（化学工程专业论文）波纹板填料轻烃脱水过程的研究.pdf

中文摘要 波纹板填料用于轻烃脱水过程是一项新技术，它的应用能够产生重大的经济 效益和社会效益。本文以轻烃脱水工业为背景，采用等比表面积原则，将波纹板 填料轻烃脱水过程简化为倾斜放置的平板的并流和逆流过程组合的分离过程，推 导了液液两相在倾斜平板问并流和逆流的速度分布式及重相液层厚度的计算式， 导出了液滴在连续相中的运动方程，完善了液滴在相界面上的运动模型和聚结模 型。在此基础上，结合粒子运动轨迹和临界粒径分布函数法，建立了斜置平板川 并流和逆流液液分相的液滴运动聚结过程的数学模型，建立了波纹板填荆轻 烃脱水的数学模型，从而能够直接计算出波纹板填料轻烃脱水装置出口处的轻烃 含水量。 本文进行了波纹板填料轻烃脱水过程的实验研究，分析了流量、轻烃含水量、 温度等操作条件对分离效率的影响，分析了填料比表面和板组长等波纹板结构性 能对分离效率的影响，为设计波纹板填料轻烃脱水器和开发高教的波纹板轻烃脱 水填料提供了依据。 本文所建立的波纹板填料轻烃脱水的数学模型的模拟计算结果和实验结果 能较好地吻合。 关键词：液液分相流动波纹板填料轻烃脱水 a b s t r a c t i ti san e wt e c h n o l o g yt o d e h y d r a t el i g h th y d r o c a r b o n sb yc o r r u g a t e dp l a t e p a c k a g e s ，w h i c hw i l lb r i n gs i g n i f i c a n te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t si nt h i s f i e l d i n t h i s p a p e r ，b a s e d o n e q u a i s u r f a c ea r e a p r i n c i p l e ，w es i m p l i f y t h e l i g h t h y d r o c a r b o n - w a t e rs e p a r a t i o np r o c e s s w i t h c o r r u g a t e dp l a t ep a c k a g e s t ob e c o m b i n a t i o no ft h ec o c u r r e n tf l o wa n dc o u n t e r - c u r r e n tf l o w p r o c e s s e s b e t w e e n i n c l i n e d p l a t e s t h e v e l o c i t i e s p r o f i l e s o fs t r a t i f i e d t w o p h a s e c o c u r r e n ta n d c o u n t e r c u r r e n tf l o wa n df o r m u l a t eo ft h et r i c k l i n gf i l mt h i c k n e s sa r ed e d u c e ds ow e c o n c l u d et h em o t i o ne q u a t i o no fas i n g l ed r o p l e ti nc u r r e n tp h a s ea n di m p r o v et h e m o t i o n c o a l e s c e n c em o d e lo fd r o p l e t so nt h e p h a s ei n t e r f a c e t o g e t h e rw i t h t h e t r a j e c t o r y o fad r o p l e ta t a n yi n s t a n t ，w e f o r m u l a t et h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f l n o t i o n c o a l e s c e n c eo fd r o p l e t si nl i q u i d l i q u i dc o c u r r e n ta n dc o u n t e r - c u r r e n tf l o w s b e t w e e ni n c l i n e s p l a t e sa n de s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd e h y d r a t i o nf r o m l i g h th y d r o c a r b o n w i t h c o r r u g a t e dp l a t ep a c k a g e s a c c o r d i n g l y ，t h e o u t l e t c o n c e n t r a t i o no fw a t e ri nl i g h th y d r o c a r b o nw i t hc o r r u g a t e dp l a t ep a c k a g e sc a nb e p r e d i c t e d w e s t u d yt h es e p a r a t i o np r o c e s so fl i g h th y d r o c a r b o n w a t e rw i t hc o r r u g a t e dp l a t e p a c k a g e sb ye x p e r i m e n t s m e a n w h i l e ，w ea n a l y z e t h ee f f e c t so f f l u x ，w a t e r c o n c e n t r a t i o ni nl i g h th y d r o c a r b o na n dt e m p e r a t u r eo nt h es e p a r a t ee f f i c i e n c yd u r i n g t h i s p r o c e s s i na d d i t i o n ，t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fc o r r u g a t e dp l a t ep a c k a g e s ， s u c ha st h es u r f a c ea r e ao f p a c k a g e sa n dt h eg e o m e t r ys i z e s o f p l a t e s ，a r ea n a l y z e da t t h i ss e p a r a t ee f f i c i e n c y a l lt h o s eh a v ep r o v i d e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g no f t h e c o r r u g a t e dp l a t es e p a r a t o r sa n dt h ed e v e l o p m e n to fn e wt y p e so fh i g h e re f f i c i e n c y p a c k a g e sf o rl i g h th y d r o c a r b o n w a t e rs e p a r a t i o n s a t i s f a c t o r ya g r e e m e n t s h a v eb e e no b t a i n e d b e t w e e nt h ec a l c u l a t e da n d e x p e r i m e n t a lv a l u e so f o u t l e tc o n c e n t r a t i o ni na c o r r u g a t e dp l a t es e p a r a t o r k e y w o r d s ：l i q u i d l i q u i ds t r a t i f i e dt w o p h a s ef l o w s ，c o r r u g a t e dp l a t ep a c k a g e s l i g h th y d r o c a r b o n w a t e rs e p a r a t i o n 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j l - ，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材利。与我。同： 作的同志列本研究所做的任何贡献均已存论文： ， 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：呀步任 签字日期：易扩z 年z 月加f i 学位沦文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一墨生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 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) 学付论则省签名：丐乡7 。v 签引：莎拍一j 跏 瓣名：茎荔旧 签：孑h 期：0 。o3 年la 月df 旧 第一章文献综述 第一章文献综述 随着石油工业的迅速发展，尤其是石油产品深加工的发展，综合利用具有广 泛用途的轻烃对于提高企业的经济效益有着越来越明显的价值。但是由于轻烃 的来源不同，大都含有杂质、油泥和水份，因此在加工前需经过一定的分离处理。 尤其是含有水的轻烃在后续的操作中，容易产生冰或者水化物，造成设备的堵塞 或者设备腐蚀，使生产无法进行或者发生事故，因此，如何经济有效地脱出轻烃 中的水正被科技工作者所重视和关注。 轻烃与水的分离过程实际上是不互溶的水滴与连续相的轻烃分离过程的具 体体现。这种液液两相分散体系的分相过程广泛地存在于化学工程的许多单元操 作中。如吸收过程、油水分离过程、萃取过程、混台澄清过程、生物过程、液膜 分离过程等。对液滴及液滴群的运动行为、界面现象以及液滴之阅的招互作用、 碰撞、聚结过程的深入研究是成功处理这些过程的关键。 本章将对轻烃脱水的研究现状和液液分散体系的理论研究进行文献综述。 j 1 轻烃脱水的研究现状 轻烃主要是由c ：一c 。：的链状饱和脂肪烃及其异构体等多组分组成的烃类混 合物，具有易燃、熔点低、在水中溶解度很小等特点，具有广泛的用途。轻烃的 来源主要有：各油田、采油厂提取的c - c 。的混合物轻质油：原油初馏塔、 原油常压分离塔等产生的塔顶油：天然气田、油田开采中的凝析油；炼油厂产生 的轻烃，如原油常压蒸馏的轻石脑油，石油二次加工的产品中含有的一定数量的 c j 及c ；以下烷烃组分；还有石油化工厂产生的轻烃主要是溶剂油。在含水轻烃 中，水一般以分散相和轻烃水化物的形态存在。本文将主要涉及利用机械方法除 去烃相中的分散相水的分离。 1 1 i 轻烃中溶解水量的计算 在二元烃水系统中，烃一水系统的相平衡具有鲜明的特点，整个相平衡关系 可以用一个三维的压力温度组成鳆线表示，当温度一定时，这个相平衡 关系就只与压力和组成有关。图1 1 表示在三个不同的温度下，系统的压力与组 成的相互关系，图中粗实线表示液相的溶解度。如图中所示，这个溶解度可以是 低压时气液相平衡状态下的溶解度，也可以是较高压力时液液相平衡状态下 的溶解度。对于一个恒定的温度，系统总存在着一个三枢点，在三福点的条件下， 液态的烃液态的水气态的烃和水共同处于一个平衡状态，而且对于一个 第一章文献综述 特定的温度，系统只对应着一个三相平衡压力。当压力低于三相平衡压力时，系 统中只有一种液相( 液态的烃或水) 与气相平衡，当压力高于三相平衡压力时，就 只存在两个液相( 液态的烃和液态的水) 之间的平衡。对于一个系统，这个三相 平衡压力可以通过在该系统所处的温度下的烃和水两组分的蒸气压来很好地近 似求得。由于烃与水的互溶度很小，所以其三相平衡压力( 即三相点压力) 近似 等于在系统所处温度下水和烃的蒸气压之和。 温度对烃水系统的相平衡有明显的影响，主要表现在随着温度的升高， 烃与水的互溶度增大，三相平衡点的压力也随之增高。压力对烃水系统气一 一液平衡区域的溶解度有比较明显的影响，但对液液平衡区域的溶解度影响 很小。这样，当系统的压力高于三相点压力时( 即系统中只存在两个液相) ，其 液相溶解度近似等于图中所示的三相点时的溶解度，除非所涉及的温度接近于临 界互溶温度。 正 力 p t w l h l h l v h l 形“ h 2 0组成h c t j 图1 1 水烃溶解度相图 注：v = 气相；w = 富水相：h = 富烃相；h c = 烃 李士伟给出了当得不到有关条件下水在纯烃或烃类混合物中的熔解度数 据时计算相应的溶解度值的方程式( 1 - 1 ) 。此方程适用于计算温度从一3 0 到 2 0 0 范围内的溶解度。并通过实际测量和计算的对照，验证出用公式( 1 - 1 ) 计 算轻烃中的含水量是稳定可靠的。 i o g x = - ( 4 2 0 0 箬- + 1 0 5 0 ) ( 竽一o 0 0 1 6 ) ( 1 - 1 ) oj 式中：x 为在给定条件下，水在纯烃或烃类混合物中的溶解度，摩尔分率；- “g - 为 。l 烃中氢与碳的重量比率；t 为列式温标，t = i 8t + 4 9 1 6 7 ，。r 。 在三种轻烃的组成上，原油稳定轻烃略重，而深冷轻烃最轻，因此其对应的 h c 值则为原油稳定轻烃小于浅冷轻烃，浅冷轻烃又小于深冷轻烃。从式( 1 1 ) 第一章文献综述 不难看出，在其它条件不变时，h c 值越高，含水量越低。所以，原油稳定轻 烃的含水量最高，浅冷轻烃次之，深冷轻烃又次之。 轻烃生产装置在稳定运转的情况下，所生产的轻烃的组成( h c ) 大致接 近，因此，在压力变化不大的情况下，轻烃中溶解的水量可以认为只与温度有关， 在实际生产中，适当地降低轻烃与水的分离温度将有助于减少轻烃的含水量。关 于这一方法的使用，将在后面内容中予以阐述。 1 1 2 轻烃水化物的研究 轻烃水化物主要是轻烃中乙烷、丙烷和丁烷分子与水分子络合形成的结晶 体，具有强亲和性，其晶体微粒在流动的液态轻烃中呈悬浮状态。轻烃水化物的 产生，造成了轻烃运输过程中管路堵塞的问题，因此需要采取相应的办法控制水 化物的生成，需要对其生成条件进行试验研究，为现场轻烃脱水、加工、集输以 及有关的油气加工设计工作提供必要的依据。实际上，因为轻烃的含水量不高， 所能生成的水化物量极微，再加轻烃具有易燃、易爆和易挥发的特性，所以轻烃 水化物生成和检测试验研究的难度较大。 郭桂芬等 2 】采用注甲醇的方法，对在轻烃回收装置中控制水化物进行了研 究，结果认为注甲醇的方法效果较好，对比于分子筛脱水装罨，具有投资小、操 作费用低、占地少等优点。 孔繁景等1 3 】鉴于直观检测轻烃水化物的各种途径都难以实现，提出了种间 接检测轻烃水化物的方法膜捕捉法。它利用膜捕捉器前后两端的压差变化来 间接检测水化物生成与否。经过实验研究发现，在输送轻烃过程中为防止生成水 化物，要控制相应的输送温度，否则就应加药。研究还发现，在不加药条件下， 当轻烃含水量在1 1 7 1 2 6 3 m g l 范围内变化时，轻烃水化物的生成温度无明显变 化，也就是说，在上述试验范围内，轻烃水化物的生成温度与含水量无关。 1 1 3 轻烃脱水方法及装置的研究 本节主要叙述脱除游离水的机械分离方法和脱除溶解水的降温脱水方法。机 械分离方法有重力法、离心法、聚结法、过滤法、电场法等。 1 131 重力法【4 0 j 重力法是最基本的一种初级处理方法。由于轻烃、气、水的相对密度不同， 组份一定的烃气混合物在一定的压力和温度下，当系统处于平衡时，就会形成一 定比例的烃、气、水相。当相对较轻的组份处于层流状态时，较重组份液滴就按 斯托克斯( s t o k e s ) 公式的运动规律沉降。重力式沉降分离设备即是依据这基 第一章文献综述 本原理进行设计的。1 9 0 4 年h a z e n 根据实践经验提出了“浅池理论”【6 】，即在重 力沉降过程中，分散而非结晶颗粒的沉降效果是以颗粒的沉降速度与池子的面积 为函数来衡量的，与池子深度、沉降时间无关。即要提高沉降池的处理能力有两 个途径：一是扩大沉降面积：二是提高颗粒下沉速度。提高颗粒下沉速度的措施， 可以通过斯托克斯公式得出，扩大沉降面积的措施是在容器内设置多层水平隔 板，这一理论为高效快速分离设备的设计奠定了基础。 主要的重力分离设备有储存罐( s t o c kt a n k ) ，沉淀罐( g u nb a r r e l ) ，游离水 脱除嚣( f r e ew a t e rk n o c k o u t ) 等，重力法只能除去颗粒较大的水滴，除去更小的 水滴就需要加速重力的分离方法。 1 1 3 2 离心法【4 7 】 离心分离是利用两相密度的不同、使高速旋转的非均相体系产生不同的离心 力，从而实现分离的一种方法。由于离心设备可以达到非常高的转速，产生高达 几百倍重力加速度的离心力，因此离心设备可以较为彻底地实现烃水分离，并且 只需很短的停留时间和较小的设备体积。 水力旋流器是利用离心分离原理工作的一种主要设备，它可实现连续相的液 体与作为分散相的固粒、液滴或气泡的物理分离，具有分离效率高、处理量适应 范围宽、结构简单、操作和维护方便、占地面积小、安装方便灵活、流程易于密 闭等优点。分散相与连续相之间的密度差越大，分散相的颗粒直径越大，分离就 越容易。水力旋流器除了要求两相介质之间存在着一定的密度差外，还要求两相 在强烈的旋转运动中不得产生任何物理或物理化学变化。 英国的m a t i nt h e w 等人【8 9 】从7 0 年代起首先开始对液液分离水力旋流器进 行研究，经过近1 0 年的研究，提出了液液分离水力旋流器设计的三条原则，即： 产生很强的旋转离心力来保证轻相能产生径向运动；设计很大的长径比来保证足 够的停留时间；保证空气柱处的流体稳定，不产生波动现象。他们基于这三条原 则设计出了直径为3 5 m m 的双锥双入口型液液分离旋流器。y o u n g g a b 等人 i o l 设计出了与双锥型具有相同的分离性能但处理量要高一倍的单锥型旋流器。 c o n o c o 公司【i l j 经过几何优化设计提出了k 型旋流器，在分离性能上有较大提高， 特别是对直径小于1 0um 的液滴分离性能提高更加明显。陆耀军等 1 习开发了一种 双锥单柱形液一液旋流分离管。较之于常规的双锥双柱形旋流管具有压降更小， 分离住自g 更好的特点。液液分离水力旋流器的工业应用从1 9 8 3 年开始就以惊人 的速度得到了发展。 对液液水力旋流器分离机理的研究可以优化水力旋流器的结构参数和操作 条件，提高分离性能。刘淼儿等i l3 j 以除油旋流器的实验结果为基础，阐述了液液 水力旋流器中流量的作用机理，定性地分析了粒径和流量对分离的影晌。赵立新 第一章文献综述 及同行【1 4 q6 】对液液水力旋流器流场特性与分离特性进行了研究工作，内容包括 对主要操作参数影响的分析，如流量、分流比、入口压力以及增压方式等；对主 要结构参数影响的分析，如旋流腔长度、锥段长度等：对水力旋流器径向速度测 试方法的分析等等。在定量分析方面，m a r t i nt h e w 等人拶。j 提出了液液分离水力 旋流器的综合效率计算式和无量纲旋流器特性数h y 。 在文献“”中介绍的一项美国最新专利结构既吸收了当代重力式油水分离设 备发展的新思想，同时又把离心分离的机制引入到重力式分离设备中，有机地利 用和发挥了双向流、离心分离和填料聚结的特点，在设计思想上有一定的独到之 处，只是目前尚未见其工程应用的报道。 1133 聚结法【4 1 8 _ 。9 j 聚结法是把聚结过程和重力分离结合于一个单元的加速重力分离方法，具有 效率高、停留时间短、设备简单等优点。其机理是：分散相液滴在重力作用下沉 降于聚结介质表面，并发生吸附、润湿、碰撞、聚结等过程，使分散相液滴长大 形成大液滴或液膜，在重力和液体流动的作用下，液膜或大液滴从聚结介质表面 脱除，从而实现分离。 聚结分离器又分为板式聚结器和多孔介质聚结器。 板式聚结器由一系列板组构成，多层板缩短了重相液滴的沉降高度，缩短了 沉降时间，增大了聚结表面，从而更快地完成液液两相分离。1 9 5 0 年美国壳牌 公司研制成功第一台平行板捕集器，可去除水中最小尺寸为6 0pm 的油滴。7 0 年代f r a m 公司开发了v 型板分离器。8 0 年代c e - n a t c 0 公司开发了商标为 p e r f o r m a x 的板式聚结器【2 0 - 2 2 1 ，这是一种错流式组合波纹板，经过不断改进，这 种设备在非均相分离中得到了广泛应用。营建树f 2 3 j 等研究的新型高效波纹板分离 器( 见图1 。2 ) 将“浅池原理”和“聚结技术”结合起来，采用斜通道波纹板作 9 图1 2 油水分离器示意图 1 进水口：2 进水室：3 集油室；4 垂直板组；5 ，水平板组 6 栅格：7 出油口：8 出水室：9 出水口 第一章文献综述 为分离构件、保证在定设备容积内，可提供最大的液滴沉降面积，以及尽可能多 的液滴聚结机会，并使得连续相中的液滴可在沉降中聚结，在聚结中沉降。分离 器内部液流分布均匀，防止了液流的短路和沟流，这样在较短的停留时间内，可 获得较高的分离效率。赵春莉f 2 4 j 推荐了一种优化的横向流板式分离器( c f p ) ， 采用给常规分离器的分离板组施加振动的方法，加强了液滴的聚结和沉淀物的去 除，提高了分离效率。这些新型的聚结器不仅提高了分离效率，还使板式分离技 术在密闭容器中得到了应用。 多孔介质聚结器的机理是当含水轻烃通过多孔介质时，分散相水滴吸附于多 孔介质表面。随着吸附水滴的聚结长大，在重力和液体流动的作用下，液滴便脱 离聚结介质表面而随混合液移动、沉降，最后沉降于底层并得到脱除。聚结捌料 可以是纤维状物，也可以是粒状物。多孔介质聚结机理非常复杂，与多孔介质的 毛细现象、聚结介质的凝聚力、渗透现象、物理吸附等多种因素有关，还受到范 德华力、伦敦力、流体的紊流扰动、固体表面力等多种因素的支配，现在还难以 定量地描述整个过程。 传统的聚结机理认为，聚结材料的表面性质是聚结分离的关键【2 3 l 。因为聚结 材料材质的差异，聚结的过程可以分为以润湿聚结为主和以碰撞聚结为主。陈雷 等【2 6 j 分析认为当聚结机理为润湿聚结和碰撞聚结同时作用时，聚结效率可得到大 幅度地提高。聚结材料良好的润湿型可以使液液混合物流经介质表面时分散相液 滴附着于固体表面上，在流体的剪切下水滴界面膜破裂，水滴聚结。就轻烃脱水 过程来说，陶粒、木屑、纤维材料、核桃壳等亲水性材料非常适合作为聚结材料 的材质。 聚结填料的空间构成则是影响聚结效率的主要因素。陈雷等经过聚结除油实 验研究发现，对于规整填料来说，不管填料为亲水性不锈钢材料，还是为亲油性 聚氯乙烯材料，尽管它们的聚结机理存在着差异，一种为碰撞聚结，另一种为润 湿聚结，但是由于规整填料的结构形式大大地改善了碰撞聚结的运行条件，因此 聚结机理都是润湿聚结和碰撞聚结并存，聚结效果都十分理想。 聚结法分离器分离效率受结构参数的影响很大。目前对聚结分离机理尚未完 全理解，聚结分离设备流体力学特性的研究也还不完善，改进和开发高效聚结分 离装置是研究聚结过程的重点。因此，开展对液液两相分离过程的基础研究，深 入理解其机理过程，对设计和开发高效的聚结装置具有重要意义 1 1 3 4 降温脱水 谈茂全等f 27 j 运用将常温液烃进行降温脱水的方法，用乙二醇吸收常温液烃在 降温过程中凝析出的水，从而达到脱水的目的。其脱水过程为：常温凝液分离器 出来的气体与含水2 0 - - 4 0 的乙二醇混合后，通过换热、制冷，在气体温度降 第一章文献综述 低过程中将乙二醇冷凝出水吸收，避免了水形成冰或水化物，吸水后的7 , - - 醇从 低温凝液分离器最底部排出，经蒸馏脱水后循环使用，如图1 3 所示。结果显示， 此方法达到了预期的脱水目的，并且可以在国内现有的用二甘醇、三甘醇作为吸 水防冻剂降温脱水的轻烃回收装置上加以利用。 原抽稳定冷凝椎烃 图l 一3 宝一联轻烃回收工艺流程示意图 1 高压机：2 低压机；3 空冷器；4 常温凝液分离器：5 换热器 6 丙烷蒸发器；7 低温凝液分离器；8 脱乙烷塔；9 液化气塔 1 2 液液分散体系的理论和实验研究 轻烃与水的分离过程实际上是液液两相分散体系的分相过程。 现有的对于液液分离器中两相层流流动的研究，大多集中在聚集时间的计 算，分散相滑移膜与分散相液滴的接触及破裂问题和液液两相分层流动体系的速 度分布及相接口动力学特性上。本节将从液滴和液滴群的沉降运动，液滴的聚结 过程和液液分散体系的研究三方面进行综述。 1 2 1 单液滴和液滴群的运动 要研究液液分散过程，首先要研究液滴和液滴群的沉降运动。 在低雷诺数下，直径为d 的小球在粘性液体中沉降，先是加速下降，很快作 匀速沉降运动。这时忽略惯性力的影响，粘性力起主要作用，由此而推导出斯托 克斯( s t o k e s ) 公式【2 8 ： “= 型：1 2 1 二旦! 兰( 1 2 ) t 8 随着雷诺数的增加，惯性力会变得重要，并产生尾流。当雷诺数( r e ) 大于 第一章文献综述 4 0 时，尾流变得不稳定，产生卡门涡街。随着雷诺数的进一步增大，涡流变得 极不稳定，并分裂成小涡流，速度变化不规刚；当雷诺数大于2 0 0 时，速度呈不 规则脉动，形成涡尾流。由此可见流动状态与雷诺数关系极大。由于流动的复杂 性，阻力很难求出理论解，因此阻力计算的公式大多为经验或半经验公式，适用 范围也不尽相同。文献 2 9 中较为详尽的描述了有关阻力计算的经验公式。 对于分散相液滴来说，情况就不同于固体颗粒在液体中的沉降了，因为液滴 同样为可动的液体，所以在摩擦力的作用下，会产生内部环流【3 ，其受力情况变 得复杂。哈马德一赖伯钦斯基( h - r ) 公式( t - 3 ) 和( 卜4 p 4 “1 描述了内部环 流存在的情况下，直径为d 的液滴在连续介质中的自由沉降速度。对于一定的系 统，需达到一定的雷诺数时才会出现内部环流。传质能促进环流，表面活性剂能 抑制环流。 ：互鲤二盟鲤： 1 8 爿= ! ! 丝拦! 1 2 + 3 麒 ( 1 3 ) ( 1 4 ) 以上分析了单液滴的沉降运动。 实际的液液分散体系多为干扰沉降，因为其中的液滴受周围流体的反向运动 影响和相互间碰撞、聚结、絮凝的影响。只有当液滴之间、液滴与壁面之间的距 离至少大于1 0 至2 0 倍液滴直径时，干扰沉降才可以忽略不计【3 4 ”】。 最早的干扰沉降速度公式多为经验或半经验公式，且多适用于固体系统。对 于滴泡系统，o a y l e r d 6 1 ，z u b e r 和h e n c h 3 7 1 ，z u b e r 和f i n d l e y 3 8 的实验研究表 明，滴泡系统的沉降末速与固体颗粒差别很大，但他们的模型在应用上局限很大。 i s h i i 和z u b e r 3 9 1 引入类似律和混合粘度模型，使得其模型在所有浓度范围和很 宽的雷诺数范围均适用。k u m a r 和h a r t l a n d 4 0 l 也导出了一个液滴群的经验表达 式，在很宽的浓度范围和雷诺数范围均适用。研究表明，多滴体系同单滴体系差 别较大。 综上所述，在整个液液分散系统中计算多滴体系的沉降速度时不能用单滴运 动的公式，而实际测量每个液滴的速度也不现实。为此，有必要测出某一区域内 液滴群的统计平均速度。目前使用的方法有如下三种： 粒子成像测速法( p i v 法) 一3 】是实用的大面积滴泡测量方法，将流场观测 和速度测量结合起来，既可以提供流场某点的速度。又可以提供流场的运动轨迹。 该法的优点是大面积流场速度测量，特别适合于动态过程的测量。该方法使求出 或测出某一滴径范围内或某一区域内一群液滴的统计平均速度成为了现实。 激光多普勒法是目前广泛使用的一种测速方法，简称l d v ! “】。该法是以微粒 第一章文献综述 为示踪荆，即在流体中加入比重和液体相近的微粒子，根据微粒子的“跟随性”， 利用光学差拍及干涉技术，测量移动物体散射光的多普勒频移。该法对流场干扰 小，但价格昂贵，调试困难，用于测量点速度效果好，测量大面积粒子场需要多 点扫描，很费时间。 光学照相法【4 5 】是以颗粒为示踪剂，采用间歇性的延时摄影技术，得到的颗粒 轨迹在相片上是一连串小圊点，根据圆点之间的距离和闪光时间间隔，就可以测 出某一粒子的运动速度。该方法只适用于稀溶液，而且需要测量每一个粒子的速 度，费时费力，浓度稍高就会失败。出于判别粒子相对的困难性，图像分析法也 不好解决。 李鑫钢【4 6 】应用p l y 测速系统测量了低浓度下液滴群在静止或流动流体中的 平均速度分布。董大勇【4 7 1 1 运用l d v 法对油水分层流动体系的速度分布进行了精 密测量。 1 2 2 液滴聚结过程的研究 液滴的碰撞和聚结是一个非常复杂的问题，不等径液滴的碰撞和聚结过程则 更加复杂。在多液滴系统的沉降过程中，液滴之间的碰撞概率很小，可以忽略不 计【48 。4 9 1 ，对于板式聚结器需要研究的是界面聚结和液滴在平板或斜板上的聚结。 自6 0 年代，国外一些学者对液滴聚结过程和聚结模型进行了大量的研究。 p r i n c e n ，b u r r i l l 和w o o d s 等人依据相界面处液滴与层膜的流体力学特性，对 液滴和层膜的变形、液相夹层排液机理等进行了理论研究 s q 一5 s 。8 0 年代以来， b l a s s 、r a u t e n b e r g 和r o m m e l 等人在层膜厚度、分层两相流体的速度分布、液 滴在连续相中的运动及液滴与层膜问夹层排水等研究的基础上，先后建立了单个 液滴在固定水平晃面上的聚结模型1 5 6 、5 & 和单个液滴在分层两相流界面上聚结模 型m 6 0 1 。其中，b l a s s 等人【5 7 “2 墟立的二维模型结果表明，如果流率较低，液 滴能够接近相界面与其相互作用，并且此时聚结时间很短，当流率增大时，只有 相对较大的液滴才能很快接近板面并发生聚结。y a n g 和h a r t a n d 6 3 斜板聚结 模型发展为三为柱坐标模型。 戚俊清旧4 等人在对聚结过程和分离界面处液滴与层膜流体力学特性分析的 基础上，建立了单个液滴在斜板层膜上聚结时间模型，模型计算值与b l a s s 等人 报道的实验结果误差小于1 0 。 1 2 3 板式分离器中液液分散体系的理论研究现状 目前，对于板式分离器中液液两相分层流动的研究主要集中在聚结时间的讨 算，液液两相分层流动体系的速度分布以及建立液液分离的数学模型等方面。本 第一章文献综述 节将重点介绍速度分布和分离过程数学模型的研究进展。 1 231 液液两相分层流动体系速度分布的研究 搞清楚两板间的流场是研究两板间操作过程的前提。 b l a s s 等人 5 m 2 】进行了多年研究得到了比较好的结果。1 9 8 3 年，他们基于相 邻的连续相运动的动力只来自于滑移膜和两平板间没有再循环现象发生的两点 假设，来确定其边界条件并得到了分层流动的速度分布模型，即“牵引模型”。 但是该模型在计算连续相中的速度梯度和剪切压力梯度时，其结果并不令人满 意。1 9 9 2 年，他们又提出了一个新的计算分层两相流动速度分布的数学模型， 称为“双层模型”。该模型通过对n a v i e r s t o k e s 方程进行分析求解得出。该模型 重新定义了边界条件，取消了连续相无再循环运动的假设。而之所以称为“双层 模型”是因为他把滑移膜和被牵引的连续相看作了独立的两个相。他们还通过实 验对以上模型进行了验证，结果两个模型计算出的轻相液层厚度均与实验结果吻 合较好，尤其是双层模型更为接近实测数据。但实验并没有对液液两相分层流动 的速度分布进行实际测量，所以模型中的速度分布方程正确与否无法得以确认。 李鑫钢【4 6 利用n a v i e r - s t o k e s 方程，通过设立界面速度比k 的方法推导出了 倾斜大平板间液液两相分层层流流动的速度分布模型。但是该模型缺乏实验依 据，关于在界面处剪应力的假设亦不尽合理，并且在测定界面速度比k 时具有 很大难度，不易推广使用。 蔓大勇【47 j 利用n a v i e r - s t o k e s 方程，通过设立界面剪切力参数建立了速度分 布模型，并运用激光多普勒测速仪对平板间两不互溶液相分层流动过程进行了速 度测定试验，计算结果与实验数据吻合较好。他发现在粘度相差较大的分层两相 流动体系中存在着较为特殊的界面条件。轻相的界面剪切力远远大于重相，且在 远离相界面处轻相存在最大速度点。但是对所建立的斜板间的速度分布模型没有 进行试验检测。 1 2 3 2 板式分离器数学模型的建立 对于液液非均相分离过程，理论上主要有两种途径建立其数学模型，一种是 临界颗粒分布函数法，一种是粒子运动轨迹法。通过数学模型则可求算出分离器 排出连续相中分散相的浓度。 朱呜跃等 6 5 “】首先得到反映油粒粒径与对应油份浓度关系的油粒体积累加 分布关系式，以及说明极限粒径与油水混合液物化参数、处理量、分离装置参数 关系的极限粒径函数式，然后，在此基础上建立了可以直接计算排放水含油量的 重力分离数学模型，见式( 1 5 ) 。他们还利用这种方法对三种常用板层形式的 重力分离装置，即平板、波纹板、三角板，进行了论证试验。在不同处理量、不 第一章文献综述 同进口油份浓度下，用排放水含油量的实测值和计算值相比较 计方法在工程设计中具有足够的准确性。 c 矿i _ k 掣印 结果表明这一设 ( 1 5 ) 式中：f 为每层信道的截面积，c m 为浓度累计分布函数，g ( ，y ) 为临界粒径 函数，k 为流念系数，一般取2 3 5 。 郑远扬【6 7 1 研制了种新的脱除水中分散油滴的分离器，采用斜通道波纹板填 料作为内部分离组件。他提出3 个简化假定条件，并在此基础上建立了波纹板组 件内分离过程的数学模型。导出波纹板聚结器的脱除效率为： 叩= t e x 一! 警 式中：u 一液流速度，m s ：u 一水的粘度，p a s ：l 一波纹板长度 k g m 3 ih 波纹板波高，m ；po 一油的密度，k m 3 。 ( 1 6 ) m ：p 一水的密度 陆耀军等【6 8 、”| 卡艮据分离器中的流场分布特点，提出了油水重力分离的塞 流、横混和返混模型并导出了相应的效率计算公式：通过对临界粒径的分析， 揭示了分离效果、设备结构、工况条件和介质特性之间的内在联系、建立了油水 重力分离的效率计算模型和设备计算模型。通过他们的实验结果表明，在3 种分 离模型中，塞流模型的技术经济特性最好。在建立的设备计算模型中，根据介质 特性、工况条件和设备结构，该模型可用于预测设备的分离效果；反过来，也可 在给定分离质量要求、介质特性和工况条件下，较为合理地确定设备的有关结构 参数。他们所建立的设备计算模型以分散相的实际液滴群为对象，较美国c e n a t c o 公司的同类计算模型，能更全面、真实地考虑分散相的实际分布特性。 邓志安等依据重力沉降分离的基本理论分析了不同入方位下流场流动 特性、液滴临界直径和设备分离效率，并给出了临界直径和分离效率的计算公式。 通过各模型分离特性的比较表明，理想状态下及流体流速沿流道竖向分布不均匀 时的分离效率较高，而流体流速沿流道横向分布不均匀时的分离效率较低因此 在设计时应尽量避免进液入口沿设备测向设嚣，以提高分离效率。 以临界粒径为基础的模型，都是建立在柱塞流动基础上的，以s t o k e s 公式 为基础，或对阻力进行修正和补偿。计算雷诺数时，是按流体静止状态下s t o k e s 公式沉降的终端速度进行计算的。这些模型在以下方面存在些问题：一是计算 雷诺数时速度不应该按液滴的终端速度，而应当选择液滴与流体的相对速度进行 计算，也就是在流道内不同点处雷诺数都是变化的；二是这些理论往往都是根据 经验将分散相等效为某一特定大小的液滴群来处理，即使引入临界粒径分如的概 第一章文献综述 念，也无法将液滴群对液滴沉降终端速度的影响考虑到实际计算中。 r o w l e y 和d a v i e s l 7 2 】提出了平板的粒子轨迹法模型，他们根据粒子的运动方 程，列出了粒子的真实运动轨迹方程，然后根据物料平衡模型，导出了连续性方 程。用蒙特一卡洛法求解上述模型，从而可以得到任一点处轻烃含水的浓度。该 方法和临界粒径模型一样没有考虑斜板上的聚结行为。另外，由于用到蒙特一忙 洛法求解，因而耗时很多。郑陵1 73 】将波纹板简化为斜板，列出了斜板的粒子轨迹 模型。 李鑫钢【4 6 】应用流体力学运动的基本方程推导出液液两层层流流动的速度分 布式，根据细小单元液滴上的受力平衡条件导出了液滴在连续相中的运动速度及 在桐界面处的运动速度和聚结时间模型，并在此基础上根据液滴的运动轨迹，建 立了倾斜平板问液液分相过程的液滴运动聚结数学模型，以此求算出平板分 离器出口分散相浓度。此模型亦尚需完善。 1 3 本论文的研究内容 大庆某公司原油稳定塔塔顶所出轻烃含水量为o 5 左右，此含水轻烃给运 输造成了很大困难，同时也影响了后续装置的生产，因此需要采取方法剥其进行 脱水处理。受该公司委托，我们进行了工艺过程的设计，并首次采用了新型波纹 板填料进行轻烃微量水的脱除。该项技术若应用成功，不仅会提高该公司的轻烃 产品质量，降低生产成本，产生巨大的经济效益，还可以通过对此项技术的理论 分析，丰富液液分散体系的分相过程理论。 本论文研究的目的是以轻烃脱水工业为背景，结合波纹板填料轻烃脱水实 验，研究波纹板填料轻烃脱水过程中水滴的沉降和聚结机理，建立波纹板填料轻 烃脱水的数学模型并研究波纹板填料轻烃脱水过程的影响参数。 本文的主要内容包括： 讨论将波纹板通道轻烃与水的分离过程，简化为倾斜平板问逆流和并流的 组合运动分离过程，并结合粒子运动轨迹和临界粒径分布函数法，推导出波纹板 填料轻烃与水分离的数学模型。 结合大庆某公司原油稳定塔塔顶含水轻烃脱水的工艺设计要求，进行波纹 板填料轻烃脱水实验方案、装置、流狸的测试。 通过对实验结果与计算结果的比较和分析，验证本文所建立的理论模型， 并研究波纹板填料、流量、含水浓度等因素对分离效率的影响。 第二章波纹板填料轻烃脱水过程的理论分析 第二章波纹板填料轻烃脱水过程的理论分析 波纹板填料用于轻烃脱水过程是一项新技术，就其理论发展来说还很不完 善，其设备设计也还处于经验阶段。为了更深刻地认识该过程，更好地进行设计 计算，有必要进行波纹板填料轻烃脱水过程的理论研究。 本章的主要内容就是将轻烃脱水作为典型的液液两相分层层流流动，在研究 液液两相分层层流流动的基础上，推导出轻烃脱水过程的速度分布，计算重相流 动液层厚度，研究液滴在液液分相流动体系中的运动，求解水滴在烃相中及在相 界面上的运动速度，从而进而建立波纹板填料轻烃脱水过程的数学模型，求算出 脱水器的脱除效率。 2 1 波纹板填料脱水过程的特点及理论分析简化方法 2 1 1 波纹板填料轻烃脱水过程的特点 图2 1 表明波纹板填料轻烃脱水过程。含水轻烃( 水为分散相) 进入脱水器 后，经过液体分布器均匀进入波纹板填料，随着流体的流动，同时由于重力和浮 力的作用，水滴沉降到作为聚结元件的波纹板上表面进行聚结、分离，分离好的 烃和水沿各自的出口排出。 含水轻 1 出水 图2 - 1波纹板填料脱水器 波纹板填料作为聚结元件，实现了浅池原理和聚结技术的良好结合，体现为 以下优点。 波纹板填料将分离器分割为多层通道，缩短了分散相的沉降( 或浮升) 距 离( 浅池原理) ，提高了脱水效率： 液流在填料通道内的流动路程呈“之”字形，从而为水滴在波纹扳表面的 第二章波纹板填料轻烃脱水过程的理论分析 粘附聚结和水滴之间的碰撞聚结提供了更多的机会； 波纹板填料为轻烃脱水提供了较大的分散相聚结表面积； 波纹板填料波峰处更有利于聚结水滴的沉降和固体颗粒的下沉。 脱水器以波纹板填料作为聚结元件，其内部流体的流动过程较为复杂。为了 理沦分析需要，鉴于波纹板填料的倾斜面可以看成倾斜板，而且波纹板的聚结机 理与斜板类似，我们将波纹板按照等比表面积原则简化为斜置平板。由于波纹板 正反交错放置，在研究时，波纹板填料的轻烃脱水过程可以认为是烃水两相通过 图2 2 所示通道的并流和逆流分离的组合过程。 逆流过程是指当烃水两相分散体系的主流方向为由下至上沿流体板间通道 流动，而分散相水滴所形成的重相流动膜的排出方向与分散体系的主流方向相反 时的过程：并流过程是指当烃水两相分散体系的主流方向为由上至下沿流体板间 通道流动，而分散相水滴所形成的重相流动膜的排出方向与分散体系的主流方向 相同时的过程。并流、逆流实际上是指液液两相分层流动的流向之间的关系。 图2 - 2 斜板间液液分离流动形式 在烃水两相分散体系流经倾斜平板通道的分离过程中，水滴随着烃相流动， 同时在重力的作用下而下沉。当水滴沉降至下平板的上表面时，便与板面吸附、 聚结，由此产生一由重相水滴所组成的沿平板壁面向下流动的流动膜。此后，重 相流动膜流至平板下端就沉降到容器底部重相水层中，从而完成了分离过程。 2 1 2 波纹板简化为倾斜平板的方法 按照等比表