十字旋閥塔板效率的研究范文

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《現代化工雜志》2015年第九期

摘要:

以環己烷－正庚烷物系，在直徑為0.75m、內置4塊塔板、40m2板式再沸器和30m2板式冷凝器的精餾塔中考察了開孔率、閥孔動能因子、回流比等因素對十字旋閥塔板默弗里板效率的影響。其中開孔率變量是8.22%、11.0%和13.56%;閥孔動能因子變化范圍是(5～13)(m/s)(kg/m3)0.5;回流比變量是∞、15、10、8。在開孔率為11.0%，回流比為15的條件下，與F1型浮閥的板效率做了對比。將實驗值與AIChE效率模型、變型的Chen－Chuang效率模型的計算值也進行了對比。結果表明，在相同操作條件下，開孔率越大，塔板效率越低，且波動也越大;在相同開孔率條件下，塔板效率隨回流減小而變小;基于Liang等的變型Chen－Chuang模型更加適合十字旋閥塔板的板效率預測，其誤差較小，為工業設計提供了參考。

關鍵詞:

十字旋閥;板效率;開孔率;閥孔動能因子;回流比

浮閥塔板由于可以自動調節氣體流通面積，具有操作彈性大和操作穩定的優點，是目前應用最為廣泛的塔板，但浮閥形式多樣，傳質性能有所差異，使得研究人員很難建立統一通用的浮閥塔板效率模型，而目前塔板效率模型都是以泡罩塔和篩板塔的實驗數據進行關聯的，應用于浮閥塔有一定的局限性。十字旋閥塔板是在F1型浮閥塔板的基礎上結合導向浮閥的綜合優點而設計改造的，它的特點是:在板面上特制十字形閥孔，并裝配十字構型閥片，閥腿三面開有導向孔，與液流方向相反的閥腿不開導向孔，氣流從浮閥四周吹出，有較大的通道面積，并且減小了氣液對沖，同時，氣流上升產生旋流，有效減少了霧沫夾帶。冷模實驗已指出，在小液流強度下，氣液接觸充分且鼓泡細膩，泡沫層高度穩定，壓降低，流體力學性能較好［1］。因此，對十字旋閥塔板傳質效率的研究和建模尤為重要。實驗室小型精餾塔設備與工業規模的工況大不相同，在放大過程中塔板上的氣液流體力學的差異造成塔板效率不同。要在實驗室中建一套中試規模精餾塔，并采用國際公認標準物系測定塔板效率，完成部分回流操作，存在著空間和運轉成本無法承受的難題。華東理工大學利用循環、混合、塔釜進料，巧妙設計改造了國內第一座中試規模連續精餾實驗裝置，專門測定工業塔板的板效率，實驗數據可直接為工業應用提供設計幫助。

1板效率模型

1.1AIChE塔板效率模型20世紀50年代，美國化學工程師協會綜合了對塔板效率的影響因素，如物性參數、塔板細部結構、操作條件等，提出了AIChE［2］效率模型，計算依據為:按照雙膜理論計算點效率;按照一維渦流擴散模型和液體在塔板上的軸向返混計算塔板效率。該模型沒有考慮氣液流態，如氣速的分布對液流和塔板返混的影響，且當求液膜控制體系的點效率時，用此模型誤差偏大?？傮w來說，其建模的方法提供了方向，如塔板上氣液相傳質單元數的關聯式和采用的返混模型等。

1.2Chen－Chuang塔板效率模型以溶質滲透理論為基礎，采用了氣體和液體的停留時間的計算及增加了對相界面積的關聯計算。此效率模型適用于鼓泡狀態下的效率計算，考慮了表面張力并且從相界面積著手。相對于AIChE而言，其預測浮閥類塔板效率更加符合實際。由于浮閥種類眾多，為每種浮閥都建立相對應的效率模型而都進行實驗耗費巨大的人力和物力。通過分析發現，對浮閥板效率模型的建立和預測只能對篩板效率模型進行改良［4］，如一些重要流體力學清液層高度和相界面積的關聯。發現考慮到浮閥結構因素，在Chen－Chuang模型基礎上對清夜層高度、渦流擴散系數及相界面積進行改良，比較適合十字旋閥塔板。

2實驗部分

實驗在一直徑為750mm、塔高4000mm、內置4塊塔板、板間距為600mm的熱模塔(塔設備參數見表1)內進行，將塔頂出料與塔釜循環液混合進入塔釜再沸器，在塔釜以飽和蒸汽連續上升，全塔只有精餾段。進料量變化范圍為143～229L/h，環己烷的質量分數約為0.55。以環己烷－正庚烷為物系，常壓、部分回流操作，改變塔釜的加熱蒸汽量來改變塔內的氣液相負荷。取樣，利用氣相色譜，選用歸一化法定量分析濃度。實驗裝置流程如圖1所示。

3結果及分析

3.1開孔率對板效率的影響由圖2中可以看出，當處于正常的操作范圍內，開孔率越小，塔板效率越大;當F在8～10(m/s)(kg/m3)0.5之間時，塔板效率接近;其中=13.56%的塔板效率波動較大，幅度為10%～20%?？赡芤驗殚_孔率越大，漏液點高，從視鏡中可以看到浮閥部分開啟，隨機漏液，氣速分布不均勻造成塔板上液體返混較大，導致塔板效率波動比較大。當氣速增大到一定程度，在F=8～10(m/s)(kg/m3)0.5時，=11.0%和=8.22%的塔板都處于操作氣速范圍內，漏液量減小，浮閥均勻地開啟且自動調節，鼓泡面積較大，傳質效率較高，且塔板上氣液相接觸和傳質情況相近，因此，板效率相差不大。隨著氣速的繼續增大，F＞10(m/s)(kg/m3)0.5時，浮閥基本處于全開狀態，小開孔率的塔板上的氣液接觸狀態為噴射狀態，氣體變為連續相，液體變為分散相，氣液傳質面積變為液滴表面，相界面積增大，傳質效果顯著增強。

3.2回流比對塔板效率的影響從圖3中可以看出，=11.0%時，板效率隨著氣速的增大而增大，當F＞9(m/s)(kg/m3)0.5時，板效率變化較大;回流比越大，塔板效率也越大，當回流比R＞15時，與全回流的曲線有部分交錯;而當R＜15時，板效率的波動明顯增大。可能是由于回流比的減小導致塔板上氣液推動力減小，氣液相傳質速率降低，從而板效率降低，且當回流比進一步減小到8時，操作氣速下降到低于漏液點氣速，氣液接觸狀態不良，非理想流動因素增多，造成塔板氣液濃度分布不均，返混較大，塔板效率波動較大。全回流時，氣液相流量達到最大，系統較穩定且氣液相接觸較充分，氣液相傳質推動力最大，因此，傳質效率較高，波動較小;而回流比較大時類似于全回流，液氣比對板效率的影響甚微，因為通過計算進入塔釜的物料的能量和濃度，得出其對塔釜沒有影響，所以R=15和R=∞的板效率曲線有相當一部分重合在一起。

3.3F1和十字旋閥塔板的比較通過圖4可以看出，在開孔率相同的情況下，十字旋閥塔板的板效率高于F1約10%，但隨著閥孔動能因子的增大變化不是很明顯;相同塔釜供熱和開孔率下，十字旋閥可以達到更大的閥孔動能因子，說明其傳質阻力比F1小，更加有利于傳質，從而表現出比F1較高的塔板效率，這其中主要是F1的塔板結構所致，由于氣體經浮閥向四周吹出，造成塔板液體返混大且液層分布不均勻，而十字浮閥的結構對液體有推動作用，液層分布較均勻，增大了其操作彈性，這樣減少了在較大氣速下的霧沫夾帶，并且在穩定操作情況下，其十字結構造成的十字旋流減小了液體的對沖，更加有利于液體的破碎，增加了氣液傳質面積和湍動，提高了傳質效率。

3.4板效率模型值、實驗值的比較本文中以開孔率為11.0%和在R=∞的情況下的第三塊為例，從表2看出，AIChE模型計算的值隨著閥孔能因子的增大而減小，并且與計算值的誤差越來越大，而基于Molnar的渦流擴散模型的變型Chen－Chuang模型計算值較符合實際，相對于AIChE模型，說明其從相界面著手采用溶質滲透理論這一思路，比較適用十字旋閥塔板效率的計算，可是由于它沒有考慮到浮閥的幾何結構對氣液流動造成的影響，在估算相界面積上不是很準確。最后采用Liang等的相界面積關聯式替代Chen－Chuang模型的相界面積關聯式的計算較真實地反映了浮閥結構對氣速分布的影響不同于篩板結構，所以基于Liang等相界面積的變型的Chen－Chuang模型計算值較前2種方法更接近實際值，且為浮閥塔板效率的預測提供了一定的參考。

4結論

通過考察開孔率不同閥孔動能因子和回流比對十字旋閥塔板塔板效率的研究，并將其和F1型塔板效率進行比較，綜合得出以下結論。(1)同一回流比下，開孔率的減小有利于提高塔板效率;開孔率越大，塔板效率波動越大。(2)相同開孔率下，隨著回流比的減小，塔板傳質效率波動增大，塔板效率降低。(3)在相同操作條件下，十字旋閥塔板的效率略高于F1型塔板，為塔板的設計提供了一定的方案。(4)相較于AIChE模型和基于Molnar的渦流擴散模型的變型Chen－Chuang模型，基于Liang等的變型Chen－Chuang模型更加適合十字旋閥塔板的板效率預測，其誤差較小，為工業設計提供了依據。

參考文獻

［1］宇星，華志明，王建亮，等．十字旋閥塔板的流體力學性能［J］．華東理工大學學報:自然科學版，2006，32(5):519－523．

［2］蘭州石油機械研究所．現代塔器技術［M］．2版．北京:中國石化出版社，2005．

［3］GuangXChen，KarlTChuang．Predictionofpointefficiencyforsievetraysindistillation［J］．IndEngChemRes，1993，32:701－708．

［4］AnandNVennavelli，JamesRWhiteley，MichaelRResetarits．Pre-dictingvalvetrayefficiency［J］．ChemicalEngineeringResearchandDesign，2014，92(11):2148－2152．

［5］LiangYin-Chun，ZhouZheng，ShaoMin，etal．Theimpactofvalvetraygeometryontheinterfacialareaofmasstransfer［J］．AICHEJournal，2008，54(6):1470－1477．

作者：趙培 楊康 張秋香 單位：華東理工大學化工學院