（化学工程专业论文）新型固阀塔板流体力学性能研究及流场模拟.pdf

摘要 板式塔是重要的化工气液传质设备，近些年来，不断有新的板型出现，而固 定阀塔板就是其中很重要的一类，它整合了浮阀塔板和筛孔塔板的优点，克服了 它们的部分缺点，有着很好的发展前景，本文正是在此背景下针对目前开发塔设 备新类型的实际需要，从实验和c f d 模拟两个方面对一种新型固阀塔板进行了 研究。 实验部分，本文在一个直径6 0 0 m m 的有机玻璃塔内用空气一水系统测定了 这种新型固阀塔板的四种流体力学性能指标塔板压降、雾沫夹带、漏液和清 液层高度，研究了它们随阀孔动能因子、溢流堰高和液流强度变化的规律，并根 据实验数据回归得到压降、雾沫夹带、漏液和清液层高度的关联式以指导工业应 用。此外，本文还通过对比实验考察了固阀间距和塔板上固阀的排布方向对塔板 四种流体力学性能指标的影响，为这种塔板结构的继续优化提供了方向。 模拟部分，本文在国内外已有研究的基础上，以双欧拉两相流模型和混合相 k e 湍流封闭模型为基础，建立了适用于本固阀塔板的三维气液两相流场模拟的 c f d 模型，模型中动量源项采用k r i s h n a 等提出的计算方法，其中的平均体积相 含率是通过本文的实验数据关联而得到的。为了证明所建模型的适用性，本文模 拟计算了直径6 0 0 m m 塔板上气液两相流场，采用的塔板结构尺寸和操作条件与 实验时完全相同，模拟得到的不同操作条件下板上清液层高度与实验测定值吻合 较好，间接证明所建模型能够比较准确的模拟固阀塔板上气液两相流场，而且不 受操作条件的限制。以此模型为基础，本文通过模拟计算考察了不同固阀排布方 向对塔板弓形区内流场的影响。 关键词：固定阀、流体力学、c f d 模拟、流场 a b s t r a c t t r a yc o l u m ni sat y p eo fi m p o r t a n tg a s - l i q u i dc o n t a c te q u i p m e n ti nc h e m i c a l i n d u s t r y r e c e n t l y , n o v e lt r a y sa p p e a rf r e q u e n t l y a so n e o f t h em a j o rd e v e l o p m e n t d i r e c t i o n s ，t h ef i x e d v a l v et r a yw h i c hc o m b i n e st h em e r i t so fs i e v et r a ya n d f l o a t - v a l v et r a ya n do v e r c o m e ss o m eo ft h e i rs h o r t c o m i n g sd r e w w i d ea t t e n t i o n i n t h i sp a p e r , an o v e lf i x e dv a l v et r a yw a ss t u d i e db yl a be x p e r i m e n t sa n dc f d s i m u i a t i o n i nt h ee x p e r i m e n t s ，t h eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e so ft h e s ep l a t e sw e r e i n v e s t i g a t e db yu s i n ga i r - w a e rs y s t e mi nap l e x i g l a s sc o l u m nw i t hd i a m e t e ro f 6 0 0 m m c o r r e l a t i o n so fp l a t ep r e s s u r e d r o p ，e n t r a i n m e n t ，w e e p i n ga n dc l e a rl i q u i dh e i g h tw i t h w e i rh e i g h t ，l i q u i ds t r e n g t ha n dk i n e t i ce n e r g yf a c t o rb a s e do nv a l v eh o l e sw e r e o b t a i n e d t h e yc o u l db eu s e dc o n v e n i e n t l yi ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s i na d d i t i o n ，t h e e f f e c to nh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e so fd i f f e r e n tf i x e d - v a l v et r a n s v e r s es p a c ea n d d i r e c t i o n sw e r ee x p e r i m e n t a l l ys t u d i e dt og i v eap r o p o s a lo fo p t i m i z i n gt h es t r u c t u r e o f t r a y s i m u l t a n e o u s l y , ac 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 ) m o d e lw a sd e v e l o p e dt o p r e d i c tt h eh y d r a u l i c so f t h en o v e lf i x e d - v a l v et r a y , t h eg a sa n dl i q u i dp h a s ew e r e s i m u l a t e di nt h ee u l e r i a nf r a m e w o r ka st w oi n t e r p e n e t r a t i n gp h a s e sa n dam i x t u r e t u r b u l e n c em o d e lb a s e do nt h ek 一占e q u a t i o n sw a sa d o p t e df o rt h et w op h a s e s i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et w op h a s e so c c u r r e dv i ai n t e r p h a s em o m e n t u ms o u r c ew a s c a l c u l a t e du s i n gt h ec o r r e l a t i o n sp r o p o s e db yk r i s h n ae ta 1 i no r d e rt op r o v i d ea c l o s u r er e l a t i o nf o rt h em o d e l ，c o r r e l a t i o no fa v e r a g eg a sh o l du pf r a c t i o nw a sb u i l tb y r e g r e s s i n ge x p e r i m e n t a ld a t ao fc l e a rl i q u i dh e i g h t s t h ec f d m o d e lw a sa p p l i e dt o s i m u l a t et h eh y d r a u l i c so fa6 0 0 m md i a m e t e rf i x e d - v a l v et r a yw h o s es t r u c t u r es i z ei s t h es a m ea st h ee x p e r i m e n t a lt r a y ，a n ds e v e r a ls i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u tw i t h v a r y i n gs u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y , w e i rh e i g h ta n dl i q u i ds t r e n g t h t h ec l e a rl i q u i d h e i g h t sd e t e r m i n e db yt h e s es i m u l a t i o n sw e r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t a , a n dt h ev a l i d i t yo ft h ec f d m o d e lf o rt h ef i x e d v a l v et r a yw a s p r o v e d i na d d i t i o n ，t h e e f f e c to nf l o wf i e l di na r c u a t er e g i o no fd i f f e r e n td i r e c t i o n so f f i x e d v a l v ew a ss t u d i e db ys i m u l a t i o n k e yw o r d s ：f i x e dv a l v e ，h y d r o d y n a m i c s ，c f ds i m u l a t i o n ，f l o wf i e l d 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，也不包含为获得鑫鲞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： 签字日期： 歹7 年莎月3 - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤姿态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞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：张圭宁 导师签名： 签字日期： 卅年多月工日 删妙 签字日期：。7 年6 月弓日 _ 一， 前言 刖茜 在化工、炼油、石化等工业生产装置中，塔器一直是最关键的设备之一，其 性能及效率直接影响着产品质量、成本和过程的能耗、环保等。一百多年来，塔 器技术不断的发展，特别是近2 0 年来，新型塔器不断出现，名目繁纠。 根据内部核心元件的不同，塔器可分为板式塔和填料塔两大类。板式塔和填 料塔各有各的特点及应用领域，随着基础研究和开发应用力度的加强，新型塔板 和高效填料不断涌现，当前已经进入两类塔器快速并行发展时划2 | 。 板式塔与填料塔相比具有结构简单，适应性强，易于放大，造价较低，易于 侧线采出等优点，因而在很多领域都被广泛应用，尤其是常压或加压物系的大塔 径、多侧线汽液传质过程。正是这种应用性的需求使得板式塔的研究开发不断推 进，新型塔板层出不穷。当前，板式塔的开发研究主要有两个重点，一是提高效 率，二是要满足某些特定要求，如满足低压降、大通量等。围绕这两个方向，人 们在气液接触元件和降液管的结构改进、塔内空间的有效利用等方面进行了卓有 成效的研究工作，开发出许多新型的塔板。 目前，工业上应用最广泛的是筛孔塔板和浮阀塔板，这两种塔板各有各的优 点，但随着塔器技术的不断进步和工业要求的不断提高，其固有的缺点也变得越 来越突出，如：筛孔塔板漏液严重，操作弹性小，传质效率低；浮阀塔板制造成 本高，压降大，易堵塞，浮阀易脱落、卡死等。为了整合筛孔塔板和浮阀塔板的 优点，克服它们的缺点，人们研制出了固定阀塔板。固定阀塔板的制造费用接近 于筛孔塔板，而操作性能接近于浮阀塔板，可在一块钢板上开孔或直接冲压成一 定高度和形状的突起而形成，其特点为塔盘结构简单，塔板强度好，塔板效率和 操作弹性高，是一种性能优良的新型塔板i l j 。 塔板上气液两相流场的研究一直是精馏领域的一个重大的研究课题，而塔板 流场的实验测量工作量大，成本高，实验室测量结果难以直接放大到工业设计中。 工业设计需要一种全新的、简洁的流场研究手段，为此学者们开展了塔板流场 c f d 数值模拟研究。完整的塔板流场c f d 模型，可以较为准确地描述塔板上气 液两相流动状态，提供塔板上微观的流场信息，而且可以略去小试和中试，将实 验结果直接应用到工业设计中。由于现阶段受计算机速度的制约，塔板c f d 模 拟还很难应用到大型塔板的模拟中。不过，相信在不远的将来，随着计算机技术 的发展和c f d 模型的不断完善，c f d 必将成为辅助工程设计的重要手段。 第一章文献综述 1 1 塔设备概述 第一章文献综述 塔设备主要应用在汽液或液液两相间的传质过程，如精馏、吸收、解吸、 萃取等单元操作过程。这些过程都是在一定的温度、压力和流量条件下进行的， 而且都要受到相平衡关系的制约，因此要求塔的结构除应满足特殊的工艺要求 外，还需要满足下列条件： ( 1 ) 对于一定大小结构的塔，一般来说生产能力越大，分离效率越高越好。 因此，在塔的结构上要保证两相充分的接触时间和接触面积以及两相的通量。 ( 2 ) 要尽可能减小塔在操作过程中的动力和热量消耗。为此必须尽力减少 塔内流体的阻力损失和热量损失，从而达到节能的目的。 ( 3 ) 要使塔有较大的操作弹性，以便于操作。为此在塔的结构上要考虑尽 力减少雾沫夹带量和漏液量以及液泛的可能性。 ( 4 ) 塔的结构要简单，节省材料，易于制造和安装检修，使用周期长，才 能降低产品成本，获得较高的经济利型引。 1 2 塔板的发展状况 从1 8 1 3 年c e l l i e r 首次提出泡罩塔到现在，塔板的研究和开发已经经历了近 2 0 0 年的历史，在这2 0 0 年里各种塔板层出不穷，名目繁多，其中最基本的板型 可以概括为泡罩型塔板、筛孔型塔板、浮阀型塔板和喷射型塔板四种，其他板型 多是由此发展而来【z 3 j 。 2 0 世纪6 0 年代以后，随着基础研究和开发应用力度的加强，新塔板开发应 用周期缩短，塔板技术进入了一个快速发展的时期，国内外相继推出了一系列结 构新颖、性能优良的新板型。国外有：k o c h g i l i t s c h 公司的s u p e r f r a c 型塔板、 b i f r a c 型塔板、n y e 型塔板，n o r t o n 公司的t r i t o n 型塔板，u o p 公司的e c m d 、 v g m d 和m d 型塔板，英国诺丁汉大学开发的f l o we o n t r a l 型塔板，j a e g e r 公司 的c o f i o w 型塔板。此外，德国开发了一种带金属片传质元件的复合塔板，原苏 联开发了新型气相分流式塔板、带旋转接触元件的旋流塔板、带纵横挡板的喷射 导向塔板和新型高速旋转塔板等。国内有天津大学的导向梯形浮阀塔板，河北工 2 第一章文献综述 业大学的c t s t 塔板，浙江工业大学的d j 系列塔板，华东理工大学的导向浮阀 塔板和组合导向浮阀塔板，石油大学的船型浮阀塔板等。这些都显示出板式塔在 工业应用和未来发展中的强劲势头，下面就一些引起人们广泛重视的新型塔板做 一下简单介绍【2 卅。 1 2 1 筛孔型新型塔板 筛孔塔板是工业上应用最广泛的塔板之一，在欧美其应用甚至超过了浮阀塔 板。筛板塔具有生产能力大、压降低、结构简单、成本低等优点。近年来，筛板 塔也出现了多种新的形式。 1 2 1 1 高效导向筛板【5 】 高效导向筛板与普通筛板的主要差异为：( 1 ) 在液流进口区设置鼓泡促进器， 即将进口段的筛板加工成凸起的斜台，以减薄液层，促进鼓泡，使液体一进入塔 盘就进入鼓泡状态，同时也改善了进口区的漏液现象；( 2 ) 在塔盘上开有一定数 量的导向孔，利用导向孔中喷出的气流推动液体，减小液面梯度，并使板上液体 的流动接近于活塞流。由于采用了这些措施，使高效导向筛板上液层鼓泡均匀， 液面梯度小，塔板压降小，处理能力增强，传质效率增大。另外，高效导向筛板 还具有较强的抗堵能力。 1 2 1 2 多降液管筛板【4 , 5 , 6 】 多降液管筛板的典型代表有2 0 世纪6 0 年代美国联合碳化公司c o c c ) 开发的 m d 塔板、美国环球油品公司( u o p ) 在1 9 9 2 年国际精馏与吸收会议上提出的增强 型m d 塔板( e c m d ) 和国内浙江工业大学开发的d j 系列塔板，其主要优点是：( 1 ) 通量大，尤其是液体流量大；( 2 ) 塔板压降小，板间距小；( 3 ) 操作稳定，气液 分布好。 多降液管筛板塔盘的结构特点为：( 1 ) 每层塔盘上设有多根降液管，降液管 悬置于气相空间；( 2 ) 相邻塔盘的降液管方位互相垂直；( 3 ) 降液管底部设有降 液孔，液体通过降液孔淋洒到下一层塔盘上；( 4 ) 板间距小，只有一般塔板的 5 0 - - 7 0 ，无受液盘。 1 2 1 39 5 型大通量筛板【5 】 9 5 型大通量塔板是南京大学开发的，通过改进降液管结构和板面设计，从而 提高塔板的有效传质面积，其基本构思是：( 1 ) 采用月牙形溢流堰，使其非传质 区面积控制在5 以内，塔的通量增加1 0 2 5 ；( 2 ) 采用尾管向塔壁开口 的降液管，使液体直接从塔壁降下，延长液体在塔板上的平均停留时间，从而提 第一章文献综述 高板效率：( 3 ) 使用全塔板液体均匀导流，使板上液体呈活塞流状态。该塔板与 美国最新的n y e 塔板相比，通量高1 0 1 5 ，效率高5 以上。此外，属于 这类的还有s l i t 塔板、v o r t e x 塔板等。 1 2 2 浮阀型新型塔板 浮阀塔板也是应用最为广泛的塔板之一，它的结构特点是在塔盘上开阀孔， 安置能上下浮动的阀片。由于浮阀与塔板之间流通面积能随气体负荷变动自动调 节，因而在较宽的气体负荷范围内都能保持稳定操作；同时气体以水平方向吹出， 气液接触时间较长，雾沫夹带少，液面落差小；不怕脏粘物料，使用周期长；传 统浮阀的代表是美国g l i t s t c h 公司推出的v - 1 型浮阀，国内称其为f 1 型浮阀。 但随着塔器技术不断进步，这种浮阀逐渐暴露出以下缺点：( 1 ) 液面梯度大，使 气体在液流方向上分布不均；( 2 ) 阀孔出来的气体向四周吹出，液体反混程度大； ( 3 ) 阀盖上方气液接触较差，降低了塔板的传质效率；( 4 ) 浮阀易磨损、脱落。 针对f 1 浮阀的上述不足，国内外学者对浮阀塔板进行了大量研究，相继推出许 多新型浮阀塔板。 1 2 2 1v - v 浮阀塔板( v a r i o f l e x v a l v et r a y ) 【7 j v - v 浮阀塔板的结构特点是在固定阀下设置一可上下活动的阀片，通过阀片 的上升和下降来达到对流通面积的调节。由于其特殊的结构设计，阀片不会被卡 住或脱落，使用可靠：同时固定阀保证气体水平吹入液体，强化了气液接触时的 湍动作用，其操作弹性高达1 0 ：2 1 2 ：1 ，但雾沫夹带较大，v v 浮阀塔板的 工作原理如图1 1 所示。 在v - v 浮阀的基础上，我国洛阳石化工程公司又开发研制了f s v 浮动筛片 塔板，其工作原理与v - v 浮阀塔板相似。 ( a ) 低气速流率( b ) 中气速流率( c ) 高气速流率 图1 1v - v 浮阀塔板结构图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f v a r i o f l e x v a l v et r a y 1 2 2 2l 1 条形浮阀塔板8 】 l 1 条形浮阀是国内2 0 世纪8 0 年代末研制出的，它和国外的n u t t e r 条形浮 阀基本相似，结构特点如下：( 1 ) 保留了浮动的阀体结构，以便使气体通道面积 第一章文献综述 可以随气相负荷的大小而调节，提高塔板的操作弹性；( 2 ) 采用长条形顺排错位 排列的塔板，以便避免气流的逆向反冲现象，减小液体流动液面落差，提高处理 能力；( 3 ) 气体从阀体两侧水平吹出，以使塔板上的液体分布均匀，改善气液接 触，提高塔板效率；( 4 ) 简化阀体结构，便于安装、检修。 图1 2l 1 条型浮阀结构示意图 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f l1f l o a tt r a y 图l - 3 导向浮阀结构示意图 f i g 1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i r e c t e d f l o a t i n gv a l v et r a y 1 2 2 3 导向浮阀塔板【9 】 导向浮阀塔板如图1 3 所示，是对f 1 型浮阀塔板的改进，由华东理工大 学开发并获国家专利；导向浮阀为矩形，两端设有阀腿，结构可靠，不易磨损， 条阀阀面上开了一个或两个导向孔，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的液体滞流 区。 1 2 2 4 导向梯形浮阀塔板【l o 】 导向梯形浮阀塔板是由天津大学国家重点实验室开发研制的一种新型塔板， 该塔板吸取了v 型栅板、条形浮阀塔板、导向筛板和固舌塔板的优点，并已获得 了国家实用新型专利，其结构如图1 - 4 所示。 它采用梯形阀片，两端设有阀腿。在操作过程中，气体从浮阀两侧流出，具 有向前的分速度和垂直塔板上液流方向的分速度，对塔板上的液体起一定的导向 推动作用。浮阀上设有导向孔，导向孔的开孔方向与板上液流方向一致。 1 2 2 5 微分浮阀塔板【1 1 】 a d v 微分浮阀是清华大学在9 0 年代末开发的新型浮阀，其结构示意图见图 1 5 。a d v 微分浮阀结构特点是在阀顶开有小阀孔，充分利用浮阀顶部的传质空 间，使气体分散更加细密均匀，气液接触更加充分；阀腿采用新的结构设计，安 装时快捷方便，操作时浮阀不易旋转、脱落；局部采用带有导向作用的a d v 微 分浮阀，可消除塔板上液体滞流现象，提高气体分布的均匀度。 第一章文献综述 图1 4 导向梯形浮阀结构示意图 f i g 1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f g u i d e t r a p e z o i df l o a tv a l v e 图1 5 微分浮阀结构示意图 f i g 1 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i f f e r e n t i a l v a l v et r a y 此外，h t v 浮阀塔板【1 2 】、j f 复合浮阀塔板等也是国内外有创新的浮阀塔板， 在工业上也有一定的应用，这里不再详述。通过对近几年来新型浮阀的分析可以 看出，新型浮阀在阀型、气流推力和塔板压降方面有了很大的改进，它们在流体 力学与传质方面较f l 浮阀有了明显的改善。 1 2 3 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，这种形式的塔板气相负荷高，塔板上液层薄而压降低，并 且增加了传质面积，正是由于以上这些独有的特点，喷射型塔板已经成为新型塔 板开发的一个重要发展方向。 1 2 3 1p e r f o r m 塔板【”】 塔板采用有定向小孔的压延金属板网制成，可充分利用气相动能，强化了两 相间的传质；同时设有碎流板，可起到分液作用；气液在塔板不同区域方向发生 9 0 0 的改变，因此在转折位置相流发生旋转，相际接触更充分。总体说来，该塔板 具有高负荷、低压降、塔板孔速大、抗堵塞能力强等特点，缺点是操作弹性较小， 只有3 左右。 1 2 3 2 新型垂直筛板( n e wv s t ) 1 1 4 j 新型垂直筛板是日本三井造船株式会社于19 6 8 年前后开发成功的。n e wv s t 主要特点是：在塔盘上布置有若干圆柱形帽罩，帽罩有顶盖，可有效抑制雾洙夹 带，其圆筒壁上部开有许多小圆孔或缝隙，气液混合物从这里喷出。在圆筒底与 塔板板面之间留有一定高度的缝隙，液体则经过这个缝隙由罩外流入罩内。罩子 下方的板面上开有气体通过的圆形孔。操作时，从下层塔板上升的气体，经板孔 与从罩底隙进入的液体相遇，经过拉膜、提升、破膜、混合、喷射分离等过程完 成气液接触传质。 6 第一章文献综述 1 2 3 3 立体传质塔板5 , 1 5 1 立体传质塔板( c t s t ) 是河北工业大学在对n e wv s t 的研究基础上开发出 的一种大通量、低压降塔板。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、液体经过拉模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。 此外，由n e wv s t 改型而来的塔板还有气液并流塔板( j c p t ) 、梯矩形立体 连续传质塔板( l l c t ) 和倒锥顶帽罩垂直筛板等。 1 2 4 固定阀塔板 固定阀塔板是近些年来发展较快的一类喷射型塔板，由于是本文研究的对 象，因而另列一节进行介绍。 1 2 4 1 固定阀塔板的特点 固定阀是由塔板直接冲压而成，与塔板为一个整体，固阀略成梯形状，阀体 的阀面可以根据场合的需要制作成不同形式如矩形、梯形等。固定阀靠阀脚固定 在塔板上，阀脚不但可以支撑阀盖，而且可以支撑阀盖上面的液层，所以固阀塔 板压降一般低于浮阀塔板；由于有阀盖的阻挡，气流不会像筛板那样直接穿过液 层，而是水平喷入液层，这样不但增加了气液接触时间，而且降低了雾沫夹带； 由于阀盖的支撑作用，阀孔上面的液层不会直接与阀孔处气体接触，可以推断出 固阀的漏液下限气速应该低于筛板。 可以说固定阀塔板是介于浮阀塔板和筛孔塔板之间的一种塔板，它整合了浮 阀塔板和筛孔塔板的优点，克服了它们的缺点，在操作性能方面接近于浮阀塔板， 在造价上接近于筛孔塔板，是一种综合性能优异的塔板，在国内外得到了广泛的 应用。 大多数固阀塔板的不足之处就是操作弹性较浮阀塔板小，但是经过合理的设 计和优化，其操作弹性是可以大幅度提升的，因而固阀塔板是一种值得进一步研 究和推广的塔板，目前固阀塔板发展很快，出现了许多新的板型，下面对一些主 要的板型进行简单介绍。 1 2 4 2 几种固阀塔板的介绍 ( 1 ) v - g r i d 固定阀塔板1 1 6 j v 形栅板是由n u t t e r 公司在2 0 世纪7 0 年代开发出来的，它是在塔板上冲出 7 第一章文献综述 一定排列的凸起，侧面开逢形成气流通道其阀片形状呈梯形，当液流强度较小 时，开孔单元两侧缝隙附近的液体在气流推动下，形成明显的“v ”字形流线。 此种塔盘具有良好的流体力学性能和较大的处理能力，所咀在某些场合可以替代 浮阀塔板和犬孔筛板，特别是生产要求低气速的场合。 ( 2 ) t r i t o n 塔扳”1 t r i t o n 塔板是n o r t o n 公司开发的一种具有较大处理能力的新型塔板。它采用 斜截式降渡管和一种专利阀，该阀固定在板面上但并不是从板面上冲压出来的 阀套的形状不受限于开孔。因此，阀套的尺寸可以按照气体获得尽可能理想的倾 斜程度的原则来设计，这是冲压成型的阀套所不能达到的，这种不受限制的阀= 垂 尺寸可比实际开孔太得多，从而增大了气流的水平分速，提高传质效率。 ( 3 ) b i f r a c 塔板”o b i f r a c 塔板是由k o c h 公司开发出来的。种新型、高效塔板，这种塔扳的阀 采用的是微型固阀，且阀件在塔板上呈“t ”形布置，即任意相邻的两固定阀的 长轴方向相互垂直，可以强化鼓泡面积，且有效的避免相邻固定阀问的气相对冲。 ( 4 ) 新型导向固涧塔板7 这种塔板是由天津大学和s e i 合作开发的一种新型固定阀塔板其固阀结构 如图i _ 6 所示突出的特点就是其具有平滑的弯曲折边液体流动具有流线型， 而且阀盖上而开有具有推液作用的导向孔。 圈】6 新型导向同阀结构 f i gi - 6s t r u c t u r e o f n o v e l g u i d e f i x e dv a l v e ( 5 ) 导向梯形固阀塔板旧 导向梯形固阀塔板是在导向梯形浮阀塔扳的基础上发展而来，所使用的固阀 与导向梯形浮瞄相同，且是被固定在阀孔e ，不能 下浮动而变成固阀。土要特 点为：( 1 ) 具有前向推液和两侧斜前方推液的作用，有效降低了塔板上气液相返 混和气流相互冲击的程度：降低了塔板上的液面落差，形成更加稳定的板上液相 流场：( 2 ) 导向梯形固阀塔板的动能因子上限更高，气体斜喷有利于抑制雾沫夹 带：( 3 ) 改善塔板上的气、液流均匀性，从而改善气液传质性能：( 4 ) 抗堵塞性 能更强，可避免聚台结焦物堵塞。 ( 6 ) 新型带折边固定阀塔板9 j 第一章文献综述 这种塔扳是由中国石油化工股份有限公司与浙江工业大学共同开发的，其结 构如图i 一7 所示，固定阀阀面侧边具有向下弯曲的折边，改变了从固定阀僵0 孔中 吹出的气体的方向，使气体从固定阀倒孔中斜向f 吹到塔板板面上，有效减少气 流在两固定阀之间的对冲，使阀闻形成的“死穴”区域缩小，使之有利于传质。 经试验证明新型固定阀塔板可以有效减少雾沫夹带量和漏被量，提高塔板的处 理能力和操作弹性。目前在工业上己得到成功应用。 图1 7 新型带折边固定婀塔扳 f i g1 - 7f o l d e d d o w n w a r de 咄f i x e dv a l v eq 幽1 s 珈! f v 崮阀塔扳结构示意圈 f i g 】- 8s c h e m a t i cd i a g r 锄o f h e f v f e dv a l v e ( 7 ) h e f v 同阀塔板“j h e f v ( h a l f - e l l i p s ef i x e dv a l v e ) 固阀塔扳是中国石油大学在分析现有固阀塔 板结构神基础上开发的一种新型固阀塔板，其结构如图卜s 所示，h e f v 周阀塔 板在垂直于塔板剖1 ：6 _ 上的投影为半椭圆型( 在塔板上的投影为梯形) ，塔板下面 柬的气体流经固阀时，较大的阀腿对气流有一个沿液流方向的推动力分量，可大 人降低塔板的液面梯度，改善传质效率：阀面两侧向下弯曲的折边对气体有个 斜向下的导向作用，可以减缓栏邻固阀侧孔出来的气流发生正面对冲，降低了雾 沫夹带，提高了塔板通量；针对高液体负荷在塔板上布置适当比例的导向孔， 咀进一步减少弓形区的液体滞留，阀盖上还可以开有微型固定阀，使得气液阿相 多平面接触，使气体分散更均匀，消除了阀盖上面的传质死区。与f l 型浮阀塔 翟愚 r l 第一章文献综述 板相比，h e f v 固阀塔板的处理能力提高3 0 5 0 ，塔板压降减少1 0 3 0 ， 塔板效率提高3 5 。 ( 8 ) l v g 固阀塔板【2 2 】 此塔板是中石化洛阳石化公司工程研究院在对v - g r i d 塔板进行专项研究的基 础上开发出的一种高效高弹性塔板，l v g 塔盘是由直接在塔板上冲出的“v ”形 阀片组成，阀片的小头方向朝向液流方向。用此塔板替代舌孔塔板，既可降低塔 板压降，又可明显提高传质效率，改善产品的分割质量，并为装置的平稳、长周 期运行创造条件。实践证明l v g 塔盘具有结构简单、适用于在污垢体系中操作 的特点，同时传质效率和操作弹性并不明显降低。 除此此外，还有目前在国内外蒸馏过程中应用最为广泛的m v g 固阀塔板； n o r t o n 公司开发的p r o v a l v e 固阀塔板和西安思瑞迪公司的t r f v 6 0 固阀等许多 固阀塔板类型【1 7 】。 1 3 计算流体力学( c f d ) 及其在化工领域研究中的应用 一直以来，化工现象研究的主要手段是对实验数据进行准数关联，许多化工 设备的设计因为缺乏对其本质的、全面的认识而不得不依赖于经验。随着时间的 积累和研究范围的扩大，虽然每一种现象都有相应的经验公式去解释，但是这些 公式之间的联系却似乎非常脆弱，从而使化工领域因整体上缺乏一种贯穿各种现 象的基础理论而呈现出每个分支领域各自发展的局面。准数关联而来的经验公式 是一种把一切，包括微观机理和宏观流体流动的各种因素，总包在一起的很粗糙 的理论，在脱离了实验的工况和使用范围后就会偏离物理事实。其本质是把对复 杂现象的解释简单归于一个并不真实的非线性算子，这在逻辑上必然是不恰当 的。上个世纪六十年代以后，大型计算机的出现给计算流体力学的发展提供了条 件，在经过了一段发展之后，流体力学开始应用于各个领域，尤其是k - 双方程 模型提出后，这种能够提供比较广泛使用范围和一定计算精度，同时使用起来也 不算复杂的计算模型得到了各方面的认可。流体力学在化工的引入使人们在研究 化工现象时可以把流体的流动从对宏观现象的分析中剥离出来，从而有可能抛弃 以前那种总包式的准数关联方法，而使认识上升到更高的理性高度，从这个意义 上流体力学在化工的应用是化工领域思想和技术上的一次变革。 目前，计算流体力学( c f d ) 已经逐渐应用到化工过程的建模、化工设备的 设计和放大等领域，这一技术摒弃了传统化工过程的建模方式，用详尽、真实和 生动再现的方式来描述化工过程，因而被称之为“虚拟真实”( v i r t u a lr e a l i t y ) 之 法。此应用因其可靠、经济和快速，已引起学术界和工业界广泛重视并成为世界 1 0 第一章文献综述 化工新兴前沿领域。 1 3 1 计算流体力学( c f d ) 简介 电子计算机的日益普及和功能的日益强大为设计工作提供了一种高效的途 径，就是将过程模型化，通过建立合理的数学描述来预测未来的效果，进而完成 设计和优化工作。而计算流体力学( c f d ) 正是在这方面研究和应用比较活跃的 一个领域。 任何流体运动的动力学特征都是由质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒 定律所确定的，这些基本定律可由数学方程组来描述，如欧拉方程( e u l e r 方程) 、 纳维一斯托克斯方程( n a v i e t - - s t o k e s 方程) 等，利用数值计算方法通过计算机 求解这些描述流体运动的数学方程，揭示流体运动的物理规律，称之为计算流体 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 技术事实上是数值计算的艺术，它用特定的算法求解描述流体流动( 在 空间和时间上) 的控制微分方程，从而获得流场的详细描述，它涉及流体力学、 偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析、计算机科学等多个学科，是一门 交差学科。 c f d 介于纯实验与纯理论之间，它支持并完善纯实验与纯理论，并成为与这 两种方法同等重要的一种方法，c f d 与纯实验和纯理论的关系见图1 - 9 。 图1 - 9c f d 与纯实验和纯理论之间的关系 f i g 1 - 9t h er e l a t i o n s h i po fc f d ，p u r ee x p e r i m e n t sa n dp u r et h e o r y 如果能在c f d 解中包含进流体流动中的所有重要的物理性质，那么c f d 技 术( 计算程序) 就像一台仪器，可以用来进行数字化实验，而且这些数字化实验 都是对于真实实验的直接模拟，能够虚拟的再现实验现象和实验结果，帮助实验 者理解流体流动的过程和基本性质。 然而，目前c f d 技术还存在着缺陷。如果该物理过程在所研究问题公式化 的过程中并没有被正确地涵盖进去，那么c f d 技术是不能重现这种现象的。其 中最重要的例子就是湍流现象，目前大多数湍流问题的c f d 解所包含的湍流模 第一章文献综述 型或是真实物理现象的近似，或是依赖于湍流模型中各种常数的经验数据。因此， 虽然对于一些情况的某些计算是合理的，但是所有湍流流动的c f d 解仍被准确 性的问题所困扰1 2 制。 为了方便和加速c f d 技术在工业中的应用，有关人员编制了c f d 通用软件。 所谓的c f d 软件就是将c f d 中的一些通用模块集成化，并能通过一个友好的界 面与用户进行信息交流。c f d 通用软件由前处理器( 负责网格生成) ，求解器( 负 责模型的求解) ，后处理器( 负责结果显示) 三部分组成。前处理器对复杂求解 区域网格生成功能的完善程度是评价一个商业软件的重要指标。它所完成的任务 概括为两项：几何建模及自动生成网格。现在的网格类型可分为结构型和非结构 型两大类，结合两种形式优点的复合型网格是未来的发展方向。c f d 的核心求 解器( s o l v e r ) 模块将根据前处理过程所生成的网格，选择适当的数值算法，设 定边界( 初始) 条件，进行迭代求解，并输出计算结果。负责流动显示的后处理器 可以形象地显示模型的求解结果。现在商用的的c f d 软件有很多，包括c f x 、 f l u e n t 、s t a 眦d 、p h o n n i c s 、f i d a p 等。 本文将要用到的f l u e n t 是由a n s y s 公司开发的一款性能优良的c f d 软 件包，它提供了多种常用的湍流模型和完全的网格灵活性，用户可以使用非结构 网格模拟具有复杂外形的单相或多相流体流动过程。此外，为了更有效的达到用 户的目的，f l u e n t 还提供了u d f 和u d s 等拓展功能，用户可以方便的将自己 的模型植入到此软件进行计算。 1 3 2c f d 在精馏塔板研究中的应用 评价精馏塔板性能优劣的核心标准就是塔板效率，而许多实验【2 3 埘】都已证 明，塔板上的流场分布直接决定着塔板的效率，因而新型塔板上流场的研究具有 重要意义，不但可以为新型塔板的设计和优化提供指导，还可以为进一步塔板效 率的计算提供基础数据。 塔板上流场的研究包括实验研究和c f d 模拟研究，实验研究又分为直接测 量法和间接测量法，主要有示踪法、热线风速仪法【2 5 】、p i v 法f 2 6 】、l d v 法【2 7 ，2 8 】 等，但由于实验仪器较贵，操作复杂，而且测量误差不易确定，所以用该方法进 行流场研究并未得到广泛的采用，与实验相比，c f d 模拟更灵活、更经济，而 且能够获得比实验更详细的流场信息，因而成为流场研究的主要方向。 精馏塔在操作时，塔板上气液两相相互作用形成了极其复杂的错流系统，而 且随着操作条件的变化气液两相还存在鼓泡状态、乳化状态、泡沫状态和喷射状 态等四种不同的接触状态，目前对此还缺乏系统的研究，这些都给塔板流场的 c f d 模拟增加了难度。要实现对塔板上流场进行准确预测，就必须建立一个对 1 2 第一章文献综述 气液两相间相互作用的描述和对气液两相湍流的描述都很精确的c f d 模型，对 此，国内外学者都做了大量的工作，国内以天津大学的成就最为突出。 李建型2 9 】首先建立了比较简单的筛板塔液相流场计算模型，模型中包括两个 方程，考虑了气相的阻力作用，方程中的主要参数d e 与涡流粘性系数等价，由 作者的实验数据回归得到。该模型比较简单，但是因为推导过程中做了许多假设， 所以模型的计算结果和实验数据相差较大。 借鉴李建隆处理气体作用项的方法，张敏卿【3 0 】提出考虑垂直气流阻力作用的 k 一湍流模型，其中包括连续性方程、动量方程及k 和占的输运方程。此模型 计算了筛板上的液相流速分布，在有些工况下可以模拟出部分回流区，但在有些 工况下与实际情况有差别。 王晓玲【2 4 】利用混合两相流的理论，建立了塔板上三维液相流场的模型。该模 型将两相混合物作为整体考虑，而不是单独考虑两相。该模型的动量方程比张敏 卿的单相湍流模型多了动量源项m g l 以及由气泡浓度差引起的扩散应力项f d ， 而且增加了一个气相扩散方程。模型采用s t a r c d 进行了求解，计算结果与实 测流场吻合甚好，此外，王晓玲首次尝试了对全回流条件下十块塔板的全塔流场 进行模拟计算，突破了长期以来单板模拟的研究现状，这是一次全新的探索。 袁希钢等p i j 从e l g h o b a s h i 等人【3 2 】建立的两相流双流体模型出发，在推导液相 动量方程时考虑气体的阻力作用，首次建立了筛孔塔板气液两相流动的二维双流 体模型，以有限体积法进行求解，计算结果较已有的单流体模型有所改进。 刘春江【3 3 】认为气体不仅对液相的各个方向动量有影响，而且垂直穿过液层的 气体对液层的湍动动能也会有很大的影响。他建立了以改进的k s 方程为基础 的、同时考虑气相阻力和鼓动作用的筛板液相流场计算模型，通过自编程序进行 求解。该模型与其它研究者所建立的模型的最大区别在于提出了鼓动生成项的概 念，并根据实验结果确定了模型中的主要参数一鼓动生成系数的值。 侯经纬阱】在塔板流场的计算中考虑进了传质的影响，在传质计算的过程中考 虑了传热的影响，以r n g k 一占模型为基础建立了三维拟单相流模型对一种新型 气体折流塔板上流场进行了模拟，通过与实验数据进行比较，证明了模型的可靠 性。 刘伯潭【3 5 】进一步研究了塔板上气泡和液体之间的相互作用，提出了较新的动 量源项，并应用流体力学计算软件p h o e n i x 进行了单溢流和双溢流塔板上的液 相流场的计算，结果再现了塔板上存在的回流区，并且对滞流区的影响因素进行 了研究计算，但是没有解决七一占模型中的源项问题。 李瑞1 3 6 j 采用标准