發(fā)布時(shí)間：2015-01-01 10:23

 

【摘要】 我國塔器技術(shù)從上世紀(jì)八十年代開始研究,九十年代到本世紀(jì)初達(dá)到了高峰,經(jīng)過多種嘗試,棄繁從簡已成為新的發(fā)展趨勢,本文在著名林德板的基礎(chǔ)上,開發(fā)了一種新型穿流塔盤——潤德板(Runde塔盤)。在西北大學(xué)思瑞迪精餾工程技術(shù)研究中心開發(fā)的多功能塔器實(shí)驗(yàn)裝置(專利號：CN201110067233.X)上以空氣/水為介質(zhì),采用兩種不同結(jié)構(gòu)的六塊Runde塔盤進(jìn)行冷模實(shí)驗(yàn),研究其在不同的負(fù)荷下的干板壓降、總板壓降、清液層高度、平均泡沫層高度、泛點(diǎn)氣速等流體力學(xué)性能。通過分析對比,確定最適宜工業(yè)化的塔盤結(jié)構(gòu)和最佳固閥開孔比,并在同一工況下與傳統(tǒng)篩板穿流塔盤進(jìn)行對比試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：篩孔型Runde塔盤結(jié)構(gòu)簡單,對穿流篩孔塔盤增設(shè)倒置固閥,相當(dāng)于多個(gè)微型降液管,使得液體在塔板之間形成一定的分布來強(qiáng)化傳質(zhì)。從而在塔盤上形成兩次傳質(zhì)過程,第一次傳質(zhì)是在板上,氣體通過篩孔進(jìn)入清液層時(shí)的鼓泡傳質(zhì)；隨著F因子升高,倒置固閥液體下降狀態(tài)由淅瀝流淌到噴淋而下,與上升的氣體形成二次傳質(zhì)。在操作彈性范圍內(nèi),篩孔型Runde塔盤壓降比傳統(tǒng)篩孔穿流塔盤高45.1%,氣含率比傳統(tǒng)穿流塔盤高30.9%,泛點(diǎn)氣速比傳統(tǒng)穿流塔盤提高36.4%,篩孔型Runde塔盤操作彈性比傳統(tǒng)穿流篩孔塔盤平均提升51.4%以上,根據(jù)不同固閥開孔比篩孔Runde塔盤流體力學(xué)性能和操作彈性比較,篩孔Runde塔盤的最佳固閥開孔比為33.3%。

第一章緒論

 

1.1塔設(shè)備

隨著可持續(xù)發(fā)展、資源配置和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)型的日益關(guān)注，作為與人類日常生活用品，化工行業(yè)也迎來愈來愈嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)�；�工中耗能大戶即是分離工程，分離工程中最大的投資無外乎設(shè)備投資和能耗投資，雖然諸如膜分離、分子蒸館、新型吸附分離、溶鹽精館、加鹽萃取精館、以及離子交換與色譜等新興分離技術(shù)日趨成熟，，但塔仍然也必然將在以后是分離技術(shù)的主要設(shè)備。

在設(shè)備投資中，塔器及鋼材耗費(fèi)僅次于換熱器類。能耗方面，塔器設(shè)備作為化學(xué)分離工業(yè)中的最主要的設(shè)備，能耗大于其他任何設(shè)備。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，石化行業(yè)能耗占工業(yè)總能耗的很大部分，其中精館過程耗能約占3/5，而精館過程是由塔設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的。

塔設(shè)備能夠?yàn)闅庖夯蛘咭阂悍蛛x過程提供必要的空間和時(shí)間，在塔中氣液多次接觸多次分離，進(jìn)而使得氣液中不同組分分離，從而得到目標(biāo)產(chǎn)品。

所以，塔器在化工中的地位無可厚非是至關(guān)重要。建設(shè)節(jié)約型消費(fèi)模式，開發(fā)新型高效塔器技術(shù)仍是主攻方向。塔器設(shè)備分類方法有多種，按其接觸原理來看，可分為微分接觸式和分級接觸式兩大類型。

 

 

 

1.2微分接觸式

微分接觸式設(shè)備最典型的屬填料塔，其研發(fā)始于20年代，從70年代真正開始了科學(xué)研究，90年代其大范圍工業(yè)應(yīng)用。同時(shí)國內(nèi)填料塔發(fā)展也主要從90年代開始，主要由天津大學(xué)研宄究開發(fā)、推廣，筆耕文化推薦期刊，到2010年，西北大學(xué)思瑞迪精餾館工程研究中心開發(fā)出成套的3D填料技術(shù)。

填料塔傳質(zhì)最主要的核心元件是填料，液相在填料表面鋪展開成薄液層，氣相通過填料時(shí)將薄液層吹成液膜，液膜破碎，氣液分離，完成一次傳質(zhì)，形成一個(gè)傳質(zhì)單元，氣體繼續(xù)向上走，遇到上一個(gè)薄液層，再一次拉膜，無數(shù)次快速拉膜、快速破碎，無數(shù)傳質(zhì)單元緊密相連，將氣液接觸表面微分化，相界面更新時(shí)間也微分化，將傳質(zhì)單元也微分化，氣液相接觸更均勾化，從而使得其相界面無限增大。所以，填料塔的傳質(zhì)效率相對較高，同時(shí)，由于填料之間間隙小、易堵、放大效應(yīng)嚴(yán)重。

填料塔中填料是主要分離元件，如圖1.1所示，填料塔以一直立式圓柱形筒體為主體部分，還有其他功能性組件，如：液體分布組件、壓緊組件、支撐組件、液體收集組件、再分布組件、除沫組件等。

其上填料根據(jù)填料本身有兩種擺放方式（即整堆和散放）。因此，根據(jù)其擺放方式，又分為散堆填料和規(guī)整填料。

規(guī)整填料，顧名思義，填料呈一定結(jié)構(gòu)安裝于塔內(nèi)，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于散堆填料。該方面研究主要從世紀(jì)中葉開始，此后開始出現(xiàn)了許多新型塔盤。

 

第二章實(shí)驗(yàn)方案

 

2.1試驗(yàn)裝置介紹

2.1.1組合式多功能實(shí)驗(yàn)塔及其裝置介紹

（1）裝置背景

該裝置是由西北大學(xué)與西安思瑞迪精館工程有限公司聯(lián)合成立的“西北大學(xué)思瑞迪精懷技術(shù)研宄中心建造的，可進(jìn)行塔板和填料的冷模和熱模實(shí)驗(yàn)研宄，而且吸收、解析可以在同一裝置內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。主要用于3D塔盤的開發(fā)與性能研宄，先后在該裝置上成功開發(fā)試驗(yàn)出3D 90浮閥塔盤、3D 120浮閥塔盤、立裝規(guī)整填料、泡罩塔盤、泡罩立體蹄板塔盤、拋物線橢圓斜孔塔盤、噴淋溢流塔盤、穿流塔盤等。其中3D 90浮閥塔盤、3D 120浮閥塔盤、拋物線橢圓斜孔塔盤、噴淋溢流塔盤已成功工業(yè)化。2012年成功在該裝置上對新型垂直蹄板塔盤與傳統(tǒng)F1浮閥塔盤傳質(zhì)效率進(jìn)行對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為新型垂直蹄板塔盤在石錯(cuò)油分離特殊工況的工業(yè)化提供中試數(shù)據(jù)，并且為其工業(yè)化的應(yīng)用提供可靠保證。該裝置是完整的工業(yè)中試裝置，所以該裝置的試驗(yàn)研宄結(jié)果對于工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用有著非常重要的參考價(jià)值。

（2）裝置特色

該實(shí)驗(yàn)裝置可完成完整的精館工藝過程，由進(jìn)料系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、試驗(yàn)塔系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、吊裝系統(tǒng)六大部分組成。各個(gè)部分的具體設(shè)備參數(shù)如表2.1所示。

 

 

 

 

 

2.2實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康募霸��?/p>

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過實(shí)驗(yàn)測得相關(guān)參數(shù)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式。所得關(guān)聯(lián)式指導(dǎo)該類型塔盤的設(shè)計(jì)。

（2）實(shí)驗(yàn)原理：

塔盤的性能可由冷模實(shí)驗(yàn)和熱模實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測定，本次實(shí)驗(yàn)僅從冷模實(shí)驗(yàn)對該塔盤進(jìn)行評價(jià)，塔器冷模實(shí)驗(yàn)，其介質(zhì)采用空氣和水來模擬塔盤在正常工況下的操作狀態(tài)，空氣與水在塔內(nèi)逆流接觸，完成傳質(zhì)過程。而塔盤不同，空氣與水在塔內(nèi)接觸狀態(tài)相異。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，描述該新型塔盤的氣液接觸狀態(tài)，記錄不同工況下，塔盤上全部氣液接觸狀態(tài)。通過對塔盤的壓降、清液層高度、平均泡沫層高度、泛點(diǎn)氣速等的測量，采用傳統(tǒng)穿流塔盤的性能公式回歸，得到一個(gè)適用于Runder塔盤的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。

2.2.2研究方法

本課題的主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是對Runder塔盤的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能進(jìn)行測定，并在相同的實(shí)驗(yàn)條件下將兩種Runder塔盤的性能與傳統(tǒng)穿流塔盤進(jìn)行比較。因此分以下幾個(gè)方面分別做以研究。

（1）壓降的研究

塔內(nèi)壓強(qiáng)降直接影響著塔的操作費(fèi)用，對于精循系統(tǒng)而言，塔內(nèi)壓強(qiáng)降的減小可以降低塔爸溫度，這對熱敏物系的分離非常有利。塔板壓降主要跟以下因素有關(guān)：物系的粘度和密度、塔板結(jié)構(gòu)、氣速、液流強(qiáng)度。本課題擬研宄在其它條件不變的情況下，塔盤形式對干板壓降和總板壓降的影響；在不同的噴淋密度下，研宄噴淋密度對塔板壓降的影響；以及當(dāng)塔板開孔比改變時(shí)，塔板開孔比對干板壓降和總板壓降的影響。

 

第三章篩孔Runder塔盤的性能研究..........25

3.1壓降.........25

3.1.1干板壓降.......25

3.1.2總板壓降.......27

第四章浮閥Runder塔盤的性能研究.......36

4.1壓降...........36

4.1.1干板壓降.......38

4.1.2總板壓降.....40

第五章Runder塔盤與穿流塔盤的比較........47

5.1干板壓降.....47

5.2總板壓降.......48

 

第五章Runder塔盤與穿流塔盤的比較

 

為了更好的評價(jià)under塔板性能，本文在相同的實(shí)驗(yàn)條件下對穿流塔板做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研宄，并且將兩種under塔盤與穿流塔盤的水力學(xué)性能進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，對比試驗(yàn)采用的是與潤的塔盤相同的開孔率（20%），板厚度（10mm），孔徑25mm的圓形孔型穿流塔盤進(jìn)行試驗(yàn)。

 

5.1干板壓降

 

 

三塊的干板壓降與空塔氣速的關(guān)系對比圖如圖5.1,曲線A、B、C分別表示的是蹄孔塔盤、浮閥塔盤和傳統(tǒng)蹄孔穿流塔盤。A、B、C的干板壓降都是隨著的增大而增大的，并且兩種Runder塔盤的干板壓降都大于穿流塔盤，主要是由于：

穿流塔盤上無論F因子大小，壓降都來自與氣體進(jìn)入蹄孔縮流，離開蹄孔擴(kuò)流產(chǎn)生的局部阻力，所以干板壓降隨著F因子基本呈正比關(guān)系。

而篩孔Runder塔盤在F因子較小時(shí)，壓降來自蹄孔處氣體縮流擴(kuò)流的局部阻力，但F因子到一定數(shù)值時(shí)，氣體也會(huì)通過倒置固閥，通過倒置固閥時(shí)氣體亦存在縮流擴(kuò)流，不但如此還有兩次氣相流向改變，產(chǎn)生額外局部阻力損失。這兩方面的阻力損失使得其壓降比穿流塔盤稍大。

 

結(jié)論與展望

 

結(jié)論

本文在概述了化工行業(yè)的重要性、國內(nèi)外塔器技術(shù)的發(fā)展情況以及穿流塔盤的研究現(xiàn)狀。從實(shí)際實(shí)驗(yàn)出發(fā)對Runder塔盤的流體力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。在自主開發(fā)的多功能塔器實(shí)驗(yàn)裝置上，以水空氣為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，對新開發(fā)的Runder塔盤進(jìn)行冷模試驗(yàn)研究，得到塔盤的干板壓降、液泛氣速、清液層高度、泡沫層高度和操作彈性等性能參數(shù)。Runder塔盤比穿流塔板流體力學(xué)性能更加優(yōu)良，與篩孔型相比，浮閥型Runde塔r盤，上限低，下限更低，雖操作彈性比相對較大，但失去了穿流塔盤原有的大處理量的特性，相比而言篩孔型塔盤初步達(dá)到設(shè)計(jì)目的，從操作彈性上也初步具備工業(yè)化條件。

其實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下：

（1）篩孔型Runde塔盤制造簡單，其加工生產(chǎn)過程僅需一次打孔和一次沖壓就能完成，而且無需加工降液管，所以制造簡單，造價(jià)低。

（2）塔盤在操作過程中，出現(xiàn)兩次傳質(zhì)，第一次傳質(zhì)是在板上，氣體通過篩孔進(jìn)入清液層時(shí)的鼓泡傳質(zhì)；隨著F因子升髙，倒置固閥液體下降狀態(tài)由淅瀝流淌到平射噴出，噴出過程中產(chǎn)生液膜，氣體通過液膜時(shí)，出現(xiàn)第二次液膜傳質(zhì)。

（3）在操作彈性范圍內(nèi)，篩孔型Runde塔盤壓降比傳統(tǒng)篩孔穿流塔盤高45.1%，氣含率比傳統(tǒng)穿流塔盤高30.9%，泛點(diǎn)氣速比傳統(tǒng)穿流塔盤高36.4%，一定噴淋密度下，隨著因子增大，壓降逐漸增大，清液層和泡沫層逐漸加厚，氣含率逐漸升高。在F因子不變，隨著噴淋密度增大，泛點(diǎn)氣速減小。

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本文編號：10973