新型復合式內部能量集成的精餾塔的機械設計與水力學模擬

劉宏，趙雅靜，李英棟，李憑力

（1 天津大學化工學院，天津300350； 2 天津市膜科學與海水淡化重點實驗室，天津300350）

引 言

精餾技術廣泛應用于化工、醫藥、精細化工等行業，投資和能耗較高。內部熱集成精餾塔（internally heat integrated distillation column，HIDiC）是一種新型精餾技術，它結合了熱泵精餾和透熱精餾節能的特點[1-5]。這種結構一方面將精餾段塔頂熱端蒸氣的余熱充分利用回收；另一方面塔段間的透熱使得各塔板的傳質推動力平均化，實現逐板傳熱，提高了精餾塔的熱力學效率[6-8]。因此該技術具有極大的節能效率，與常規蒸餾塔相比節省的能耗可達30%～60%[9-13]，這是理論上最先進的精餾技術，受到了眾多學者的關注[14-23]。

隨著CFD 理論的發展，研究人員開始利用CFD模擬的方法研究塔板的水力學特征。相比實驗，CFD 可以更加精確地描述塔板上的流動情況，可以預測塔板的板效率[24-26]，Wang 等[27]對隔板塔塔盤流場進行了水力學模擬，并與實驗結果進行了對比，兩者具有極大的相似性。Rodríguez-ángeles[28-29]等通過對隔板塔的機械設計以及CFD 模擬，對隔板中篩板上的水力學參數進行了優化，提高了塔盤的傳質效果。較多的研究者對于HIDiC的研究只是停留在能量優化以及控制策略上，但對于與理想的HIDiC 理論相吻合的模型以及機械結構的設計和水力學模擬較少，本文基于以上問題，在HIDiC理論的基礎上構建了新型的HIDiC 塔節，并用CFD 軟件進行了水力學分析。

1 機械設計

首先建立內部能量集成的精餾塔理論模型，如圖1 所示，提餾段塔頂蒸氣經壓縮機加壓升溫后進入精餾段塔底部，精餾段塔底回流液經節流閥減壓后回到提餾段塔頂部與原料混合。兩塔段間通過塔壁或換熱板進行熱量交換，精餾段蒸氣在上升中冷凝，提餾段回流液在回流中蒸發，這樣精餾段冷凝器和提餾段再沸器的熱負荷會大幅減小。

圖1 內部能量集成的精餾塔示意圖Fig.1 Schematic diagram of internal heat integrated distillation columns

以苯和甲苯為分離物系，飽和液體進料，進料壓力為常壓。進料質量比為1∶1，進料流量為200 kg/h，苯和甲苯的濃度為分別4.95 和4.37 mol/L，要求塔頂和塔底苯和甲苯分離精度達到99%。利用Aspen 建立HIDiC 嚴格設計模型，熱力學采用NRTL性質模型。利用Aspen 軟件進行HIDiC 等效模擬是設計難點，根據HIDiC逐級換熱的理論，建立平行級逐級換熱理論模型，模型使用1臺壓縮機加壓，精餾段操作壓力為絕壓0.4 MPa，提餾段操作壓力為絕壓0.1 MPa。利用精餾段和提餾段平行級的溫度差進行換熱，模擬時交換的熱量通過換熱器換熱，傳熱系數和流體黏度、熱導率、比熱容相關，在模擬中設為常數，交換的熱量主要隨著換熱面積和溫差變化，穩態時內部熱量達到平衡。機械設計時為了和模擬實現等效轉化，將換熱面積利用平行級之間塔節的換熱列管和降液管的面積取代，換熱面積調節靈活，氣液相負荷變化時通過精餾段和提餾段塔盤的開孔率來調節，穩態時達到平衡。

HIDiC 塔板溫度分布如圖2 所示，精餾段經過壓縮機加壓后，溫度升高，精餾段塔頂溫度132℃，塔底第10 塊塔板溫度為142℃，塔頂塔底溫度差為10℃。提餾段塔頂溫度90℃，塔底第10 塊塔板溫度為110℃，塔頂塔底溫度差為20℃。從圖示中可以看出，精餾段和提餾段塔板每一個塔板之間存在溫度差，第6塊塔板之間最小溫度差為26℃，塔頂溫度差為40℃，塔底溫差為32℃，為分離苯和甲苯提供了足夠的熱量。

圖2 HIDiC塔節溫度分布Fig.2 Temperature distribution of HIDiC stage

表1 為HIDiC Aspen 模擬結果，傳熱系數為850 W/(m2·K)，總傳熱面積為換熱管和降液管面積的和。分離時提餾段塔底甲苯的質量分數為99.45%，精餾段塔頂苯的質量分數為99.44%，符合設計要求。

表1 內部能量集成的精餾塔Aspen模擬結果Table 1 Result of HIDiC based on Aspen simulation

表2 Aspen模擬的內部能量集成的精餾塔水力學參數Table 2 Hydraulic parameters of HIDiC based on Aspen simulation

HIDiC 塔盤Aspen 模擬水力學參數如表2 所示，精餾段塔板液泛率在0.62～0.7范圍內變化，提餾段塔板液泛率在0.53～0.58 范圍內變化，精餾段液泛高于提餾段液泛，主要是壓力升高導致降液管內液體倒流回上層塔板，整個液泛率在0.5～0.8范圍內，塔盤結構設計合理[30]。

該內部能量集成的精餾塔塔節采用了復合型耦合結構[31]，如圖3 所示。精餾段的塔盤嵌入提餾段塔盤板中，形成了內塔盤和外塔盤的組合結構，篩孔用圓管代替，外塔盤的上下兩塊板、降液管、篩孔管以及塔壁滿焊后形成封閉的空間。上下兩塊板中間嵌入精餾段塔盤，保證每個塔節之間有兩個不相連通的空間，即加壓的精餾段空間和常壓的提餾段空間，使得精餾段和提餾段保持一定的壓差和溫差，有利于穩態傳質和傳熱。提餾段的篩孔(圓管)、提餾段塔盤板的上下表面和提餾段降液管都成為傳熱面，能夠有效地將精餾段的熱量傳入提餾段，實現了逐板傳熱的目標，強化了傳質和傳熱的效果，降低了理論設計的精餾塔高度，節省了成本。

圖3 內部能量集成的精餾塔塔節局部和整體撬裝圖Fig.3 HIDiC stage segments and overall equipment fitting

普通精餾和HIDiC 在進料條件和分離要求相同時，運行條件和成本如表3 所示，HIDiC 模擬分離苯和甲苯時，相比常規精餾可節省58.7%的能耗。總運行成本為操作費用和設備投資的總和，操作費用包括蒸汽、冷卻水、電費，年運行總成本HIDiC 相比常規精餾可降低26.6%。

表3 普通精餾和內部能量集成塔的運行條件和成本Table 3 Operating conditions and cost of CDIC and HIDiC

2 塔節靜應力分析

SolidWorks 軟件功能強大，不僅能夠簡單高效地完成復雜設備的裝配和撬裝過程，還可以對設備整體和局部區域進行靜力學應力分析。本文應用SW 仿真技術，建立內部能量集成的精餾塔的實體模型，考慮壓力和溫度的雙重效應，分析復合內部能量集成的精餾塔塔節所受應力以及位移、變形、對等應變等狀況。為了簡化模型，采用全局接觸的方法，壓力垂直于所選面。選用實體網格，網格單元大小為49.83 mm，節點總數為2542084個，最大高寬比例為35.62。圖4 為建立模型在溫度壓力效應下的裝配圖模型。

圖4 溫度和壓力效應下裝配體模型Fig.4 Assembly model under temperature and pressure effects

表4 為復合塔節設計的基礎上，裝配體所設定的屬性。

裝配體的模擬結果如圖5 所示，精餾段塔節管束外操作壓力為0.4 MPa，溫度為138℃，提餾段管束內操作壓力為0.1 MPa，溫度為108℃。應力范圍最小為1.01×10-17N/m2，最大為4.87×108N/m2。整個模擬結果在2×108N/m2以下，均在屈服力的范圍之內，因此塔節的機械設計在對應的熱模條件下不會發生應變和位移，實體的尺寸和材料的選型和理論吻合。

表4 內部能量集成的精餾塔塔節裝配體屬性參數Table 4 Assembly property parameters for HIDiC

圖5 HIDiC塔節裝配體靜應力分析云圖Fig.5 Cloud map of a ssembly static stress analysis for HIDiC

3 篩孔式復合HIDiC塔節水力學分析

3.1 數學模型

幾何圖形通過網格離散化，為了控制網格的數量和優化網格的結構，本文采用了幾何圖形的六面體網格。在網格劃分的過程中，由于精餾段與提餾段是不連通隔絕的，首先需要抽取流體域，并對網格的邊界進行優化處理，通過網格結構優化得到可接受網格偏度的網格分布。在瞬態狀態下利用VOF多相流模型，VOF數學模型控制方程如下：

連續相方程（q相）

動量方程（q相）

傳質運輸方程（q相）

其中，w為q相k組分的質量流率，Γ為分子擴散系數，傳質過程中分子擴散占主導地位。VOF 氣液兩相流模型中，界面追蹤法在捕捉流體界面的幾何模型時，需考慮表面張力對兩相界面的影響，為了確定表面張力的重要性，首先評估Reynolds 數Re，計算Capillary數

計算得到的Ca＜＜1，需考慮表面張力。Fluent計算表面張力時采用Continuum Surface Stress(CSS)模型。該模型不需要對曲率進行顯式計算，在未求解域中提供更好的性能，求得苯和甲苯在實驗條件下表面張力的值為18.64 mN/m。

選用k-ε作為湍流模型，利用軟件Fluent 進行仿真。本文采用結構化網格，以精餾段液相出口濃度為判別方法驗證了網格的獨立性。隨著網格數目的增加，模擬結果與實驗值越來越接近，經網格無關性檢驗，網格劃分總數為1652340個，選用網格尺寸為0.3～0.5 mm。設置時間步長為0.002 s，收斂精度為10-5。如圖6所示，網格的細化部分是為了準確描述流場。圖6(a)是整個結構的全局域網格劃分，圖6(b)是提餾段頂部塔盤的X-Y徑向網格，圖6(c)為塔節軸側的X-Z方向的網格，圖6(d)為精餾段X-Y切向劃分的網格。

CFD 模型中采用無滑移壁面邊界，忽略壁面效應對流動區域的影響。氣液相間采用強制對流，壁面采用自然對流邊界。初始邊界條件如下。

（2）液相進口：u=uLin,w=wLin,α= 1；

（4）氣相進口：u=uGin,w= 0,α= 0；

圖6 塔節CFD模擬網格劃分示意圖Fig.6 Mesh for tray of CFD simulation

實驗中優化的第8 塊HIDiC 塔盤和CFD 模擬中液相出口濃度隨氣速變化如圖7 所示，模擬值和實驗值的平均誤差為3.8%，文獻[32]中的相對誤差值為4.4%，文獻[33]中的相對誤差值為10.0%，本研究中模擬結果液相出口濃度隨表觀氣速的變化趨勢和實驗結果在誤差范圍內，模擬結果值偏大主要是相間作用力考慮不全面造成的，本模擬結果可信。

圖7 液相出口濃度隨氣速的變化Fig.7 Outlet mole concentrations versus gas velocity

3.2 水力學結果分析

為了準確驗證數學模型、塔板結構、材料性能和運行條件，HIDiC 塔盤的幾何特性設計有兩種不同的結構參數，如表5和表6所示。

在結構a參數下，第8塊塔節直徑為250 mm，出口堰高度為25 mm，精餾塔板孔徑為5 mm，提餾塔板孔徑為10 mm。圖8(a)所示為熱工況下苯和甲苯的混合物在運行條件下測試的擬時均化結果，在塔盤上有過量的流體流動，導致泄漏溢流。所以塔節重新設計使用新的參數。通過仿真觀測，提餾塔板孔徑由10 mm 減小到8 mm，精餾塔板孔徑由5 mm減小到4 mm，出口堰高由25 mm 減小到20 mm，HIDiC 塔節直徑為200 mm。保持其他參數和結構a參數相同，在圖8(b)中可以看出，塔盤上氣液接觸均勻，傳質效果有了明顯的改善。

表5 結構a HIDiC塔節CFD模擬的幾何參數Table 5 Geometrical characteristics of condition a for tray of CFD simulation

表6 結構b HIDiC塔節CFD模擬的幾何參數Table 6 Geometrical characteristics of condition b for tray of CFD simulation

圖9 為第8 塊塔節和降液管的整體的溫度擬時均化分布圖。HIDiC 采用新型塔節主要利用降液管和管束作為傳熱面，有效地將精餾段的熱量傳遞到提餾段。圖9(a)換熱管之間的傳熱相對均勻，顏色變化幅度小，圖10 為塔節管束沿軸向分布的平均溫度分布，溫度分布主要在380 K 左右波動。圖9(b)為提餾段降液管的溫度分布，溫度分布在370～385 K 傳熱效果好，降液管中部的溫度比較均勻，但在底部和頂部出現了一些溫度差異，這主要和塔盤結構相關。由于塔節頂部是外塔盤，上一塊塔盤提餾段的液體流到外塔盤頂部，液體在外塔盤分布，導致溫度降低。底部由于液體經降液管到下一節外塔盤進料擋板上方，液體在此處有積存，導致溫度下降。整個設計達到板傳熱理論的目的。

圖8 兩種不同結構參數下的氣體體積分數云圖Fig.8 Volume fraction contours in two differences condition

圖9 HIDiC塔節和降液管CFD模擬的溫度分布Fig.9 Temperature distribution for tray and downcomer of CFD simulation

圖10 管束沿Z軸方向平均溫度分布Fig.10 Average temperature distribution of tube along Z axis

圖11 HIDiC運行時塔盤液體速度矢量圖Fig.11 Vectors velocity in liquid surface during HIDiC operation

圖12 HIDiC塔節氣體體積分數X-Z 軸側云圖Fig.12 Volume fraction contours of vapor in X-Z axis side map of HIDiC stage

如圖11 所示，第8 塊塔節上的液體主要分布在兩個區域，主區域和回流區域。主流區與常規塔板流動模型是一致的，主流區速度沿塔板方向保持均勻，說明任何區域沒有停滯區，氣液流動狀態接近活塞流，提高了塔板上的傳質效率。回流區主要集中在換熱管穿過塔盤的環形區域，這個區域流體流動速度相對較小，方向相對混亂，接近全混流。

圖12 為第8 塊塔節在軸側擬時均化的X-Z方向的氣相分數云圖剖面圖。熱狀態下的氣體和液體有其通道，在殼程精餾段塔盤上氣體平均體積分數為0.42，表明它擁有良好的質量傳遞效應。這時，氣液接觸后液體沿著降液管向下，氣體向上汽化。氣液接觸的表面分為3層，分別是液體、氣液混合和汽化狀態的氣體。

圖13(a)是第8塊塔節在X-Y方向氣相擬時均化體積分數云圖的剖面，圖13(b)是第8 塊塔節液相體積分數云圖。從圖中可以看出氣液相在塔盤上的分布比較均勻，結合圖11中液相在塔盤結構上速度流形結構的分散情況，可以得出塔盤上傳質總體比較均勻，傳質效果好。在精餾段塔盤篩孔處有氣體通過，氣體分數較大為0.8，靠近擋液板位置有液體進料，液相體積分數為0.65。

圖13 HIDiC內部塔盤氣體和液體體積分數X-Y切向云圖Fig.13 Volume fraction contours of vapor and liquid in X-Y axis side map for HIDiC trays

4 結 論

（1）在HIDiC 理論和Aspen 模擬的基礎上，構建了一種新型復合式的內部能量集成的精餾塔結構，并利用Fluent軟件進行水力學模擬，優化了塔徑、內外塔盤的堰高和內外塔盤的孔徑等參數。

（2）建立的復合精餾塔塔節機械模型通過SW靜力學應力分析后，探索了在熱狀況下的應力分析，發現塔節裝配體在2×108N/m2以下，均在屈服力的范圍之內，驗證了模型的強度與力學性能。

（3）通過篩孔式復合HIDiC模型的水力學分析，研究發現了新型復合式塔節內部能量集成結構整體設計的優異性，內外塔盤上篩孔式結構對氣液傳質具有差異性，文中通過CFD 模擬了該結構在流體力學上的差異性。

符 號 說 明

D——分子擴散系數，m2·s

F——體積力，N/m3

g——重力加速度，m/s2

m——質量源相，kg/(s·m3)

n——曲面法向量

p——壓力，Pa

R——相互作用力，N

S——傳質源項，kg/(s·m3)

T——表面張力，N/m

U——自由流速度，m/s

u——速度，m/s

w——質量分數

X,Y,Z——方向坐標，m

α——體積分數

Γ——傳質擴散系數，kg/(m·s)

μ——黏度，kg/(m·s)

ρ——密度，kg/m3

σ——連續相和分散相的界面張力，N/m

τ——剪切力，N/m2

上角標

k——氣相或液相中的k組分

下角標

G——氣相

L——液相

in——進口

out——出口