徐昕鏡,趙 培,區(qū)焯林
(華東理工大學(xué) 化工學(xué)院,上海 200237)
精餾塔作為化工分離工藝的主要設(shè)備被廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)[1-2]。塔板是精餾塔內(nèi)部的重要構(gòu)件,塔板上的氣液接觸狀態(tài)直接影響了流體力學(xué)性能[3-4]。通過(guò)研發(fā)新型塔板及對(duì)現(xiàn)有塔板進(jìn)行改造,可有效提高塔板的傳質(zhì)效率和操作彈性[5-9],進(jìn)而提高精餾塔的生產(chǎn)能力。由華東理工大學(xué)趙培教授開(kāi)發(fā)的十字旋閥塔板[10],具有特殊的十字結(jié)構(gòu),氣體通過(guò)浮閥可被均勻吹出,使得氣液兩相的接觸更充分,因而被廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域。盡管該塔板具有諸多優(yōu)勢(shì),但是在中小型處理量的精餾生產(chǎn)中仍在能耗和操作彈性方面有較大的改進(jìn)空間。因此,對(duì)此類塔板進(jìn)行參數(shù)改造,既能為中小型企業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩的問(wèn)題提供解決方案,也能為企業(yè)今后實(shí)現(xiàn)彈性生產(chǎn)提供理論依據(jù)。開(kāi)孔率的改造作為塔內(nèi)件參數(shù)改造中較為經(jīng)濟(jì)有效的方案,被廣泛應(yīng)用于塔板性能的研究和改進(jìn)中。近年來(lái),葉啟亮團(tuán)隊(duì)[11]對(duì)新型立體傳質(zhì)塔板進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,結(jié)果表明開(kāi)孔率對(duì)該類型塔板的流體力學(xué)性能存在顯著影響。杜冬云團(tuán)隊(duì)[12]對(duì)由大孔篩板和波紋板填料及其附件構(gòu)成的復(fù)合塔板進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在同樣的操作條件下,開(kāi)孔率對(duì)塔板的操作彈性也具有明顯影響。此外,左美蘭[13]通過(guò)對(duì)板式塔進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算,從理論計(jì)算方面說(shuō)明開(kāi)孔率是影響塔板負(fù)荷性能曲線的重要因素。對(duì)塔板開(kāi)孔率的研究大多是均勻開(kāi)孔的情況[14-15],然而由于塔板的氣液兩相在不同區(qū)域內(nèi)的接觸狀態(tài)不同,均勻開(kāi)孔的塔板普遍存在著液流進(jìn)、出口處液面梯度大的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致塔板液流進(jìn)口處漏液嚴(yán)重、出口處?kù)F沫夾帶多等問(wèn)題[16]。王良華等[17]對(duì)穿流塔板與100 mm厚的250Y型規(guī)整填料組成的復(fù)合塔板的研究表明,與均勻開(kāi)孔塔板相比,非均勻開(kāi)孔塔板的泡沫層高度更均勻,塔板操作彈性增大20%~60%。張婧[18]對(duì)波紋導(dǎo)向浮閥塔板上不同區(qū)域進(jìn)行非均勻開(kāi)孔改造研究,發(fā)現(xiàn)在塔板出口端堵孔有利于降低霧沫夾帶率;塔板入口端堵孔,有利于降低漏液率。非均勻開(kāi)孔的方式考慮了塔板上不同區(qū)域流體力學(xué)的規(guī)律,可更加行之有效地改善氣液接觸情況,提高塔板的操作彈性[19]。因此,為了改進(jìn)十字旋閥塔板能耗和操作彈性的問(wèn)題,對(duì)十字旋閥塔板進(jìn)行非均勻開(kāi)孔的研究,具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
本工作研究的非均勻開(kāi)孔率十字旋閥塔板是根據(jù)均勻開(kāi)孔率塔板進(jìn)液口方向液層高、出液口方向液層低的特性進(jìn)行改進(jìn)的塔板。通過(guò)對(duì)塔板液流出口進(jìn)行堵孔改變塔板開(kāi)孔率,提高塔板表面液層高度的均勻性,改善塔板的流體力學(xué)性能,提高塔板的操作彈性,為石化行業(yè)提供節(jié)約能源和提高經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化方案。同時(shí)對(duì)不同非均勻開(kāi)孔率下的十字旋閥塔板繪制負(fù)荷性能曲線,以便在工業(yè)裝置放大時(shí)為設(shè)計(jì)者提供有價(jià)值的幫助。
在直徑為1 000 mm、高6 m的冷模塔內(nèi)采用空氣-水系統(tǒng)對(duì)不同開(kāi)孔率塔板進(jìn)行流體力學(xué)性能檢測(cè)。塔內(nèi)共有5塊塔板,其中最上層塔板為霧沫捕集板,下面4層塔板為實(shí)驗(yàn)塔板。
通過(guò)離心泵將水槽中的水抽至第一塊塔板,借助重力作用使水自由下落依次交錯(cuò)流經(jīng)位于各層的實(shí)驗(yàn)板。氣體通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)吸入,經(jīng)過(guò)氣體再分布器后從第五層塔板下方均勻送入,并依次通過(guò)上方各層塔板,最后從塔頂出口排空。塔板壓降可由各層連接的U型壓差計(jì)測(cè)量,霧沫夾帶率和漏液率通過(guò)霧沫夾帶桶和漏液桶液位傳感器和計(jì)算機(jī)處理器進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。
表1 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters of tray
選用的十字旋閥塔板原開(kāi)孔率為15.52%,通過(guò)對(duì)液流出口處一排、兩排、三排用金屬封膠密封進(jìn)行非均勻開(kāi)孔改造,開(kāi)孔率分別為14.53%,13.33%,12.34%。
干板壓降是氣體流過(guò)無(wú)液相的塔板時(shí)產(chǎn)生的阻力損失。圖1為不同開(kāi)孔率的塔板的干板壓降。
圖1 三種開(kāi)孔率下塔板的干板壓降Fig.1 Dry tray pressure drop under three kinds of opening hole rate.Opening hole rate/%:■ 14.53;● 13.33;▲ 12.34 F0:valve hole kinetic energy factor.
由圖1可知,三種開(kāi)孔率下塔板的干板壓降由大到小順序?yàn)椋?2.34%>13.33%>14.53%。在小氣量時(shí),由于十字旋閥塔板浮動(dòng)的特點(diǎn),浮閥隨著氣相流量的增加而逐漸升起,此時(shí)塔板的干板壓降主要是由氣流托起浮閥消耗能量造成的,大小主要決定于浮閥重量和開(kāi)孔面積,閥孔動(dòng)能因子對(duì)干板壓降的影響甚微。開(kāi)孔面積越小,氣流通道也越小,氣體通過(guò)塔板需要克服的阻力越大,即開(kāi)孔率越小干板壓降越大。當(dāng)氣量增加時(shí),浮閥全部開(kāi)啟,氣體通道不再改變,塔板的干板壓降隨閥孔動(dòng)能因子的增大而顯著增大,此時(shí)閥重和開(kāi)孔面積對(duì)干板壓降幾乎不影響,因而各個(gè)塔板的干板壓降趨于一致。
精餾塔的濕板壓降是塔板能量消耗的直觀反映。濕板壓降一般分為兩個(gè)部分,一部分是氣體通過(guò)塔板克服浮閥重力的阻力損失,即干板壓降;另一部分是氣體通過(guò)塔板上液層的阻力損失,即液層壓降(濕板壓降)。圖2分別探究了在兩種堰高,三種液流強(qiáng)度下開(kāi)孔率為14.53%,13.33%,12.34%時(shí)的濕板壓降。由圖2可知,不同開(kāi)孔率的塔板的濕板壓降大小順序?yàn)椋?2.34%>13.33%>14.53%。在氣速較小時(shí),塔板上濕板壓降主要由液層壓降引起。此時(shí)開(kāi)孔率越小,清液層高度越高,氣體通過(guò)塔板所受的液層阻力越大,濕板壓降越大。氣速較大時(shí)浮閥完全開(kāi)啟,主要影響因素變?yōu)楦砂遄枇p失,與氣體流速成正比,氣體流量越大,不同開(kāi)孔率的塔板濕板壓降逐漸趨于一致。同種堰高和不同液流強(qiáng)度下,液流強(qiáng)度越高,塔板上液層高度增加,濕板壓降也隨之升高。其中開(kāi)孔率12.34%的塔板濕板壓降上升明顯,首先是由于塔板的開(kāi)孔率小,氣體的流通面積小,氣流主體對(duì)液流主體的推動(dòng)作用小,使得塔板上滯留液體增多。其次,由于非均勻開(kāi)孔使得氣體分布較為均勻,上液層高度升高,氣體通過(guò)塔板所受阻力增大,進(jìn)而導(dǎo)致濕板壓降升高。隨著氣速逐漸增大,浮閥全部開(kāi)啟,濕板壓降趨于一致,此時(shí)干板阻力損失成為影響濕板壓降的主要影響因素。對(duì)比圖2中不同堰高相同液流強(qiáng)度下,堰高的大小直接影響塔板上清液層高度,堰越高,塔板上清液層高度越大,相同氣速下,濕板壓降越大。
圖2 三種開(kāi)孔率下的濕板壓降Fig.2 Wet tray pressure drop under three kinds of opening hole rate.L:liquid flow strength.Opening hole rate/%:■ 14.53;● 13.33;▲ 12.34
霧沫夾帶是指氣體自下層塔板帶至上層塔板的液體霧滴返混現(xiàn)象。霧沫夾帶限制了塔的氣相負(fù)荷上限,是影響塔板負(fù)荷性能的重要因素之一。圖3分別探究了在兩種堰高、三種液流強(qiáng)度下三種開(kāi)孔率下塔板的霧沫夾帶率。由圖3可知,三種液流強(qiáng)度下非均勻開(kāi)孔率塔板的霧沫夾帶率由大到小順序?yàn)椋?4.53%>13.33%>12.34%。開(kāi)孔率較大的塔板霧沫夾帶率相對(duì)更大,開(kāi)孔率較小的塔板霧沫夾帶率相對(duì)偏小一些,即減小開(kāi)孔率有利于降低霧沫夾帶率。對(duì)于非均勻開(kāi)孔率塔板,開(kāi)孔率小的塔板上液體分布更均勻且高度高,氣體穿過(guò)液層后動(dòng)能的損耗大,部分液滴無(wú)法在氣流裹挾作用下上升至上層的塔板,因此非均勻開(kāi)孔率小的塔板霧沫夾帶率低。堰高較低時(shí),在較小和較大液流強(qiáng)度下,塔板上霧沫夾帶均呈現(xiàn)一般規(guī)律,液流強(qiáng)度25 m3/(m·h)時(shí),開(kāi)孔率13.33%的塔板由于缺少十字旋閥的導(dǎo)流作用且非均勻開(kāi)孔率高,使得液流進(jìn)口處與出口處液面梯度高,塔板滯留較多液體,霧沫夾帶相對(duì)不穩(wěn)定。可見(jiàn),對(duì)塔板進(jìn)行非均勻開(kāi)孔使得塔板的導(dǎo)流效果減弱,板面滯留更多液體,霧沫夾帶率變小,同時(shí)在液流出口處進(jìn)行堵孔,可有效地均勻液面梯度,十字旋閥的導(dǎo)流作用和平衡液面高度的作用同時(shí)影響著塔板的霧沫夾帶率。
圖3 三種開(kāi)孔率下的霧沫夾帶率Fig.3 Entrainment rate(ev) under three kinds of opening hole rate.Opening hole rate/%:■ 14.53;● 13.33;▲ 12.34
漏液是在氣體流速緩慢時(shí),部分液體直接從閥孔落下,嚴(yán)重時(shí)將使塔板上無(wú)法積液,嚴(yán)重影響氣體負(fù)荷性能。一般來(lái)說(shuō),開(kāi)孔率越小的塔板漏液率越小。圖4分別探究了在兩種堰高、三種液流強(qiáng)度下不同開(kāi)孔率塔板的漏液率。由圖4可知,十字旋閥塔板開(kāi)孔率低的(13.33%)漏液率大于開(kāi)孔率高的(14.53%),開(kāi)孔率為13.33%塔板缺少十字旋閥的導(dǎo)流作用使得塔板上滯留液體增多,漏液程度增加。其次,可以看出非均勻開(kāi)孔率為12.34%塔板的漏液率在相同氣速下始終低于開(kāi)孔率13.33%的塔板,符合一般規(guī)律,開(kāi)孔率為14.53% 的塔板漏液率不穩(wěn)定性高。這是由于液面高度不均勻?qū)е略谝毫魅肟谔?,液面高度高,漏液程度增加,使得開(kāi)孔率為14.53%的塔板氣相負(fù)荷下限降低。相同堰高和不同液流強(qiáng)度下,漏液率在氣量較小時(shí),浮閥處于未完全張開(kāi)的狀態(tài),氣體所獲得的能量無(wú)法平衡板上液體的重力等,漏液率高。隨著氣體流速的增大,干板阻力愈加趨向于主導(dǎo),氣體的分布也愈加趨向于均勻,因此漏液情況迅速好轉(zhuǎn)。對(duì)比不同堰高、相同液流強(qiáng)度情況,堰高的大小與塔板上清液層厚度成正比,堰高大的塔板上清液層高度高,使得漏液率增加,平衡漏液率在10%時(shí),塔板所需氣速更高,塔板的氣相負(fù)荷性能下限升高。
圖4 三種開(kāi)孔率下的漏液率Fig.4 Weeping rate(w) under three kinds of opening hole rate.Opening hole rate/%:■ 14.53;● 13.33;▲ 12.34
2.5.1 干板壓降
浮閥的開(kāi)啟分為兩個(gè)階段,即浮閥開(kāi)啟前和浮閥全開(kāi)后,本工作采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式對(duì)干板壓降進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 干板壓降關(guān)聯(lián)式系數(shù)及實(shí)驗(yàn)誤差Table 2 Value of correlation coefficient of dry tray pressure drop and experimental error
2.5.2 濕板壓降
濕板壓降主要由兩部分組成,分別為干板壓降、液層壓降,液層壓降主要是氣體克服液體阻力所產(chǎn)生的壓降。由于實(shí)驗(yàn)中在浮閥未完全開(kāi)啟階段和發(fā)生液泛階段氣液兩相接觸劇烈,難以穩(wěn)定地測(cè)量液層高度,所以無(wú)法定量地區(qū)分干板壓降和液層壓降。采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式對(duì)濕板壓降進(jìn)行關(guān)聯(lián),濕板壓降關(guān)聯(lián)式的各項(xiàng)系數(shù)及對(duì)擬合值進(jìn)行誤差分析得到的結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 濕板壓降關(guān)聯(lián)式系數(shù)及實(shí)驗(yàn)誤差Table 3 Value of correlation coefficient of wet tray pressure drop and experimental error
2.5.3 霧沫夾帶
影響霧沫夾帶的因素有很多,根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù),采用數(shù)學(xué)模型擬合得到霧沫夾帶關(guān)聯(lián)式的各項(xiàng)系數(shù)及對(duì)擬合值進(jìn)行誤差分析得到的結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 霧沫夾帶關(guān)聯(lián)式系數(shù)及實(shí)驗(yàn)誤差Table 4 Value of correlation coefficient of entertainment and experimental error
2.5.4 漏液
因?yàn)楦¢y的機(jī)械特性導(dǎo)致漏液不均勻或者跨度較大,導(dǎo)致數(shù)據(jù)明顯不符合漏液規(guī)律,對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行舍棄后再進(jìn)行擬合。采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式對(duì)霧沫夾帶進(jìn)行回歸,得到漏液關(guān)聯(lián)式的各項(xiàng)系數(shù)及對(duì)擬合值進(jìn)行誤差分析得到的結(jié)果見(jiàn)表5。
表5 漏液關(guān)聯(lián)式系數(shù)及實(shí)驗(yàn)誤差Table 5 Value of correlation coefficient of weeping and experimental error
2.5.5 開(kāi)孔率對(duì)塔板氣相負(fù)荷性能的影響
合理的開(kāi)孔率不但可使氣液充分接觸,也可降低霧沫夾帶和漏液。同時(shí)在氣速較大時(shí),有效地防止了噴射液泛的發(fā)生,提高了塔板的操作彈性。通過(guò)比較不同開(kāi)孔率下塔板的霧沫夾帶線及漏液線,可以直觀地反映開(kāi)孔率對(duì)塔板操作彈性中氣相負(fù)荷上下限的影響,為工業(yè)設(shè)計(jì)及改造提供指導(dǎo)。圖5為不同開(kāi)孔率下塔板的霧沫夾帶線(霧沫夾帶率ev=10%),液泛線(ev=60%)和漏液線(漏液率w=10%)。由圖5可知,塔板的開(kāi)孔率小,霧沫夾帶線上移,塔板氣相負(fù)荷性能提高。在液流強(qiáng)度較小時(shí),開(kāi)孔率為13.33%的塔板相對(duì)于開(kāi)孔率為14.53%的塔板,板面滯留液體更多,氣體通過(guò)液層阻力大,使得塔板能夠負(fù)荷更高氣速,而相較于開(kāi)孔率為12.34%的塔板,塔板間氣液分離空間更大,使得ev=10%時(shí),塔板氣相負(fù)荷能力提高。當(dāng)液流強(qiáng)度增大時(shí),板面液層高度增加,塔板液層上氣液分離空間的影響程度減弱,開(kāi)孔率越小,霧沫夾帶線越高,氣相負(fù)荷能力越大。塔板開(kāi)孔率越小,液泛線上移,塔板的操作性能提高。其中達(dá)到液泛率(ev=60%)時(shí)的塔板截面氣速由大到小順序?yàn)椋?3.33%>12.34%>14.53%。開(kāi)孔率14.53%的塔板由于板上液層高度低,氣液通過(guò)塔板裹挾的液滴多,霧沫夾帶率增大,允許的氣體負(fù)荷變小,塔板的操作彈性受限。增加塔板開(kāi)孔率使得漏液線下移,相同液相負(fù)荷下,開(kāi)孔率越小,塔板漏液程度越低,氣相負(fù)荷下限降低,操作彈性增加。其中開(kāi)孔率13.33%的塔板漏液率最大,是由于十字旋閥塔板上清液層高度高和缺少十字旋閥導(dǎo)流作用引起的,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。塔板的非均勻開(kāi)孔顯著影響塔板的流體力學(xué)性能,開(kāi)孔率12.34%的塔板和開(kāi)孔率13.33%的塔板由于開(kāi)孔率低使得塔板上清液層高度更均勻,霧沫夾帶線和液泛線均上升,使得塔板氣相負(fù)荷能力提高;開(kāi)孔率12.34%的塔板漏液線降低,液相負(fù)荷能力提高,但是由于開(kāi)孔率13.33%的塔板結(jié)構(gòu)的原因漏液程度增加,限制了塔板的液相負(fù)荷下限,綜合來(lái)看,進(jìn)行非均勻開(kāi)孔可以有效地提高塔板的氣液相負(fù)荷性能。對(duì)于十字旋閥塔板,非均勻開(kāi)孔率顯著影響了霧沫夾帶、液泛和漏液性能。開(kāi)孔率減小,霧沫夾帶線上移,液泛線上移,氣相負(fù)荷上限提高,操作彈性增大;漏液線降低,氣相負(fù)荷下限下移,操作彈性增大。2.5.6 開(kāi)孔率對(duì)塔板操作彈性的影響
圖5 三種開(kāi)孔率下塔板霧沫夾帶線(ev=10%)(a),塔板液泛線(ev=60%)(b)和塔板漏液線(w=10%)(c)Fig.5 Entrainment lines(ev=10%) on trays(a),tray flooding lines(ev=60%)(b) and tray weeping lines(w=10%)(c) under three opening hole rates.QV:gas phase load;QL:liquid phase load.Opening hole rate/%:— 14.53;— 13.33;— 12.34
負(fù)荷性能圖是反映塔板操作性能的重要手段,不僅可檢驗(yàn)塔板設(shè)計(jì)的合理性,還能有效地反映塔板的操作狀況和操作彈性。為了便于比較非均勻開(kāi)孔的十字旋閥塔板的操作彈性,繪制不同開(kāi)孔率的塔板負(fù)荷性能圖,結(jié)果見(jiàn)圖6。
圖6 塔板負(fù)荷性能Fig.6 Tray load performanceof trays.Opening rate/%:a 12.34;b 13.33;c 14.53 1 Weeping line;2 Entrainment line;3 Liquid phase load lower limit line;4 Liquid phase load upper limit line;5 Liquid flooding line;6 Operation line;A operation point The shaded part in the diagram is the suitable operation zone of the tray.
其中,線1為漏液線,又稱氣相負(fù)荷下限線,取w=10%;線2為霧沫夾帶線,又稱氣相負(fù)荷上限線,取ev=10%;線3為液相負(fù)荷下限線;線4為液相負(fù)荷上限線;線5為液泛線,取ev=60%;線6為操作線,A為操作點(diǎn);圖中陰影部分為塔板適宜操作區(qū)間。在工業(yè)連續(xù)精餾中,回流比為定值,故操作的氣液比為定值,固定氣液比見(jiàn)圖中操作點(diǎn)A。由圖6可知,三種開(kāi)孔率的塔板操作上限均為霧沫夾帶控制,操作下限為漏液控制。在固定操作線下,開(kāi)孔率12.34%的塔板氣相負(fù)荷上限為590.0 m3/h,氣相負(fù)荷下限為447.2 m3/h;開(kāi)孔率13.33%的塔板氣相負(fù)荷上限為562.5 m3/h,氣相負(fù)荷下限為501.0 m3/h;開(kāi)孔率14.53%的塔板氣相負(fù)荷上限為541.2 m3/h,氣相負(fù)荷下限為415.8 m3/h。非均勻開(kāi)孔后開(kāi)孔率12.34%的塔板操作彈性為1.32;開(kāi)孔率13.33%的塔板操作彈性為1.12;開(kāi)孔率14.53%的塔板操作彈性為1.30??梢?jiàn),開(kāi)孔率12.34%的塔板操作彈性最大,相較于其他兩個(gè)開(kāi)孔率的塔板分別提高了17.9%和1.5%,說(shuō)明對(duì)塔板進(jìn)行非均勻開(kāi)孔可顯著改善塔板的操作彈性。
1)塔板開(kāi)孔率減小,塔板霧沫夾帶線上移,氣相負(fù)荷上限升高,操作彈性增加。
2)減小塔板的開(kāi)孔率可顯著降低塔板的漏液程度,塔板漏液程度降低,可承受更高的塔板截面氣速,從而增加操作的適宜區(qū)間。
3)通過(guò)研究非均勻開(kāi)孔率十字旋閥塔板流體力學(xué)性能,擬合了塔板壓降、霧沫夾帶率和漏液率關(guān)聯(lián)式,通過(guò)擬合式繪制不同開(kāi)孔率下塔板的霧沫夾帶線、液泛線和漏液線,在固定操作點(diǎn)下,得出開(kāi)孔率為12.34%的塔板比開(kāi)孔率為13.33%和14.53%塔板的操作彈性提高了17.9%和1.5%,綜合來(lái)看開(kāi)孔率12.34%的塔板性能最佳。繪制三種非均勻開(kāi)孔率下塔板負(fù)荷性能圖,可在工業(yè)塔板改造時(shí)進(jìn)行參考。