一種增大氣相通量DJ塔板的流體力學性能及工業(yè)應用

余文婷，沈紹傳，姚克儉

（浙江工業(yè)大學 化學工程學院 綠色化學合成技術(shù)國家重點實驗室培育基地，浙江 杭州 310032）

在石油、化工、輕工等行業(yè)的精餾裝置中，塔設備被廣泛應用于物料的凈化和產(chǎn)品的分離純化，性能主要包括生產(chǎn)能力、分離效率、操作彈性及流體力學特性等［1］。傳統(tǒng)的板式塔和填料塔經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)技術(shù)成熟，為提高塔效率，國內(nèi)外學者相繼開發(fā)出了各種適用于大通量工況的新型塔板和填料［2-4］，如立體噴射型塔板［5］、多降液管塔板［6］、復合塔板、Col-Sep 塔板［7-8］等。工業(yè)應用較廣的板式塔中，適宜的空塔動能因子（F）為1.2～1.4 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5；氣相負荷過大，會使霧沫夾帶增大，塔板效率降低，最終導致液泛。為了提高氣相負荷上限，增大塔的處理能力，需要降低板間的霧沫夾帶［9-10］。DJ 塔板采用矩形懸掛式降液管，有效減小了塔板液層厚度，增大了液相通量，但是塔的氣相通量受霧沫夾帶限制。DJ-5 型塔板通過對鼓泡元件的改進，減弱了相鄰閥的側(cè)面氣流對沖強度，從微觀角度通過合理的氣液流動方式減小了霧沫夾帶［11］。

圖1 DJ-5 Plus 塔板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of DJ-5 Plus tray.

本工作利用空中復合填料技術(shù)［12］改進DJ-5 塔板，形成改進型DJ-5（DJ-5 Plus）塔板，利用填料在氣相空間攔截小液滴聚集成大液滴并加速返回原塔板上?？疾炝薉J-5 Plus 塔板的霧沫夾帶特性及干板壓降（Δpd）、濕板壓降（Δpw）、漏液等流體力學性能，并與DJ-5 塔板進行了比較。目前，DJ-5 Plus 塔板已在工業(yè)實踐中成功應用。

1 實驗部分

1.1 DJ-5 Plus 塔板的結(jié)構(gòu)

圖1為DJ-5 Plus 塔 板 結(jié) 構(gòu)。由 圖1可 知，DJ-5 Plus 塔板主要由固定閥塔板和空中填料兩部分組成。直徑600 mm 的固定閥塔板上分布著86 個帶折邊的條形固定閥，厚度為50 mm 的規(guī)整填料置于填料框中分別懸掛于塔板主體下方的矩形降液管兩側(cè)，填料上表面距離塔板2 mm。DJ-5 Plus 塔板的特點是固定閥塔板空中復合填料，其中填料不僅阻擋了霧沫夾帶，還具有均布氣體的作用。

1.2 實驗裝置與方法

圖2為實驗裝置。

圖2 實驗裝置Fig.2 Schematic diagram of experimental setup.

由圖2可知，實驗裝置由塔體、DJ-5/DJ-5 Plus 塔板、流量計、壓差計、離心式水泵和離心式風機等組成。3 塊DJ-5/DJ-5 Plus 塔板安裝在塔內(nèi)，自上而下，第1 層塔板主要起液體分布的作用，第2 層塔板為測試板，第3 層塔板主要為了氣體分布的目的。第1 層塔板上方等距離處安裝霧沫夾帶收集板，第3 層塔板下方等距離處安裝漏液收集板。塔體頂部安裝絲網(wǎng)除霧器以擋下未被收集到的微量霧沫。風機和離心泵出口管線上安裝調(diào)節(jié)閥，實驗塔板處安裝U 型壓差計。實驗條件為常溫常壓，實驗物系為空氣-水?？諝馔ㄟ^風機經(jīng)孔板流量計后從塔底進入塔內(nèi)，水通過離心泵經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計從塔釜輸送至塔頂，液體流入塔釜后循環(huán)使用。霧沫夾帶和漏液通過分別測量單位時間內(nèi)從霧沫夾帶收集板和漏液收集板流出的液體質(zhì)量得到，測量單位時間內(nèi)流出液體的質(zhì)量。塔內(nèi)氣量和板壓降分別由U 型壓差計讀數(shù)換算得到，液體流量由轉(zhuǎn)子流量計讀出。利用調(diào)節(jié)閥得到不同氣相和液相負荷下的壓降、漏液、霧沫夾帶等流體力學性能數(shù)據(jù)。

表1為實驗用塔板及各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 實驗塔及塔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of the experimental column and trays

2 結(jié)果與討論

2.1 流體力學性能

2.1.1F對霧沫夾帶的影響

霧沫夾帶量作為體現(xiàn)塔板流體力學性能的重要參數(shù)之一，限制了塔的氣相負荷上限。對于板式塔而言，少量霧沫夾帶難以避免，但是過量的霧沫夾帶會導致板效率明顯降低。影響霧沫夾帶的因素包括F、塔板間距、液體噴淋密度（L）和清液層高度等［13］。圖3為不同L下DJ-5 Plus 塔板和DJ-5塔板的霧沫夾帶率。由圖3可知，相同L下，DJ-5 Plus 塔板的霧沫夾帶率隨著F的增大而逐漸增大；相同F(xiàn)時，隨著L的增加，DJ-5 Plus 塔板的霧沫夾帶率有減小的趨勢。這是因為L越大，被帶起的液滴尺寸越大，受到的重力就越大，更不容易被夾帶到上層塔板。當F≤2.43 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5時，DJ-5 Plus 塔板的霧沫夾帶率趨于零；當F＞2.43 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5的 時 候，DJ-5 Plus 塔板的霧沫夾帶率緩慢增加。在相同L下DJ-5 Plus塔板的霧沫夾帶率比DJ-5 塔板低50%以上。當L=20 m3/（m2·h），F(xiàn)=3.06 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5時，DJ-5 Plus 塔板的霧沫夾帶率達到上限（10%），而DJ-5 塔板在F=2.76 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5左右時已經(jīng)達到上限值?？梢姡糜谒逑碌囊?guī)整填料作為一種除沫器，使氣體通過路徑變曲折且所夾帶的液滴在填料通道內(nèi)多次碰撞匯集成粒徑更大的液滴。這種慣性碰撞作用對于阻擋霧沫有著非常好的效果，較小的霧沫夾帶率有利于提高塔板效率，強化傳質(zhì)效果。

圖3 DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的霧沫夾帶率對比Fig.3 Comparison of entrainment rate between DJ-5 Plus tray and DJ-5 tray.

2.1.2F對Δpd的影響

Δpd是塔板沒有液體情況下，氣體通過塔板及板上鼓泡元件時遇到阻力而產(chǎn)生的壓力損失［14］，體現(xiàn)了塔板的結(jié)構(gòu)復雜程度。圖4為DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的Δpd與F的關(guān)系。

圖4 DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的ΔpdFig.4 Comparison of dry pressure drop(Δpd) between DJ-5 Plus tray and DJ-5 tray.

由圖4可知，兩種塔板的Δpd均隨著F的增大而逐漸增加，而DJ-5 Plus 塔板比DJ-5 塔板的Δpd略高；且F越大，兩者之間的差距越明顯。這是因為DJ-5 Plus 塔板中的填料層加大了氣體通過時的阻力損失；氣速越大，氣體經(jīng)過彎折的填料通道時候能量損失也越大。

根據(jù)Prince 關(guān)聯(lián)式［15］可知，見式（1）。

式中，ρG為氣相密度，kg/m；ρL為液相密度，kg/m；u0為閥孔氣速，m/s；C0為孔流系數(shù)。

對DJ-5塔板和DJ-5 Plus塔板的Δpd進行關(guān)聯(lián)，得到各塔板的C0與相關(guān)系數(shù)（R）。DJ-5 塔板C0=0.331 2，R=0.999 4；DJ-5 Plus 塔板C0=0.314 4，R=0.999 9。

2.1.3F對Δpw的影響

影響Δpw的因素有氣速、L、堰高和液體性質(zhì)［16］等，實驗測定了不同F(xiàn)下DJ-5 塔板和DJ-5 Plus塔板的Δpw，結(jié)果見圖5。由圖5可知，Δpw隨著氣相負荷和L的增大而增大，且不同L下壓降變化趨勢相似。F＜0.66（m·s-1）·（kg·m-3）0.5時，壓降變化呈直線趨勢，此時氣速偏小，漏液嚴重，且降液管也處于漏氣狀態(tài)，氣速對壓降的影響很大。在相同F(xiàn)條件下，Δpw隨L的增加而增大，這是因為填料表面液膜隨L增大而加厚，且塔板上的液層高度有所增加，氣體穿過實驗塔板的阻力也相應逐漸增大；在相同L時，F(xiàn)越大通過閥孔和填料的阻力損失就越大，同時氣液兩相湍流程度也加大，從而增加了Δpw。L=60 m3/（m2·h）且F≥1.32 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5時，壓降曲線陡升發(fā)生了突變，可以推測此時塔內(nèi)發(fā)生了液泛。

圖5 DJ-5 Plus 塔板的ΔpwFig.5 Wet pressure drop(Δpw) of DJ-5 Plus tray.

根據(jù)臨界溢流強度的預測關(guān)聯(lián)式［17］（式（2）），計算可知臨界溢流強度（Ic）為47.11 m3/（m·h），轉(zhuǎn)換后L=43.62 m3/（m2·h）。結(jié)合實驗過程中的實際霧沫夾帶情況，臨近發(fā)生液泛沒有收集到霧沫夾帶液體，可以判斷此時發(fā)生的液泛是由降液管引起的。

式中，n為降液管長寬比；b為降液管寬度，mm。

計算Δpw的關(guān)聯(lián)式主要有加和式、準數(shù)關(guān)聯(lián)式和氣速關(guān)聯(lián)式，通常情況下，準數(shù)關(guān)聯(lián)式更能清晰表明關(guān)鍵影響因素。對于空氣-水體系，計算Δpw的關(guān)聯(lián)式［18］，見式（3）。

式中，α為系數(shù)；β1，β2，β3為指數(shù)；F0為閥孔動能因子，（m·s-1）·（kg·m-3）0.5；hw為溢流堰高度，m。

溢流堰在實驗過程中固定不變，因此式（3）又可以簡化為式（4）。

采用關(guān)聯(lián)式（4），用最小二乘法對Δpw數(shù)據(jù)進行擬合，得到回歸方程式（5）。

在實驗條件下，F(xiàn)范圍（0.63～3.12 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5）內(nèi)，R=0.976 9。

圖6為DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的Δpw。

圖6 DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的ΔpwFig.6 Comparison of Δpw between DJ-5 Plus tray and DJ-5 tray.

由圖6可知，當L=20 m3/（m2·h）時，DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的Δpw對比結(jié)果與Δpd對比結(jié)果趨勢相似；說明液量小時，填料層中無液體積累，壓降差別僅由于填料本身引起。而當L=40 m3/（m2·h）時，DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的壓降曲線非常貼近；這是因為L增大到一定程度時，塔板上液層較高，液層壓降占主導地位，此時填料層的影響可忽略。

2.1.4F對塔板漏液的影響

漏液量反映的是塔板氣相負荷下限［14］。造成漏液的原因主要有氣速太低和板上液層分布不均。圖7為DJ-5 Plus 塔板的漏液率。

圖7 DJ-5 Plus 塔板的漏液率Fig.7 Weeping of DJ-5 Plus tray.

由圖7可知，L不變時，DJ-5 Plus 塔板的漏液率隨著F的增大而減小，這是由于上升的氣體所具有的動能不足以支撐板上的液體；相同F(xiàn)下，漏液率隨著L的增大略微增大，這是由于板上液體的靜壓能比氣體的動能大，導致液體從閥孔落至下一層塔板。當L≥20 m3/（m2·h）時，不同L下的漏液率非常接近，說明此時L對漏液的影響較小。

圖8為DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的漏液率對比。由圖8可知，在L=40 m3/（m2·h）時，DJ-5 Plus 塔板的漏液率比DJ-5 塔板低15%～20%。這是因為受填料的影響，塔板有效開孔率比表觀開孔率低，所以DJ-5 Plus 的漏液小，與Δpd曲線反映出的現(xiàn)象一致。

圖8 DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的漏液率Fig.8 Comparison of weeping between DJ-5 Plus tray and DJ-5 tray.

2.2 工業(yè)應用

中國石油某分公司對二甲苯芳烴聯(lián)合裝置的抽出液塔進行擴能改造，根據(jù)用戶提供的裝置現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對抽出液塔進行了模擬計算，提出了該塔擴能改造的要求；抽出液塔的原塔塔板情況和擴能改造要求工況具體見表2。

表2 抽出液塔原塔塔板情況和改造要求工況Table 2 The original tray of extract column and revamped requirements

由表2可知，擴能后的氣液負荷（尤其是氣相負荷）很高，需更換能滿足相應工況要求的塔板類型。本課題組采用DJ-5 Plus 型塔板，對該塔進行了成功改造。

經(jīng)改造，裝置能力從650 kt/a 擴產(chǎn)到1 000 kt/a，其中第一期擴能到750 kt/a，于2018年7月完成。第一期改造后抽出液塔的效果見表3，裝置產(chǎn)能、塔頂和塔底分離指標、全塔壓降等主要指標和關(guān)鍵操作參數(shù)均達到并優(yōu)于設計值，改造達到了預期的目的。

表3 抽出液塔改造后的主要分離指標和關(guān)鍵操作參數(shù)Table 3 Major specifications of the products and operating parameters for the revamped extract column

3 結(jié)論

1）在DJ-5 塔板的基礎(chǔ)上，結(jié)合填料空中復合技術(shù)提出了DJ-5 Plus 塔板。

2）根據(jù)現(xiàn)有壓降模型，提出了DJ-5 Plus 塔板的Δpd和Δpw關(guān)聯(lián)式，實驗值和計算值較為吻合。當氣液負荷相同時，DJ-5 Plus 塔板的Δpw略大于DJ-5 塔板，霧沫夾帶率比DJ-5 塔板小50%以上，漏液率比DJ-5 塔板低15%～20%，具有更大的氣相操作范圍。

3）在較大的F下，DJ-5 Plus 塔板的抗霧沫夾帶性能明顯優(yōu)于DJ-5 塔板。在實驗操作范圍內(nèi)，DJ-5 Plus 塔板是一種大氣體通量、高效、高彈性的新型塔板。

4）DJ-5 Plus 塔板在擴能改造方面的成功實踐，說明該塔板具有重要工業(yè)應用價值，值得進一步大力推廣。

符 號 說 明

b降液管寬度，mm

C0孔流系數(shù)

F空塔動能因子，(m·s-1)·(kg·m-3)0.5

F0閥孔動能因子，(m·s-1)·(kg·m-3)0.5

hw溢流堰高度，m

Ic臨界溢流強度，m3/(m·h)

L液體噴淋密度，m3/(m2·h)

n降液管長寬比

Δpd塔板的干板壓降，Pa

Δpw塔板的濕板壓降，Pa

R相關(guān)系數(shù)

u0閥孔氣速，m/s

α系數(shù)β1，β2，β3指數(shù)

ρG氣體密度，kg/m3

ρL液體密度，kg/m3