Runde塔盘流体力学性能的冷模实验研究

发布时间：2015-01-01 10:23

 

【摘要】 我国塔器技术从上世纪八十年代开始研究,九十年代到本世纪初达到了高峰,经过多种尝试,弃繁从简已成为新的发展趋势,本文在著名林德板的基础上,开发了一种新型穿流塔盘——润德板(Runde塔盘)。在西北大学思瑞迪精馏工程技术研究中心开发的多功能塔器实验装置(专利号：CN201110067233.X)上以空气/水为介质,采用两种不同结构的六块Runde塔盘进行冷模实验,研究其在不同的负荷下的干板压降、总板压降、清液层高度、平均泡沫层高度、泛点气速等流体力学性能。通过分析对比,确定最适宜工业化的塔盘结构和最佳固阀开孔比,并在同一工况下与传统筛板穿流塔盘进行对比试验。实验结果表明：筛孔型Runde塔盘结构简单,对穿流筛孔塔盘增设倒置固阀,相当于多个微型降液管,使得液体在塔板之间形成一定的分布来强化传质。从而在塔盘上形成两次传质过程,第一次传质是在板上,气体通过筛孔进入清液层时的鼓泡传质；随着F因子升高,倒置固阀液体下降状态由淅沥流淌到喷淋而下,与上升的气体形成二次传质。在操作弹性范围内,筛孔型Runde塔盘压降比传统筛孔穿流塔盘高45.1%,气含率比传统穿流塔盘高30.9%,泛点气速比传统穿流塔盘提高36.4%,筛孔型Runde塔盘操作弹性比传统穿流筛孔塔盘平均提升51.4%以上,根据不同固阀开孔比筛孔Runde塔盘流体力学性能和操作弹性比较,筛孔Runde塔盘的最佳固阀开孔比为33.3%。

第一章绪论

 

1.1塔设备

随着可持续发展、资源配置和经济发展方式转型的日益关注，作为与人类日常生活用品，化工行业也迎来愈来愈严峻的挑战。化工中耗能大户即是分离工程，分离工程中最大的投资无外乎设备投资和能耗投资，虽然诸如膜分离、分子蒸馆、新型吸附分离、溶盐精馆、加盐萃取精馆、以及离子交换与色谱等新兴分离技术日趋成熟，，但塔仍然也必然将在以后是分离技术的主要设备。

在设备投资中，塔器及钢材耗费仅次于换热器类。能耗方面，塔器设备作为化学分离工业中的最主要的设备，能耗大于其他任何设备。统计数据显示，石化行业能耗占工业总能耗的很大部分，其中精馆过程耗能约占3/5，而精馆过程是由塔设备来实现的。

塔设备能够为气液或者液液分离过程提供必要的空间和时间，在塔中气液多次接触多次分离，进而使得气液中不同组分分离，从而得到目标产品。

所以，塔器在化工中的地位无可厚非是至关重要。建设节约型消费模式，开发新型高效塔器技术仍是主攻方向。塔器设备分类方法有多种，按其接触原理来看，可分为微分接触式和分级接触式两大类型。

 

 

 

1.2微分接触式

微分接触式设备最典型的属填料塔，其研发始于20年代，从70年代真正开始了科学研究，90年代其大范围工业应用。同时国内填料塔发展也主要从90年代开始，主要由天津大学研宄究开发、推广，笔耕文化推荐期刊，到2010年，西北大学思瑞迪精馏馆工程研究中心开发出成套的3D填料技术。

填料塔传质最主要的核心元件是填料，液相在填料表面铺展开成薄液层，气相通过填料时将薄液层吹成液膜，液膜破碎，气液分离，完成一次传质，形成一个传质单元，气体继续向上走，遇到上一个薄液层，再一次拉膜，无数次快速拉膜、快速破碎，无数传质单元紧密相连，将气液接触表面微分化，相界面更新时间也微分化，将传质单元也微分化，气液相接触更均勾化，从而使得其相界面无限增大。所以，填料塔的传质效率相对较高，同时，由于填料之间间隙小、易堵、放大效应严重。

填料塔中填料是主要分离元件，如图1.1所示，填料塔以一直立式圆柱形筒体为主体部分，还有其他功能性组件，如：液体分布组件、压紧组件、支撑组件、液体收集组件、再分布组件、除沫组件等。

其上填料根据填料本身有两种摆放方式（即整堆和散放）。因此，根据其摆放方式，又分为散堆填料和规整填料。

规整填料，顾名思义，填料呈一定结构安装于塔内，其效率远远高于散堆填料。该方面研究主要从世纪中叶开始，此后开始出现了许多新型塔盘。

 

第二章实验方案

 

2.1试验装置介绍

2.1.1组合式多功能实验塔及其装置介绍

（1）装置背景

该装置是由西北大学与西安思瑞迪精馆工程有限公司联合成立的“西北大学思瑞迪精懷技术研宄中心建造的，可进行塔板和填料的冷模和热模实验研宄，而且吸收、解析可以在同一装置内同时进行。主要用于3D塔盘的开发与性能研宄，先后在该装置上成功开发试验出3D 90浮阀塔盘、3D 120浮阀塔盘、立装规整填料、泡罩塔盘、泡罩立体蹄板塔盘、抛物线椭圆斜孔塔盘、喷淋溢流塔盘、穿流塔盘等。其中3D 90浮阀塔盘、3D 120浮阀塔盘、抛物线椭圆斜孔塔盘、喷淋溢流塔盘已成功工业化。2012年成功在该装置上对新型垂直蹄板塔盘与传统F1浮阀塔盘传质效率进行对比试验，试验结果为新型垂直蹄板塔盘在石錯油分离特殊工况的工业化提供中试数据，并且为其工业化的应用提供可靠保证。该装置是完整的工业中试装置，所以该装置的试验研宄结果对于工业生产及应用有着非常重要的参考价值。

（2）装置特色

该实验装置可完成完整的精馆工艺过程，由进料系统、循环水系统、通风系统、试验塔系统、检测系统、吊装系统六大部分组成。各个部分的具体设备参数如表2.1所示。

 

 

 

 

 

2.2实验方案

2.2.1实验目的及原理

（1）实验目的

通过实验测得相关参数，对实验数据进行分析，并对实验结果进行拟合，得到相应的关联式。所得关联式指导该类型塔盘的设计。

（2）实验原理：

塔盘的性能可由冷模实验和热模实验进行测定，本次实验仅从冷模实验对该塔盘进行评价，塔器冷模实验，其介质采用空气和水来模拟塔盘在正常工况下的操作状态，空气与水在塔内逆流接触，完成传质过程。而塔盘不同，空气与水在塔内接触状态相异。

根据实验，描述该新型塔盘的气液接触状态，记录不同工况下，塔盘上全部气液接触状态。通过对塔盘的压降、清液层高度、平均泡沫层高度、泛点气速等的测量，采用传统穿流塔盘的性能公式回归，得到一个适用于Runder塔盘的经验关联式。

2.2.2研究方法

本课题的主要实验内容是对Runder塔盘的流体力学性能和传质性能进行测定，并在相同的实验条件下将两种Runder塔盘的性能与传统穿流塔盘进行比较。因此分以下几个方面分别做以研究。

（1）压降的研究

塔内压强降直接影响着塔的操作费用，对于精循系统而言，塔内压强降的减小可以降低塔爸温度，这对热敏物系的分离非常有利。塔板压降主要跟以下因素有关：物系的粘度和密度、塔板结构、气速、液流强度。本课题拟研宄在其它条件不变的情况下，塔盘形式对干板压降和总板压降的影响；在不同的喷淋密度下，研宄喷淋密度对塔板压降的影响；以及当塔板开孔比改变时，塔板开孔比对干板压降和总板压降的影响。

 

第三章筛孔Runder塔盘的性能研究..........25

3.1压降.........25

3.1.1干板压降.......25

3.1.2总板压降.......27

第四章浮阀Runder塔盘的性能研究.......36

4.1压降...........36

4.1.1干板压降.......38

4.1.2总板压降.....40

第五章Runder塔盘与穿流塔盘的比较........47

5.1干板压降.....47

5.2总板压降.......48

 

第五章Runder塔盘与穿流塔盘的比较

 

为了更好的评价under塔板性能，本文在相同的实验条件下对穿流塔板做了相应的实验研宄，并且将两种under塔盘与穿流塔盘的水力学性能进行了对比实验，对比试验采用的是与润的塔盘相同的开孔率（20%），板厚度（10mm），孔径25mm的圆形孔型穿流塔盘进行试验。

 

5.1干板压降

 

 

三块的干板压降与空塔气速的关系对比图如图5.1,曲线A、B、C分别表示的是蹄孔塔盘、浮阀塔盘和传统蹄孔穿流塔盘。A、B、C的干板压降都是随着的增大而增大的，并且两种Runder塔盘的干板压降都大于穿流塔盘，主要是由于：

穿流塔盘上无论F因子大小，压降都来自与气体进入蹄孔缩流，离开蹄孔扩流产生的局部阻力，所以干板压降随着F因子基本呈正比关系。

而筛孔Runder塔盘在F因子较小时，压降来自蹄孔处气体缩流扩流的局部阻力，但F因子到一定数值时，气体也会通过倒置固阀，通过倒置固阀时气体亦存在缩流扩流，不但如此还有两次气相流向改变，产生额外局部阻力损失。这两方面的阻力损失使得其压降比穿流塔盘稍大。

 

结论与展望

 

结论

本文在概述了化工行业的重要性、国内外塔器技术的发展情况以及穿流塔盘的研究现状。从实际实验出发对Runder塔盘的流体力学性能进行系统研究。在自主开发的多功能塔器实验装置上，以水空气为实验介质，对新开发的Runder塔盘进行冷模试验研究，得到塔盘的干板压降、液泛气速、清液层高度、泡沫层高度和操作弹性等性能参数。Runder塔盘比穿流塔板流体力学性能更加优良，与筛孔型相比，浮阀型Runde塔r盘，上限低，下限更低，虽操作弹性比相对较大，但失去了穿流塔盘原有的大处理量的特性，相比而言筛孔型塔盘初步达到设计目的，从操作弹性上也初步具备工业化条件。

其实验结果总结如下：

（1）筛孔型Runde塔盘制造简单，其加工生产过程仅需一次打孔和一次冲压就能完成，而且无需加工降液管，所以制造简单，造价低。

（2）塔盘在操作过程中，出现两次传质，第一次传质是在板上，气体通过筛孔进入清液层时的鼓泡传质；随着F因子升髙，倒置固阀液体下降状态由淅沥流淌到平射喷出，喷出过程中产生液膜，气体通过液膜时，出现第二次液膜传质。

（3）在操作弹性范围内，筛孔型Runde塔盘压降比传统筛孔穿流塔盘高45.1%，气含率比传统穿流塔盘高30.9%，泛点气速比传统穿流塔盘高36.4%，一定喷淋密度下，随着因子增大，压降逐渐增大，清液层和泡沫层逐渐加厚，气含率逐渐升高。在F因子不变，随着喷淋密度增大，泛点气速减小。

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本文编号：10973