（轮机工程专业论文）低温液氮洗去除一氧化碳的热动性能研究.pdf

。， 低 譬 4 v “ 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 武汉理工大学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己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 期：3 111 二里茎二! ! 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：喇争导师c ：姆期计矿曲 f 阪 备 j q 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文以描述c o 在低温液氮洗主要工艺设备氮洗塔中的热动性能以及 氮洗塔洗气效率为研究目的，以液氮洗工艺所用的工业级筛板塔为依据，研究 塔板上气液流态的特征和物质传质效率。 由于筛板塔上的气液相分布复杂，流态形式多样，因此需建立能准确描述 筛板塔上气液相速度场的数学模型。本文通过分析塔板上流体流态特点及相关 影响因素，以n s 方程为基础，建立了描述气液两相流的双流体动量传递模型 及湍流模型，能准确描述气液两相的速度场及湍流状态，为描述物质质量传输， 建立了气液两相物质浓度场数学模型。 以此为基础建立了直径1 2 m 工业级筛板塔三维c f d 模型，采用商业流体分 析软件对塔板上气液相流态及物质浓度分布进行了仿真模拟。为了验证塔板上 气液两相流场数学模型及湍流模型的正确性，分别对气相、液相及气液混合相 进行模拟仿真，根据模拟结果认为各流态特征与实验结果吻合良好。 以所建立的流场、湍流及浓度场数学模型为基础，建立适合液氮洗工艺操 作工况下的塔板模型，分析该工况下c o 的流动特征及质量传输情况，得出在单 板竖直方向上c o 的质量传输分布云图及分布曲线。通过模拟结果报告的各边界 上c o 的流量变化，计算出以清除c o 为目的的氮洗塔单板效率，与实验值比较 认为结果真实合理。 在所得塔板效率及液氮洗操作工况下，采用化工过程仿真软件a s p e np l u s ” 对氮洗塔整塔工况进行模拟验证，并得出氮洗塔四流股各自物料组分分布数据， 经验证在净化气流股中各杂质含量均满足液氮洗工艺标准，给出了氮洗塔内各 塔板上物料流量及操作温度压力分布数据，分析了各组分在各层塔板上的吸收 特征。 关键词：低温液氮洗，计算流体力学，氮洗塔单板效率，c o 质量传输， 化工流程模拟 气 鸭穸 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eg a s - l i q u i df l o wp a t t e r nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em a s st r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c y o nt h et o w e rb o a r d s h a v eb e e ns t u d i e d 、忻t l l t h e p u r p o s e o fd e s c r i b i n gt h e t h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c e sa sw e l la st h eg a ss e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi nt h en i t r o g e n w a s h i n gt o w e r , w h i c hi st h em a i np r o c e s sd e v i c ei nt h ec r y o g e n i cl i q u i dn i t r o g e n w a s h i n gp l a n t ，a n db a s e do nt h ei n d u s t r i a l - c l a s ss i e v e - t r a yt o w e r s i nt h el i q u i d n i t r o g e nw a s h i n gp l a n t b e c a u s et h ed i s t r i b u t i o no fg a s - l i q u i di nt h es i e v et o w e ri sc o m p l e x 、7 l ，i t hd i v e r s e f l o wp a t t e r nf o r m s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eg a s - l i q u i dv e l o c i t yf i e l di ns i e v e t o w e rs h o u l db ee s t a b l i s h e d t 1 1 ed o u b l e f l u i dm o m e n t u mt r a n s f e rm o d e l a n d t u r b u l e n c em o d e lw h i c hc a l la c c u r a t e l yd e s c r i b et h ev e l o c i t yf i e l da n dt u r b u l e n ts t a t e o ft h eg a s - l i q u i df l o wa r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h en a v i e r - s t o k e se q u a t i o n sb y u t i l i z i n gt h em e t h o do fa n a l y z i n gt h ef l u i df l o wp a t t e r nc h a r a c t e r i s t i c si np l a t et o w e r a n ds o m er e l a t e df a c t o r si nt h i ss t u d y t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm a s sc o n c e n t r a t i o n f i e l do ft h eg a s - l i q u i dp h a s e si se s t a b l i s h e dw i t ht h ep u r p o s ea b o u td e s c r i b i n g p h y s i c a lq u a l i t yt r a n s m i s s i o n t 1 l e3 dc f dm o d e lo ft h ei n d u s t r i a l c l a s ss i e v et o w e rw i t ht h ed i a m e t e ro f1 2 m i se s t a b l i s h e da n dt h es i m u l a t i o no ft h e g a s l i q u i d f l o wp a t t e r na n dm a s f 。 c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no nt h et o w e rb o a r di sm a d ew i t ht h ec o m m e r c i a lf l u i d a n a l y s i ss o f t w a r e t h es i m u l a t i o na b o u tg a sp h a s e ，l i q u i dp h a s ea n dg a s - l i q u i dp h a s e a r ec a r r i e do u tr e s p e c t i v e l y , i no r d e rt ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so ft h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fg a s - l i q u i df l o wf i e l da n dt h et u r b u l e n c em o d e lo nt o w e rb o a r d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ef l o wp a t t e r na r et h o u g h tt of i tt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h et o w e rb o a r dm o d e lw h i c hi sa p p r o p r i a t ef o rt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no fl i q u i d n i t r o g e nw a s h i n gp r o c e s sh a sb e e ne s t a b l i s h e db a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l s a b o u tt h ef l o wf i e l d ，t u r b u l e n ta n dc o n c e n t r a t i o nf i e l d t h ea n a l y s i so ft h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c sa n dq u a l i t yt r a n s m i s s i o nc o n d i t i o no fc a r b o nm o n o x i d ei sc a r r i e do u t ； a n dt h e d i s t r i b u t i o nm a po fq u a l i t yt r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o nc u r v eo fc a r b o n m o n o x i d ei nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o no nt h ec o l u m np l a t ea r eg i v e n t h ec o l u m np l a t e e f f i c i e n c ya b o u tc l e a r i n gt h ec a r b o nm o n o x i d eo ft h en i t r o g e nw a s h i n gt o w e ri s i i 纵智 一警 武汉理工大学硕士学位论文 c a l c u l a t e dw h i l et h es i m u l a t i o nr e s u l tr e p o r to nt h eb o u n d a r yo ft h ec a r b o nm o n o x i d e j f l o wi sc h a n g e d ；a n db yc o m p a r i n g 诵t l lt h ee x p e r i m e n t a lv a l u e s ，t h er e s u l t sa r e t h o u g h tt ob er e a l i s t i c i nt h ec o n d i t i o no ft h eg i v e nc o l u m np l a t e e f f i c i e n c y a n dt o w e rw o r k i n g c o n d i t i o n s ，t h ec h e m i c a lp r o c e s ss i m u l a t i o ns o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h ew o r k i n g c o n d i t i o n si nt h en i t r o g e nw a s h i n gt o w e r , a n dt h ed i s t r i b u t e dd a t ao fe a c hm a t e r i a l c o m p o n e n to ff o u rf l o ws t r a n d sa r eg i v e n t h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a te a c h i m p u r i t yc o n t e n ts h a r e si np u r i f y i n gf l o ws t r a n d sc o m p l yw i n lt h el i q u i dn i t r o g e n w a s h i n gp r o c e s ss t a n d a r d s ，t h em a t e r i a lf l o wq u a n t i t y , o p e r a t i n gt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ed i s t r i b u t i o nd a t ao ne a c ht o w e rp l a t ei nt h en i t r o g e nw a s h i n gt o w e ra r eg i v e n ； i na d d i t i o n ，t h ea n a l y s i so ft h ea b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t si n e a c hl a y e rb o a r do ft h et o w e ra r ec a r r i e do u t k e y w o r d s ：c r y o g e n i cl i q u i dn i t r o g e nw a s h i n g ；c f d ；n i t r o g e nw a s h i n gt o w e rc o l u m n p l a t ee f f i c i e n c y ；c a r b o nm o n o x i d eq u a l i t yt r a n s m i s s i o n ；c h e m i c a lp r o c e s s s i m u l a t i o n i i i 1 、 吆 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章文献综述1 1 1 课题选题背景l 1 2 低温液氮洗工艺简介一2 1 3 筛板塔动力学研究现状5 1 4 课题研究意义8 1 5 本文的主要研究内容8 第2 章塔板上流体动力学建模1 0 2 1 板式塔板结构及分类1 0 2 2 塔板上气液两相流动特征1 3 2 3 气液两相流体动力学模型1 6 2 3 1 气液两相流动传递模型1 6 2 3 2 湍流模型的选择2 0 2 4 塔板上气液两相浓度场模型2 5 2 4 1 物质质量浓度传递模型2 5 2 4 2 质量浓度方程封闭项2 6 2 5 边界区处理2 7 2 6 本章小结2 8 第3 章单层塔板气液两相流的c f d 模拟2 9 3 1 单层塔板c f d 模型的建立2 9 3 1 1 c f d 模型边界条件设置3 0 3 1 2 c f d 模型网格划分3 2 3 2 单层塔板c f d 模型流场的模拟3 3 3 2 1 气相流场的模拟。3 4 3 2 2 液相流场的模拟3 6 3 3 气液两相混合流场及浓度场的模拟。3 9 3 4 本章小结4 3 i v 番 冬 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章低温液氮洗塔板热质交换性能预测4 4 4 1c o 的物性及其分离4 4 4 2 塔板效率理论模型4 5 4 2 1 塔板效率的影响因素4 5 4 2 2 气泡与液体热质传递下的塔板效率4 8 4 3 塔板效率理论模型在氮洗塔板上的应用。5 0 4 4 液氮洗塔单板传质的c f d 模拟。5 0 4 4 1 氮洗塔板c f d 模型51 4 4 2 模拟结果和讨论5 2 4 4 3 单板效率的验证计算5 5 4 5 本章小结5 7 第5 章a s p e np l u s 对液氮洗工艺流程的模拟验证5 8 5 1a s p e np l u s 模拟软件简介5 8 5 2 液氮洗工艺流程及设备参数5 9 5 3 液氮洗设计工况的a s p e np l u s 模拟6 2 5 3 1a s p e np l u s 对液氮洗工艺的模拟6 2 5 3 2 氮洗塔内a s p e np l u s 模拟结果分析6 5 5 4 本章小结6 7 第6 章结论与展望6 8 6 1 结论6 8 6 2 展望6 9 致谢7 0 参考文献7 1 攻读硕士学位期间所发表的论文7 5 v 武汉理工大学硕士学位论文 - 1 1 课题选题背景 h 心 坞 唧 气 吒 第1 章文献综述 低温液氮洗工艺在国内外的大型合成氨工业中应用相当广泛，其日平均产 氨量一般在1 0 0 0 吨左右。合成氨厂通常是以渣油和煤为原料生产合成气，采用 低温液氮洗工艺脱除原料气中的有害杂质，而原料气中的c o 是主要脱除的对 象，目前液氮洗工艺在我国得到了有效应用，主要分布在开封、山西、内蒙、 九江等地，氮洗塔操作压力一般在3 0 m p a - 8 o m p a 之间，无论是在净化度上， 还是操作平稳度上都达到了企业标准，得到业界的肯定【l 捌。此外，以煤和渣油 为原料制合成气的净化工艺有很多，其中得到应用的如低变法和甲烷化法，而 这样的方法通常会出现净化不彻底或易出现副产物的情况，在技术上较难控制， 而低温液氮洗涤净化合成气工艺原理简单，工艺过程稳定，无副产物，得到很 多专家学者的肯定。然而低温液氮洗工艺必须在极端温度环境下才能进行，一 般其工作温度在8 0 k 左右，这对设备的制造提出了要求，同时低温的获取必须 要有相关空分设备与之配套，这需要较高的投资与技术支持。 近年来，液氮洗工艺得到了许多科技工作者和业内技术人士的关注，并得 到深入研究，且在其关键设备的制造方面取得了较大的进展。如，河南开封空 分对液氮洗洗涤塔的制造技术已近成熟。板翅式换热器和氮洗塔是液氮洗工艺 中的关键是设备，此外一套完整的液氮洗净化系统通常会添加尾气回收系统， 其主要设备有精馏塔、闪蒸灌和相关设备，有一定的设计和制造难度。目前， 大型合成氨装置多是从国外引进，所以，“液氮洗工艺关键设备国产化”是国家“十 五”重大技术设备研制项目“大型合成氨装置国产化”的重要专题【3 , 4 】。国内相关厂 商一山西化肥厂引进运行的液氮洗系统存在的最常见的问题就是系统冷量不足 的问题，经杭州石化装备工程部研究发现，并非冷源不足引起，主要是因为换 热器设计原因导致冷量利用不充分，并对进口板翅式换热器做出了改进，经改 进的换热器成本更低廉，合成氨产量也得到提升1 5 j 。 液氮洗工艺在实际应用中所遇到的问题并不局限于系统冷量不足上，此外 还存在冷量不平衡、氮气消耗、负荷不匹配以及节能降耗等。这些在实际运行 中所遇到的问题正是亟待解决的技术关，得到了国内许多学者和科技人员的关 、 罅 傍 气 武汉理工大学硕士学位论文 注1 6 j 。 此外，对氮洗塔塔板效率的研究一直以来是业界研究的重点，同时也是难 点。显而易见，各类精馏塔的塔板效率必定与塔板上气液两相的流态及各组分 在混合相中发生的物质交换情况密切相关。因此，若能从流体力学及热力学的 角度准确描述塔板上各组分及相态变化原理及规律，对预测塔板效率具有十分 重要的指导意义。 1 2 低温液氮洗工艺简介 合成氨工艺中，对原料气的净化属于预备工序，也是关键性的工序，其效 率直接决定了氨的生产效率。净化的第一步需经低温甲醇洗工艺流程，然后是 低温液氮洗工艺流程，最后才是合成氨工序。所以在净化工段，液氮洗是最后 一步。液氮洗涤法是利用c o 、a r 和c h 4 溶解于液氮中而达到净化目的，低温 甲醇洗工艺原理与此相似。首先通过低温甲醇洗脱除原料气中的硫化物和碳化 物组分，再采用液氮洗工艺脱除微量的c o 、a r 和c h 4 ，这种先“粗洗”再“精洗” 的工艺方法，能有效的控制住杂质含量，且两种洗涤方法在设计中可实现关联， 节约冷量，体现出诸多优点。 合成氨原料气通常是以渣油为原料生产而来，经过第一步低温甲醇洗之后， 在原料气的各组分中，合成氨精制气所必需的h 2 和n 2 在摩尔分率上占8 0 左 右，此外还存在少量的c h 4 、c o 和a r 以及微量的c 0 2 、c h 3 0 h 和h 2 0 等杂质， 这些杂质成分含量虽微小，但当中的含氧化合物( 如c o 、c 0 2 及c h 3 0 h 等) 极易 引起氨合成触媒中毒，因此必须彻底清除。从物料化学性质上来看，c 0 2 属于酸 性气体，而c h 3 0 h 则为强极性的有机醇，利用其化学活性可以轻易地将这两种 物质都从原料气中清除。对于c o ，由于该物质属于非酸非碱性物质，化学活性 较为稳定；从物理性质上来看，c o 在各种溶液中的溶解度相当微小，所以采用 常规方式很难将c o 从原料气中清除。 据资料显示，在合成氨工业中清除c o 应用较广泛的方法有三种，分别是铜 氨液吸收法、甲烷化法和液氮洗涤法【_ 7 1 。铜氨液吸收法是利用亚铜氨络离子络合 吸收c o 的性质，在低温高压下吸收，在高温常压下解离，使吸收液循环使用的 方法，此法现仅局限于的小型合成氨厂使用，对于大型合成氨厂，由于铜氨液 精制法需要建议一套加压铜氨吸收塔和再生系统，设备投资大且管理复杂。甲 烷化法是在高温有催化剂存在下，碳氧化物与氢反应生成惰性气相甲烷和易分 2 h p q 幡 一 武汉理工大学硕士学位论文 离的水的方法，从而达到净化目的。甲烷化法流程简单，设备少，投资省，操 作简单方便，运行可靠，但要消耗一定的氢气，增加合成回路的无用惰性气量， 因而该法仅适用于脱碳气中c o 和c 0 2 含量很低的场合，不利于实现大型生产。 液氮洗涤法则弥补了上述两种方法在生产中的不稳定因素以及不足之处，目前 在国内外已经得到了广泛应用。 经低温甲醇洗工序之后的净化气通过低温液氮洗系统中的分子筛吸附器脱 除其中的微量c 0 2 和c h 3 0 h 。经分子筛过滤后的气相成分主要如表1 1 中除c 0 2 和c h 3 0 h 外的气相组分构成，其中h 2 和n 2 是合成氨的原料气，需经过低温液 氮洗脱除的杂质成分为c o 、c i - h 和a r 。而c o 是影响氨合成触媒的主要杂质， 必须重点脱除，达到标准之后，再配置氢氮比为3 ：1 的合成气，送入合成工序。 表1 1 经低温甲醇洗工序的净化气体积分率组成 由于合成触媒要求c o + c 0 2 等含氧化合物含量 10 p p m ，故气相在进入合成 塔之前，必须把c o 等含氧化合物脱除。如前面所述，脱除净化原料气中c o 的 方法主要有化学法和物理法两类。化学法常用的是铜洗法和甲烷化法：物理法常 用的是低温液氮洗涤法。 低温液氮洗脱除c o 、c h 4 及a r 的方法，其理论依据是吸收分离原理。由 于操作温度很低，其吸收过程表现得更为复杂。 来自低温甲醇洗工序的净化气，又称原料气，其组成和各组分的冷凝温度 见下表。 表1 2 原料气组成及相应组分的冷凝温度 组分 氢h 2氮n 2 一氧化碳c o 甲烷c h 4 氩a r 含量t 0 0 1 7 6 3 02 1 54 0 71 6 6 00 6 0 冷凝温度k 2 0 2 77 7 3 58 1 0 01 1 1 6 08 7 2 9 ( 1 0 1 3 k a a ) 分析表1 2 的组成可知，原料气中的氢、氮气可作为合成氨的原料气，c o 却是氨合成催化剂的毒物，必须脱除。而甲烷、氨虽对合成触媒无毒害作用， 但因其在合成循环回路中凝结会导致管道堵塞，降低合成氨的合成率，增加能 耗，也应加以脱除。 物质的聚集状态为气、液、固三种，这是众所周知的【8 】，在液氮洗涤原料气 9 7 蠢 心 婚 i i 武汉理工大学硕士学位论文 中的各组分物质同样遵循这一物理规律。在常温常压下，这些物质均呈气态。 在一个标准大气压下，h 2 的液化温度为2 0 3k ，n 2 的液化温度7 7 4k ，c o 的 液化温度为8 1k ，c h 4 的液化温度为1 1 1 6k ，a r 的液化温度为8 7 3k 。当保持 压力不变，温度升高时，它们又将变为气态。在液氮洗涤工艺中，操作温度一 般维持在n 2 的液化温度附近，此时由于冷凝温度差异的存在，其中冷凝温度偏 高的c o 、c h 4 和a r 等被液氮冷凝而转入液氮当中，而因氢的冷凝温度( 2 0 3 k ) 低于液氮温度，所以仍保持为气态，从而达到冷凝温度高于液氮的组分与冷凝 温度低于液氮组分分离的目的，此即为液氮洗去除杂质的理论基础。原料气中 各组分冷凝温度与气相压力的关系见表1 3 。 表1 3 原料气中主要纯组分在不同压力下的冷凝温度 不同组分的冷凝温度k 压力 h 2n 2 c o 1 a t r n2 0 4 57 7 3 58 1 1 5 1 0 a t m2 9 1 59 8 1 51 0 7 1 5 2 0 a t m3 5 1 51 1 5 1 5 1 2 4 1 5 3 0 a t m3 8 1 51 2 1 1 51 3 1 1 5 根据表1 3 中数据可知，压力升高，则冷凝温度也随之升高，从而可以实现 在较高温度下进行冷凝。但冷凝温度的升高与压力的升高并不成正比。以c o 为 例：当压力逐步由1a t m 升高到1 0a t m ，2 0a t m ，再到3 0a t m 时，其冷凝温度的 上升幅度分别为2 6k ，1 7k ，7k 。但随着压力的提高，使得设备的强度要求大 且结构复杂，同时h 2 在冷凝液中溶解量也会增大，进而增加损失。因此操作压 力通常维持在1 0 2 5a t m 。 原料气为多组分混合物，常温下呈气态，降温可逐步液化。在多组分混合 气相中，各组分的冷凝温度除与自身物性有关外，还与其气相分压相对应。当 其它组分含量发生变化时，该组分的气相分压也会受到影响，从而影响该组分 的冷凝温度。当把多组分的原料气逐渐冷却时，则冷凝温度偏高的组分优先冷 凝为液态，随着温度进一步降低，冷凝温度偏低的组分也逐渐被冷凝为液态。 常温下呈气态的多组分物质，随着操作温度的降低会逐步分阶段冷凝为液态， 且操作温度进一步降低，则各组分液态所占的比例也会越大。 此外，多组分混合物的冷凝过程与相应纯组分的冷凝过程并不严格对应， 混合物中某组分的冷凝还受到其他组分含量的影响。即混合物中部分组分虽未 4 h 叠 心 武汉理工大学硕士学位论文 达到其对应纯组分的冷凝温度，也会有部分冷凝为液态。如：纯净氢的冷凝温 度在2 lk 2 7k 之间，而处在混合物中的氢是可以溶解于其他已冷凝组分的冷 凝液中，因此在8 8k 时，也会有少量氢冷凝为液相。 综上所述，通过采取适当手段来合理控制物质环境温度、组分分压及物质 浓度可以达到多组分分离的目的。而采用低温液氮洗工艺来分离合成氨原料气 中的c o 、c h 4 和心等杂质则是行之有效的方法。 1 3 筛板塔动力学研究现状 在各类精馏化工工业中，筛板塔是一种应用最为广泛的塔型，因此对筛板 的研究开发已较普遍，就目前的筛板从其多样的结构形式上看，排除主流的大 孔径筛板以及普通筛板之外，又出现了诸如导流筛板、网型筛板、复降液管筛 板以及挡板筛板等型号。在这样一个创意爆发的年代，仍然有更多结构独特形 式新颖的筛板不断被开发出来，然而，多数研究人员并没有将其研究中心转向 对筛板型号的研究。更令众多研究者痴迷的却是筛板流体力学性能以及其传质 性能的基础性研究，随着筛板结构方面的不断完善更新，对其结构方面的研究 已显得并不重要，人们更加注重的是对筛板在流体力学性能以及传质性能方面 的认知程度。由于筛孔板的结构并不复杂，因此对其进行理论和实验研究十分 轻松方便，另一方面可根据成熟的研究成果开更好地指导对筛孔板的开发设计 工作，在这种良性循环的影响下，筛孔板在目前同类型塔板中属于在技术上最 为成熟的一种。而一直困扰人们的依然是筛孔板上相当复杂的气液两相的流态 和物质接触，即气液混合相直接接触的流动特征和相间物质传递等问题，截止 目前，国内对筛孔板性能的认知度仍存在很大的局限性。但在近3 0 年来，国内 外学者在普通筛孔板流体力学性能上的研究仍然取得了一定的成就。 至于什么是筛孔板的流体力学性能，对于这一问题学界没有给出明确的定 义，我们可以对其作一种简单地理解，即这种性能是与塔板传质性能相对应的 一类筛孔板性能，是气液两相混合流动特征在筛孔板上的一种具体体现，如气- 液两相在流动中的接触状态、分布状况、气相的阻力损失，此外还有塔板上常 见的漏液、雾沫夹带、液相沟流，以及泡沫层、液面落差和堰上液层等。 1 9 6 9 年，h o m u l l e r - p r i n c e 等在第二届国际精馏会议上提出了关于筛孔板气 液相流态的一种经典说法，即喷射、鼓泡、泡沫和蜂窝状泡沫4 种状态，简称 为h m p 流态【9 1 。1 9 7 9 年，h o f h u i s z u i d e r w e g 在第三届国际精馏会议上提出了另 h i 叠 0 尚 、 武汉理工大学硕士学位论文 一种经典说法，即喷射、乳化、自由鼓泡和混合泡沫4 种状态，简称h z 流态【l o l 。 从物理表象上来对比这两种经典流态，其实并没有本质的区别：两种流态中所 指的喷射态均指以液相为分散相，而气相为连续相；其余所有状态则是以气相 为分散相，而液相为连续相。这两种流态均给出了每个流态的存在条件和数学 模型。h o m u l l e r - p r i n c e 等选用较小的表观气速以区分各流态，排除喷射流态的 表观气速一般为0 1 4 0 5 5m s 。而h o n l u i s - z u i d e r w e g 所选的表观气速相对较大 一些，一般在0 5 2 2m s 。对于这两种表观气速所存在的差别，以及其对气液 流态所产生的影响，目前还没有较为深入的相关研究。对上述两种气液流态的 说法历经3 0 年来一直沿用至今，目前尚无关于筛孔板气液两相流态方面新的说 法提出，说明了这两种说法是经得起考验的。 h o m u l l e r - p r i n c e 等对筛孔板的4 种气液流态作了系统地阐述，并提出了描 述部分流态的模型和转换机制。由于当时的实验研究条件有限，所以 h o m u l l e r - p r i n c e 等的工作仍停留在非常初步的阶段。但他们在气液流态方面所 做的贡献具有非常重要的意义。下面对这两种流态的说法作详细的介绍。 ( 1 ) h o m u l l e r - p r i n c e 等以空气水气液两相物系为研究对象，观察到了在常 压下筛孔板上随着气速的不同依次出现的4 种不同流态。我们知道，物系在物 理性质方面存在很多的差异，如物系存在易发泡性和不易发泡性，在表面张力 方面体现出正物系、负物系以及中性物系，此外在操作时压力的变化，主要分 为高压、低压和常压三个区域，以及筛孔板上筛孔孔径大小，开孔率等等一系 列的变化，如此这些影响因素在不同气速条件下，4 种流体是否会严格的依次出 现。h o m u l l e r - p r i n c e 等对此并没有谈及，虽然在后续研究工作中有所涉，但对 这方面的问题仍然没有得出完善的解答。h o f h u i s z u i d e r w e g 根据气速的不同， 对筛孔板上的气液两相流态做出了区分，并指出在不同操作状态下所出现的具 有代表性的气液流态：1 ) 在常压操作下，主要流态为混合泡沫态；2 ) 在减压操作 下，主要流态为喷射态；3 ) 在加压操作和大液量下，主要流态乳化态；4 ) 在漏液 点附近，主要流态为自由鼓泡态。与h o m u l l e r - p r i n c e 等根据不同气速区分流态 的方法相比，两种流态的区分方法大同小异。h m p 流态和h z 流态在理论上和 实验研究中都是可以独立存在的，但二者在理论方面的联系却存在诸多困惑， 其主要体现在如下方面：1 ) h o f h u i s z u i d e r w e g 认为喷射态是在减压精馏时出现在 筛孔板上的一种主要流态，但h o m u l l e r - p r i n c e 等却认为这是高气速下所表现出 的一种流态；2 ) h o m u l l e r - p r i n c e 等认为，在常压操作下，随着气速的不同在筛 孔板上会出现4 种流态，此外并无其他流态出现，但h o f h u i s z u i d e r w e g 认为， 6 h 远 0 吩 武汉理工大学硕士学位论文 在低气速时的流态主要为自由鼓泡，在较高气速时主要为喷射态或乳化态，且 以混合泡沫态占优，这些说法没有严格的界定，难以深入理解。通过上述分析 可以看出，区分筛孔板上的流态确实并非易事。但从大体上来看，可将筛孔板 上的气液两相流态划分为泡沫态和喷射态，而i - i m p 流态和h z 流态是针对泡沫 态进行详细划分的结果。h o 及h o f h u i s 等所提出的两种流态区分方法可以看作 众多分类方法之一。由此可见，在筛孔板上气液相流态的分类方面仍需要做出 更多的努力来提出更合理完善流态分类方法。 ( 2 ) 由于对筛孔板上气液两相流态细分方法的研究受阻，人们对有关气液流 态方面的研究开始由微观方向转向宏观上的泡沫态和喷射态间相互转换的研 究。从物理意义上来讲，气液流态间的转换可以用一句话来概括，即气液两相 各自从分散相转向连续相以及从连续相转向分散相，但是，对于流态转换的研 究，无论从实验研究方面还是理论研究上着手都并非易事。在进行流态转换的 实验研究时，应注重两方面的研究：1 ) 流态转换点的确定：2 ) 对诸如流体物性、 流体物系、操作条件以及筛孔板结构参数等各种因素对流态转换的影响。 流态转换理论主要的研究内容为流态转换机理及其描述模型。流态转换机 理研究的是气流和液滴或气泡和液流之间的相互作用机制以及运动轨迹。而流 态转换模型则是建立在流态转换机理的基础之上，给出诸如流动参数、筛孔板 性能参数及无因次准数等表征流态转换点的相关特征参数的数学计算式。所记 载的较为著名的流态转换模型包含有：1 ) p o r t e r - w o n g 所提出的双区模型i l l j ； 2 ) p a y n e p r i n c e 的动量传递模型旧；3 ) l o c k e t t 的射流穿透模型【1 3 】。尽管如此，气 液两相流理论仍然不完善，而且由于筛孔板上气液两相流态的不确定性和复杂 性，至今尚未出现能真实准确地反映气液流态转换的数学物理模型。我国对筛 孔板气液流态转换的研究起步较晚，上世纪8 0 年代起，我国陆续出现了一些研 究成果，如叶永恒等f 1 4 , 1 5 】以雾沫夹带分率极值点为判据研究了流态转换的条件， 张至英、周金汉和刘云义等【1 6 - - 2 0 对筛孔板上流体由泡沫态向喷射态的转换规律 进行了相关的研究。 ( 3 ) 上世纪5 0 年代，对筛孔板上气液流态的研究初步兴起，并在7 0 年代得 到发展。而进入9 0 年代之后，对这方面的研究报道越来越少，一方面是由于关 于流态的研究逐渐完善，另一方面表明更深层次的流态研究工作的难度增加。 由此可见，今后对气液流态的研究除了需要更深层次地开展相关实验之外，重 点应该转向流态转换机理分析和各流态间转换行为的理论研究方向。因此，要 想彻底解决筛孔板上气液流态方面的问题，只有对气液流态的本质有完全清晰 7 h ， 蠢 武汉理工大学硕士学位论文 的认识。很明显，筛孔板上的气液流态理论研究是建立在多相流体力学知识体 系的基础之上。多相流是一种十分复杂的流动，其相态时而连续时而分散，难 以捕捉和定义，因此目前人们对此类问题知之甚少，并且对较为简单的气液两 相流动规律的认识也只是停留在皮毛阶段。更何况在筛孔板上的流动的气液两 相为高度受限的交错流动状态，比一般意义下的管道中的气液两相流要复杂很 多。此外，对筛孑l 板气液流态的研究，其意义不仅有利于塔设备领域，更能推 动多相流理论体系的发展。 ( 4 ) 事实上，筛孔板结构中的另一个重要构件降液管也是气液两相接触 的重要场所。而在以往对筛孔板气液流态的研究中，绝大多数研究工作都集中 于筛孔板开孔区域，对降液管气液流态方面的研究几乎没有出现过。可以推断， 降液管中的气液两相流动情形是由筛孔板开孔区域中的气液流态决定的，可以 以筛孔板开孔区域不同气液流态为依据，对降液管中的气液两相流态进行针对 性的研究。可以预见的是，对降液管气液流态研究的深入程度是由对筛孔板开 孔区域气液流态认识完整程度决定的。因此，在今后的研究工作中，应更多地 将开孔区域和降液管的两相流态结合在一起进行，这对更真实完整地体现出实 际筛孔板上的真实气液两相流态有积极意义。 1 4 课题研究意义 对氮洗塔塔板效率的研究一直以来是业界研究的重点，同时也是难点。目 前对塔板效率的预测多为经验估计法，缺乏准确性。采用低温液氮洗工艺去除 c o 等杂质的气液相流动和各组分浓度变化的具体规律尚需进一步研究。显而易 见，各类精馏塔的塔板效率必定与塔板上气液两相的流态及各组分在混合相中 发生的物质交换情况密切相关。因此，若能从流体力学及热力学的角度准确描 述塔板上各组分及相态变化原理及规律，对预测塔板效率具有十分重要的指导 意义。 1 5 本文的主要研究内容 综上所述，本文将采用低温液氮洗工艺去除c o 等杂质的气液相流动和各 组分浓度变化的具体规律做进一步研究。在液氮温度下，合成氨杂质原料气中 c o 在筛孔板上与液氮发生的质量传输特性是本课题研究的重点。本课题将从气 8 h 蠢 武汉理工大学硕士学位论文 液两相在液氮洗工艺中采用的筛孔塔板上的流场变化特征，以及以c o 为主的 浓度变化规律为重点研究方向，首先建立单层塔板上的动态流场数学模型以及 气相组分转化到液相中的浓度场数学模型，通过商业流体动力学计算软件进行 仿真模拟，并得出具有借鉴价值的结论。对此，本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 分析塔板上气液两相的混合流动特点，建立能准确描述气液两相流的混 合流场的数学模型；分析混合相中物质组分传递原理，以筛板塔上两相混合流 场模型为基础，建立物质组分的浓度场数学模型。 ( 2 ) 以标准工业筛孔塔板为模拟平台建立筛板模型，利用商业流体动力学分 析软件进行两相混合流场及物质传输的模拟，并得出塔板上两相速度场和物质 传输的分布规律。 ( 3 ) 分析精馏塔板板效率，建立适应于低温液