一種增大氣相通量DJ塔板的流體力學性能及工業應用

余文婷，沈紹傳，姚克儉

（浙江工業大學 化學工程學院 綠色化學合成技術國家重點實驗室培育基地，浙江 杭州 310032）

在石油、化工、輕工等行業的精餾裝置中，塔設備被廣泛應用于物料的凈化和產品的分離純化，性能主要包括生產能力、分離效率、操作彈性及流體力學特性等［1］。傳統的板式塔和填料塔經過多年發展已經技術成熟，為提高塔效率，國內外學者相繼開發出了各種適用于大通量工況的新型塔板和填料［2-4］，如立體噴射型塔板［5］、多降液管塔板［6］、復合塔板、Col-Sep 塔板［7-8］等。工業應用較廣的板式塔中，適宜的空塔動能因子（F）為1.2～1.4 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5；氣相負荷過大，會使霧沫夾帶增大，塔板效率降低，最終導致液泛。為了提高氣相負荷上限，增大塔的處理能力，需要降低板間的霧沫夾帶［9-10］。DJ 塔板采用矩形懸掛式降液管，有效減小了塔板液層厚度，增大了液相通量，但是塔的氣相通量受霧沫夾帶限制。DJ-5 型塔板通過對鼓泡元件的改進，減弱了相鄰閥的側面氣流對沖強度，從微觀角度通過合理的氣液流動方式減小了霧沫夾帶［11］。

圖1 DJ-5 Plus 塔板結構示意圖Fig.1 Structure of DJ-5 Plus tray.

本工作利用空中復合填料技術［12］改進DJ-5 塔板，形成改進型DJ-5（DJ-5 Plus）塔板，利用填料在氣相空間攔截小液滴聚集成大液滴并加速返回原塔板上。考察了DJ-5 Plus 塔板的霧沫夾帶特性及干板壓降（Δpd）、濕板壓降（Δpw）、漏液等流體力學性能，并與DJ-5 塔板進行了比較。目前，DJ-5 Plus 塔板已在工業實踐中成功應用。

1 實驗部分

1.1 DJ-5 Plus 塔板的結構

圖1為DJ-5 Plus 塔 板 結 構。由 圖1可 知，DJ-5 Plus 塔板主要由固定閥塔板和空中填料兩部分組成。直徑600 mm 的固定閥塔板上分布著86 個帶折邊的條形固定閥，厚度為50 mm 的規整填料置于填料框中分別懸掛于塔板主體下方的矩形降液管兩側，填料上表面距離塔板2 mm。DJ-5 Plus 塔板的特點是固定閥塔板空中復合填料，其中填料不僅阻擋了霧沫夾帶，還具有均布氣體的作用。

1.2 實驗裝置與方法

圖2為實驗裝置。

圖2 實驗裝置Fig.2 Schematic diagram of experimental setup.

由圖2可知，實驗裝置由塔體、DJ-5/DJ-5 Plus 塔板、流量計、壓差計、離心式水泵和離心式風機等組成。3 塊DJ-5/DJ-5 Plus 塔板安裝在塔內，自上而下，第1 層塔板主要起液體分布的作用，第2 層塔板為測試板，第3 層塔板主要為了氣體分布的目的。第1 層塔板上方等距離處安裝霧沫夾帶收集板，第3 層塔板下方等距離處安裝漏液收集板。塔體頂部安裝絲網除霧器以擋下未被收集到的微量霧沫。風機和離心泵出口管線上安裝調節閥，實驗塔板處安裝U 型壓差計。實驗條件為常溫常壓，實驗物系為空氣-水?？諝馔ㄟ^風機經孔板流量計后從塔底進入塔內，水通過離心泵經轉子流量計從塔釜輸送至塔頂，液體流入塔釜后循環使用。霧沫夾帶和漏液通過分別測量單位時間內從霧沫夾帶收集板和漏液收集板流出的液體質量得到，測量單位時間內流出液體的質量。塔內氣量和板壓降分別由U 型壓差計讀數換算得到，液體流量由轉子流量計讀出。利用調節閥得到不同氣相和液相負荷下的壓降、漏液、霧沫夾帶等流體力學性能數據。

表1為實驗用塔板及各部件結構參數。

表1 實驗塔及塔板的結構參數Table 1 Structural parameters of the experimental column and trays

2 結果與討論

2.1 流體力學性能

2.1.1F對霧沫夾帶的影響

霧沫夾帶量作為體現塔板流體力學性能的重要參數之一，限制了塔的氣相負荷上限。對于板式塔而言，少量霧沫夾帶難以避免，但是過量的霧沫夾帶會導致板效率明顯降低。影響霧沫夾帶的因素包括F、塔板間距、液體噴淋密度（L）和清液層高度等［13］。圖3為不同L下DJ-5 Plus 塔板和DJ-5塔板的霧沫夾帶率。由圖3可知，相同L下，DJ-5 Plus 塔板的霧沫夾帶率隨著F的增大而逐漸增大；相同F時，隨著L的增加，DJ-5 Plus 塔板的霧沫夾帶率有減小的趨勢。這是因為L越大，被帶起的液滴尺寸越大，受到的重力就越大，更不容易被夾帶到上層塔板。當F≤2.43 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5時，DJ-5 Plus 塔板的霧沫夾帶率趨于零；當F＞2.43 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5的 時 候，DJ-5 Plus 塔板的霧沫夾帶率緩慢增加。在相同L下DJ-5 Plus塔板的霧沫夾帶率比DJ-5 塔板低50%以上。當L=20 m3/（m2·h），F=3.06 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5時，DJ-5 Plus 塔板的霧沫夾帶率達到上限（10%），而DJ-5 塔板在F=2.76 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5左右時已經達到上限值?？梢姡糜谒逑碌囊幷盍献鳛橐环N除沫器，使氣體通過路徑變曲折且所夾帶的液滴在填料通道內多次碰撞匯集成粒徑更大的液滴。這種慣性碰撞作用對于阻擋霧沫有著非常好的效果，較小的霧沫夾帶率有利于提高塔板效率，強化傳質效果。

圖3 DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的霧沫夾帶率對比Fig.3 Comparison of entrainment rate between DJ-5 Plus tray and DJ-5 tray.

2.1.2F對Δpd的影響

Δpd是塔板沒有液體情況下，氣體通過塔板及板上鼓泡元件時遇到阻力而產生的壓力損失［14］，體現了塔板的結構復雜程度。圖4為DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的Δpd與F的關系。

圖4 DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的ΔpdFig.4 Comparison of dry pressure drop(Δpd) between DJ-5 Plus tray and DJ-5 tray.

由圖4可知，兩種塔板的Δpd均隨著F的增大而逐漸增加，而DJ-5 Plus 塔板比DJ-5 塔板的Δpd略高；且F越大，兩者之間的差距越明顯。這是因為DJ-5 Plus 塔板中的填料層加大了氣體通過時的阻力損失；氣速越大，氣體經過彎折的填料通道時候能量損失也越大。

根據Prince 關聯式［15］可知，見式（1）。

式中，ρG為氣相密度，kg/m；ρL為液相密度，kg/m；u0為閥孔氣速，m/s；C0為孔流系數。

對DJ-5塔板和DJ-5 Plus塔板的Δpd進行關聯，得到各塔板的C0與相關系數（R）。DJ-5 塔板C0=0.331 2，R=0.999 4；DJ-5 Plus 塔板C0=0.314 4，R=0.999 9。

2.1.3F對Δpw的影響

影響Δpw的因素有氣速、L、堰高和液體性質［16］等，實驗測定了不同F下DJ-5 塔板和DJ-5 Plus塔板的Δpw，結果見圖5。由圖5可知，Δpw隨著氣相負荷和L的增大而增大，且不同L下壓降變化趨勢相似。F＜0.66（m·s-1）·（kg·m-3）0.5時，壓降變化呈直線趨勢，此時氣速偏小，漏液嚴重，且降液管也處于漏氣狀態，氣速對壓降的影響很大。在相同F條件下，Δpw隨L的增加而增大，這是因為填料表面液膜隨L增大而加厚，且塔板上的液層高度有所增加，氣體穿過實驗塔板的阻力也相應逐漸增大；在相同L時，F越大通過閥孔和填料的阻力損失就越大，同時氣液兩相湍流程度也加大，從而增加了Δpw。L=60 m3/（m2·h）且F≥1.32 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5時，壓降曲線陡升發生了突變，可以推測此時塔內發生了液泛。

圖5 DJ-5 Plus 塔板的ΔpwFig.5 Wet pressure drop(Δpw) of DJ-5 Plus tray.

根據臨界溢流強度的預測關聯式［17］（式（2）），計算可知臨界溢流強度（Ic）為47.11 m3/（m·h），轉換后L=43.62 m3/（m2·h）。結合實驗過程中的實際霧沫夾帶情況，臨近發生液泛沒有收集到霧沫夾帶液體，可以判斷此時發生的液泛是由降液管引起的。

式中，n為降液管長寬比；b為降液管寬度，mm。

計算Δpw的關聯式主要有加和式、準數關聯式和氣速關聯式，通常情況下，準數關聯式更能清晰表明關鍵影響因素。對于空氣-水體系，計算Δpw的關聯式［18］，見式（3）。

式中，α為系數；β1，β2，β3為指數；F0為閥孔動能因子，（m·s-1）·（kg·m-3）0.5；hw為溢流堰高度，m。

溢流堰在實驗過程中固定不變，因此式（3）又可以簡化為式（4）。

采用關聯式（4），用最小二乘法對Δpw數據進行擬合，得到回歸方程式（5）。

在實驗條件下，F范圍（0.63～3.12 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5）內，R=0.976 9。

圖6為DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的Δpw。

圖6 DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的ΔpwFig.6 Comparison of Δpw between DJ-5 Plus tray and DJ-5 tray.

由圖6可知，當L=20 m3/（m2·h）時，DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的Δpw對比結果與Δpd對比結果趨勢相似；說明液量小時，填料層中無液體積累，壓降差別僅由于填料本身引起。而當L=40 m3/（m2·h）時，DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的壓降曲線非常貼近；這是因為L增大到一定程度時，塔板上液層較高，液層壓降占主導地位，此時填料層的影響可忽略。

2.1.4F對塔板漏液的影響

漏液量反映的是塔板氣相負荷下限［14］。造成漏液的原因主要有氣速太低和板上液層分布不均。圖7為DJ-5 Plus 塔板的漏液率。

圖7 DJ-5 Plus 塔板的漏液率Fig.7 Weeping of DJ-5 Plus tray.

由圖7可知，L不變時，DJ-5 Plus 塔板的漏液率隨著F的增大而減小，這是由于上升的氣體所具有的動能不足以支撐板上的液體；相同F下，漏液率隨著L的增大略微增大，這是由于板上液體的靜壓能比氣體的動能大，導致液體從閥孔落至下一層塔板。當L≥20 m3/（m2·h）時，不同L下的漏液率非常接近，說明此時L對漏液的影響較小。

圖8為DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的漏液率對比。由圖8可知，在L=40 m3/（m2·h）時，DJ-5 Plus 塔板的漏液率比DJ-5 塔板低15%～20%。這是因為受填料的影響，塔板有效開孔率比表觀開孔率低，所以DJ-5 Plus 的漏液小，與Δpd曲線反映出的現象一致。

圖8 DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的漏液率Fig.8 Comparison of weeping between DJ-5 Plus tray and DJ-5 tray.

2.2 工業應用

中國石油某分公司對二甲苯芳烴聯合裝置的抽出液塔進行擴能改造，根據用戶提供的裝置現場數據，對抽出液塔進行了模擬計算，提出了該塔擴能改造的要求；抽出液塔的原塔塔板情況和擴能改造要求工況具體見表2。

表2 抽出液塔原塔塔板情況和改造要求工況Table 2 The original tray of extract column and revamped requirements

由表2可知，擴能后的氣液負荷（尤其是氣相負荷）很高，需更換能滿足相應工況要求的塔板類型。本課題組采用DJ-5 Plus 型塔板，對該塔進行了成功改造。

經改造，裝置能力從650 kt/a 擴產到1 000 kt/a，其中第一期擴能到750 kt/a，于2018年7月完成。第一期改造后抽出液塔的效果見表3，裝置產能、塔頂和塔底分離指標、全塔壓降等主要指標和關鍵操作參數均達到并優于設計值，改造達到了預期的目的。

表3 抽出液塔改造后的主要分離指標和關鍵操作參數Table 3 Major specifications of the products and operating parameters for the revamped extract column

3 結論

1）在DJ-5 塔板的基礎上，結合填料空中復合技術提出了DJ-5 Plus 塔板。

2）根據現有壓降模型，提出了DJ-5 Plus 塔板的Δpd和Δpw關聯式，實驗值和計算值較為吻合。當氣液負荷相同時，DJ-5 Plus 塔板的Δpw略大于DJ-5 塔板，霧沫夾帶率比DJ-5 塔板小50%以上，漏液率比DJ-5 塔板低15%～20%，具有更大的氣相操作范圍。

3）在較大的F下，DJ-5 Plus 塔板的抗霧沫夾帶性能明顯優于DJ-5 塔板。在實驗操作范圍內，DJ-5 Plus 塔板是一種大氣體通量、高效、高彈性的新型塔板。

4）DJ-5 Plus 塔板在擴能改造方面的成功實踐，說明該塔板具有重要工業應用價值，值得進一步大力推廣。

符 號 說 明

b降液管寬度，mm

C0孔流系數

F空塔動能因子，(m·s-1)·(kg·m-3)0.5

F0閥孔動能因子，(m·s-1)·(kg·m-3)0.5

hw溢流堰高度，m

Ic臨界溢流強度，m3/(m·h)

L液體噴淋密度，m3/(m2·h)

n降液管長寬比

Δpd塔板的干板壓降，Pa

Δpw塔板的濕板壓降，Pa

R相關系數

u0閥孔氣速，m/s

α系數β1，β2，β3指數

ρG氣體密度，kg/m3

ρL液體密度，kg/m3