大型DJ塔板弓形區(qū)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及流場(chǎng)研究

徐 磊，齊 亮，沈紹傳，姚克儉

（浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 綠色化學(xué)合成技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，浙江 杭州 310032）

DJ塔板繼承了MD塔板降液管的結(jié)構(gòu)特色，并在提高塔板效率、減少霧沫夾帶和降低塔板費(fèi)用等方面形成了具有特色的DJ塔板系列[1-3]。不同于一般多溢流塔板的弓形區(qū)，DJ塔板的弓形區(qū)上可設(shè)置2～7個(gè)受液區(qū)，這導(dǎo)致了弓形區(qū)液相流動(dòng)十分復(fù)雜。流場(chǎng)分布會(huì)影響氣液接觸情況，進(jìn)一步影響氣液傳質(zhì)效率[4-6]，因此針對(duì)流場(chǎng)分布及優(yōu)化成為DJ塔板的一個(gè)非常重要的研究方向。王維德等[7]在裝有兩根降液管的DJ塔板上測(cè)定了液相等平均停留時(shí)間，并把塔板分成四個(gè)帶有流動(dòng)特性的區(qū)域進(jìn)行研究；姬登祥等[8]通過(guò)熱水示蹤技術(shù)揭示了導(dǎo)流板位置對(duì)板上液流初始分布的影響。目前關(guān)于大型DJ塔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大多數(shù)是基于小型塔板的實(shí)驗(yàn)研究成果[9]。由于大型塔板的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和不同的受液區(qū)排布設(shè)置，將小尺寸塔板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于大型塔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生一定的偏差[10]。對(duì)于DJ塔板特有的弓形區(qū)來(lái)說(shuō)，由于流場(chǎng)分布不均勻等特性，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)缺乏足夠的依據(jù)。因此，測(cè)定大型DJ塔板弓形區(qū)液相流場(chǎng)對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化DJ塔板的設(shè)計(jì)具有重要意義。

圖1 9 m DJ塔板（A）和實(shí)驗(yàn)塔板（B）結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of 9 m DJ tray(A) and testing tray(B).

本工作采用熱水示蹤技術(shù)得到了不同溢流強(qiáng)度下典型弓形區(qū)的液相流場(chǎng)分布特性，并通過(guò)設(shè)置導(dǎo)流板和改變受液區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)DJ塔板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將計(jì)算流體力學(xué)軟件（CFD）的模擬結(jié)果與塔板流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了通過(guò)CFD模擬大型DJ塔板流場(chǎng)的可行性，并且進(jìn)一步探討了局部塔板流場(chǎng)組合成完整塔板流場(chǎng)的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 大型DJ塔板部分弓形區(qū)結(jié)構(gòu)

圖1 為9 m DJ塔板和實(shí)驗(yàn)塔板的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖1可知，DJ塔板采取懸掛式降液管結(jié)構(gòu)，虛線為上層塔板降液管，實(shí)線為本層塔板降液管，相互十字交錯(cuò)排布。弓形區(qū)構(gòu)造與一般多溢流塔板不同，弓形區(qū)內(nèi)一般設(shè)置2～7個(gè)受液區(qū)。實(shí)驗(yàn)塔板是9 m DJ塔板弓形區(qū)的一部分，即為圖1A中區(qū)域A′。塔板長(zhǎng)1 600 mm、寬1 400 mm、溢流堰高50 mm，采用圓固閥作為鼓泡元件，閥蓋直徑16 mm、高9 mm，實(shí)驗(yàn)塔板區(qū)域利用擋板和降液管圍成，如圖1B所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)定方法

圖2 為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。由圖2可知，實(shí)驗(yàn)裝置由離心泵、離心風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、溫度記錄儀和實(shí)驗(yàn)塔板等組成。兩塊DJ塔板自上而下安裝在塔內(nèi)，第一層塔板用于液體分布，第二層為測(cè)試板。測(cè)試板與液體分布板之間排布著26根與溫度記錄儀相連的熱電阻鉑探頭。實(shí)驗(yàn)條件為常溫常壓，實(shí)驗(yàn)物系為水。水通過(guò)離心泵從蓄水罐輸送至塔頂，經(jīng)過(guò)兩層塔板后進(jìn)入塔釜，最后循環(huán)返回至蓄水罐。第一層塔板的降液管上方安裝著2個(gè)熱水分布器，恒溫95 ℃熱水自熱水器通過(guò)熱水緩沖罐和熱水分布器進(jìn)入第一層降液管，與冷水按照1∶4的體積比混合進(jìn)入實(shí)驗(yàn)塔板。鉑電阻探頭檢測(cè)到的水溫變化由溫度記錄儀記錄，并使用溫度陣列-熱水示蹤技術(shù)獲得液相平均停留時(shí)間，最終獲得流場(chǎng)數(shù)據(jù)。然后通過(guò)調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥，獲取和記錄不同流量下的流場(chǎng)數(shù)據(jù)。

檢測(cè)原理和傳統(tǒng)脈沖技術(shù)相似，通過(guò)上下游兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)示蹤劑響應(yīng)曲線的變化求取平均停留時(shí)間[11-12]。檢測(cè)點(diǎn)處的液相平均停留時(shí)間由式（1）計(jì)算。

式中，t為液相平均停留時(shí)間，s；T（t）為監(jiān)測(cè)點(diǎn)處隨時(shí)間變化的溫度，℃；t為檢測(cè)時(shí)間，s。

實(shí)驗(yàn)采用的探針為鉑電阻Pt100，探頭部分長(zhǎng)度為300 mm，直徑3 mm，響應(yīng)時(shí)間為2.3～4.5 s之間，研究區(qū)域內(nèi)探針排布在板上25 mm的平面內(nèi)，排布方式如圖1B所示。探針上下間隔155 mm，左右間隔110 mm和120 mm，共計(jì)26根。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental setup.

基于式（1）中溫度與時(shí)間的關(guān)系，利用MATLAB軟件編程積分計(jì)算，得到相應(yīng)溫度變化情況下液相平均停留時(shí)間，再編制三維插值MATLAB程序得到更多細(xì)化坐標(biāo)后點(diǎn)的液相平均停留時(shí)間，用光滑曲線連接相同平均停留時(shí)間的點(diǎn)，最終得到塔板上的液相等平均停留時(shí)間分布，對(duì)其分析可以描述塔板上的液相流動(dòng)特性。

1.3 物理模型及其網(wǎng)格劃分

本工作有兩個(gè)目的，一是探討實(shí)驗(yàn)塔板模型與整體9 m DJ塔板模型對(duì)應(yīng)區(qū)域板上液相流場(chǎng)的吻合程度；二是探索在保留端部受液區(qū)的情況下，端部與其他受液區(qū)分配液量的適宜比例。

圖3 為塔板三維模型。由圖3可知，實(shí)驗(yàn)塔板模型和9 m DJ塔板模型用ICEM軟件生成。實(shí)驗(yàn)塔板模型高600 mm，出口溢流堰長(zhǎng)1 440 mm，降液管開(kāi)口為150 mm×140 mm，堰高50 mm，邊界處擋板高50 mm；9 m DJ塔板模型總共7根降液管，溢流堰間距855 mm，高50 mm，整個(gè)流動(dòng)空間高150 mm?？紤]到塔壁、塔內(nèi)件對(duì)流體流動(dòng)的影響，把模型分成上下兩個(gè)部分，在通過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行12 mm四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，并對(duì)堰以下的部分進(jìn)行5 mm加密處理，兩個(gè)模型分別擁有318 548個(gè)和2 548 796個(gè)網(wǎng)格，在計(jì)算機(jī)運(yùn)行能力范圍內(nèi)，保證足夠的計(jì)算精度。

1.4 物性參數(shù)與邊界條件

液相采用水為介質(zhì)，液相入口處的邊界條件設(shè)置為速度入口，入口速度為0.095 m/s即溢流強(qiáng)度10 m3/（m·h）；出口處的邊界條件設(shè)置為壓力出口，操作壓力為大氣壓，忽略能量方程，不考慮熱量傳遞。在傳質(zhì)模型內(nèi)部，液流強(qiáng)烈湍動(dòng)，并且部分液體沿圓弧壁面呈曲線流動(dòng)，因此采用Realizablek-ε兩方程湍流模型[13-14]，并用SIMPLE算法對(duì)模型進(jìn)行求解。

2 結(jié)果與討論

2.1 溢流強(qiáng)度對(duì)液相流場(chǎng)分布的影響

圖4 為在未設(shè)置導(dǎo)流板的條件下，弓形區(qū)部分區(qū)域板上25 mm平面內(nèi)不同溢流強(qiáng)度（L）工況下的液相等平均停留時(shí)間分布。由圖4可知，弓形區(qū)液相流場(chǎng)分布不均，流道上窄下寬，端部受液區(qū)的液體呈擴(kuò)張流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)整體流場(chǎng)產(chǎn)生較大的影響，兩股液流順著塔壁接觸碰撞，流動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，流向溢流堰且產(chǎn)生漩渦，使一部分液體長(zhǎng)時(shí)間停留 在塔板上，極大影響了塔板的分離效率。

圖4 L對(duì)液體等平均停留時(shí)間分布的影響Fig.4 Effects of overflow intensity(L) on the liquid equal mean residence time distributions.

為了定量評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引入相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差（CV）[12]對(duì)液相等平均停留時(shí)間分布的均勻性進(jìn)行評(píng)估，見(jiàn)式（2）。

2.2 導(dǎo)流板對(duì)液體流動(dòng)的影響

大型DJ塔板部分弓形區(qū)存在2個(gè)受液區(qū)，液體流動(dòng)情況復(fù)雜，考慮通過(guò)放置導(dǎo)流板來(lái)改善塔板液相流場(chǎng)。一處為部分弓形區(qū)受液區(qū)的1/3位置處（即a方位），姬登祥等[8]研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板放置于此處可有效改善液體初始分布，但并未在2個(gè)受液區(qū)的情況下驗(yàn)證過(guò)；另一處導(dǎo)流板放置于2股液流沿著塔壁交匯的位置（即b方位），將液體導(dǎo)向出口溢流堰，減少2股流體的碰撞，降低漩渦區(qū)的影響。在L=20 m3/（m·h）的條件下，將導(dǎo)流板分別設(shè)置在如圖1B所示的a，b兩個(gè)方位，考察了導(dǎo)流板對(duì)液體流動(dòng)的影響，并與不設(shè)置導(dǎo)流板的情況進(jìn)行對(duì)比。圖5為導(dǎo)流板對(duì)液相等平均停留時(shí)間分布的影響。由圖5可知，導(dǎo)流板排布在a位置改善了液體初始分布，導(dǎo)流板排布在b位置阻隔了沿塔壁交匯的兩股液流，削弱了液流自上而下的擴(kuò)散流動(dòng)，破壞了交匯處的漩渦，使塔板液體分布的均勻性得到提升。而a，b兩種排列方式混合時(shí)，未能破壞漩渦，導(dǎo)致該處出現(xiàn)嚴(yán)重返混現(xiàn)象，液相流場(chǎng)分布均勻性不如b位置的排布方式。這是由于排布在a位置的導(dǎo)流板雖然改善了液體初始分布，但是也將導(dǎo)流板右側(cè)的液體更多地導(dǎo)向塔壁，兩股液流相互碰撞產(chǎn)生漩渦區(qū)。

表1 未加導(dǎo)流板不同溢流強(qiáng)度下液相流場(chǎng)均勻性計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of uniformity of liquid flow field under different L without guide plate

圖5 導(dǎo)流板對(duì)液相等平均停留時(shí)間分布的影響Fig.5 Effects of guide plate on the liquid equal mean residence time distributions.

表2 為不同導(dǎo)流板排布下液相流場(chǎng)均勻性計(jì)算結(jié)果。由表2可知，對(duì)比無(wú)導(dǎo)流板的情況，其他3種導(dǎo)流板排布方式的CV都較小，即液相流場(chǎng)分布更加均勻，但b位置排列方式效果最好。

表2 不同導(dǎo)流板排布下液相流場(chǎng)均勻性計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation result of uniformity of liquid phase flow field with different guide plate

2.3 受液區(qū)數(shù)目對(duì)流場(chǎng)的影響

如圖1A所示的大型9 m DJ塔板弓形區(qū)處設(shè)置有5個(gè)受液區(qū)。結(jié)合圖4可知，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域處2股流體交匯，液體流動(dòng)十分復(fù)雜，液相流場(chǎng)分布不均勻。因此考察了去除端部1號(hào)和5號(hào)兩個(gè)受液區(qū)，即實(shí)驗(yàn)塔板上僅設(shè)置有1個(gè)受液區(qū)的情況。圖6為去除端部受液區(qū)液相等平均停留時(shí)間分布。對(duì)比之前，沒(méi)有了端部流股的影響，板上漩渦區(qū)消失，塔壁處液體順著壁面呈收縮流進(jìn)入降液管。

表3 為不同受液區(qū)數(shù)目下液相流場(chǎng)均勻性計(jì)算結(jié)果。結(jié)合表3可知，在去除端部受液區(qū)后，不同測(cè)試位置上流場(chǎng)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差（CV1）均低于去除之前（CV2），即液相等平均停留時(shí)間分布更加均勻。

圖6 去除端部受液區(qū)液相等平均停留時(shí)間分布Fig.6 Equal mean residence time distribution of liquid phase at remove the end liquid receiving area.Condition：L=20 m3/(m·h).

表3 不同受液區(qū)數(shù)目下液相流場(chǎng)均勻性計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of uniformity of the liquid flow field under the different number of liquid receiving areas

2.4 CFD流場(chǎng)計(jì)算模型驗(yàn)證

圖7 為實(shí)驗(yàn)塔板X-Y剖面（板上Z=25 mm）上的液相流場(chǎng)分布模擬。

圖7 實(shí)驗(yàn)塔板X-Y剖面（Z=25 mm）上的液相流場(chǎng)分布模擬Fig.7 Liquid flow field distributions of the X-Y sections(Z=25 mm)of the testing tray.

由圖7可知，2個(gè)受液區(qū)的部分流股沿塔壁流動(dòng)，接觸碰撞后損失了一部分動(dòng)能，改變了流動(dòng)方向，向出口溢流堰方向流動(dòng)，并與沿溢流堰流動(dòng)的2股液流交匯在第二受液區(qū)附近形成漩渦，漩渦處液體流動(dòng)緩慢，板上液相流動(dòng)情況十分復(fù)雜，整體情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，證明此模型可以較好地對(duì)實(shí)驗(yàn)塔板上的液相流場(chǎng)進(jìn)行描述。

2.4.1 9 m DJ塔板與實(shí)驗(yàn)塔板液相流場(chǎng)的比較

圖8 為9 m DJ塔板X-Y剖面（板上Z=25 mm）上的液相流場(chǎng)分布。對(duì)比圖8和圖7可知，實(shí)驗(yàn)塔板由于擋板的阻礙，邊界處的液體更多地向兩側(cè)流動(dòng)，導(dǎo)致與9 m DJ塔板相應(yīng)區(qū)域邊界處的流場(chǎng)略有差異，但兩者整體液相流場(chǎng)大致相符，漩渦區(qū)位置大體相同。為了考察實(shí)驗(yàn)塔板和9 m DJ塔板對(duì)應(yīng)區(qū)域的流場(chǎng)相似程度，引入?yún)?shù)a、b和皮爾遜相關(guān)系數(shù)（r）[15-16]，當(dāng)a趨近1且b趨近0時(shí)，兩者流場(chǎng)相似程度高；r越趨向1，則兩者相關(guān)性越好，見(jiàn)式（3）和式（4）。

式中，Xi為9 m DJ塔板某點(diǎn)的模擬速度，m/s；為9 m DJ塔板各點(diǎn)的平均模擬速度，m/s；Yi為實(shí)驗(yàn)塔板某點(diǎn)的模擬速度，為實(shí)驗(yàn)塔板各點(diǎn)的平均模擬速度，m/s；N為監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)。

圖8 9 m DJ塔板X-Y剖面（Z=25 mm）上的液相流場(chǎng)分布Fig.8 Liquid flow field distributions of the X-Y sections(Z=25 mm) of the 9 m DJ tray.

在9 m DJ塔板模型（圖8b）和實(shí)驗(yàn)塔板模型（圖7）對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)各設(shè)置32個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位置如圖9所示，上下間隔155 mm，左右間隔120 mm，模擬計(jì)算得到對(duì)應(yīng)區(qū)域上檢測(cè)點(diǎn)的速度值，分別記為X1～X32與Y1～Y32。對(duì)兩組數(shù)據(jù)按式（3）和（4）進(jìn)行擬合計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為a=0.947，b=0.034，r32=0.873，而兩組中前26個(gè)數(shù)據(jù)的r26=0.924。結(jié)合流場(chǎng)模擬圖和模擬計(jì)算結(jié)果可知對(duì)應(yīng)區(qū)域液體流動(dòng)情況十分相似，兩者流場(chǎng)模擬吻合度較好。由于實(shí)驗(yàn)塔板模型中邊界處存在擋板的阻礙，附近6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度偏離較大，r偏小。模擬結(jié)果表明，大型DJ塔板流場(chǎng)可通過(guò)分區(qū)實(shí)驗(yàn)塔板組合獲得，但需要結(jié)合流體仿真軟件等手段消弱邊界對(duì)塔板組合的影響。

2.4.2 受液區(qū)液量配比對(duì)弓形區(qū)流場(chǎng)的影響

由于大型DJ塔板弓形區(qū)的弧形結(jié)構(gòu)，致使端部受液區(qū)液量對(duì)塔板流場(chǎng)均勻性有較大的影響。圖10 為不同液量配比下實(shí)驗(yàn)塔板X-Y剖面（Z=25 mm）上的液相流場(chǎng)分布模擬。由圖10可知，液量配比為1∶4時(shí)端部流股對(duì)流場(chǎng)控制區(qū)域最小，未見(jiàn)明顯漩渦區(qū)，但液量配比較小，影響總體通量，造成產(chǎn)能過(guò)低。在液量配比為1∶2和2∶3的工況下，可明顯發(fā)現(xiàn)漩渦區(qū)的產(chǎn)生，且端部受液區(qū)的流股控制區(qū)域過(guò)大，不利于整體流場(chǎng)的均勻分布。在液量配比為1∶3的工況下，端部受液區(qū)處的流股控制了模擬區(qū)域的近1/4，漩渦區(qū)范圍較小并且靠近出口溢流堰，比其他3種工況好，利于工業(yè)應(yīng)用。

圖9 弓型區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.9 Location of monitoring points in the arch zone.

圖10 不同液量配比下實(shí)驗(yàn)塔板X-Y剖面（Z=25 mm）上的液相流場(chǎng)分布模擬Fig.10 Liquid flow field distributions of the X-Y sections(Z=25 mm) of the testing tray under different ratio of liquid flow.

3 工業(yè)應(yīng)用

中國(guó)石油某分公司對(duì)二甲苯芳烴聯(lián)合裝置的抽出液塔實(shí)施擴(kuò)能改造，根據(jù)裝置的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)抽出液塔進(jìn)行了模擬計(jì)算，提出了該塔擴(kuò)能改造的要求；抽出液塔的原塔塔板情況和擴(kuò)能改造要求工況見(jiàn)表4。該塔分為二段，擴(kuò)能后的汽液負(fù)荷（尤其是汽相負(fù)荷）很高，需更換能滿足相應(yīng)工況要求的塔板型號(hào)；浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程設(shè)計(jì)研究所使用三降液管的DJ-5 Plus型塔板，采用了前面研究工作的成果，對(duì)塔板受液區(qū)的數(shù)量和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，改造取得了成功。

表4 抽出液塔原塔塔板情況和改造要求工況Table 4 The original tray of extract column and revamped requirements

裝置改造后產(chǎn)能預(yù)計(jì)從650 kt/a擴(kuò)到1 000 kt/a，其中第一期擴(kuò)能到750 kt/a，已經(jīng)完成。第一期改造后抽出液塔的效果見(jiàn)表5。由表5可知，裝置產(chǎn)能、全塔壓降、塔頂和塔底分離效率等主要指標(biāo)和關(guān)鍵操作參數(shù)均達(dá)到并優(yōu)于設(shè)計(jì)值，達(dá)到了預(yù)期的改造目的。

4 結(jié)論

1）未安裝導(dǎo)流板的情況下，增大溢流強(qiáng)度，塔板上液體停留時(shí)間縮短，液體流動(dòng)加快且趨于均勻，液流交匯產(chǎn)生的漩渦也向出口溢流堰方向移動(dòng)。

2）加裝導(dǎo)流板后，發(fā)現(xiàn)加裝在a位置的導(dǎo)流板使液流初始分布更加均勻；加裝在b位置的導(dǎo)流板將沿塔壁流動(dòng)的液體導(dǎo)向出口溢流堰，破壞了漩渦區(qū)，兩者都增加了液相流場(chǎng)的均勻性。同時(shí)在a，b兩個(gè)位置放置導(dǎo)流板則效果較差。

3）在直徑8～10 m左右的DJ塔板中，弓形區(qū)內(nèi)設(shè)置3個(gè)受液區(qū)比設(shè)置5個(gè)受液區(qū)的液相流場(chǎng)分布更均勻，并在工業(yè)生產(chǎn)中得到實(shí)際應(yīng)用，值得進(jìn)一步推廣。

4）通過(guò)Fluent軟件模擬表明大型DJ塔板流場(chǎng)可通過(guò)分區(qū)實(shí)驗(yàn)塔板組合獲得，且發(fā)現(xiàn)端部與其他部分受液區(qū)分配的流量適宜比例為1∶3。

符 號(hào) 說(shuō) 明

a，b參數(shù)

CV 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差

L溢流強(qiáng)度，m3/(m·h)

N監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)

n計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)

r皮爾遜相關(guān)系數(shù)

T(t) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處隨時(shí)間變化的溫度，℃

t檢測(cè)時(shí)間，s

Xi9mDJ塔板某點(diǎn)的模擬速度，m/s

Yi實(shí)驗(yàn)塔板某點(diǎn)的模擬速度，m/s