搖擺狀態下的填料塔液體分布性能研究

岳強 李斌斌 韓洋洋

摘 ?????要：填料塔在穩態下應用廣泛，但是在搖擺條件下氣液分布不均，限制了其在離岸海洋平臺上的應用。通過水力學測試和MATLAB等軟件，考察了搖擺周期、搖擺角度和氣液比率對填料塔液體分布性能的影響，得到精確的液體分散狀態，對于搖擺狀態下填料塔的設計具有重大參考意義。

關 ?鍵 ?詞：搖擺;填料塔;液體分布

中圖分類號：TQ 053.5 ??????文獻標識碼： B ??????文章編號： 1671-0460（2019）01-0211-03

Abstract： The packing column is widely used in steady state， its application in marine offshore conditions is limited due to the gas-liquid maldistribtion in non-steady state. In this paper， the influence of swing cycles， swing angles and gas-liquid ratios on liquid dispersibility was investigated by hydraulics test and MATLAB software. The exact dispersion state of liquid was obtained， which could contribute to the further design and development of the swing state packed column equipment.

Key words： Swing; Packing column; Liquid distribution

化工氣液傳質過程在平坦的陸地上很容易進行，技術已經相對成熟，但通常精餾塔和吸收塔等設備均要求整個塔體的垂直度小于0.3%。在陸地上，一般通過基礎固定等手段，能夠滿足設備需求[1-3]。然而在當代隨著對海洋探索的深入及軍事戰略儲備的要求，海上離岸狀態下的氣液傳質過程不可或缺[4]。如水面艦船[5]、潛艇[6，7]和海上平臺[8]等，CO2吸收和液體脫氣等工藝設備大量采用精餾塔和吸收塔[9，10]。

當氣液傳質設備處于搖擺狀態時，氣相與液相在塔內的流動及分布處于非正常狀態，氣液分布不均勻，精餾和吸收效率會嚴重下降[2]。本文針對精餾塔在搖擺狀態下的液體分散性能進行研究，探討影響液體非均勻分布的關鍵因素，為海上平臺化工分離設備的設計開發奠定基礎。

1 ?實驗部分

1.1 ?實驗裝置

搖擺試驗流程如圖1所示，實驗采用填料塔直徑為200 mm，高度為1.65 m，材質為透明有機玻璃。塔底的液體集液器包含185個網格化集液槽。填料為25 mm聚丙烯鮑爾環，高度0.95 m，直接放置在集液器上。

1-貯水池;2-離心泵;3-液體流量計;4-填料塔;

5-集液器;6-量液器;7-氣缸;8-氣體流量計;9-風機

試驗介質為空氣-水。空氣經計量后從塔底進入塔內，與液體逆向接觸后由塔頂排空。水經計量后送入填料塔頂，通過液體分布器均勻噴淋在填料層上，流經填料后進入塔底集液器，最后由導流管導入量液器[2]。塔體通過中間部位的支架固定，塔身一側安裝氣缸，通過氣缸節流閥的調節可控制搖擺周期，通過限位開關可調節搖擺角度。

1.2 ?實驗方法

在垂直穩態下，啟動離心泵和風機，觀察塔內氣液流動狀況。待氣流和液流狀態穩定之后，設定采樣時間為60 s，并測量塔底液態分布情況。

啟動氣缸，調節限位開關位置，使塔體在軸向偏離角度為 5°的狀態下進行搖擺運動。調節氣缸兩端節流閥，控制搖擺周期，待搖擺狀態穩定之后開始采樣，測量液態分布情況。以同樣的方法調節限位開關位置至塔體軸向偏離角度分別為10°和20°，測量相應狀態下的液體分布情況。

在每一種搖擺角度狀態下，搖擺周期分別取1、20、40和60 s，測量不同搖擺周期狀態時的液態分布情況。

1.3 ?數據處理

實驗所得數據為塔底每一個采樣點的液體噴淋量，經MATLAB軟件進行三維擬合，可得在每一種試驗條件下的液態三維分布圖，如圖2所示。X、Y軸表示塔底橫截面的相對位置，Z軸表示測定時間內的塔底液體噴淋量，單位為mL。

沿搖擺方向，在塔底橫截面上取點數最多的中間一列。將所得數據經origin擬合后可得液體流率分布二維曲線，橫坐標為沿搖擺方向橫向位移，m; 縱坐標為液體分布流率，kg·m-2· s-1。

2 ?結果與討論

2.1 ?搖擺周期

固定搖擺角度為10°，氣液比率為0.008，所得不同搖擺周期狀態的液體三維分布圖如圖4所示。

圖4顯示，搖擺周期為10 s時，塔底液體分布比較均勻。隨著搖擺周期的增大，塔底液體分布不均勻性增強，這是由于搖擺塔身的軸向偏離使得兩端的壁流作用顯著。當搖擺周期增大到40 s以后，流體幾乎全部集中于兩端區域，中心大部分區域分布極少，氣液分布嚴重不均勻。進一步作出液體流率變化圖如圖5所示。

從圖5中可以更直觀的看出，在搖擺狀態下的液體分布雖不均勻，但具有一定規律。當搖擺周期為10 s時，塔底液體分布比較均勻，流體流率在10 kg·m-2·s-1上下浮動;隨著搖擺周期的增大，在沿運動方向上0～0.05 m位置范圍內液體流率迅速下降甚至為0;在0.05～0.16 m位置范圍內液體流率集中在5 kg·m-2·s-1左右;大于0.16 m位置后液體流率又迅速增加。搖擺周期越長液體分布越不均勻。

2.2 ?搖擺角度

固定搖擺周期和氣液比率，改變搖擺軸向偏離角度。搖擺周期為20 s的液態分布三維視圖如圖6所示。

通過圖6可得，在搖擺周期為20 s狀態時，當搖擺角度為5°時，塔底流體分布比較均勻。而隨著搖擺角度的增大，塔底液體分布逐漸惡化，不均勻性明顯增強。搖擺角度越大，壁流作用越強，液體分布越不均勻。當搖擺角度增大到20°時，液體分布嚴重不均勻。對不同搖擺角度下的液體分布作二維線性分析，如圖7所示。

圖7表明，在搖擺周期為20 s條件下，當搖擺角度為5°時，塔底液體分布相對比較均勻，流體流率在10 kg·m-2·s-1上下浮動;當搖擺角度增加至10°、20°時，在沿運動方向上0～0.05 m位置范圍內液體流率迅速下降接近于0，在0.05～0.16 m位置范圍內液體流率變化很小，在5 kg·m-2·s-1上下浮動;而大于0.16 m位置后液體流率又迅速增加，達到與初始位置同水平的高度。綜上可知，搖擺角度越大液體分布的不均勻現象越嚴重。

3 ?結語與展望

綜上所述，在搖擺狀態下的填料塔中，當搖擺角度較小（<10°）、運動周期較短（≤20 s）時，散裝填料的液體分散性能較好，上升氣流對于填料分散性能影響作用明顯，氣液比率的增加可促進液體分布均勻化;當搖擺角度較大（≥10°）、運動周期較長（>20 s）時散裝填料的液體分散性能下降，氣相流率的大小對于填料分散能力的影響較弱。這對于艦船化工設備的設計和操作具有重要參考意義。

參考文獻：

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