立體傳質(zhì)塔板帽罩空間濃度分布

王志英，劉啟東，劉繼東，李春利

(1. 河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130；2. 天津市普萊特科技發(fā)展有限公司，天津 300384)

立體傳質(zhì)塔板(combined trapezoid spray tray，CTST)是一種立體噴射型塔板[1]，具有通量大、效率高、壓降低、抗堵性能強(qiáng)、消泡性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)．在煉油、石化、制藥、維尼綸等工業(yè)生產(chǎn)上獲得了廣泛應(yīng)用[2-4]．

立體傳質(zhì)塔板 CTST的核心部件是梯形帽罩，氣、液兩相均通過帽罩進(jìn)入塔板空間完成傳質(zhì)、傳熱過程，情況十分復(fù)雜．文獻(xiàn)[1，5-7]對CTST的各種流體力學(xué)性能以及罩內(nèi)壓力場和氣相速度場進(jìn)行了初步研究．板效率的研究是塔板技術(shù)研究的重要方面[8-11]．研究者對板效率的研究常通過板上液相濃度分布進(jìn)而求得板效率[12]．CTST打破了傳統(tǒng)的板上液層傳質(zhì)模式，傳質(zhì)區(qū)域由板上液層擴(kuò)大至塔板至罩頂?shù)牧Ⅲw空間范圍，因此，罩體空間兩相的濃度分布對CTST的板效率研究尤其重要．筆者對CTST帽罩空間的氣、液相濃度分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并在此基礎(chǔ)上分析氣液接觸的各階段對總傳質(zhì)的貢獻(xiàn)．

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置與流程如圖 1所示. 實(shí)驗(yàn)在φ600,mm的有機(jī)玻璃冷模塔中進(jìn)行，采用富含 CO2水-空氣系統(tǒng)，二氧化碳的吸收在φ300,mm 的不銹鋼填料塔中進(jìn)行；實(shí)驗(yàn)塔板的開孔率為 10.17%，罩體排列(排×個(gè)數(shù))為 1×3，溢流堰長 420,mm，溢流堰高 25,mm，板間距350,mm．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system

實(shí)驗(yàn)時(shí)，氣液混合物從取樣口進(jìn)入取樣管，并在內(nèi)部分離，氣體從上端進(jìn)入氣相濃度測量裝置，液體由軟管從下端引至塔外采集，如圖 2所示．氣相濃度用氣相中 CO2的摩爾分?jǐn)?shù)表示，液相濃度用液相中CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，氣、液相中 CO2的濃度均用化學(xué)容量法分析．為保證氣相取樣順利，本實(shí)驗(yàn)采用圖3所示的氣相取樣裝置．

測量時(shí)，在罩內(nèi)沿帽罩高度方向自下而上選擇10個(gè)截面作為測量面，截面高度以塔板上表面為基準(zhǔn)．取樣點(diǎn)位置見圖 4，橫向取樣點(diǎn)分別在中心線上和靠近噴射板處；罩外取樣點(diǎn)選在液層以上區(qū)域，其高度和罩內(nèi)相同；另外，在 60,mm 截面上，罩外水平方向設(shè) 3個(gè)取樣點(diǎn)．為提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每個(gè)取樣點(diǎn)取樣 3～5次，保證其相對誤差在 10%以內(nèi)．本文不考慮沿帽罩長度方向的變化，即忽略端板的影響．

圖2 取樣裝置示意Fig.2 Schematic diagram of sampling device

圖3 氣相取樣裝置Fig.3 Sampling device of gas phase

圖4 取樣點(diǎn)位置示意Fig.4 Position of sampling points

2 結(jié)果分析與討論

2.1 CTST罩內(nèi)外氣液兩相濃度分布狀況

圖 5 和圖 6 是在 hw＝25,mm、u0＝15,m/s、qv＝1.5,m3/h時(shí)，罩內(nèi)外氣、液相濃度沿帽罩高度的變化曲線．可以看出：正常操作條件下，所測位置的液相濃度沿帽罩高度方向總體呈降低趨勢，但在同一高度各位置液相濃度是不一樣的，變化規(guī)律也稍有不同．在帽罩的提升段，靠近噴射板的液相濃度明顯高于中心處；在噴射段，噴射板附近和帽罩中心的液相濃度則相差不多；同一截面上罩外液相濃度始終低于罩內(nèi)液相濃度．另外，提升段液相濃度降低的速度比噴射段的要快，越接近罩頂，濃度變化越?。畾庀酀舛妊孛闭指叨确较虺噬呲厔荩谕桓叨冉孛嫔?，帽罩中心的氣相濃度最低，罩外氣相濃度高于罩內(nèi)氣相濃度．

圖5 液相中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布Fig.5 CO2 concentration distribution in liquid phase

圖6 氣相中CO2摩爾分?jǐn)?shù)的分布Fig.6 CO2 concentration distribution in gas phase

由于該過程是富含CO2水的解吸過程，液體在罩體內(nèi)自下而上流動過程中 CO2不斷解吸至氣相，所以，液相濃度沿帽罩高度方向總體呈降低趨勢．在帽罩的提升段，氣流主體集中在罩體中心區(qū)域，對液體形成剪切提升，使液相以液膜形式沿噴射板向上流動，兩相傳質(zhì)主要集中在液膜表面進(jìn)行，相界面區(qū)域傳質(zhì)速率較快．而液膜內(nèi)部 CO2擴(kuò)散到相界面的阻力較大，所以靠近噴射板的液膜內(nèi)部保持較高的 CO2濃度，而且濃度變化也較慢；在中心區(qū)域的氣流主體中，傳質(zhì)主要在氣相與部分噴濺到該區(qū)域的液體之間進(jìn)行，液滴在強(qiáng)烈湍動的氣流作用下，表面更新迅速，且此時(shí)氣液兩相剛剛開始接觸，傳質(zhì)推動力大，因而傳質(zhì)速率較快，所以收集到的液相中 CO2濃度較低，而且濃度降低較快．這個(gè)階段的氣相中 CO2濃度變化與液相濃度變化相反：靠近噴射板的液膜附近，氣量較少，氣相濃度增加較快；而在氣流主體中，雖然傳質(zhì)速率較大，但由于液相量較少，傳質(zhì)量較少，同時(shí)，氣相量又較多，所以氣相濃度增加緩慢．

在帽罩的噴射段，液體分散程度大幅度提高，傳質(zhì)面積顯著增大，而且氣液兩相湍動激烈，有利于傳質(zhì)，所以液相濃度在剛進(jìn)入噴射段時(shí)降低較快．隨著氣相中 CO2濃度的升高和液相中 CO2濃度的降低，傳質(zhì)推動力逐漸減小，又在一定程度上降低了傳質(zhì)速率，液相中CO2濃度的降低隨著高度的增加又有所減緩．由于噴射段氣液在空間的分布已經(jīng)比較均勻，所以罩內(nèi)兩個(gè)位置測得的液相濃度比較接近．對于氣相，隨著氣流主體中液相不斷增多和液膜的不斷破碎，中心氣體中 CO2的濃度開始較快增加，而噴射板處氣相濃度增加的趨勢則開始變慢．但總體上噴射板附近的氣相濃度仍然高于中心區(qū)域．

罩外部分的氣液兩相有兩個(gè)來源：①直接從相應(yīng)高度噴射孔噴出的氣體和液滴；②遇到分離板阻擋而折返后噴出的氣體和液體. 因此收集到的兩相流體的濃度取決于這兩股流體的濃度．由于折返的這部分兩相流體接觸時(shí)間較長，故罩外液相濃度相對較低，氣相濃度相對較高．

2.2 板孔氣速對罩內(nèi)濃度分布的影響

由于罩外兩相之間主要是氣流與液滴之間的傳質(zhì)，帽罩結(jié)構(gòu)對其影響不大，所以，關(guān)于操作條件對濃度分布影響的討論主要針對罩內(nèi)進(jìn)行，并取中心線和靠近噴射板兩個(gè)測量位置濃度的平均值近似作為該截面的平均濃度．需要說明的是，以下操作條件均不出現(xiàn)漏液和霧沫夾帶等情況，所選擇的氣速和液體流量均為高效區(qū)內(nèi)的操作條件．

圖7和圖8分別是不同板孔氣速條件下，罩內(nèi)液相濃度和氣相濃度沿帽罩高度 h變化的情況(hw＝25,mm、qv＝1.5,m3/h)．可以看出，隨著板孔氣速的增大，各截面的氣、液濃度都隨之降低. 其原因有以下幾個(gè)方面：首先，板孔氣速增大，湍動程度加劇，相界面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)增大，促進(jìn)液相中的 CO2更快地解吸；其次，氣速增大后，氣相總量增加，相應(yīng)的氣相濃度降低，故傳質(zhì)推動力增大；再次，隨著氣速的增大，液體提升量減少[7]，即進(jìn)入罩內(nèi)的液體量減少，也使液相濃度快速降低．圖 8中板孔氣速對氣相濃度的影響可以在上述分析中得到解釋．

圖7 板孔氣速對液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的影響Fig.7 Effect of u on concentration distribution in liquid phase

圖8 板孔氣速對氣相摩爾分?jǐn)?shù)分布的影響Fig.8 Effect of u on concentration distribution in gas phase

2.3 液體流量對罩內(nèi)濃度分布的影響

圖 9和圖 10是固定 hw＝25,mm、uo＝10,m/s不變的情況下，液體流量對罩內(nèi)兩相濃度分布的影響．可以看出，當(dāng)液體流量增大，氣、液兩相中 CO2濃度均增大．

當(dāng)液體流量增大，液體提升量增加，在氣速不變的情況下提升液體消耗的能量增加，則用于液體破碎的能量減少，液滴表面更新變慢，加之液體量較多，所以液相中 CO2濃度較高．對于氣相而言，一方面液量增大造成液體分散程度降低阻礙傳質(zhì)，另一方面，液相中又保持較高的CO2濃度，與氣相間的傳質(zhì)推動力增大，又會促進(jìn)傳質(zhì)．所以，圖 10中液體流量對氣相濃度分布狀況的影響是上述兩因素共同作用的結(jié)果．

圖9 液體流量對液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的影響Fig.9 Effect of qv on concentration distribution in liquid phase

圖10 液體流量對氣相摩爾分?jǐn)?shù)分布的影響Fig.10 Effect of qv on concentration distribution in gas phase

2.4 帽罩不同區(qū)域傳質(zhì)量分布

帽罩空間不同區(qū)域的流體力學(xué)特征不同，對傳質(zhì)過程的影響也不同．在液體提升段，液相主要以液膜形式沿噴射板流動，傳質(zhì)過程表現(xiàn)為核心氣流與液膜之間的質(zhì)量交換；在噴射段，液膜被撕碎，氣液兩相湍動激烈，液滴表面更新很快，過程表現(xiàn)為連續(xù)的氣體與液滴之間的質(zhì)量傳遞；罩外與噴射段傳質(zhì)特征相似．根據(jù)上述描述，下面分別對罩內(nèi)兩區(qū)域(提升段W1、噴射段 W2)和罩外(W3)的傳質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算分析，罩內(nèi)兩區(qū)域的劃分以最下排噴射孔為界．

單位時(shí)間內(nèi)傳質(zhì)量的多少可以根據(jù)液相濃度來計(jì)算．單位時(shí)間內(nèi)液體經(jīng)過帽罩的總傳質(zhì)量可表示為

式中：qL為單個(gè)帽罩的絕對提升量；(xw,in-xw,out)tot為液相從進(jìn)入帽罩到落回到板上液層之前的總濃度變化，其中進(jìn)罩濃度近似按 h＝10,mm截面濃度平均值計(jì)算，回落液層之前的濃度按罩外 h＝60,mm截面的液相濃度平均值計(jì)算．

提升段的傳質(zhì)量等于液相在提升段的濃度變化乘以液體提升量，即

噴射段的傳質(zhì)量等于液相在提升段的濃度變化乘以液體提升量，即

罩外的傳質(zhì)量為

圖 11是幾種實(shí)驗(yàn)工況下不同區(qū)域傳質(zhì)量分布圖，工況參數(shù)見表1．

圖11 不同操作條件下的傳質(zhì)量分布Fig.11 Mass transfer distribution under different operational conditions

表1 傳質(zhì)量分布計(jì)算的實(shí)驗(yàn)條件Tab.1 Experimental conditions for mass transfer distribution study

由圖11可以看出，對于CO2解吸系統(tǒng)，提升段傳質(zhì)量占帽罩總傳質(zhì)量的比例最高，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)提升段傳質(zhì)量所占比率約 50%～70%，噴射段和罩外傳質(zhì)量比率分別為 10%～17%和 20%～35%．這一方面與CO2易于解吸有關(guān)，另一方面也反映出提升段是帽罩傳質(zhì)的重要區(qū)域，因?yàn)樵谔嵘螝?、液兩相剛開始接觸，具有最大的傳質(zhì)推動力．

從圖 11中工況 1、2、3可以看出，隨著板孔氣速的增大，提升段傳質(zhì)量所占比例有所減小，而噴射段傳質(zhì)量比率增加．這是因?yàn)樵谝后w分散區(qū)域，隨著氣速的增加，流體湍動程度加劇，液滴更新加快，促進(jìn)了兩相傳質(zhì)．

從圖11中工況4、5、6可以看出，液體流量越大，提升段傳質(zhì)量所占比例越?。@是因?yàn)橐后w流量越大，液體提升量越大，由于提升段主要表現(xiàn)為液膜傳質(zhì)，當(dāng)提升量增大后兩相界面接觸面積變化并不大，提升量增大還導(dǎo)致液膜增厚，使內(nèi)部液體中的CO2不易擴(kuò)散到相界面，因而，提升段傳質(zhì)量變化并不明顯；當(dāng)液體上升到噴射區(qū)域后，隨著液膜的破碎，液相中的CO2迅速解吸出來，同時(shí)，提升量增大后，液相中CO2總量增加，這些因素都加快了噴射段的傳質(zhì)速率.

3 結(jié) 論

(1)采用富含 CO2水-空氣系統(tǒng)測量了 CTST罩體空間的氣液兩相 CO2濃度分布．結(jié)果表明，液相濃度沿帽罩高度方向總體呈降低趨勢．在帽罩的提升段，靠近噴射板的液相濃度明顯高于中心處的；在噴射段，噴射板附近和帽罩中心的液相濃度則相差不多；同一截面上罩外液相濃度始終低于罩內(nèi)的．氣相濃度分布正好與液相濃度分布相反，罩外氣相濃度高于罩內(nèi)氣相濃度．實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)提升段、噴射段和罩外傳質(zhì)量占總傳質(zhì)量的比率分別為 50%～70%、10%～17%和 20%～35%，說明提升段是帽罩傳質(zhì)的重要區(qū)域．

(2)隨著板孔氣速的增大，各截面的氣、液相濃度均降低，提升段傳質(zhì)量所占比率減小，而噴射段傳質(zhì)量比率增加；隨著液體流量的增大，各截面的氣、液相濃度均增大，提升段傳質(zhì)量所占比率也減?。?/p>

符號說明：

h—距塔板表面的高度，mm；

qv—液體流量，m3/h；

u—板孔氣速，m/s；

x—液相中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

y—?dú)庀嘀腥苜|(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；

qL—單罩液體提升量，kg/s.

［1］劉繼東，呂建華，張競平，等. 新型立體傳質(zhì)塔板及其流體力學(xué)性能[J]. 化工學(xué)報(bào)，2005，56(6)：1144-1149.

Liu Jidong，Lü Jianhua，Zhang Jingping，et al. Combined trapezoid spray tray and its hydromechanics[J].Journal of Chemical Industry and Engineering，2005，56(6)：1144-1149 (in Chinese)．

［2］呂建華，李柏春，李春利，等，梯形立體噴射塔板在環(huán)氧乙烷精制塔中的應(yīng)用[J]. 石油化工，2002，31(9)：749-752.

Lü Jianhua，Li Baichun，Li Chunli，et al. Application of the combined trapezoid spray tray to ethylene oxide treating column[J].Petrochemical Technology，2002，31(9)：749-752(in Chinese).

［3］劉繼東，張競平，李春利，等. 導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板在低溫甲醇洗裝置中開發(fā)應(yīng)用[J]. 化學(xué)工程，2007，35(3)：10-13.

Liu Jidong，Zhang Jingping，Li Chunli，et al. Development and application of combined trapezoid spray tray in the Rectisol purification system[J].Chemical Engineering，2007，35(3)：10-13(in Chinese)．

［4］張文林，呂建華，李柏春，等. 立體傳質(zhì)塔板在含硫污水汽提塔技改中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境工程，2005，23(5)：71-73.

Zhang Wenlin，Lü Jianhua，Li Baichun，et al. Application of the combined trapezoid spray tray in reforming sour water stripping column[J].Environmental Engineering，2005，23(5)：71-73(in Chinese)．

［5］王志英，李春利，王洪海，等. 立體傳質(zhì)塔板板上液層的研究[J]. 現(xiàn)代化工，2007，27(增)：310-314.

Wang Zhiying，Li Chunli，Wang Honghai，et al.Study on clear liquid height on plate of combined trapezoid spray tray[J].Modern Chemical Industry，2007，27(Suppl)：310-314(in Chinese).

［6］劉繼東，李春利，李柏春，等. 新型立體傳質(zhì)塔板罩內(nèi)壓力分布和氣液提升機(jī)理的研究[J]. 化學(xué)工程，2004，32(1)：1-5.

Liu Jidong，Li Chunli，Li Baichun，et al. Pressure distribution and gas-liquid elevating mechanism in the cap of CTST[J].Chemical Engineering，2004，32(1)：1-5(in Chinese).

［7］劉繼東，劉德新，李春利，等. 立體傳質(zhì)塔板罩內(nèi)氣相速度分布[J]. 化學(xué)工程，2006，34(12)：24-27.

Liu Jidong，Liu Dexin，Li Chunli，et al. Gas velocity distribution in cover of CTST[J].Chemical Engineering，2006，34(12)：24-27(in Chinese).

［8］Porter K E，Lockett M J，Lim C T． The effect of liquid channeling on distillation plate efficiency[J].Trans Chem Eng，1972，50：91-104.

［9］Ja?imovi? B M. Entrainment effect on tray efficiency[J].Chemical Engineering Science，2000，55(18)：3941-3949.

［10］Syeda S R，Afacan A，Chuang K T. A fundamental model for prediction of sieve tray efficiency[J].Chemical Engineering Research and Design，2007，85(2)：269-277.

［11］Rahimi R，Rahimi M R，Zivdar M. Efficiencies of sieve tray distillation columns by CFD simulation[J].Chemical Engineering and Technology，2006，29(3)：326-335.

［12］徐世民，陳 寧，干愛華，等. 大型塔板液體停留時(shí)間分布與板效率研究[J]. 化學(xué)工程，2002，30(1)：12-16.

Xu Shimin，Chen Ning，Gan Aihua，et al. The liquid residence time distributions and the murphree tray efficiencies of a large tray[J].Chemical Engineering，2002，30(1)：12-16(in Chinese).