精餾塔板效率影響因素分析

周惠敏 王柱祥，2

（1.河北工業(yè)大學化工學院；2.天津市創(chuàng)舉科技股份有限公司）

板式塔自問世以來經過多年的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應用于石油、醫(yī)藥及環(huán)保等多個領域，成為一種重要的化工分離設備［1～3］。塔板是板式塔的核心部件， 塔板的板效率是影響分離效果的重要因素，板效率的高低直接關系到產品質量、能量消耗及設備投資等。 塔板結構與板效率密切相關，經典的塔板結構有3種：泡罩塔板、浮閥塔板和篩孔塔板。 為滿足工業(yè)上的各種分離要求，在這3種塔板基礎上進行改進和創(chuàng)新，研發(fā)出很多新型塔板結構，例如日本三井株式會社在篩孔塔板的基礎上研發(fā)出來的垂直篩板［4］，開啟了立體傳質塔板的研究熱潮。

目前，對塔板的研究主要有兩個方面，分別是塔板流體力學研究和傳質性能研究，有大量文獻通過精餾塔冷膜實驗，研究了漏液、霧沫夾帶、干板壓降、濕板壓降及清液層高度等流體力學性能對板效率的影響［5～14］，趙培等對雙閥重波紋導向浮閥塔板的流體力學性能進行研究［15］，杜佩衡等研究了梯矩形立體連續(xù)傳質塔板的干板壓降、濕板壓降及漏液等流體力學性能［16］，王子宗等對新型固閥的流體力學性能進行了探究。 但是目前很少有人通過熱膜實驗來研究塔板的板效率，而熱膜實驗相對于冷膜實驗可以更直觀、更直接地反映板效率［17］。

筆者重點研究新型垂直篩板（New-VST）和F1型浮閥塔板，以熱膜實驗為基礎，研究堰高、氣相動能因子、霧沫夾帶及液體提升量等因素對塔板板效率的影響， 所得的研究結果更趨于實際生產，對精餾塔的工業(yè)設計更具有指導意義。

1 實驗裝置及測試方法

1.1 實驗裝置

本課題組設計了一套熱膜實驗裝置，具體如圖1所示。 精餾塔塔徑為D=300mm，板間距為HT=500mm， 實驗塔內部裝有5層可以更換類型的塔板， 塔板類型分別有New-VST和F1型浮閥塔板。所用New-VST帽罩的參數為： 直徑80mm、 高度172.5mm、底隙10mm、孔徑55mm；F1型浮閥塔板孔徑為39mm，塔板上裝有兩個F1型浮閥。每層塔板外都裝有遠傳溫度計，塔頂和塔釜裝有遠傳壓力表， 回流管道裝有量程為25～250L/h的浮子流量計， 再沸器上裝有一定數量的功率為10kW的加熱棒， 用以給物料加熱。 實驗以質量濃度為10%的乙醇溶液為進料，采用過冷回流進行全回流操作。

圖1 熱膜實驗裝置圖

1.2 實驗測試方法

首先將質量濃度為10%的乙醇溶液注入再沸器中， 通過一定數量的加熱棒給再沸器加熱，至全回流。 從開始有回流為實驗起點，即浮子流量計剛開始有示數時，每10min記錄塔頂溫度、塔釜溫度和回流速率，并計算塔頂溫度和塔釜溫度差值，全回流1h實驗結束。 當塔板溫度一定時，塔板的氣液組成也確定［18］。 因此，可以通過溫差來反映板效率的變化規(guī)律，即：當溫差越大時，板效率越高；反之則越低。 這樣可以省去測量塔頂和塔釜乙醇濃度的步驟，使操作更為簡便。 筆者在研究精餾塔板效率時，也以溫差來反映板效率的變化。

2 結果與討論

2.1 堰高對板效率的影響

用4根加熱棒（即總加熱功率為40kW）給再沸器加熱， 分別測定堰高為10、20、30、40、50、60mm時，New-VST和F1型浮閥塔板全回流1h內不同時間下塔頂和塔釜的溫度，并計算溫差，得到的堰高與溫差關系如圖2所示。

圖2 不同堰高下溫差對比

由圖2可以看出，New-VST和F1型浮閥塔板在不同堰高下，板效率均隨全回流時間的增加呈現(xiàn)先增后保持不變的趨勢，全回流40～50min，所有堰高下的板效率都達到最大值，這是因為全回流剛進行一段時間，板上氣相和液相之間具有較大傳質推動力，隨著傳質過程的進行，塔頂和塔釜溫差不斷增大，板效率也不斷增加，當氣相和液相之間的傳質推動力逐漸減小至傳質過程達到平衡時，板效率漸趨平穩(wěn)后保持不變，此時再增加全回流時間已無法提高塔板效率。 堰高為40mm時，New-VST板效率最大， 此時最大溫差為28.6℃，堰高為50mm時，最大溫差為28.4℃，雖然二者的最大溫差相近，即板效率接近，但是堰高為40mm全回流40min后，New-VST板效率已接近最高值，相對于堰高50mm，堰高為40mm時，New-VST板效率達到最高水平所需時間更短， 這在實際應用中可以更高效、更節(jié)能、更節(jié)約成本。 F1型浮閥塔板堰高為50mm時，最大溫差為27.9℃，此時板效率最大。 堰高為10mm時，New-VST和F1型浮閥塔板的板效率都最差， 這是因為板上清液層高度太低，氣液傳質不充分，因此工業(yè)上采用這兩種塔板時，應盡量避免設定此堰高為操作工況。

根據圖2可知，當堰高為40mm時，New-VST具有最大板效率；當堰高為50mm時，F(xiàn)1型浮閥塔板具有最大板效率，圖3是二者最大溫差對比圖。由圖3可以看出，全回流1h過程中，這兩種板的板效率變化趨勢相同，New-VST的板效率始終高于F1型浮閥塔板的板效率，對物系的分離效果更好。

圖3 New-VST堰高40mm與F1型浮閥塔板堰高50mm溫差對比

圖4將不同堰高下F1型浮閥塔板和New-VST的最高板效率進行對比。由圖可得，New-VST和F1型浮閥塔板的板效率均隨著堰高的增加先升后降，這是因為堰高影響塔板上清液層高度，堰高越高，塔板上清液層高度也越高，隨著堰高增加，塔板上氣液傳質更加充分。 但是堰高太高時，氣相的動壓不足以阻止液體流下，下一層塔板會出現(xiàn)漏液現(xiàn)象［19，20］，同時板上清液層高度太高會造成霧沫夾帶，導致板效率變差。 不同堰高下New-VST的板效率始終比F1型浮閥塔板的高， 就New-VST而言， 堰高太低或太高都不利于板效率的提高，當堰高為40mm和50mm時板效率較高。

圖4 F1型浮閥塔板和New-VST不同堰高對溫差的影響

2.2 氣相動能因子對板效率的影響

由圖2得出： 當堰高分別為40mm和50mm時，New-VST和F1型浮閥塔板的板效率最高， 通過設置2、3、4、5、6、7根加熱棒分別對再沸器加熱來改變氣相動能因子F0，相應數據見表1。

表1 加熱棒根數對應塔板的氣相動能因子

實驗所得F0計算公式：

式中 Ap——鼓泡區(qū)面積，m2；

qv——流量計讀數，L/h；

V——氣相流量，m3/s；

ρ——乙醇液體的密度，g/cm3；

ρv——乙醇氣體的密度，kg/m3；

1.31——實驗中標定的浮子流量計修正系數。

堰高分別設定為40mm和50mm， 測定全回流1h內，New-VST和F1型浮閥塔板在不同F(xiàn)0下塔頂與塔釜的溫差， 并記錄對應的浮子流量計示數，結果如圖5所示。

圖5 氣相動能因子對溫差的影響

由圖5可以看出，New-VST和F1型浮閥塔板在不同F(xiàn)0下，板效率均隨全回流時間的增加先增后保持不變， 全回流50min后，New-VST和F1型浮閥塔板的板效率穩(wěn)定在最大值。 F0=14.7m/s·（kg/m3）0.5時，New-VST的板效率為最大， 溫差為31.0℃，F(xiàn)0=13.1m/s·（kg/m3）0.5時，F(xiàn)1型浮閥塔板板效率最大，溫差為29.5℃。 當加熱棒為2根時，New-VST和F1型浮閥塔板的板效率都最差， 原因是F0太小使得氣相沒有足夠動能將液相分散成小液滴，氣液傳質面積小，傳質效果差，同時還會造成嚴重漏液現(xiàn)象，造成板效率變差。

做F0=14.7m/s·（kg/m3）0.5時New-VST板效率和F0=13.1m/s·（kg/m3）0.5時F1型浮閥塔板板效率的對比圖（圖6）。 從圖中可以看出，New-VST的板效率一直高于F1型浮閥塔板的，但是F1型浮閥塔板的板效率穩(wěn)定更快。 全回流20～40min，二者的板效率相差不大。

圖6 New-VST在F0=14.7m/s·（kg/m3）0.5與F1型浮閥塔板在F0=13.1m/s·（kg/m3）0.5時的溫差對比

圖7將New-VST與F1型浮閥塔板在不同F(xiàn)0下的最大板效率進行對比。 從圖中可以看出New-VST和F1型浮閥塔板的板效率均隨F0的增大而先增后減，這是因為加熱棒根數越多，氣相負荷越大， 液體被分散成更小的液滴， 氣液接觸更加充分，傳質效果更好。當F0增大到一定值后，氣相負荷太大， 會造成霧沫夾帶， 使相鄰塔板間的液體返混，造成板效率變差。 當加熱棒為5根時，New-VST與F1型浮閥塔板的氣相動能因子F0分別為11.4、13.1m/s·（kg/m3）0.5，此時二者板效率相同。加熱棒為7根時，F(xiàn)1型浮閥塔板出現(xiàn)液泛現(xiàn)象， 當氣相動能因子較小時，F(xiàn)1型浮閥塔板比New-VST的板效率高，說明F1型浮閥塔板適合于氣相負荷小的工況；當氣相負荷較大時，采用New-VST 更適合。

2.3 霧沫夾帶對板效率的影響

由圖7可知， 當F0=16.8m/s·（kg/m3）0.5時，New-VST的板效率變差， 這是因為板上出現(xiàn)大量霧沫夾帶［21～23］，為了對此進行驗證，在每層塔板上方放置絲網來減少霧沫夾帶，將加絲網和沒加絲網的板效率進行對比，結果如圖8所示。

圖8 霧沫夾帶對溫差的影響

由圖8可以看出， 在塔板上方放置絲網后，New-VST的板效率明顯高于沒有放置絲網時的板效率。 加絲網后塔板氣液傳質平衡時溫差為31.5℃，而由圖5a得知，沒加絲網之前New-VST的最大溫差為31.0℃，說明加絲網有效減少了霧沫夾帶量。因此在對塔板進行改進創(chuàng)新時，要充分考慮所設計的塔板結構是否會造成大量霧沫夾帶。

2.4 New-VST液體提升量對板效率的影響

測定加熱棒根數為4根，即F0=9.0m/s·（kg/m3）0.5時，堰高為10、20、30、40、50、60mm、New-VST在操作穩(wěn)定時的液體提升量和塔頂與塔釜的溫差，根據所得結果作圖（圖9）。

圖9 不同堰高下的液體提升量

氣相在通過塔板與帽罩時提起的液體量為液體提升量［24］，反映氣體通過帽罩提升液體的能力，是New-VST的一個重要性能參數，它對塔板的傳質效率、 板壓降和霧沫夾帶量都有較大影響。由圖9可以看出，New-VST的液體提升量與堰高有關，并且隨堰高增加而增加，這是因為堰高越大，板上清液層高度越高，清液層所產生的靜壓也越大，氣體通過板孔與之產生的壓差也越大，因此提升量越來越大。

由圖10可以看出， 隨液體提升量的增加，溫差先增后減。 New-VST板效率并不會隨著液體提升量的增加一直增大，這是因為當液體提升量增大時，氣體提升液體所消耗的能量增加，由于氣相動能因子不變，所以，氣體用于破碎液體所消耗的能量就會減少，液滴粒度增大造成氣液傳質變差， 板效率降低。 當液體提升量為1.0～1.6m3/h時，板效率較高。 因此，實際生產中不能通過盲目增加液體提升量來增加板效率。

圖10 液體提升量對溫差的影響

3 結論

3.1 堰高對New-VST和F1型浮閥塔板的板效率都有影響，板效率隨堰高的增加先增后減。 兩者板效率最高時，最優(yōu)堰高分別是40mm和50mm。

3.2 氣相動能因子影響New-VST和F1型浮閥塔板的板效率，板效率隨氣相動能因子的增加先增后減。 F1型浮閥塔板適合于氣相負荷小的工況，New-VST適合氣相負荷較大時的工況。

3.3 在塔板上放置絲網可以有效減少霧沫夾帶量，霧沫夾帶會造成塔板效率變差，在精餾過程中應避免出現(xiàn)嚴重的霧沫夾帶。

3.4 New-VST液體提升量隨堰高的增加而增加，板效率隨著液體提升量的增大先增后減。