导致液体流向不均匀的问题;2.要确定降液管伸至中心筒液面以下，保证中心筒内液面的稳定性;3.降液管与接液盘安装 (或焊接）密封好，防止气体由降液管处泄漏;4.中心筒与塔壁焊接牢固，防止漏水。

5 空气分配效果的数值模拟

空气通过中心筒不仅要满足工艺的要求，而且要使气体通过中心筒后能以最短的距离使空气流速在同一截面上分布均匀，这样不但能缩短中心筒上部的分配空间，最大限度的降低制造成本，而且能有效利用填料，保证正常的传热、传质交换效果。为了考察改进型结构的空气分配效果，故对常用结构和改进型结构进行了流场的数值模拟，对其空气分配效果进行比较。

5.1 模型计算

本文模型计算过程所涉及到的控制方程如下:

连续性方程:

其中边界条件的确定如下:

出口条件压力:P2=510 820 Pa;温度:307 K;

2．改进型模型参数。入口条件质量流量:4.22 kg/s;压力:P1=511 000 Pa(G）;温度:307 K;

由伯努利方程式计算出口压力

出口条件压力:P2=510 812 Pa;温度:307 K;

图7 模型建立Fig.7 Model create

对常用结构和改进型结构建立如图7所示的模型，在模型的求解过程中，选用了面对称的方式。并对上述模型进行网格划分和边界条件设定，其中网格采用三维六面体的非结构网格，对局部进行加密处理，并对网格独立性进行计算。其中常用结构的网格数为113万，改进型结构为110万，计算采用标准的 K-ε湍流模型，压力与速度耦合采用SIMPLE算法。边界条件采用质量流量进口和压力出口。在求解过程中，当连续性方程、动量方程和体积方程中的变量残差均达到10－3时认为计算收敛。

5.2 结果分析

图9 出口的速度场分布对比Fig.9 Comparison of outlet`s velocity distribution

由图8和图9的速度场分布可以明显看出，常用结构的出口截面速度分布呈明显的层状，经接液盘后空气流速由筒体边缘处往中心方向依次减小。而对于改进型结构，在同等高度位置，由图9可清晰的看出，在同样高度的出口位置，改进型结构的空气流速分布明显比常用结构的更均匀。所以，改进型结构比常用结构在空气分配效果上更优。

6 小 结

通过计算和数值模拟结果可以看出，改进型中部回水结构相对于传统的结构而言，虽然阻力要大，但相较整个设备阻力而言只占很小一部分比例;虽一次性制造成本略高，但其空气分配效果更均匀，且缩短了筒体的长度，一定程度上也收回部分成本。总体而言，改进型结构收集液体的效果更佳，且同等情况下空气的分布更加均匀。

［1］毛绍融，朱朔元，周智勇，等.现代空分设备技术与操作原理［M］.杭州:杭州出版社，2005.

［2］谭天恩，窦梅，周明华，等.化工原理［M］.3版.北京:化学工业出版社，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

余晓赟 (1976），女，本科，工程师，现任杭州杭氧股份有限公司设计研究院空冷室主任，从事空分设备空气预冷系统的设计工作。