（化学工程专业论文）多溢流大型塔板的计算传质学研究.pdf

中文摘要 多溢流大型精馏塔的设计一直是工程设计的难点，目前普遍采用的设计方 法一般不考虑塔板上液体流动对传质效果的影响，本课题组前期的研究表明塔板 上液体流动结构是影响塔板效率的重要因素，但关于大型多溢流塔板上液体流动 结构变化对塔板传质效率影响的相关研究尚未见文献报道，为此本文以直径1 2 m 的四溢流大型精馏塔塔板设计为具体研究案例，应用计算传质学方法来研究流体 流动结构对板效率的影响，建立了描述四溢流塔板上液体流动和传质状况的理论 化计算方法，并对含有lo 块塔板的精馏塔全塔流动与传质状况进行了初步研究。 论文首先对单块塔板的流动与传质现象进行了研究。针对等流道长度和等 鼓泡区面积两种设计方法，运用c f d 技术对不同流量分配下塔板上的速度场和 浓度场进行了模拟，结果发现所研究的塔板的侧翼板出现回流区，而中间板未出 现回流区；在等流道长度情况下，当侧翼板和中间板的液体流量比q 1 q 2 为1 2 时计算出的塔板效率最高，而在等鼓泡区面积情况下流量分配比q l q 2 为1 时塔 板效率最高，而且在相等流量分配下等鼓泡面积法比等流道长时得到的塔板效率 高，其他流量分配下等流道长法比等鼓泡面积法得到的塔板效率高。针对两种传 统的设计方法，提出了三种改进方法，即：加设导流板，改进降液管结构，加设 导流板同时改进降液管结构。模拟结果表明：这三种改进方法均可以减小液体回 流区面积。通过对各种结构塔板效率的比较发现，等流道长度法采用加入导流板 的四溢流塔板在流量分配比为1 2 的情况下的塔板效率最高，比传统设计方法提 高4 6 ；等鼓泡面积法采用带导流板和改进降液管的四溢流塔板在等流量分配 时的塔板效率最高，比传统设计方法提高7 1 ，说明改进塔板结构能够提高多 溢流塔板的分离效率。 第二，论文对含有1 0 块塔板的精馏塔的全塔流动与传质现象进行了初步研 究。针对等流道长度和等鼓泡面积两种传统设计方法在等流量分配情况下的全塔 流动和传质情况进行模拟，结果表明：等鼓泡面积法各板的液相出口平均浓度较 等流道长法低，所以相应等鼓泡面积法的各板效率总体上大于等流道长度法的各 板的板效率。 关键词：大型精馏塔四溢流塔板计算传质学c f d 塔板效率塔板结构 优化 a b s t r a c t d e s i g n i n go fc o m m e r c i a ls c a l em u l t i - p a s sd i s t i l l a t i o nc o l u m nt r a yi s at o u g ht a s k f o rc h e m i c a le n g i n e e r s i th a sb e e ns h o w nt h a tl i q u i df l o wp a a e mi s o fg r e a t i m p o r t a n c ei nd e t e r m i n i n gt r a ye f f i c i e n c y , b u tp r e s e n t l yu s e dm e t h o do f t e nn e g l e c t s t h i se f f e c t t ot h ea u t h o r sk n o w l e d g e ，t h e r ei sn op u b l i s h e dt h e o r e t i c a lw o r kf o r i n v e s t i g a t i n gt h ef l o wa n dm a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c eo nc o m m e r c i a ls c a l em u l t i p a s s d i s t i l l a t i o nc o l u m nt r a y i nt h i sp a p e r ，c o m p u t a t i o n a lm a s st r a n s f e rm e t h o df o r d e s i g n i n gf o u r - p a s sd i s t i l l a t i o nt r a yw i t h12 m i nd i a m e t e ri sd e v e l o p e da n da p p l i e dt o i n v e s t i g a t i n g f l o wb e h a v i o ra n dm a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c e t h e n p r e l i m i n a r y i n v e s t i g a t i o no f t h ef l o wp a t t e r na n dm a s st r a n s f e rp h e n o m e n o ni na10t r a y sc o l u m n i sc a r r i e do u t f i r s tt h ef l o wa n dm a s st r a n s f e rp h e n o m e n o no fo n et r a yi si n v e s t i g a t e d a c o m p u t a t i o n a lm a s st r a n s f e rm o d e li sd e v e l o p e dt od e s c r i b et h ef l o w a n dm a s s t r a n s f e rb e h a v i o rf o raf o u r p a s sd i s t i l l a t i o nt r a y u s i n gt h ep r o p o s e dm o d e l ，t w o m e t h o d si n c l u d i n ge q u a lf l o w - p a t hl e n g t ha n de q u a lb u b b l i n ga r e aa r ea d o p t e dt o s i m u l a t ef l o wp a t t e r na n dc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na td i f f e r e n tl i q u i dl o a dr a t i o b e t w e e ns i d e t r a ya n dc e n t e r - t r a y s i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tl i q u i dc i r c u l a t i o nc a n b ef o u n do ns i d e - t r a yf o rb o t hc a s e s f o rt h ec a s eo fe q u a lf l o w - p a t hl e n g t hm e t h o d ， t r a ye f f i c i e n c yr e a c h e st h eh i g h e s ta tt h el i q u i dl o a dr a t i oo f 0 5 f o rt h ec a s eo fe q u a l b u b b l i n ga r e am e t h o d ，t h eh i g h e s tt r a ye f f i c i e n c yi s a tt h el i q u i dl o a dr a t i oo f1 0 m o r e o v e rt r a ye f f i c i e n c yo fe q u a lf l o w p a t hl e n g t hi sl o w e rt h a nt h a to fe q u a l b u b b l i n ga r e aa tt h el i q u i dl o a dr a t i oo f1 0 ，b u th i g h e ra to t h e rl i q u i dl o a dr a t i o s t h e n t h r e ew a y sa r ep r o p o s e df o ri m p r o v i n gt h et w ot r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d s ，w h i c h i n c l u d ea d d i n gl i q u i df l o wb a f f l eb o a r d ，m o d i f y i n gd o w n c o m e rs h a p e ，a n dc o m b i n i n g l i q u i df l o wb a m eb o a r da n dm o d i f i e dd o w n c o m e r i tc a nb ef o u n dt h a t t h el i q u i d c i r c ：u l a t i o na r e ad e c r e a s e dd r a m a t i c a l l yw h e nt h et h r e em o d i f i e dw a y sa r ea d o p t e d c o m p a r e dt r a ye f f i c i e n c yo b t a i n e du n d e rd i f f e r e n tw a y s ，f o rt h ec a s e o fe q u a l f l o w - p a t hl e n g t hm e t h o d ，i tc a nb ef o u n dt h a tt r a ye f f i c i e n c yw i t hl i q u i db a f f l eb o a r d i sh i g h e s t ，i n c r e a s e d4 6 ；f o rt h ec a s eo fe q u a lb u b b l i n ga r e am e t h o d ，t r a ye f f i c i e n c y w i t hl i q u i db a f f l eb o a r da n dm o d i f i e dd o w n c o m e ri st h eh i g h e s t i n c r e a s e d7 1 i t p r o v e st h a tm o d i l y i n gt r a yc o n f i g u r a t i o nc a ni m p r o v et r a ye f f i c i e n c y s e c o n d l yp r e l i m i n a r yi n v e s t i g a t i o n o ft h ef l o wp a a e ma n dm a s st r a n s f e r p h e n o m e n o no c c u r r e di na10t r a y sc o l u m ni s c a r r i e do u t d e t a i l e df l o wp a t t e r na n d c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no ne v e r yt r a yc a nb eo b t a i n e d t w ot r a d i t i o n a lm e t h o d s u s e df o rs i n g l et r a ys i m u l a t i o na l s ou s e di nc o l u m ns i m u l a t i o n i tc a nb ef o u n dt h a t l i q u i da v e r a g ec o n c e n t r a t i o na tt h eo u t l e t o fe a c ht r a yw i t he q u a lb u b b l i n ga r e a m e t h o di sl o w e rt h a nt h a tw i t he q u a lf l o w - p a t hl e n g t hm e t h o d ，i tm e a n s t h a tt r a y e f f i c i e n c vo fe q u a lb u b b l i n ga r e am e t h o di sg e n e r a l l yh i g h e rt h a n t h a to fe q u a l f l o w p a t hl e n g t hm e t h o d k e yw o r d s ：c o m m e r c i a ls c a l e d i s t i l l a t i o nc o l u m n ；f o u r - p a s st r a y ； c o m p u t a t i o n a l m a s st r a n s f e r ；c f d ；t r a ye f f i c i e n c y ；o p t i m i z a t i o n o ft r a y c o n f i g u r a t i o n 符号说明 c 1 ，c 2 ，吼，魄 c e d 0 d e e e m j e m ， e 0 1 e o v e t f j 【，矽 g p g t h 1 h w k k o a 扫 k l a l w n v n t q q h s c u u g v x x x x 0 ，y 0 v y d e a e 眦 符号说明 模型常数 气动动能转化系数 筛孔直径：m 质量涡流扩散系数 液流收缩系数 按液相组成表示的塔板效率 按气相组成表示的塔板效率 按液相组成表示的点效率 按气相组成表示的点效率 全塔效率 x ，y 方向上的气泡阻力项 气体鼓泡引起的液体湍动动能生成项 液相主体流动引起的液体湍动动能生成项 清液层高度；m 堰高：m 湍动能； m 2 s 五 气相传质系数k g m o l m - 3 s - 1 液相传质系数k g m o l m 2 s - l 堰长：m 实际板数 理论板数 液相体积流量：m 3 s 液相体积流量；m 3 h 传质源相 x 方向液相流速 空塔气速；m s y 方向的液相流速 无梯度浓度 液相摩尔浓度 与气相平衡的液相浓度 初始液相和气相浓度 气相摩尔浓度 与液相平衡的气相浓度 有效涡流黏性系数，m 2 s - 1 涡流黏性系数，m 2 s 一 液层压头损失 出口液相、气相平均浓度 进口气相平均浓度 符号说明 希腊字母： p o 口 上标 下标 x y ，z g l n 液相密度，k g m 。3 湍流耗散率，m 2 s 3 粘度；c p 液体表面张力n m 。 相对挥发度 液液两相平衡 x ，y ，z 三个方向 气相 液相 塔板序号 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：南嘭 签字日期： 叫 年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 葡杀承 签字醐功j 年6 肌日 导师签名： 灰- 坛k l 签字日期：矽。c | 年莎月1 一日 第一章文献综述 第一章文献综述 塔设备作为气一液及液一液之间进行传质与传热的重要设备，广泛应用于炼 油、石油化工、医药、环保等领域。从结构上可分为板式塔和填料塔两大类，尽 管板式塔的研究起步较早，流体力学性能、传质模型及结构设计已相当成熟，但 仅限于初等规模单溢流、双溢流塔板的研究，对于多溢流大型塔板的结构设计仅 停留在依靠经验方法确定塔板的各结构参数，而塔板上的流体如何分配、结构如 何让改进才能提高塔板效率并未深入探讨。因此如何建立多溢流大型塔板设计的 理论方法成为研究重点。 随着计算流体力学和计算传质学的发展，使得化工技术的研究有了新思路， 我们可以利用c f d 技术对塔板上的流动情况进行模拟，并利用计算传质学方法 进行塔板效率的计算。目前计算塔板液相二维流场比较成功的拟单相流模型为刘 春江提出的改进的塔板流体流动时湍流动能k 和湍流动能耗散率的输运方程。 主要在这两个方程中增加了由于气体的穿过而造成液体湍动能生成项即鼓动生 成项g p ，同时保留了张敏卿模型中的上升气泡阻力项f j 【，矽。本文主要采用此模 型对多溢流塔板的流动与传质情况进行模拟。 1 1 塔器的发展 1 1 1 塔器的发展过程 塔器是在石油、化工、轻工等部门广泛应用的工艺设备，主要用来处理流体 之间的传热与传质，实现物料的净化和分离。气液之间的相际传质过程，如蒸馏、 吸收、解吸、气提、增温等过程一般都在塔器中进行【。由于塔器具有结构简单、 效率高、操作方便和稳定可靠的特点，塔器在石化行业的投资均占1 5 以上，有 的高达7 5 。因此对塔器的研究也一直是国内外各界所普遍关注的重要议题【2 1 。 塔器按其结构可分为两大类：板式塔和填料塔。两类塔设备的内件分别是塔 板和填料，两者具有不同的两相流动和气液接触特点。塔板的主要特征为气液两 相在板面上以气体鼓泡和液体喷射状态完成气液接触，传质和传热有明显的“级” 式过程。而填料中的气液两相接触主要发生在填料表面，使传质、传热过程以“微 分”式连续进行p j 。 板式塔的研究起步较早，应用最广，多年来一直居于主导地位。近年来，填 料塔随着规整填料的发展及新型塔内件的开发，进展很快，与板式塔的竞争日 趋激烈。但填料塔存在以下缺点： 第一章文献综述 ( 1 ) 有些填料造价较高，且对初始分布敏感，每隔一定高度要安装收集分布 器装置： ( 2 ) 中高压和大液气比操作传质性能较差，尤其在高压下其分离效率与通量 比在常、减压下要低得多： ( 3 ) 在有腐蚀、结焦、结垢等生产环境下，考虑到堵塞、材质、寿命等因素， 其应用也受到限制： ( 4 ) 对于粘度较大的物系，分离效率大幅下降。 因此基于板式塔结构较为简单，易于放大，造价较低，尤其适用于常压或 加压物系的大塔径、多侧线汽液传质设备，新型板式塔的研究开发、推广应用仍 具有实际意义。 1 1 2 塔板设计与优化的研究进展 长期以来，人们围绕高效率、大通量、宽弹性、低压降的宗旨，开发了不少 于8 0 种的各种类型塔板，主要集中在对气液接触元件和降液管的结构改进以及 对塔内空间的利用等方面。主要有浮阀塔板、喷射型塔板、旋流塔板、多降液管 塔板和复合塔板几大类1 4 j 。 ( 一) 浮阀塔板 圆盘形浮阀自从1 9 5 3 年开发成功后，因其具有操作弹性大、效率高等诸多 优点，在工业生产中得到极为广泛的应用。其代表是美国g l i t s t c h 公司推出的 v - l 型浮阀，国内称之为f 1 型浮阀。但随着塔器技术不断进步，发现f 1 浮 阀塔板存在着以下不足：塔板上液面梯度较大；塔板上液体返混程度较大：在塔板 两侧弓形部位存在着液体滞止区，这三方面对塔板效率都有不利影响：在操作中， 浮阀和阀孔易被磨损，浮阀易脱落。为此，国内外对浮阀塔板的研究做了大量工 作，推出了许多新型的浮阀塔板。 1 萘特浮阀板 与圆盘型浮阀相对应，5 0 年代初，n u t t e r 5 】提出的条形浮阀经过改进后，因 其性能优良，在石油和化学工业中得到采用，被命名为萘特浮阀( n u t t e rv a l v e ) 。 结构特点：条形浮阀不会旋转，因而不易磨损，阀片不会卡死、脱落。由于条形 浮阀的气体从两侧喷出，不像圆形浮阀从四周喷出，所以塔板上的液体返混较 弱，效率较高。 2 高弹性浮阀塔板 8 0 年代末，德国s t a h l 公司推出了一种高弹性浮阀塔板( v a r i o f l e x v a l v e t r a y ) ，简称w 塔板。结构特点：阀片中央开有巾2 0 m m 的圆孔，阀片升起之 前，塔板开孔率由咖2 0 m m 的孔决定；气量增大时，阀片开始升起，开孔率增 第一章文献综述 加，一直到阀片达到盖板。据介绍，其操作弹性可达1 2 ：1 ，又确保阀片不会卡 死或脱落。在低气速下效率仍较高，且随着通量的增加，效率曲线变化平缓。在 结构上比f 1 浮阀塔板稍为复杂。 3 导向浮阀塔板 8 0 年代华东理工大学开发的导向浮阀吸取了条阀和导向筛板导向孔的各自 特点，在条阀阀面上开l 2 个导向孔，以发挥气流推液的作用。由于导向孔 的设置，导向浮阀具有较小的液面梯度、塔板上液相返混较小且可消除塔板上液 体滞止区。实验研究和工业应用表明，导向浮阀塔板和f 1 型浮阀塔板相比，处 理能力可提高3 0 以上，塔板效率提高1o 2 0 ，塔板压降减小2 0 左 右。导向浮阀塔板开发成功以来，已在煤气厂脱苯塔( 中1 4 0 0 ) 、蒸氨塔、炼油厂 常压塔( 巾3 8 0 0 ) 、加氢裂化精馏塔( 巾4 1 6 4 ) 、乙醛装置、丁二烯装置、醋酸装置 ( 中1 6 0 0 ) 等方面获得广泛应用，取得了显著的经济效益。 4 顺排导向条形浮阀塔盘和t 型排列条形浮阀 兰州石油机械研究所开发了顺排导向条形浮阀塔盘和t 型排列条形浮阀塔 盘。顺排导向条形浮阀塔盘技术特点：条形浮阀在塔板上呈顺排布置，采用独特 的波形阀盖，减少了气相阻力和雾沫夹带：在靠近降液管一侧的阀腿上设置导 向孔，借助从导向孔喷出的气流减低液面梯度、压降，提高了传质效率和处理量： 导向孔面积可随负荷的波动而调节，避免了漏液及吹出短路现象。 ( 二) 喷射型塔板 喷射型塔板有一个共同的特点是在喷射条件下，液体被气体撕裂，气体为 连续相，液体为分散相。这种型式的塔板气相负荷高，塔板上液层薄而压降低。 在生产上应用较为广泛的有舌形塔板、浮动舌形塔板【6 j 、斜孔塔板【7 】、旋流塔板 【8 9 】：近几年开发推广较为成功的有新型垂直筛板( n e wv s t ) 1 10 1 、梯形气体喷射 塔板( c t s t ) 1 5 】等。 1 斜孔塔板 斜孔塔板是清华大学发明的一种高效能塔板，结构特点：( 1 ) 每排斜孔的开 口方向一致并与液流方向垂直，但相邻两排斜孔的开口方向相反，既可避免液 体在流动方向上被不断加速，又使液体不会在塔板的一边积聚，塔板上的液层 低而均匀：( 2 ) 斜孔塔板设有出口堰，操作时塔板上保持一定的液量，属于泡 沫工况或泡沫与喷射的过渡工况。由于斜孔塔板以上特殊的结构，因而其允许气 相负荷高，生产能力大，比浮阀塔板大2 0 4 0 ：塔板效率高，一般等于或 稍高于浮阀塔板：有自清洗作用，物料不易堵塞。 2 旋流塔板 旋流塔板是我国7 0 年代自行开发、9 0 年代得到进一步发展、广泛应用于 第一章文献综述 中小氮肥企业的一种喷射型塔板。结构特点及工作原理：自板中央布液板到外周 罩筒的环形区域，均布与板平面约成2 5 的叶片，使气体由下而上通过叶片间 通道时，产生旋转运动：而液体流到布液板上，均匀地分配到各叶片，形成薄 液层，并被气流分散成细滴，形成良好的气液接触：然后被离心甩到塔壁上， 受重力下流，经集液槽、溢流管，流至下层塔板的布液板上。依上又进行第二次 气液接触、传质、传热。旋流塔板由于其独特的结构而具有负荷高、压降低( 每 板1 5 0 p a - 3 0 0 p a ) 、弹性宽( 弹性范围为设计值4 0 - - - 1 5 0 ) ，不易堵等特 点。塔板效率不因直径放大而下降，反而有所上升的结论在生产中得到证列l l 】。 3 新型垂直筛板 新型垂直筛板是以气相为连续相，液相为分散相的新型高效喷射型塔板， 日本三井株式会社于1 9 6 8 年前后开发成功。我国8 0 年代初期开始对其性能与 结构进行研究，尤其是河北工业大学杜佩衡等人做了较多的工作，对二维传质 效率模型及其板间传质作用进行了较深入的研究，取得了一定的成果。 n e w v s t 塔板目前已在国内诸多蒸馏( 精馏) 、吸收及热交换等单元操作塔 中更换改造浮阀、泡罩、s 型泡罩、筛板及拉西环填料塔取得成功，行业涉及聚 氯乙烯、化肥、制药等，尤其是在聚氯乙烯行业的成功应用，引起不少厂家的兴 趣，可望在化工、石油化工、炼油、煤化工等领域得到进一步推广应用。 4 梯形立体喷射塔板 梯形立体喷射塔板( c t s t ) 是河北工业大学化学工程研究所多年理论研究 和科技开发的成果，已获国家专利。c t s t 塔板采用矩形开孔，开孔上方设置带 筛孔的梯形喷射罩及分离板。在塔板上气体、液体经过拉膜一碰顶返回一破碎一 喷射一互喷一分离六个过程。该塔板打破了传统塔板传质区域为平面型的局限， 将气、液传质区域发展到罩内、罩顶、罩间的立体空间范围，使板式塔塔板间的 空间得以充分利用。c t s t 采用喷射型的结构，使液体在气体中分散成液滴，即 气液在喷射状态下接触，从而扩大传质面积，提高塔的负荷能力：采用矩形开 孔，使得塔板开孔率可大幅度提高( 超过2 0 ) ，气体不再由塔板上较深的液层 通过，可显著降低压力降：罩顶分离板使得雾沫夹带大幅度减小，同时又提供 新的传质机会，提高板效率。在扩产、技改、设备更新时，采用c t s t 板，可 在原塔外壳不变的条件下，仅更换塔板即可，这样即可节省设备投资，又可提 高产品质量，降低能耗及原料消耗，从而提高企业技术水平和竞争能力。该塔板 已在纺织、氯碱、制药、化肥等行业中得到推广应用。 ( 三) 悬挂式降液管塔板( 多降液管塔板) 1 m d 塔板 1 9 6 4 年美国联合碳化物公司( u c c ) 提出了多降液管筛板【5 】( m u l t i p l e 第一章文献综述 d o w n c o m e rs i e v et r a y ) ，简称m d 板。多降液管塔板是对传统塔板降液管结构 最大的改进，其结构特点为：( 1 ) 塔板上设有多根矩形降液管，溢流周边比一 般塔板增加2 5 倍，适合液体负荷大的操作：( 2 ) 降液管悬挂在气相空间，而 不是浸没在塔板上的液层中：( 3 ) 每相邻两板的降液管互成9 0 度排列：( 4 ) 板 间距小，仅为一般塔板的5 0 7 0 ：( 5 ) 降液管可起到支撑梁的作用，节省 其它支撑结构。以m d 代替常规板，取消了受液盘，处理量可提高1 5 左右。 自1 9 7 4 年开始，国内对筛板进行了研究，并成功地应用于合成氨厂的水洗塔和 氨水碳化塔 1 2 , 1 3 j 。 2 高通量ny e 塔板 1 9 9 2 年国际精馏与吸收会议上，美国b r u y n 等介绍了一种新型高通量ny e 塔板【l4 1 。结构特点：( 1 ) 降液管悬挂在气相空间，降液管的底部用板封住，底板 上开有小孔，以供液体流动。在降液管底部垂直面上，气流水平吹入液层，较垂 直吹出有利：( 2 ) 筛孔或浮阀的布置区可以扩大，在一定通量下，孔速可以降 低：( 3 ) 塔板上的受液区开孔，以增大塔板上的鼓泡面积，使塔的通量可增加 1 0 - - 2 5 。n y e 塔板最大的优点是对老塔改造，在较小改动情况下可达到增加 通量的目盼。南京大学前几年开发成功比n y e 塔板通量高l o 1 5 ，效率高 5 以上的大通量塔板，并且在国内已获得成功应用。 3 国内开发的系列d j 塔板 d j 1 2 , 1 3 继承了m d 塔板降液管的特色，并在结构形式、通量和效率等方面 有所创新、有所突破。主要结构特点是采用宽型降液管，并对降液管的根数和排 列作改进和优化。工业应用的典型例子是在合成氨生产中的水洗脱碳塔( 巾28 0 0 ) 改造中以d j 1 板替换原螺旋双溢流斜孔塔板。d j 2 型塔板上设置了导流装置， 在相应位置上开设导流孔，安装导流板，改善液流的初始分布，使塔板上的液 流接近于活塞流。d j 2 型板已在化肥厂脱碳塔( 巾16 0 0 ) 、镇海炼化总厂芳烃装 置邻二甲苯塔上获得成功应用。d j 3 1 1 5 , 1 6 型是种复合型塔板，在d j 2 型塔板 的下方复合一簿层规整填料，填料层处于气相空间，起到了抑制雾沫夹带作用， 使塔板效率提高l o 1 5 ，通量提高1 5 2 0 。使用d j 3 板替换其它塔 板改造的装置有汽提塔、饱和塔等。d j 塔板能胜任大液量和加压操作，1 9 9 9 年 针对d j 系列塔板存在的冲击漏液缺陷，成功研究开发了诱导型防冲击漏液装置， 使d j 系统塔板的性能进一步提高。 ( 四) 复合塔板 1 填料与塔板复合塔板1 1 7 , 1 8 1 浙江工业大学提出了利用板式塔两塔板间的气相空间，使筛板与填料结合 的复合塔板，可大幅度降低塔高，用于旧塔改造( 即塔高和板数不变) 则可提高 第一章文献综述 产品质量：在产品质量要求一定的情况下，可减少回流量，从而降低能耗。此种 板压降低、传质效率高、雾沫夹带小的复合塔板己获国家发明专利，并在工业上 获得成功应用，最大塔径为由26 0 0 m m 。 2 喷射式并流复合填料塔板 j c p t 塔板系天津大学与其他单位合作开发的一种新型塔板。结构特点是： 在塔板上按一定的排列方式开出一定数目的圆孔，在圆孔的上方安装帽罩。帽罩 上半部的方形框架内装有规整填料，其上有顶盖：帽罩下半部分为圆形升气筒， 升气筒下部有可调支脚以调节帽罩与塔板间隙。正常操作时，板上的液体在静压 作用下进入罩内，被下层塔板上升的经板孔缩流加速后的高速气体拉成环状液 膜并被破碎，气液两相流以近乎乳沫状流的形式沿规整填料的规则通道并流向上， 填料层的作用是使相际接触面积增大并不断更新，最后形成更细小的液滴由填 料层喷出，相邻的罩体间产生激烈的对喷。由于该板成功地将传统塔板与填料结 合在一起，有效地利用了塔板上面的空间，故使得该塔板具有效率高、压降低、 通量大等优点，可应用于石油、化工、化肥等行业，作为高压及常压蒸馏、吸收、 解吸、增湿等单元操作的关键设备。开发成功不久，就成功地用于芳烃装置苯 甲苯浮阀精馏塔和乙烯工业中旧塔的改造，具有很好的推广应用前景。 3 新型多溢流复合斜孔塔板 新型多溢流复合斜孔塔板是清华大学从1 9 9 5 年开始在斜孔塔板基础上，借 鉴国外m d 塔板研制开发的、特别适用于处理大液相负荷的新型塔板。该塔板 采用类似m d 塔板的降液管形式，但只用一根或两根而不是很多根，结构比较 简单，液体流动距离较长，塔板效率比较高：另外由于板面采用了斜孔塔板代 替筛孔塔板，进一步提高了塔的处理能力。新型多溢流复合斜孔塔板是一种既有 m d 塔板允许大液相负荷，又有斜孔塔板允许大汽相负荷特点的复合型创新塔 板，可广泛应用于石油、化工、医药等许多行业的精馏塔、吸收塔和解吸塔上。 1 1 3 多溢流大型塔板的设计思路 上文提到的塔板优化方法主要从气液接触元件的角度来提高传质效率，而从 塔板上液体流动形式的角度来看塔板经历了单溢流，双溢流，多溢流的发展过程， 如图1 1 、1 2 、卜3 。 随着精馏设备的规模化的发展，对于多溢流塔板的需求日益迫切。而目前三 溢流由于塔板结构缺乏对称性使得板上液体流动很难平衡，流道数目大于5 的也 比较少见，故四溢流塔板成为本文的研究对象。总体的设计方法上讲分为等流道 长度和等鼓泡面积两种方法。等流道长度是指两侧降液管到邻中降液管的中心线 的距离与中心降液管到邻中降液管的中心线的距离相等。等鼓泡面积是指两侧降 第一章文献综述 液管和邻中降液管之间的鼓泡面积与中心降液管和邻中降液管之间的鼓泡面积 相等。 图1 1 单溢流塔板结构示意图 f i g 1 1o n e p a s st r a ys t r u c t u r e 图1 2 双溢流塔板结构示意图 f i g 1 - 2t w o p a s st r a ys t r u c t u r e li 图1 - 3 四溢流塔板结构示意图 f i g 1 - 3f o u r - p a s st r a ys t r u c t u r e 如果一个塔板的尺寸合适，然后一个平衡的设计会预期出现。但是，如果一 个塔板没有适当的平衡，后果就会导致这个塔板失效。 对于等流道长度设计方法，两侧塔板与中间塔板的气、液两相流量的流量比、 进口堰长比均等于两种塔板的鼓泡区面积比时液体流动和传质状况比较好。 对于等鼓泡面积设计方法，两侧塔板与中间塔板的气、液两相的流量、堰长 分别相等时液体流动和传质状况比较好。 本文采用以上两种多溢流塔板设计方法，依据上述设计原则对多溢流塔板结 构提出了改进方法，进而提高塔板效率。 第一章文献综述 1 2 计算传质学的进展 1 2 1 计算流体力学的研究进展 板式塔的数值模拟与计算一直是精馏领域的一个重大研究课题。塔板效率的 模拟计算是其中重要问题之。对于板式塔来讲，通常是研究和掌握板上以液相 为连续相、气相为分散相的气液两相流动过程，建立较严格的数学模型，进而为 工业应用提供正确的理论依据，设计出良好的精馏设备【1 9 】。 许多实验【2 0 川都己证明，塔板上的流场分布直接决定着精馏的效率。过去塔 板设计大多基于经验公式或半经验公式。因为在大型塔板上的流体流动规律与小 型塔有明显的区别，这使得以上公式在解决塔的放大效应时有它的局限性，所以 用于小型塔板的各种关联式对大型塔计算会产生很大的误差。2 0 世纪7 0 年代以 来，随着计算机的普及以及计算能力的不断提高，加上流体动力学和近似计算方 法如有限体积法、有限元法、边界元法等的发展，基于数值计算的计算流体力学 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 方法应运而生。 1 9 9 2 年余国琮首先提出将计算流体力学用于精馏塔板的流场计算【2 2 1 。1 9 9 4 年z h a n g 和y u 利用二维c f d 模型和标准k 模型对筛孔塔板上的液相流场 进行了模拟1 2 3 1 。这是计算流体力学在精馏塔板上的首个计算实例，此后余国琮 领导的课题组对此进行了更为深入的研究，国际上的f i s h e r 2 4 1 ，k r i s h n a l 2 5 1 等的 课题组也在这一方面做出了突出的贡献。这些模型从使用的数学模型角度看经历 了一维，二维到三维的发展，按照对液相流动的处理方法又可以分为拟单相模型 ( 只求解液相的n a v i e r - s t o k e s 方程) ，混合模型和双流体模型( 同时求解气、液 相的n a v i e r - s t o k e s 方程) 。下面分别予以介绍。 ( 一) 拟单相流模型 1 一维模型 1 9 8 5 年，李建隆【2 6 】建立了比较简单的筛板液相流场计算模型，模型中包含两 个方程，方程中的主要参数湍流传质系数d e 与湍流粘度系数等价，通过实验数 据回归得到。该模型的优点是形式简单，计算比较方便，缺点是推导时作了较多 假设，使得模型计算结果与实际情况有时相差较远。计算结果未能显示存在已为 众多实验所证明的返流区。 2 二维模型 y o s h i d a l 2 7 1 利用涡量表示的n a v i e r - s t o k e s 方程建立了计算模型，不过由于模 型内未考虑气相的影响，计算仅限于小r e 数的层流情况，与实际相差较远。 张敏卿【2 8 】提出了考虑垂直气相阻力作用的湍流模型，其中包括连续性方程、 第一章文献综述 动量万程及k j 阳的输廷方程： 连续性方程：妥工+ 罢2 ：o 动量输运方程：虬警也等= 一瓦1 瓦0 p + 呈( 屹a 苏u g j o x+ 导o v 卜等o v 一六 锨 。印p ，咖出i 。j 虬iouy+等=一万1万0p+呈(仁aug03, o x o x + 昙o v 一等o v 一 馓 。 p ，却。i 。j 。， 其中的气体阻力项瓤六5 篱虬2 篱 p l h l p 【。h l j j k 的输运方程：u 。丝+ u 竺：旦f ，兰竺 + 旦f ，兰竺 + g f y 1 o x o y o x t , 丁 o x ) o yi 吒o y ) 。 蹦输运方程：u - 触夏x + u o e _ 。o ( 吒v , o e o x o y o x o x + 导匕针( c l g 唧) 三k 。盯。7 却i 仃。却j r1 v v 2 其中有效粘度系数为：匕= + 譬v t = c 笠 o 张敏卿用此模型计算了筛板上的液相流速分布，但在有些工况下未能得出返 流区， 这与实际情况有差别。该模型的主要贡献是在动量方程中加入了上升气 泡阻力项。 刘春江2 9 圳1 对张敏卿模型进行了改进，他认为气体不仅对液相的各方向动量 有影响， 而且在垂直穿过液层时对液层的湍动动能也会有很大的影响，在此基 础上他在两相错流时的湍动能k 和湍流动能耗散率e 的输运方程中增加了由于 气体的穿过造成的湍动能生成项： g y ：半 砂 其中e 为经验常数，由实验数据回归得到。他运用该模型对塔板流场进i g t - - 维模拟计算， 并得到了返流区。其所得返流区大小随气、液负荷的变化趋势与 实验结果符得很好，如图i - 4 所示。 第一章文献综述 o - 菇 w 爱 管 ：5 室 k 皇1 5 一 = ： 竣 蟹l o 5 绶渔强壤二汪r 吐i rb ) 图1 4 返流区面积随气、液负衙燹化曲线 f i g l - 4c i r c u l a t i o na r e ao f d i f f e r e n tl i q u i da n dv a p o rl o a d ( a ) l = o 015 m 3 s * m ，h w = 2 0 m mc o ) h w = 5 0 m m ，u s = 1 2 5 m s 3 三维模型 刘伯潭 3 2 , 3 3 在研究了塔板上气泡和液体的相互作用后提出了动量源项： 耻舻p p g k 南专仁一南一习 并假设气泡在液层内沿一曲线上升，在水平方向获得速度分量“c a 2 k u l ，在垂 直方向速度为：“g ：= “：一胁。) 2 其中： k = 1 0 6 4 6 e x p ( c h ) ，c = - 4 0 0 1 + ( 2 1 9 3 2 8 1 9 2 1 6 l 炒g ，并运用计算流体力学 软件p h o e n i c s 进行了单溢流和双溢流塔板上的流场计算，计算结果再现了返 流区。但计算结果未与实验值进行比较。 王晓玲 3 4 , 3 5 在总结前人成果的基础上，在液相n a v i e r s t o k e s 方程中通过引 入液含率考虑了气相对液相的总体影响，并在动量源项中全面考虑了各种相间 作用力，提出的模型为： v 幢l p l u 工) = 0 v q 。p 。u 。u 。) ：一v 姣上p 。) + 口。p l g + v k 。u 。p u 上+ ( v 【，。) 7 j + ，+ s 。 if h 七f v 。+ mg h 、 其中：s 。= l 厶+ 厶+ m a l yi i 匕+ f + mg l1 q拍阻 ， 辨 灌 气j 绻空 第一章文献综述 一f 厶= 0 2 5 a g 成) ( 等一i a u l y 胁一f l y = 0 2 5 a a p l ( u l y - - u a ( 警c o u 赢r t 一j r _ = 0 2 5 a a p l ( u 止也c a u l y 一等 虚拟质量力：一厶，= 0 5 a g p 。妙厶v u 口) 曳力：一m g i u = a g a l 慨一几k 瓦去了玄妙g w u l i ) i 一吒i 气体对液体的阻力f ： 六= 甏吒= 等正2 等吒 王晓玲用上述模型使用流体力学软件s t a r - - c d 对单块塔板和具有10 块塔 板的精馏塔进行了流场模拟，其单块塔板的计算结果与s o l a r i 和b e l l 3 6 1 的实验结 果符合得较好。 ( 二) 混合模型 在气液两相流计算中，一般的模型是分别考虑气液的速度，因而模型中分别 包含气相和液相的n a v i e r - - s t o k e s 方程。混合模型是把两相混合物作为整体来考 虑的，采用两相加权平均速度推导的n a v i e r - - s t o k e s 方程作为模型方程。例如 周力行等【3 7 】曾详细推导了气泡一液体两相湍流代数应力模型就是以质量加权平 均速度为基础的混合模型。 1 二维模型 王晓玲1 3 8 , 3 9 利用混合两相流的理论，建立了塔板上气液两相流流动的混合 模型，气液相互作用源项只考虑了气液间表面张力对混合物的影响及气相穿过液 层的阻力项。其计算结果与自己的实验值进行了比较，在主流区二者吻合得较好， 但在滞流区相差较大，并未再现返流区。 2 三维模型 q u a r i n i 4 0 1 提出了均匀两相模型， 在模型中认为气液两相具有相同的流速。 并用上面的模型对在塔板上布置有垂直障碍的塔板进行了计算，其结果与p o r t e r 等人的实验结果符合得较好。 ( 三) 双流体模型 1 二维模型 第一章文献综述