導向立體噴射復合塔板的流體力學及傳質(zhì)性能研究

李子棟 李 洋 李 義 王炎齊 吳喬愚 李群生

引 言

精餾是化工行業(yè)中最為成熟、規(guī)模最大的分離操作,而塔器是最常見的精餾設備[1]。 與填料塔相比,板式塔具有結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低、操作彈性大、不易堵塞的優(yōu)點,同時塔器作為化工生產(chǎn)中應用數(shù)量最多、涉及面最廣、能耗最大的設備單元,其增效、擴能、降耗已成為提高經(jīng)濟效益最有效的一種手段[2-3]。

板式塔發(fā)展至今已有200 多年的歷史,經(jīng)歷了泡罩塔板—篩孔塔板—浮閥塔板的發(fā)展歷程[4],它們是應用最久也最為廣泛的塔板類型。 隨著時代的發(fā)展,化工生產(chǎn)中高純度與高能耗的矛盾日益突出,大通量、高效率、低壓降的塔板被相繼開發(fā)出來。 20世紀70 年代,新型垂直篩板(New VST)的問世代表著塔板設計由二維平面轉(zhuǎn)向立體空間,由于其主要傳質(zhì)場所在三維空間,氣液接觸呈并流噴射狀態(tài),所以New VST 不僅具有處理能力強、傳質(zhì)效率高、壓降低的優(yōu)點,而且操作彈性大,抗結(jié)垢、堵塞性能好。研究者們基于新型垂直篩板,并結(jié)合規(guī)整填料的傳質(zhì)分離作用,開發(fā)了新型復合塔板如T/P 型復合塔板[5]、并流噴射填料塔板(JCPT)[6]等。 本文結(jié)合板式塔與填料塔的優(yōu)點,以課題組前期開發(fā)的高效導向篩板為基礎[7],設計了導向立體噴射復合塔板(FVJT),并通過冷模實驗得到了塔板的流體力學數(shù)據(jù)和傳質(zhì)數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 導向立體噴射復合塔板的結(jié)構(gòu)與特點

導向立體噴射復合塔板由導向孔、帽罩、填料、分離板復合而成[8],塔板結(jié)構(gòu)如圖1 所示,結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。 該塔板的結(jié)構(gòu)特點如下。

表1 實驗塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of experimental trays

圖1 導向立體噴射復合塔板結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the FVJT

(1)塔板的開孔區(qū)域開有3 個70 mm ×210 mm的矩形孔和118 個導向孔,矩形孔為氣體的主要通道,導向孔的作用在于為液體提供向前流動的推動力,消除液面落差。

(2)在塔板的液相進口和出口分布著向上凸起且密集的導向孔。 當液相自上而下由降液管進入塔板后立即進行氣液接觸傳質(zhì),消除非活化區(qū);在液相出口,通過鼓泡促進液體翻過溢流堰落到降液管中完成傳質(zhì)。

(3)在矩形孔上方安裝有漸縮、漸擴的立體帽罩,由于均勻收縮和逐漸擴大,流體流速變化平緩,渦流較小,能量損失較小;Mellapak 250Y 規(guī)整填料橫向放置在帽罩上端,增大氣液接觸面積以強化傳質(zhì)。

1.2 實驗裝置與流程

常溫常壓下,在實驗塔內(nèi)依次進行3 塊FVJT 塔板(表1)的測定。 塔板開孔率Φ為10.6%(以氣相流通的截面積計,包括導向孔面積和矩形孔面積)。塔設備參數(shù)如表2 所示。

表2 塔設備參數(shù)Table 2 Parameters of the column

實驗裝置如圖2 所示。 空氣由氣體管路上的渦街流量計和閥門調(diào)節(jié)計計量后送入塔內(nèi),再經(jīng)分布板分布后進入實驗塔板;水箱中的水由水泵經(jīng)渦街流量計計量后再經(jīng)氧氣吸收柱形成富氧水,之后送到實驗塔板上方的降液管中;氣液兩相在實驗塔板上錯流流動,在立體帽罩內(nèi)進行并流噴射接觸傳質(zhì)。通過實驗塔板的氣體壓降由SSF625 型電子壓差計(淄博森世電子科技有限公司)記錄;通過形成連通器,塔內(nèi)板上清液層高度由塔外帶刻度的玻璃管讀出;分別由霧沫捕集板和漏液收集板收集測量FVJT塔板的夾帶率和漏液率,最后分別在進水管取樣口和降液管取樣口取樣,利用YSI-550A 溶氧儀(美國維賽)測定水中的氧含量。

圖2 實驗裝置圖Fig.2 Experimental flow chart

2 結(jié)果與討論

2.1 塔板壓降

2.1.1 干板壓降

干板壓降是指僅有氣體自下而上穿過實驗塔板時,因塔板自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的阻力損失[9]。 賴文衡[10]通過實驗數(shù)據(jù)擬合出了新型垂直篩板的干板壓降公式為

式中,Δpd為干板壓降,Pa;u0為板孔氣速,m/s;ζ為阻力系數(shù);ρv為空氣密度,kg/m3。 與新型垂直篩板相比,本文實驗塔板由立體帽罩和導向孔兩種結(jié)構(gòu)組成,將導向孔的壓降考慮其中,用平均孔氣速代替板孔氣速,可得

式中,F0為平均孔動能因子,(m/s)·(kg/m3)0.5;FT為空塔動能因子,(m/s)·(kg/m3)0.5;Φ為開孔率,%。

將2#實驗塔板干板壓降數(shù)據(jù)隨的變化關(guān)系作圖,如圖3 所示,由式(2)得如下關(guān)系式

圖3 干板壓降實驗值擬合Fig.3 Fitting of experimental data for the dry tray pressure drop

相關(guān)性系數(shù)R2=0.999 7,實驗值與計算值誤差在5%以內(nèi)。

將2#塔板(下文均采用此類型塔板)的干板壓降與杜佩衡等[11]擬合的New VST 和傳統(tǒng)F1 浮閥塔板的干板壓降進行對比,結(jié)果如圖4 所示。 由圖4可知,在相同的開孔率(ΦNewVST=10.8%,下同)下,與New VST 相比,FVJT 的干板壓降降低了20% ～30%。

圖4 3 類塔板干板壓降對比Fig.4 Comparison of dry tray pressure drop for three kinds of trays

由圖4 可知,隨著F0的增大,New VST、F1 浮閥和FVJT 的干板壓降也迅速增大,同時3 類塔板干板壓降的差別也越來越大。 因氣體穿過F1 浮閥塔板時需要克服浮閥的重力,其干板壓降明顯高于另外兩類塔板。 FVJT 的干板壓降低于New VST,這是因為與New VST 相比,FVJT 帽罩上部的規(guī)整填料是半開放結(jié)構(gòu),氣體穿過板孔后不易產(chǎn)生憋壓。

3 種傾斜角度的FVJT 干板壓降隨F0的變化規(guī)律如圖5 所示。 可以看出,傾斜角度越大,干板壓降也越大,且氣速越大干板壓降之間的差距越大。

圖5 3 種角度FVJT 干板壓降對比Fig.5 Comparison of dry tray pressure drop for FVJT with three angles

2.1.2 濕板壓降

濕板壓降Δpw是指氣體穿過板上液層引起的阻力損失[12]。 濕板壓降與氣液兩相的流動狀況密切相關(guān)。 本文實驗塔板在正常操作時液層所引起的阻力由兩部分組成:一是氣體經(jīng)導向孔穿過板上液層所克服的阻力;二是氣體在帽罩內(nèi)提升破碎液體時所引起的阻力。 圖6 為2#塔板濕板壓降隨F0變化的關(guān)系曲線,其中Lw表示溢流強度。

圖6 不同溢流強度下濕板壓降隨F0變化的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between the wet tray pressure drop and F0 for different liquid flow intensities

從圖6 可以看出,當F0一定時,Δpw隨溢流強度的增大而增大;當溢流強度一定時,Δpw隨F0增大而增大的幅度先較大,再平緩,之后又變大。

濕板壓降隨F0的增大過程可以分為3 個階段:1)當F0較小時,氣體穿過板孔產(chǎn)生的提升力不足以克服自身的重力,此時為漏液階段,隨F0的增大,漏液逐漸減少,氣體開始經(jīng)導向孔穿過板上液層,壓降迅速增加;2)當F0繼續(xù)增大時,矩形孔漏液逐漸消失,氣體開始經(jīng)矩形孔提升液體,漏液和提升相互作用,矩形孔處液體呈脈沖波動狀態(tài),濕板壓降緩慢增加;3)當F0增大到一定程度后,塔板呈正常操作狀態(tài),能量損失主要來源于氣體經(jīng)矩形孔的提升和破碎液體,隨著越來越多的液體進入帽罩,液體提升量和液體分散程度也越來越大,濕板壓降迅速增加。

目前,廣泛地將濕板壓降擬合為加和模型,即濕板壓降為干板壓降與液層阻力之和[13],其關(guān)聯(lián)式為

式中,β為液層阻力系數(shù),Pa/mm;h1為清液層高度,mm。 將2#塔板在溢流強度為15 m3/(m·h)時所測得的實驗數(shù)據(jù)利用式(5)進行擬合,得到關(guān)聯(lián)式

式中,41 mm ＜h1＜60 mm,相關(guān)性系數(shù)R2=0.997,計算值與實驗值誤差在5%以內(nèi)。

將FVJT 在溢流強度為15 m3/(m·h)下的濕板壓降與文獻[11]擬合的New VST 以及F1 浮閥塔板的濕板壓降進行對比,如圖7 所示。 從圖7 可知,在相同的開孔率下,與New VST 相比,FVJT 的濕板壓降降低了10% ～20%;當氣速較小時,FVJT 的濕板壓降略高于New VST;隨著氣速增大,New VST 的濕板壓降逐漸高于FVJT,且氣速越大,壓降差距越明顯。 同時,FVJT 和New VST 的濕板壓降都低于F1浮閥塔板。 這是因為對于F1 浮閥塔板,氣體需要全部通過液層,所以其壓降最大;而相較于New VST,FVJT 罩體上部疏松的規(guī)整填料為液流噴射提供了較大的空間,故壓降最小。

圖7 3 類塔板濕板壓降對比Fig.7 Comparison of wet tray pressure drop for three kinds of trays

將3 種不同傾斜角度的FVJT 在溢流強度為15 m3/(m·h)時的濕板壓降隨F0的變化進行對比,如圖8 所示。 可以看出,隨氣速的增大,濕塔壓降的大小順序為2#＞3#＞1#。 這是因為當氣速較小時,漏液占主要部分,用于提升液體消耗的能量相差無幾;當氣速較大時,傾角越大,氣體經(jīng)過帽罩的速度越大,帽罩內(nèi)外的靜壓差越大,從而使得進入帽罩內(nèi)的液體量也越多,濕板壓降隨之越大;但當傾角過大時,帽罩內(nèi)空間變小,液體沒有獲得較好的提升破碎效果,濕板壓降降低。

圖8 3 種角度FVJT 濕板壓降對比Fig.8 Comparison of wet tray pressure drop for FVJT with three angles

2.2 清液層高度

清液層高度h1即板上液層厚度,是塔板持液量與板上氣液兩相接觸狀態(tài)的反映[14],對其變化規(guī)律進行研究,可以更好地掌握板上液體的流動特性。如圖9 所示,在不同溢流強度下,整體上清液層高度呈先增加后減小的趨勢。 對比3 種傾斜角度FVJT在溢流強度為15 m3/(m·h)時的清液層高度,結(jié)果如圖10 所示。 傾斜角度越大,進入帽罩內(nèi)的液體越多,板上清液層高度越小;2#和3#塔板相差不大,且明顯低于1#塔板的清液層高度。

圖9 不同溢流強度下清液層高度隨F0變化的關(guān)系曲線Fig.9 The relationship between the clear liquid height and F0 for different liquid flow intensities

圖10 3 種角度FVJT 塔板清液層高度對比Fig.10 Comparison of clear liquid height for FVJT with three angles

2.3 霧沫夾帶

霧沫夾帶屬于液相返混,是氣體包裹著液滴到達上一層塔板的現(xiàn)象。 過量的霧沫夾帶會影響塔的傳質(zhì)效率[15]。 隨氣速的增大,氣體夾帶液滴的速度和質(zhì)量都增大,當夾帶率為10%時即達到氣相負荷上限。 將不同溢流強度下的霧沫夾帶率ev隨F0的變化關(guān)系進行比較,如圖11 所示。 可以看出,不同溢流強度下的霧沫夾帶率均先緩慢增加,再迅速增加;在低氣速時,霧沫夾帶率保持較小值基本不變,隨著氣速的增加,不同溢流強度下的霧沫夾帶率之間差距越來越大。 將3 種傾斜角度FVJT 在溢流強度為15 m3/(m·h)下的霧沫夾帶率進行比較,結(jié)果如圖12 所示?？梢钥闯?在低氣速時,3 塊塔板的霧沫夾帶率都較小且無明顯差別;高氣速時,霧沫夾帶率的大小順序為2#＞3#＞1#。 這不僅與帽罩的提升性能有關(guān),而且傾角越大,從填料噴出的液流所沖撞的空間也越大,液流沖撞越激烈,被分離板阻擋下來的液量也越少,從而被氣流夾帶到上一層塔板的液量越多。

圖11 不同溢流強度下霧沫夾帶率隨F0變化的關(guān)系曲線Fig.11 Relationship between the entrainment and F0 for different liquid flow intensities

圖12 3 種角度FVJT 的霧沫夾帶率對比Fig.12 Comparison of entrainment for FVJT with three angles

根據(jù)文獻[11]擬合得到New VST 霧沫夾帶率ev的關(guān)聯(lián)式為

在溢流強度為15 m3/(m·h)時,將其與FVJT 的霧沫夾帶率進行對比,如圖13 所示。 以夾帶率10%為氣相負荷上限, 此時New VST 的孔動能因子F0為18.85 (m/s)·(kg/m3)0.5,而FVJT 的F0為20.62 (m/s)·(kg/m3)0.5。

圖13 FVJT 與New VST 的霧沫夾帶率對比Fig.13 Comparison of entrainment for FVJT and New VST

2.4 漏液率

漏液是指液體在塔板上未經(jīng)接觸傳質(zhì)從塔板開孔處落到下一層塔板。 在塔板開孔率一定時,氣速是影響漏液的主要因素[16]。 工業(yè)上,將漏液率10%作為精餾塔的氣相負荷下限。 圖14 為不同溢流強度下漏液率ω隨F0變化的關(guān)系曲線。 從圖中可以看出,隨F0的增加,漏液率迅速減小到10%以下,直至為0,且溢流強度對漏液率的影響越來越小。 原因在于,隨著氣速的增加,矩形孔處的漏液迅速減小,當只有導向孔處漏液時,漏液率逐步減小至0。 對比3 種不同角度FVJT 在溢流強度15 m3/(m·h)下的漏液率(圖15),可以看出1#塔板的漏液率明顯高于2#、3#塔板。

圖14 不同溢流強度下漏液率隨F0變化的關(guān)系曲線Fig.14 Relationship between the weeping and F0 for different liquid flow intensities

圖15 3 種角度FVJT 的漏液率對比Fig.15 Comparison of weeping for FVJT with three angles

在溢流強度為15 m3/(m·h)時,不同氣速下New VST 和FVJT 的漏液率對比如圖16 所示。 文獻[11]通過實驗測得,在漏液率為10%時New VST 的孔動能因子F0≥5.8 ～7.4(m/s)·(kg/m3)0.5,而FVJT 達到此漏液量時,其F0≥7.1 ～8.5(m/s)·(kg/m3)0.5,即在相同的孔氣速條件下,FVJT 比New VST的漏液量稍大。

圖16 FVJT 與New VST 的漏液率對比Fig.16 Comparison of weeping for FVJT and New VST

2.5 傳質(zhì)效率

塔板傳質(zhì)效率又稱默弗里單板效率,用于表示1 塊塔板的傳質(zhì)性能。 本文采用氧解析實驗,通過測定塔板進出口液體含氧量再利用式(9)計算傳質(zhì)效率。

式中,EML為傳質(zhì)效率;Xi為塔板進口水中的含氧量,mg/L;Xo為塔板出口水中的含氧量,mg/L;為實驗溫度下水中的平衡含氧量,mg/L。 圖17 為3 種不同傾斜角度FVJT 在溢流強度為18 m3/(m·h)時的板效率對比。 可以看出,隨F0的增加,板效率總體呈現(xiàn)出先增加后趨于平緩、最后略有減小的趨勢。原因在于,在低氣速時,塔板處于嚴重漏液狀態(tài),氣液未進行充分的接觸,導致板效率較低;隨氣速增大,漏液消失,板效率迅速增大,塔板進入正常操作狀態(tài),此時,液體在帽罩內(nèi)經(jīng)歷的拉膜、提升、破碎、噴射過程是進行氣液傳質(zhì)的主要過程,氣速越大,提升速度、提升量以及破碎程度也越大,從而板效率也隨之增加;但氣速過大時,會導致大量傳質(zhì)完全的液體沒有從降液管落下,造成測得的板效率下降。 對比3 種不同傾斜角度FVJT 可以看出,2#和3#塔板的板效率接近且顯著優(yōu)于1#塔板。 帽罩傾角越大,液體獲得的提升力也越大,更多的液體進入帽罩,氣液接觸更充分;同時,帽罩傾角越大,從填料噴出的液流所沖撞的空間也越大,氣液傳質(zhì)更完全。 但當傾斜角度過大時,帽罩內(nèi)流道空間較小,大量液體未被提升到上段填料部分而是從下端升氣筒側(cè)壁的噴射孔噴出,氣液傳質(zhì)受到限制。

圖17 3 種不同傾斜角度的FVJT 傳質(zhì)效率對比Fig.17 Comparison of mass transfer efficiency for FVJT with three angles

為了進一步衡量FVJT 的傳質(zhì)性能,圖18 繪出了FVJT、New VST 及F1 浮閥這3 類塔板在溢流強度為15 m3/(m·h)時的傳質(zhì)效率隨F0的變化曲線。可以看出,FVJT 的傳質(zhì)效率明顯高于另外兩類塔板[17],其數(shù)值提高了約13% ～17%。

圖18 3 類塔板傳質(zhì)效率對比Fig.18 Comparison of mass transfer efficiency for three kinds of trays

3 結(jié)論

(1)導向立體噴射復合塔板“漸縮漸擴”的帽罩結(jié)構(gòu)可以獲得較好的提升效果與噴射效果,使得氣液接觸更充分,傳質(zhì)效率增加。 同時疏松的規(guī)整填料既能分割流道空間提供傳質(zhì)表面,又因其具有的半開放結(jié)構(gòu)解決了帽罩憋壓的問題,降低了氣體通過塔板時的阻力損失。

(2)由冷模實驗測得FVJT 塔板的流體力學數(shù)據(jù),與開孔率相同的New VST 塔板相比,FVJT 塔板干板壓降降低20% ～30%,濕板壓降降低了10% ～20%。 此外,由于霧沫夾帶率小,FVJT 的氣相負荷上限高,操作彈性大。

(3)與傳統(tǒng)塔板相比,本文所設計的FVJT 將傳質(zhì)過程轉(zhuǎn)移到板間空間,有利于氣液接觸界面的快速更新,加快了質(zhì)量傳遞。 采用氧解析法測得的FVJT 板效率在75%以上,傳質(zhì)效率與New VST 和F1 浮閥塔板相比提高了約13% ～17%,其中立體帽罩傾斜角度為6°時的板效率最高。