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《現(xiàn)代化工雜志》2015年第九期

摘要:

以環(huán)己烷－正庚烷物系，在直徑為0.75m、內(nèi)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(kāi)孔率、閥孔動(dòng)能因子、回流比等因素對(duì)十字旋閥塔板默弗里板效率的影響。其中開(kāi)孔率變量是8.22%、11.0%和13.56%;閥孔動(dòng)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(kāi)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(duì)比。將實(shí)驗(yàn)值與AIChE效率模型、變型的Chen－Chuang效率模型的計(jì)算值也進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，在相同操作條件下，開(kāi)孔率越大，塔板效率越低，且波動(dòng)也越大;在相同開(kāi)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(yù)測(cè)，其誤差較小，為工業(yè)設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞:

十字旋閥;板效率;開(kāi)孔率;閥孔動(dòng)能因子;回流比

浮閥塔板由于可以自動(dòng)調(diào)節(jié)氣體流通面積，具有操作彈性大和操作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的塔板，但浮閥形式多樣，傳質(zhì)性能有所差異，使得研究人員很難建立統(tǒng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)的，應(yīng)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(chǔ)上結(jié)合導(dǎo)向浮閥的綜合優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)改造的，它的特點(diǎn)是:在板面上特制十字形閥孔，并裝配十字構(gòu)型閥片，閥腿三面開(kāi)有導(dǎo)向孔，與液流方向相反的閥腿不開(kāi)導(dǎo)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(duì)沖，同時(shí)，氣流上升產(chǎn)生旋流，有效減少了霧沫夾帶。冷模實(shí)驗(yàn)已指出，在小液流強(qiáng)度下，氣液接觸充分且鼓泡細(xì)膩，泡沫層高度穩(wěn)定，壓降低，流體力學(xué)性能較好［1］。因此，對(duì)十字旋閥塔板傳質(zhì)效率的研究和建模尤為重要。實(shí)驗(yàn)室小型精餾塔設(shè)備與工業(yè)規(guī)模的工況大不相同，在放大過(guò)程中塔板上的氣液流體力學(xué)的差異造成塔板效率不同。要在實(shí)驗(yàn)室中建一套中試規(guī)模精餾塔，并采用國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)物系測(cè)定塔板效率，完成部分回流操作，存在著空間和運(yùn)轉(zhuǎn)成本無(wú)法承受的難題。華東理工大學(xué)利用循環(huán)、混合、塔釜進(jìn)料，巧妙設(shè)計(jì)改造了國(guó)內(nèi)第一座中試規(guī)模連續(xù)精餾實(shí)驗(yàn)裝置，專門測(cè)定工業(yè)塔板的板效率，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可直接為工業(yè)應(yīng)用提供設(shè)計(jì)幫助。

1板效率模型

1.1AIChE塔板效率模型20世紀(jì)50年代，美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì)綜合了對(duì)塔板效率的影響因素，如物性參數(shù)、塔板細(xì)部結(jié)構(gòu)、操作條件等，提出了AIChE［2］效率模型，計(jì)算依據(jù)為:按照雙膜理論計(jì)算點(diǎn)效率;按照一維渦流擴(kuò)散模型和液體在塔板上的軸向返混計(jì)算塔板效率。該模型沒(méi)有考慮氣液流態(tài)，如氣速的分布對(duì)液流和塔板返混的影響，且當(dāng)求液膜控制體系的點(diǎn)效率時(shí)，用此模型誤差偏大。總體來(lái)說(shuō)，其建模的方法提供了方向，如塔板上氣液相傳質(zhì)單元數(shù)的關(guān)聯(lián)式和采用的返混模型等。

1.2Chen－Chuang塔板效率模型以溶質(zhì)滲透理論為基礎(chǔ)，采用了氣體和液體的停留時(shí)間的計(jì)算及增加了對(duì)相界面積的關(guān)聯(lián)計(jì)算。此效率模型適用于鼓泡狀態(tài)下的效率計(jì)算，考慮了表面張力并且從相界面積著手。相對(duì)于AIChE而言，其預(yù)測(cè)浮閥類塔板效率更加符合實(shí)際。由于浮閥種類眾多，為每種浮閥都建立相對(duì)應(yīng)的效率模型而都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)巨大的人力和物力。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)浮閥板效率模型的建立和預(yù)測(cè)只能對(duì)篩板效率模型進(jìn)行改良［4］，如一些重要流體力學(xué)清液層高度和相界面積的關(guān)聯(lián)。發(fā)現(xiàn)考慮到浮閥結(jié)構(gòu)因素，在Chen－Chuang模型基礎(chǔ)上對(duì)清夜層高度、渦流擴(kuò)散系數(shù)及相界面積進(jìn)行改良，比較適合十字旋閥塔板。

2實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)在一直徑為750mm、塔高4000mm、內(nèi)置4塊塔板、板間距為600mm的熱模塔(塔設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1)內(nèi)進(jìn)行，將塔頂出料與塔釜循環(huán)液混合進(jìn)入塔釜再沸器，在塔釜以飽和蒸汽連續(xù)上升，全塔只有精餾段。進(jìn)料量變化范圍為143～229L/h，環(huán)己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.55。以環(huán)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(lái)改變塔內(nèi)的氣液相負(fù)荷。取樣，利用氣相色譜，選用歸一化法定量分析濃度。實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示。

3結(jié)果及分析

3.1開(kāi)孔率對(duì)板效率的影響由圖2中可以看出，當(dāng)處于正常的操作范圍內(nèi)，開(kāi)孔率越小，塔板效率越大;當(dāng)F在8～10(m/s)(kg/m3)0.5之間時(shí)，塔板效率接近;其中=13.56%的塔板效率波動(dòng)較大，幅度為10%～20%。可能因?yàn)殚_(kāi)孔率越大，漏液點(diǎn)高，從視鏡中可以看到浮閥部分開(kāi)啟，隨機(jī)漏液，氣速分布不均勻造成塔板上液體返混較大，導(dǎo)致塔板效率波動(dòng)比較大。當(dāng)氣速增大到一定程度，在F=8～10(m/s)(kg/m3)0.5時(shí)，=11.0%和=8.22%的塔板都處于操作氣速范圍內(nèi)，漏液量減小，浮閥均勻地開(kāi)啟且自動(dòng)調(diào)節(jié)，鼓泡面積較大，傳質(zhì)效率較高，且塔板上氣液相接觸和傳質(zhì)情況相近，因此，板效率相差不大。隨著氣速的繼續(xù)增大，F(xiàn)＞10(m/s)(kg/m3)0.5時(shí)，浮閥基本處于全開(kāi)狀態(tài)，小開(kāi)孔率的塔板上的氣液接觸狀態(tài)為噴射狀態(tài)，氣體變?yōu)檫B續(xù)相，液體變?yōu)榉稚⑾啵瑲庖簜髻|(zhì)面積變?yōu)橐旱伪砻妫嘟缑娣e增大，傳質(zhì)效果顯著增強(qiáng)。

3.2回流比對(duì)塔板效率的影響從圖3中可以看出，=11.0%時(shí)，板效率隨著氣速的增大而增大，當(dāng)F＞9(m/s)(kg/m3)0.5時(shí)，板效率變化較大;回流比越大，塔板效率也越大，當(dāng)回流比R＞15時(shí)，與全回流的曲線有部分交錯(cuò);而當(dāng)R＜15時(shí)，板效率的波動(dòng)明顯增大。可能是由于回流比的減小導(dǎo)致塔板上氣液推動(dòng)力減小，氣液相傳質(zhì)速率降低，從而板效率降低，且當(dāng)回流比進(jìn)一步減小到8時(shí)，操作氣速下降到低于漏液點(diǎn)氣速，氣液接觸狀態(tài)不良，非理想流動(dòng)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(dòng)較大。全回流時(shí)，氣液相流量達(dá)到最大，系統(tǒng)較穩(wěn)定且氣液相接觸較充分，氣液相傳質(zhì)推動(dòng)力最大，因此，傳質(zhì)效率較高，波動(dòng)較小;而回流比較大時(shí)類似于全回流，液氣比對(duì)板效率的影響甚微，因?yàn)橥ㄟ^(guò)計(jì)算進(jìn)入塔釜的物料的能量和濃度，得出其對(duì)塔釜沒(méi)有影響，所以R=15和R=∞的板效率曲線有相當(dāng)一部分重合在一起。

3.3F1和十字旋閥塔板的比較通過(guò)圖4可以看出，在開(kāi)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(dòng)能因子的增大變化不是很明顯;相同塔釜供熱和開(kāi)孔率下，十字旋閥可以達(dá)到更大的閥孔動(dòng)能因子，說(shuō)明其傳質(zhì)阻力比F1小，更加有利于傳質(zhì)，從而表現(xiàn)出比F1較高的塔板效率，這其中主要是F1的塔板結(jié)構(gòu)所致，由于氣體經(jīng)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(jié)構(gòu)對(duì)液體有推動(dòng)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(wěn)定操作情況下，其十字結(jié)構(gòu)造成的十字旋流減小了液體的對(duì)沖，更加有利于液體的破碎，增加了氣液傳質(zhì)面積和湍動(dòng)，提高了傳質(zhì)效率。

3.4板效率模型值、實(shí)驗(yàn)值的比較本文中以開(kāi)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(jì)算的值隨著閥孔能因子的增大而減小，并且與計(jì)算值的誤差越來(lái)越大，而基于Molnar的渦流擴(kuò)散模型的變型Chen－Chuang模型計(jì)算值較符合實(shí)際，相對(duì)于AIChE模型，說(shuō)明其從相界面著手采用溶質(zhì)滲透理論這一思路，比較適用十字旋閥塔板效率的計(jì)算，可是由于它沒(méi)有考慮到浮閥的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)氣液流動(dòng)造成的影響，在估算相界面積上不是很準(zhǔn)確。最后采用Liang等的相界面積關(guān)聯(lián)式替代Chen－Chuang模型的相界面積關(guān)聯(lián)式的計(jì)算較真實(shí)地反映了浮閥結(jié)構(gòu)對(duì)氣速分布的影響不同于篩板結(jié)構(gòu)，所以基于Liang等相界面積的變型的Chen－Chuang模型計(jì)算值較前2種方法更接近實(shí)際值，且為浮閥塔板效率的預(yù)測(cè)提供了一定的參考。

4結(jié)論

通過(guò)考察開(kāi)孔率不同閥孔動(dòng)能因子和回流比對(duì)十字旋閥塔板塔板效率的研究，并將其和F1型塔板效率進(jìn)行比較，綜合得出以下結(jié)論。(1)同一回流比下，開(kāi)孔率的減小有利于提高塔板效率;開(kāi)孔率越大，塔板效率波動(dòng)越大。(2)相同開(kāi)孔率下，隨著回流比的減小，塔板傳質(zhì)效率波動(dòng)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(shè)計(jì)提供了一定的方案。(4)相較于AIChE模型和基于Molnar的渦流擴(kuò)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(yù)測(cè)，其誤差較小，為工業(yè)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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作者：趙培 楊康 張秋香 單位：華東理工大學(xué)化工學(xué)院