非均勻開孔率十字旋閥塔板操作彈性的研究

徐昕鏡，趙 培，區(qū)焯林

（華東理工大學(xué) 化工學(xué)院，上海 200237）

精餾塔作為化工分離工藝的主要設(shè)備被廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)［1-2］。塔板是精餾塔內(nèi)部的重要構(gòu)件，塔板上的氣液接觸狀態(tài)直接影響了流體力學(xué)性能［3-4］。通過研發(fā)新型塔板及對現(xiàn)有塔板進(jìn)行改造，可有效提高塔板的傳質(zhì)效率和操作彈性［5-9］，進(jìn)而提高精餾塔的生產(chǎn)能力。由華東理工大學(xué)趙培教授開發(fā)的十字旋閥塔板［10］，具有特殊的十字結(jié)構(gòu)，氣體通過浮閥可被均勻吹出，使得氣液兩相的接觸更充分，因而被廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域。盡管該塔板具有諸多優(yōu)勢，但是在中小型處理量的精餾生產(chǎn)中仍在能耗和操作彈性方面有較大的改進(jìn)空間。因此，對此類塔板進(jìn)行參數(shù)改造，既能為中小型企業(yè)產(chǎn)能過剩的問題提供解決方案，也能為企業(yè)今后實現(xiàn)彈性生產(chǎn)提供理論依據(jù)。開孔率的改造作為塔內(nèi)件參數(shù)改造中較為經(jīng)濟(jì)有效的方案，被廣泛應(yīng)用于塔板性能的研究和改進(jìn)中。近年來，葉啟亮團(tuán)隊［11］對新型立體傳質(zhì)塔板進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明開孔率對該類型塔板的流體力學(xué)性能存在顯著影響。杜冬云團(tuán)隊［12］對由大孔篩板和波紋板填料及其附件構(gòu)成的復(fù)合塔板進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在同樣的操作條件下，開孔率對塔板的操作彈性也具有明顯影響。此外，左美蘭［13］通過對板式塔進(jìn)行水力學(xué)計算，從理論計算方面說明開孔率是影響塔板負(fù)荷性能曲線的重要因素。對塔板開孔率的研究大多是均勻開孔的情況［14-15］，然而由于塔板的氣液兩相在不同區(qū)域內(nèi)的接觸狀態(tài)不同，均勻開孔的塔板普遍存在著液流進(jìn)、出口處液面梯度大的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致塔板液流進(jìn)口處漏液嚴(yán)重、出口處霧沫夾帶多等問題［16］。王良華等［17］對穿流塔板與100 mm厚的250Y型規(guī)整填料組成的復(fù)合塔板的研究表明，與均勻開孔塔板相比，非均勻開孔塔板的泡沫層高度更均勻，塔板操作彈性增大20%～60%。張婧［18］對波紋導(dǎo)向浮閥塔板上不同區(qū)域進(jìn)行非均勻開孔改造研究，發(fā)現(xiàn)在塔板出口端堵孔有利于降低霧沫夾帶率；塔板入口端堵孔，有利于降低漏液率。非均勻開孔的方式考慮了塔板上不同區(qū)域流體力學(xué)的規(guī)律，可更加行之有效地改善氣液接觸情況，提高塔板的操作彈性［19］。因此，為了改進(jìn)十字旋閥塔板能耗和操作彈性的問題，對十字旋閥塔板進(jìn)行非均勻開孔的研究，具有重要的實際應(yīng)用價值。

本工作研究的非均勻開孔率十字旋閥塔板是根據(jù)均勻開孔率塔板進(jìn)液口方向液層高、出液口方向液層低的特性進(jìn)行改進(jìn)的塔板。通過對塔板液流出口進(jìn)行堵孔改變塔板開孔率，提高塔板表面液層高度的均勻性，改善塔板的流體力學(xué)性能，提高塔板的操作彈性，為石化行業(yè)提供節(jié)約能源和提高經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化方案。同時對不同非均勻開孔率下的十字旋閥塔板繪制負(fù)荷性能曲線，以便在工業(yè)裝置放大時為設(shè)計者提供有價值的幫助。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置與流程

在直徑為1 000 mm、高6 m的冷模塔內(nèi)采用空氣-水系統(tǒng)對不同開孔率塔板進(jìn)行流體力學(xué)性能檢測。塔內(nèi)共有5塊塔板，其中最上層塔板為霧沫捕集板，下面4層塔板為實驗塔板。

通過離心泵將水槽中的水抽至第一塊塔板，借助重力作用使水自由下落依次交錯流經(jīng)位于各層的實驗板。氣體通過鼓風(fēng)機(jī)吸入，經(jīng)過氣體再分布器后從第五層塔板下方均勻送入，并依次通過上方各層塔板，最后從塔頂出口排空。塔板壓降可由各層連接的U型壓差計測量，霧沫夾帶率和漏液率通過霧沫夾帶桶和漏液桶液位傳感器和計算機(jī)處理器進(jìn)行測量。實驗條件見表1。

表1 流體力學(xué)實驗主要實驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters of tray

1.2 塔板排布結(jié)構(gòu)

選用的十字旋閥塔板原開孔率為15.52%，通過對液流出口處一排、兩排、三排用金屬封膠密封進(jìn)行非均勻開孔改造，開孔率分別為14.53%，13.33%，12.34%。

2 結(jié)果與討論

2.1 開孔率對干板壓降的影響

干板壓降是氣體流過無液相的塔板時產(chǎn)生的阻力損失。圖1為不同開孔率的塔板的干板壓降。

圖1 三種開孔率下塔板的干板壓降Fig.1 Dry tray pressure drop under three kinds of opening hole rate.Opening hole rate/%：■ 14.53；● 13.33；▲ 12.34 F0：valve hole kinetic energy factor.

由圖1可知，三種開孔率下塔板的干板壓降由大到小順序為：12.34%＞13.33%＞14.53%。在小氣量時，由于十字旋閥塔板浮動的特點，浮閥隨著氣相流量的增加而逐漸升起，此時塔板的干板壓降主要是由氣流托起浮閥消耗能量造成的，大小主要決定于浮閥重量和開孔面積，閥孔動能因子對干板壓降的影響甚微。開孔面積越小，氣流通道也越小，氣體通過塔板需要克服的阻力越大，即開孔率越小干板壓降越大。當(dāng)氣量增加時，浮閥全部開啟，氣體通道不再改變，塔板的干板壓降隨閥孔動能因子的增大而顯著增大，此時閥重和開孔面積對干板壓降幾乎不影響，因而各個塔板的干板壓降趨于一致。

2.2 開孔率對濕板壓降的影響

精餾塔的濕板壓降是塔板能量消耗的直觀反映。濕板壓降一般分為兩個部分，一部分是氣體通過塔板克服浮閥重力的阻力損失，即干板壓降；另一部分是氣體通過塔板上液層的阻力損失，即液層壓降（濕板壓降）。圖2分別探究了在兩種堰高，三種液流強度下開孔率為14.53%，13.33%，12.34%時的濕板壓降。由圖2可知，不同開孔率的塔板的濕板壓降大小順序為：12.34%＞13.33%＞14.53%。在氣速較小時，塔板上濕板壓降主要由液層壓降引起。此時開孔率越小，清液層高度越高，氣體通過塔板所受的液層阻力越大，濕板壓降越大。氣速較大時浮閥完全開啟，主要影響因素變?yōu)楦砂遄枇p失，與氣體流速成正比，氣體流量越大，不同開孔率的塔板濕板壓降逐漸趨于一致。同種堰高和不同液流強度下，液流強度越高，塔板上液層高度增加，濕板壓降也隨之升高。其中開孔率12.34%的塔板濕板壓降上升明顯，首先是由于塔板的開孔率小，氣體的流通面積小，氣流主體對液流主體的推動作用小，使得塔板上滯留液體增多。其次，由于非均勻開孔使得氣體分布較為均勻，上液層高度升高，氣體通過塔板所受阻力增大，進(jìn)而導(dǎo)致濕板壓降升高。隨著氣速逐漸增大，浮閥全部開啟，濕板壓降趨于一致，此時干板阻力損失成為影響濕板壓降的主要影響因素。對比圖2中不同堰高相同液流強度下，堰高的大小直接影響塔板上清液層高度，堰越高，塔板上清液層高度越大，相同氣速下，濕板壓降越大。

圖2 三種開孔率下的濕板壓降Fig.2 Wet tray pressure drop under three kinds of opening hole rate.L：liquid flow strength.Opening hole rate/%：■ 14.53；● 13.33；▲ 12.34

2.3 開孔率對霧沫夾帶的影響

霧沫夾帶是指氣體自下層塔板帶至上層塔板的液體霧滴返混現(xiàn)象。霧沫夾帶限制了塔的氣相負(fù)荷上限，是影響塔板負(fù)荷性能的重要因素之一。圖3分別探究了在兩種堰高、三種液流強度下三種開孔率下塔板的霧沫夾帶率。由圖3可知，三種液流強度下非均勻開孔率塔板的霧沫夾帶率由大到小順序為：14.53%＞13.33%＞12.34%。開孔率較大的塔板霧沫夾帶率相對更大，開孔率較小的塔板霧沫夾帶率相對偏小一些，即減小開孔率有利于降低霧沫夾帶率。對于非均勻開孔率塔板，開孔率小的塔板上液體分布更均勻且高度高，氣體穿過液層后動能的損耗大，部分液滴無法在氣流裹挾作用下上升至上層的塔板，因此非均勻開孔率小的塔板霧沫夾帶率低。堰高較低時，在較小和較大液流強度下，塔板上霧沫夾帶均呈現(xiàn)一般規(guī)律，液流強度25 m3/（m·h）時，開孔率13.33%的塔板由于缺少十字旋閥的導(dǎo)流作用且非均勻開孔率高，使得液流進(jìn)口處與出口處液面梯度高，塔板滯留較多液體，霧沫夾帶相對不穩(wěn)定。可見，對塔板進(jìn)行非均勻開孔使得塔板的導(dǎo)流效果減弱，板面滯留更多液體，霧沫夾帶率變小，同時在液流出口處進(jìn)行堵孔，可有效地均勻液面梯度，十字旋閥的導(dǎo)流作用和平衡液面高度的作用同時影響著塔板的霧沫夾帶率。

圖3 三種開孔率下的霧沫夾帶率Fig.3 Entrainment rate(ev) under three kinds of opening hole rate.Opening hole rate/%：■ 14.53；● 13.33；▲ 12.34

2.4 開孔率對漏液的影響

漏液是在氣體流速緩慢時，部分液體直接從閥孔落下，嚴(yán)重時將使塔板上無法積液，嚴(yán)重影響氣體負(fù)荷性能。一般來說，開孔率越小的塔板漏液率越小。圖4分別探究了在兩種堰高、三種液流強度下不同開孔率塔板的漏液率。由圖4可知，十字旋閥塔板開孔率低的（13.33%）漏液率大于開孔率高的（14.53%），開孔率為13.33%塔板缺少十字旋閥的導(dǎo)流作用使得塔板上滯留液體增多，漏液程度增加。其次，可以看出非均勻開孔率為12.34%塔板的漏液率在相同氣速下始終低于開孔率13.33%的塔板，符合一般規(guī)律，開孔率為14.53% 的塔板漏液率不穩(wěn)定性高。這是由于液面高度不均勻?qū)е略谝毫魅肟谔帲好娓叨雀撸┮撼潭仍黾樱沟瞄_孔率為14.53%的塔板氣相負(fù)荷下限降低。相同堰高和不同液流強度下，漏液率在氣量較小時，浮閥處于未完全張開的狀態(tài)，氣體所獲得的能量無法平衡板上液體的重力等，漏液率高。隨著氣體流速的增大，干板阻力愈加趨向于主導(dǎo)，氣體的分布也愈加趨向于均勻，因此漏液情況迅速好轉(zhuǎn)。對比不同堰高、相同液流強度情況，堰高的大小與塔板上清液層厚度成正比，堰高大的塔板上清液層高度高，使得漏液率增加，平衡漏液率在10%時，塔板所需氣速更高，塔板的氣相負(fù)荷性能下限升高。

圖4 三種開孔率下的漏液率Fig.4 Weeping rate(w) under three kinds of opening hole rate.Opening hole rate/%：■ 14.53；● 13.33；▲ 12.34

2.5 實驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)式擬合

2.5.1 干板壓降

浮閥的開啟分為兩個階段，即浮閥開啟前和浮閥全開后，本工作采用經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式對干板壓降進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，結(jié)果見表2。

表2 干板壓降關(guān)聯(lián)式系數(shù)及實驗誤差Table 2 Value of correlation coefficient of dry tray pressure drop and experimental error

2.5.2 濕板壓降

濕板壓降主要由兩部分組成，分別為干板壓降、液層壓降，液層壓降主要是氣體克服液體阻力所產(chǎn)生的壓降。由于實驗中在浮閥未完全開啟階段和發(fā)生液泛階段氣液兩相接觸劇烈，難以穩(wěn)定地測量液層高度，所以無法定量地區(qū)分干板壓降和液層壓降。采用經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式對濕板壓降進(jìn)行關(guān)聯(lián)，濕板壓降關(guān)聯(lián)式的各項系數(shù)及對擬合值進(jìn)行誤差分析得到的結(jié)果見表3。

表3 濕板壓降關(guān)聯(lián)式系數(shù)及實驗誤差Table 3 Value of correlation coefficient of wet tray pressure drop and experimental error

2.5.3 霧沫夾帶

影響霧沫夾帶的因素有很多，根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)模型擬合得到霧沫夾帶關(guān)聯(lián)式的各項系數(shù)及對擬合值進(jìn)行誤差分析得到的結(jié)果見表4。

表4 霧沫夾帶關(guān)聯(lián)式系數(shù)及實驗誤差Table 4 Value of correlation coefficient of entertainment and experimental error

2.5.4 漏液

因為浮閥的機(jī)械特性導(dǎo)致漏液不均勻或者跨度較大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)明顯不符合漏液規(guī)律，對這些點進(jìn)行舍棄后再進(jìn)行擬合。采用經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式對霧沫夾帶進(jìn)行回歸，得到漏液關(guān)聯(lián)式的各項系數(shù)及對擬合值進(jìn)行誤差分析得到的結(jié)果見表5。

表5 漏液關(guān)聯(lián)式系數(shù)及實驗誤差Table 5 Value of correlation coefficient of weeping and experimental error

2.5.5 開孔率對塔板氣相負(fù)荷性能的影響

合理的開孔率不但可使氣液充分接觸，也可降低霧沫夾帶和漏液。同時在氣速較大時，有效地防止了噴射液泛的發(fā)生，提高了塔板的操作彈性。通過比較不同開孔率下塔板的霧沫夾帶線及漏液線，可以直觀地反映開孔率對塔板操作彈性中氣相負(fù)荷上下限的影響，為工業(yè)設(shè)計及改造提供指導(dǎo)。圖5為不同開孔率下塔板的霧沫夾帶線（霧沫夾帶率ev=10%），液泛線（ev=60%）和漏液線（漏液率w=10%）。由圖5可知，塔板的開孔率小，霧沫夾帶線上移，塔板氣相負(fù)荷性能提高。在液流強度較小時，開孔率為13.33%的塔板相對于開孔率為14.53%的塔板，板面滯留液體更多，氣體通過液層阻力大，使得塔板能夠負(fù)荷更高氣速，而相較于開孔率為12.34%的塔板，塔板間氣液分離空間更大，使得ev=10%時，塔板氣相負(fù)荷能力提高。當(dāng)液流強度增大時，板面液層高度增加，塔板液層上氣液分離空間的影響程度減弱，開孔率越小，霧沫夾帶線越高，氣相負(fù)荷能力越大。塔板開孔率越小，液泛線上移，塔板的操作性能提高。其中達(dá)到液泛率（ev=60%）時的塔板截面氣速由大到小順序為：13.33%＞12.34%＞14.53%。開孔率14.53%的塔板由于板上液層高度低，氣液通過塔板裹挾的液滴多，霧沫夾帶率增大，允許的氣體負(fù)荷變小，塔板的操作彈性受限。增加塔板開孔率使得漏液線下移，相同液相負(fù)荷下，開孔率越小，塔板漏液程度越低，氣相負(fù)荷下限降低，操作彈性增加。其中開孔率13.33%的塔板漏液率最大，是由于十字旋閥塔板上清液層高度高和缺少十字旋閥導(dǎo)流作用引起的，與實驗結(jié)果相符。塔板的非均勻開孔顯著影響塔板的流體力學(xué)性能，開孔率12.34%的塔板和開孔率13.33%的塔板由于開孔率低使得塔板上清液層高度更均勻，霧沫夾帶線和液泛線均上升，使得塔板氣相負(fù)荷能力提高；開孔率12.34%的塔板漏液線降低，液相負(fù)荷能力提高，但是由于開孔率13.33%的塔板結(jié)構(gòu)的原因漏液程度增加，限制了塔板的液相負(fù)荷下限，綜合來看，進(jìn)行非均勻開孔可以有效地提高塔板的氣液相負(fù)荷性能。對于十字旋閥塔板，非均勻開孔率顯著影響了霧沫夾帶、液泛和漏液性能。開孔率減小，霧沫夾帶線上移，液泛線上移，氣相負(fù)荷上限提高，操作彈性增大；漏液線降低，氣相負(fù)荷下限下移，操作彈性增大。2.5.6 開孔率對塔板操作彈性的影響

圖5 三種開孔率下塔板霧沫夾帶線(ev=10%)(a)，塔板液泛線(ev=60%)(b)和塔板漏液線(w=10%)(c)Fig.5 Entrainment lines(ev=10%) on trays(a)，tray flooding lines(ev=60%)(b) and tray weeping lines(w=10%)(c) under three opening hole rates.QV：gas phase load；QL：liquid phase load.Opening hole rate/%：— 14.53；— 13.33；— 12.34

負(fù)荷性能圖是反映塔板操作性能的重要手段，不僅可檢驗塔板設(shè)計的合理性，還能有效地反映塔板的操作狀況和操作彈性。為了便于比較非均勻開孔的十字旋閥塔板的操作彈性，繪制不同開孔率的塔板負(fù)荷性能圖，結(jié)果見圖6。

圖6 塔板負(fù)荷性能Fig.6 Tray load performanceof trays.Opening rate/%：a 12.34；b 13.33；c 14.53 1 Weeping line；2 Entrainment line；3 Liquid phase load lower limit line；4 Liquid phase load upper limit line；5 Liquid flooding line；6 Operation line；A operation point The shaded part in the diagram is the suitable operation zone of the tray.

其中，線1為漏液線，又稱氣相負(fù)荷下限線，取w=10%；線2為霧沫夾帶線，又稱氣相負(fù)荷上限線，取ev=10%；線3為液相負(fù)荷下限線；線4為液相負(fù)荷上限線；線5為液泛線，取ev=60%；線6為操作線，A為操作點；圖中陰影部分為塔板適宜操作區(qū)間。在工業(yè)連續(xù)精餾中，回流比為定值，故操作的氣液比為定值，固定氣液比見圖中操作點A。由圖6可知，三種開孔率的塔板操作上限均為霧沫夾帶控制，操作下限為漏液控制。在固定操作線下，開孔率12.34%的塔板氣相負(fù)荷上限為590.0 m3/h，氣相負(fù)荷下限為447.2 m3/h；開孔率13.33%的塔板氣相負(fù)荷上限為562.5 m3/h，氣相負(fù)荷下限為501.0 m3/h；開孔率14.53%的塔板氣相負(fù)荷上限為541.2 m3/h，氣相負(fù)荷下限為415.8 m3/h。非均勻開孔后開孔率12.34%的塔板操作彈性為1.32；開孔率13.33%的塔板操作彈性為1.12；開孔率14.53%的塔板操作彈性為1.30。可見，開孔率12.34%的塔板操作彈性最大，相較于其他兩個開孔率的塔板分別提高了17.9%和1.5%，說明對塔板進(jìn)行非均勻開孔可顯著改善塔板的操作彈性。

3 結(jié)論

1）塔板開孔率減小，塔板霧沫夾帶線上移，氣相負(fù)荷上限升高，操作彈性增加。

2）減小塔板的開孔率可顯著降低塔板的漏液程度，塔板漏液程度降低，可承受更高的塔板截面氣速，從而增加操作的適宜區(qū)間。

3）通過研究非均勻開孔率十字旋閥塔板流體力學(xué)性能，擬合了塔板壓降、霧沫夾帶率和漏液率關(guān)聯(lián)式，通過擬合式繪制不同開孔率下塔板的霧沫夾帶線、液泛線和漏液線，在固定操作點下，得出開孔率為12.34%的塔板比開孔率為13.33%和14.53%塔板的操作彈性提高了17.9%和1.5%，綜合來看開孔率12.34%的塔板性能最佳。繪制三種非均勻開孔率下塔板負(fù)荷性能圖，可在工業(yè)塔板改造時進(jìn)行參考。