加压下规整填料塔内流体流动和传质特性的研究及其计算流体力学模精Word下载.docx

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１９９９年，ＦＲＩ［３Ｊ发表了他们的高压精馏实验数据。

他们的实验物系为正丁烷一异丁烷，操作压力为０．７・２．７ＭＰａ，所用填料为Ｍｅｌｌａｐａｋ２５０Ｙ。

结果表明，在压力等于Ｏ．７ＭＰａ时，该填料的等板高度值（ＨＥＴＰ）为０．３ｍｉ当压力升至２．７ＭＰａ，液相负荷为泛点负荷的７０．８０％时，其ＨＥＴＰ值达到了０．７３ｍ。

而通过改进液体分布器，可使填料的分离性能得到提高，ＨＥＴＰ可降到Ｏ．３５—０．４１ｍ。

这同时也说明，流体在填料内的轴向和径向混合（通常称之为返混）是高压下填料塔分离效率降低的主要因素。

ＺｕｉｄｅｒｗｅｇａｎｄＮｕｔｔｅｒ［２１（１９９２）以ＮｕｔｔｅｒＲｉｎｇｓ为填料，以正丁烷一异丁烷为物系所做的高压精馏实验也表明，在压力从常压到１１３８Ｋｐａ的过程中，填料的等板高度明显下降，说明填料效率变好，但随着压力超过１１３８ＭＰａ而继续升高，填料的效率开始下降，并得出结论．大尺度的气相返混及其所引起的液相流的不良分布是造成高压下填料塔效率降低的主要因素。

（３）高压精馏填料塔的压降

１９９３年，Ｒａｌｐｈ［４１发现通用压降关联式（ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＰｒｅｓｓｕｒｅＤｒｏｐＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）在减、常压下其计算值与实际测量值吻合相当好。

但在高压下其计算值比实际测得的值要低的多。

这是由于增加精馏塔的操作压力将使气、液相的密度差别减小，同时液相的粘度和表面张力也随之降低，这就使液相更易变为含气量比较多的泡沫相，如在Ｃ２分离的实验中气含率最大可达到３８％。

因泡沫相所占的空间远远大于相同负荷下清液所占的体积，这样就减小了填料的实际空隙率，使气相的真实速度增大，压降增大。

综上所述，高压精馏具有液相负荷大、流动参数大、气速低、压降大的特点，严重的气、液相返混是其分离效率下降的主要因素。

因此，研究填料塔内流体的流体力学行为，对丁提高填料的传质分离效率具有重要意义。

２．２高压热模精馏实验

２．２．１实验装置

本实验的实验装置图如图２－１所示，其主要设备有精馏塔及其塔内件、导热油炉、塔底再沸器、塔顶冷凝器、高压屏蔽泵、真空泵、原料液贮罐、产品罐等。

下面分别对～些主要设备进行阐述。

２４

第二章加压下规整填料塔内传质行为的研究

２．２．１．１精馏塔

图２－１实验装置图

Ｆｉｇ．２－１Ｐｉｃｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｅｔｕｐ

实验所Ｈｊ高压精馏塔的示意图如图２－２所示，该塔的操作压力范围为０．１～２．ＯＭｐａ，操作的最高温度为２６０＂Ｃ。

塔身材质为不锈钢，塔内径１５０ｍｍ，整个装置的高度为８．１ｍ，其中塔内有效填料装填高度为２ｍ，分成两段，即精馏段和提馏段，每段填料的高度为１ｍ，两段填料问装有溅液盘式进料液分布器，塔顶装有回流液分布器。

塔底再沸器采用导热油加热炉提供热能源，其热负荷为１×

１０４ｋｃａｌ・ｈ～。

本次实验使用的填料为天大天久公司生产的２５０Ｙ型波纹板规整填料，之所以采＿ｌ｛ｆｊ２５０Ｙ型填料为实验用填料是因为该填料的典型性及其在．１：

业生产中的广泛使用。

塔｜』＝｜温度的检测采＿ｌ；

｛ｊ６个热电阻温度计，分别＿ｌ｛；

Ｉ来测量塔顶、塔上部、塔中部、塔下

部、塔底出料及回流液的温度，其中塔身上四个测温点的高度分别为２４８５ｍｍ，

１０１０１０

１２

１ｖａｐｏｒｏｕｔｌｅｔ

２ｒｅｆｌｕｘｌｉｑｕｉｄｆｅｅｄｅｒ

３ｒｅｆｌｕｘｌｉｑｕｉｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒ

４Ｍｅｌｌａ［Ｉａｋ２５０Ｙ

５ｌｉｑｕｉｄｆｅｅｄｅｒ

６ｌｉｑｕｉｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒ

７ｖａｐｏｒｉｎｌｅｔ

８ｌｉｑｕｉｄｆｅｅｄｅｒｔｏｒｅｂｏｉｌｅｒ

９ｌｉｑｕｉｄｏｕｔｌｅｔ

１０ｐｒｅｓｓｕｒｅｏｒｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｄｅｔｅｃｔｅｒ

１１ｌｉｑｕｉｄｓａｍｐｌｅｒ

１２ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ

图２－２高压精馏塔结构示意图

Ｆｉｇ．２－２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｒａｗｉｎｇｏｆｔｈｅｈｉｇｌｌ・ｐｍｓｓｕｒｅｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎｃｏｌｕｍｎ

３１４５ｒａｍ，３７３５ｍｍ，４４５４ｍｍ。

精馏塔内压力的检测方法为，塔顶采用压力计，精馏段和提馏段采用压差计，三个压力计与塔的接口位置分别为１８３５ｍｍ，３１４５ｒａｍ，４４１４ｍｍ。

温度与压力的检测值通过远传的方式直接显示在控制室的数字仪表盘上，使操作者能很方便地髓控实验过程中发生的状况。

整个塔设有６个液体取样口，包括一个塔顶回流液取样口、二个精馏段取样口、二个提馏段取样口和一个塔底馏出液取样口，各取样口距地面的轴向位置分别为１００，２３３０，２６６０，３５３０，３８６０，４４１４ｍｍ。

液相样用高压取样针来取，然后用气相色谱（ＨＰ４８９０Ｄ）进行分析。

这样就可以测得每组实验沿塔轴向的液相浓度分布．温度分布及精馏段和提馏段填料层的压力降。

整个实验在全回流条件下操作。

２．２．１．２填料

本实验所用填料为天津大学天久公司生产的２５０Ｙ型金属孔板波纹填料，填料盘直径为１５０ｍｍ，盘高为ｌＯＯｍｍ，填料的形状如图２－３所示，由图可见，金属板波纹填料是由若干波纹平行且垂直排列的金属波纹片组成，其形状见图２－４，波纹片上开有小孔，波纹顶角ｄ为９０。

。

波纹形成的通道与垂直方向成４５。

，相邻两波纹片流２６

道成９０。

，上下两盘波纹填料旋转一定角度（３０。

）叠放，使流体在塔内充分混合全塔共装有２０盘相同的填料，填料总高度为２ｍ。

表征波纹填料的特性参数有：

●峰高ｈ／ｍ：

峰高即波纹片的小组峰高度（见图２－４）。

・波纹峰距２Ｂ／ｍｍ：

相邻两波峰之间的距离，一般为峰高的２倍左右。

・板厚占／ｍｍ：

波纹片的厚度，通常在０．１．Ｏ．２之间。

・开孔率Ｊ：

波纹片上开孔的面积除以波纹片的表面积。

・比表面积ａ／（ｍ２ｍ。

）：

即单位体积填料的表面积，可用下式表示。

口＝嚣（１叫・空隙率ｓ／（ｍ３ｍ‘３）：

即单位体积填料的空隙体积

图２－３金属孔板波纹填料形状

Ｆｉｇ．２－３Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｃｏｒｒｕｇａｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｐａｃｋｉｎｇ

图２－４波纹片形状

Ｆｉｇ．２—４Ｓｈａｐｅｏｆｔｈｅｃｏｒｒｕｇａｔｅｄｓｈｅｅｔ

（２－２）

ｓ：

１一堕：

１一堕

向Ｂ２●堆积密度ｐ。

／（ｋｇｍ。

单位体积填料的重量。

ｐ。

＝（１一ｅ），ｏＭ式中几为填料材质的密度，ｋｇｍ一。

（２—３）

（２・４）

・水力直径以／ｍ：

波纹片两波谷间距的中点至波纹内边线之垂线长度的２倍。

以：

竺：

！

一２一ｃ）（２．５）ｄ。

一一一（２一）

ａ口

上述参数中，波纹片的峰高是波纹填料的基础数据，它反映出填料气液流道的大小、处理能力、传质效率甚至于应用范围等。

２５０Ｙ型金属孔板波纹填料的结构特性列于表２．１中。

表２．１２５０Ｙ型金属孔板波纹填料的结构特性参数

Ｔａｂ．２－１ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＭｅｌｌａｐａｋ２５０ＹＳｔｒｕｃｔｕｒｅｄＰａｃｋｉｎｇｓ

波纹峰波纹峰比表面积，密度，

材质倾角空隙率开孔率高，ｍｉｌｌ距，ｍｍｍ２・ｍ。

３ｋｇ・ｍ’’

Ｉ不锈钢１１．６２５．８４５。

２５０９７％１０．５％１９５２．２．１．３液体取样系统

液体样品由伸入填料层中的半圆管取样器从填料层中取出，取样器沿填料水平放置方向向上倾斜５。

放置，以保证液体样品顺利地由填料中取出，取样管长度为１４０ｍｍ，直径为１８ｍｍ，示意于图２－５。

取样管上安装有两个针阀，两针阀间的管段

图２－５液相取样系统

Ｆｉｇ．２－５Ｓａｍｐｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｌｉｑｕｉｄｓａｍｐｌｅｓ２８

上有一取样口，用聚四氟垫密封。

取样前先开与塔相连的针阀（称其为进样阀），待样品从塔内取样管中进入两个针阀之间的圆管后，关此针阀，再打开另一针阀，将残液放掉，如此重复２－３次，即可关闭两针阀，然后用高压取样针抽取液相料液。

料液的成份用气相色谱（ＨＰ４８９０Ｄ）采用ＦＩＤ方法进行检测。

２．２．１．４液体分布器

实验塔分别在塔顶冷凝液回流处及塔中进料处置有液体分布装置。

塔顶回流液分布器结构图示意于图２－６。

该分布器是由两个高度为６０ｍｍ的柱状圆桶构成的环形区域，两桶的直径分别为３０ｍｍ和ｌＯＯｍｍ，两桶壁上缘开有角度为６０。

的ｖ字形溢流孔，距分布器底ｌ５ｍｍ处置有挡板，即两桶间的环状位置为受液区，回流液直接由进液管注入圆桶环中，通过溢流的方式由分布器顶部的ｖ字形溢流孔中流出。

挡板一侧开有一直径为３ｍｍ的圆孔，以备停车后回流液能全部下流至塔釜。

图２－６回流分布器示意图

Ｆｉｇ２－６ＲｅｆｌｕｘＬｉｑｕｉｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒ

塔中进料液体分布器为一个溅液盘式的液体分布装置。

其结构示意于图２．７。

料液由进料管出口处下落到溅液盘上，一部分液体由于重力作用飞溅分布至填料层上，另一部分液体通过盘上均匀分布的１４个中４的小孔均匀分布至下层填料上。

２．２．１．５冷凝器和再沸器

图２－７进料液体分布器

Ｆｉｇ２－７ＦｅｅｄＬｉｑｕｉｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒ

塔顶冷凝器为卧式列管式换热器，冷却水走管程，由８０根长度为１ｍ，规格为击２５×

２的碳钢管组成。

其设计压力为０．６０ＭＰａ，设计温度为８０℃；

物料由壳程通过，其筒体规格为巾３７７×

８，长度为９４０ｍｍ，设计压力和温度分别为２．０ＭＰａ和２００℃。

整个冷凝器的换热面积为６ｍ２。

塔底再沸器为立式列管式换热器．其内管规格为中２５×

２，管长为１ｍ，管数为３７根，物料走管程，其设计压力和温度分别为２．０ＭＰａ、２００℃；

再沸器的筒体规格为巾２７３×

６．３，高度为９０２ｍｍ，其设计压力和设计温度分别为Ｏ．６ＭＰａ、２８０℃，导热油从壳程流过，整个再沸器的换热面积为２．５ｍ２。

３０

２．２．１．６导热油炉系统

塔底热虹吸式再沸器由导热油炉加热，炉的工作热负荷为１×

１０４ｋｃａｌ・ｈ～，使川ＹＤ型导热油，油出口温度最高可达３２０。

Ｃ。

油炉的加热油位由高位槽控制。

油出口温度可用人工和自动两种方式控制，一般刚开始实验时导热油升温最好采用人工控制的方法使每分钟油升温不超过１℃．待导热油温度达到能维持正常塔操作所需上升蒸汽量时，可采用自动控制的办法维持导热油炉系统的正常工作。

２．２．２实验物系及流程

２．２．２．１实验物系

高压精馏通常应用于炼油工业中轻烃的分离和石油化工中乙烯、丙烯等低碳烃类的分离。

工业中丙烯．丙烷的分离是一典型应用。

但由于丙烯、丙烷的沸点太低，实验室采用该物系作为高压精馏热模实验的实验介质会因压力过高有较大的危险性，并且其热力学性质相近，达到一定的分离效果需要较高的填料层，这一点在实验室中也难以实现。

最终我们选取正丁烷－正戊烷（ｎＣ４．ｎＣｓ）体系作为实验物系，Ｈｃ４和ｎＣ，亦为典型的轻烃体系，且其在较高压力（２．０ＭＰａ）下所需釜温在现有实验室条件也是能达到的。

ＯＯ

０．１０

０．２００．３０

０．４０

ＦＰ

图２－８正丁烷气液物理性质随流动参数ＦＰ的变化曲线

Ｆｉｇ２－８

ＰｌｏｔｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｎ－ＢｕｔａｎｅａｇａｉｎｓｔＦｌｏｗＰａｒａｍｅｔｅｒ

０９８７６５４３２ｌ

０Ｏ十ｕ≈