分餾塔升氣閥的尺寸效應

徐寶平，張 龍，謝英芹

(1 中國石油化工股份有限公司，江蘇 南京 210033；2 中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001；3 天津天大天久科技股份有限公司，天津 300000)

當超微顆粒、超微設備尺寸減小到一定條件，將引起材料宏觀物理、化學性質上的變化，稱為小尺寸效應。這種現象已經得到自然科學界廣泛的認識、深入的研究和較廣泛的應用。

在化學反應工程上，隨著物料顆粒直徑、設備尺寸的減少，比表面積、堆密度、表面張力等發生明顯的變化，會顯著改變化學反應的速度和傳質傳熱的效率。目前已經逐漸得到應用的微反應器，就是利用精密加工技術制造的特征尺寸微米級的微混合器，微換熱器和微反應器。由于其內部的微結構使得微反應器設備具有極大的比表面積，可達攪拌釜比表面積的幾百倍甚至上千倍，微反應器有著極好的傳熱和傳質能力，可以實現物料的瞬間均勻混合和高效的傳熱，因此許多在常規反應器中無法實現的反應都可以微反應器中實現[1]。

在石油化工領域中應用較多的汽—液傳質設備是蒸餾塔、精餾塔、吸收塔、解析塔。塔設備主要分為板式塔和填料塔兩大類型。板式塔由于結構較為簡單，易于放大，造價較低，所以目前仍廣泛應用于化工、煉油、食品、輕工等許多部門，其中以圓形浮閥塔板和篩板塔板應用最為廣泛。因此，新型的傳質塔設備的設計，性能研究和優化在工業上具有很重要的意義[2-4]。國內某石化設備制造單位，根據多年生產和制造經驗，提出了分餾塔內構件的“微觀氣液接觸”理論和“微尺寸制造”概念，在工業應用中得到了理想的驗證，收到了顯著地經濟效益。

1 板式塔內氣——液流體的描述

在板式塔內，液體依靠重力作用，由上層塔板的降液管流到下層塔板的受液盤，然后橫向流過塔板，從另一側的降液管流至下一層塔板。溢流堰的作用是使塔板上保持一定厚度的液層。

圖1 分餾塔內部結構和流體走向

氣體則在壓力差的推動下，自下而上穿過各層塔板的氣體通道(泡罩、篩孔或浮閥等)，分散成小股氣流，鼓泡通過各層塔板的液層。在塔板上，氣液兩相密切接觸，進行熱量和質量的交換。在板式塔中，氣液兩相逐級接觸，兩相的組成沿塔高呈階梯式變化，在正常操作下，液相為連續相，氣相為分散相。其內部結構和流體走向如圖1所示。

2 板式塔流體效果影響因素

板式塔的流體力學性能(塔板水力學計算)主要包括：塔板壓降、液泛率、霧沫夾帶、漏液率、堰上液流強度及降液管負荷等。

板式分餾塔在某種應用條件下，實際處理能力低于普通公式計算出來的未經修正的處理能力，主要有系統因子、安全因子和起泡因子三方面的原因。

系統因子和分離物質的物性有關。當設計范圍超出了經驗關聯式的物性數據的范圍時，常使用系統因子。

安全因子用于彌補特定的關聯式與基本數據的偏差。它反映了處理量、壓降或效率計算值的不確定性。在有些情況下，由于存在測量誤差等因素的影響。特定關聯式的計算結果與數據可能吻合的不好，因此需要使用安全因子[5]。

起泡因子常常會降低塔的處理量，影響一個或多個關鍵變量，如塔直徑、塔板間距、降液管面積、降液管類型(直型或斜型)等等。

3 板式塔升氣閥尺寸對分餾效果的影響

小徑浮閥、固閥較常規尺寸(直徑35～50 mm)更小，一般直徑只有25～35 mm。在分餾過程中，由塔內下部上升的氣相先通過塔盤開孔，再通過浮閥、固閥下沿的間隙與塔盤上的載液接觸進行傳熱、傳質的分餾過程。通過理論研究發現，在相同開孔率下，浮閥、固閥的尺寸越小，塔盤開孔總周長越長，浮閥、固閥下沿的間隙就越大。

圖2 普通升氣閥和小尺寸升氣閥的排布對比

以下用一具體的示例來說明：

在如圖2所示的500 mm×700 mm的矩形面積內，可以排布100 mm×30 mm的升氣閥24個，開孔率=100×30×24/500/700=20.6%。

在閥片高度30 mm的情形下，四側面升氣閥側面的升氣面積=(100+30)×2×30×24=187200 mm2=0.1872 m2；

雙側面升氣閥側面的升氣面積=100×2×30×24=144000 mm2=0.144 m2。

在相同矩形面積內，可以排布50 mm×15 mm的升氣閥91個，開孔率=50×15×91/500/700=19.5%。

同樣在閥片高度30 mm的情形下，四側面升氣閥側面的升氣面積=(50+15)×2×30×91=354900 mm2=0.3549 m2。

雙側面升氣閥側面的升氣面積=50×2×30×91=273000 mm2=0.273 m2。

通過上述示例對比說明，過大尺寸的升氣閥，會增加氣體在升氣閥側面的噴射速度，增加液泛和泡沫攜帶。適宜尺寸的升氣閥則會降低液泛和泡沫攜帶的風險。但是過小尺寸的升氣閥也會有升氣孔堵塞、板強度降低和閥門開啟壓力增加和全塔壓降上升的可能性。

4 氣液接觸界面系數的定義

在現有的常規設計中，用開孔率來表征塔盤的氣相通過能力。通常塔板開孔率有2種，一是塔截面積開孔率，二是鼓泡面積開孔率。合理的開孔率不但可以使氣體順利通過，而且還能減少霧沫夾帶和降低泄露，同時防止發生噴射液泛。其定義為篩板上篩孔的總面積與開孔區(又稱有效傳質區)面積的比值，即：

Φ=A0/Aa

式中：Φ——開孔率，%

A0——篩板上篩孔的總面積

Aa——開孔區 (又稱有效傳質區)面積

開孔區：可以布置篩孔或傳質元件的區域。

此外，還用流體的速度、密度進行浮閥性能的修正。如升氣閥的開度與閥孔處氣相的動壓有關，而動壓又取決于氣體的速度和密度。綜合實驗結果可知，可采用由氣體速度與密度組成的“動能因子”作為衡量氣體流動時動壓的指標，俗稱F因子。

但是，分餾塔內氣體上升的物理行程中，在通過升氣閥后，和在氣液接觸前，還有個通過升氣閥側面空隙的過程，這個過程的氣體速度才能真正表征氣液接觸的強烈和緩和程度，因此基于上述開孔率的定義，定義氣液接觸界面系數Ic(interface transfer coefficient)是非常有必要的。為此，可以定義如下：

Ic=As/Aa

式中：Ic——氣液接觸界面系數

As——升氣閥全開時，升氣閥側面的流通面積

Aa——開孔區 (又稱有效傳質區)面積

在上述24個升氣閥的示例中

Ic(四側面)=((100+30)×2×30×24)/(100×30×24)=2.6

Ic(雙側面)=(100×2×30×24)/(100×30×24)=2.0

在上述91個升氣閥的示例中

Ic(四側面)=((50+15)×2×30×91)/(50×15×91)=5.2

IC(雙側面)=(50×2×30×91)/(50×15×91)=4.0

由此可見，隨著升氣閥尺寸的縮小，Ic系數會逐漸增加。

5 微型升氣閥應用效果

高效微型固閥塔盤是國內某科技公司開發的新一代高效固閥塔盤，其主要特點為根據塔的汽液負荷及操作彈性，利用計算流體動力學(CFD)對固閥的尺寸等相關參數進行全方位優化，可以提高汽液交換的效率和頻率，從而全方位提高塔盤的效率，降低塔盤的壓降。與傳統塔盤相比，傳質效率提高20%以上，壓降降低10%以上，操作彈性接近浮閥塔盤，安裝和維護成本低于浮閥塔盤。同時，該型塔盤還有抗堵塞、低壓降等諸多優點。

采用優化設計的微型固閥塔盤(圖3)由于開孔尺寸遠小于通用浮閥，相同開孔率下，布閥的數量、布置面積遠大于通用浮閥，可以有效提高塔盤的效率。

圖3 微型升氣閥外形

隨著我國原油加工能力的不斷增加，及越發明顯的原油劣質化和重質化趨勢，焦化吸收塔、循環氫脫硫塔和脫硫溶劑再生塔都超負荷運行，急需對上述各塔進行擴能改造。現有常規的方法或是增加塔內構件的開孔率，或增擴塔器的直徑，或是采用異形浮閥。以上措施一是改造工作量大、周期長、投資多，二是部分場地受限，無法擴徑，三是擴容幅度有限。

微型塔盤可以彌補上述不足，用較低的改造費用，較顯著地改善氣液分離效果。以某延遲焦化吸收塔的改造為例，若將直徑為2.5米的吸收塔擴徑至3.0米，擴能幅度約40%。其設計、制造和施工總費用約500萬元，施工周期約50天。而采用小徑浮閥或固閥的改造費用僅需50萬元，施工周期僅為10天。該案例改造后，干氣中C3以上含量較改造前從5.79%降至2.43%，液化氣產量增加1.8 t/h，按全年8000 h計，年增產液化氣約14400噸，以干氣與液化氣差價1000元/噸來計，全年經濟效益為1440萬元。

另一煉廠的催化裂化裝置中，原吸收穩定系統采用常規尺寸的組合導向浮閥塔盤，開工后干氣中碳三以上含量3%左右。2016年采用了微型固閥塔盤對吸收塔、再吸收塔和解吸塔進行改造，改造后塔板氣相、液相負荷分別提升了10%、30%，干氣中的碳三以上組分下降至1.5%以下，液化氣產量提高了30%，經濟效益顯著。

6 結 論

(1)在石化分離領域應開展小尺寸效應的廣泛研究和工業應用；

(2)在開孔率基礎之上定義氣液接觸界面系數是非常有必要的；

(3)工業試驗證明，微型升氣閥改造簡單，費用少，效果明顯。