岳 強(qiáng)，于開錄，羅太剛，劉學(xué)民

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北邯鄲056027）

傾斜對于填料塔性能的影響很大，即便只有1°的傾斜對于填料塔傳質(zhì)性能的影響也十分嚴(yán)重，直接導(dǎo)致傳質(zhì)質(zhì)量損失[1]。精餾塔及吸收塔等氣液傳質(zhì)設(shè)備對塔體垂直度的要求非常嚴(yán)格，一般不超過0.3%。而在某些特殊環(huán)境，如潛艇、水面艦船和海上平臺作業(yè)等工藝設(shè)備均大量采用精餾塔和吸收塔[2]。由于海浪的影響，此類設(shè)備將一直處于非穩(wěn)態(tài)，塔體的軸線與重力方向不能始終保持一致。因此，液體在塔內(nèi)的分布會(huì)脫離正常狀態(tài)，導(dǎo)致精餾塔和吸收塔內(nèi)出現(xiàn)氣液分布不均勻現(xiàn)象，精餾和吸收性能嚴(yán)重降低。

在垂直條件下，對填料塔性能的研究國內(nèi)外都十分常見，且均取得了一定成果[3，4]。對非穩(wěn)狀態(tài)下塔設(shè)備性能的研究，國外開始較早且已有相對較成熟的成果[5，6]，而在國內(nèi)還相對較少，應(yīng)用技術(shù)不成熟甚至還處于空白階段。所以，開展傾斜問題相關(guān)方面的探索研究十分有必要。要從根本上解決傾斜問題，首先必須了解在傾斜條件下設(shè)備性能下降的作用機(jī)理。塔內(nèi)液體分布對于填料塔傳質(zhì)性能的影響很大，所以研究和改善傾斜條件下塔內(nèi)的液體分布具有重要意義。而在傾斜條件下填料高度和氣液比率對于液體分布的影響目前并不是很清楚。鑒于此，本文在傾斜條件下對塔底的液體分布特性進(jìn)行了研究，以圖表的形式直觀地認(rèn)知傾斜對液體分布的影響機(jī)理，為今后進(jìn)一步解決傾斜問題奠定一定理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)采用的填料塔直徑為200mm，高度為1.65m，材質(zhì)為透明有機(jī)玻璃，以便于觀察塔內(nèi)氣液流動(dòng)狀況。25mm聚丙烯鮑爾環(huán)散裝填料直接堆在積液槽上，試驗(yàn)介質(zhì)為空氣-水。水從貯水池由離心泵抽入管道，經(jīng)計(jì)量后送入塔頂液體分布器，均勻噴淋在填料層上。液體流經(jīng)填料后進(jìn)入塔底集液槽內(nèi)，由槽底導(dǎo)管流至量液器進(jìn)行計(jì)量。空氣通過風(fēng)機(jī)經(jīng)計(jì)量后從塔底供入塔內(nèi)，與液相逆向流動(dòng)接觸，最后由塔頂排空。裝置具體流程見圖1。

圖1 試驗(yàn)流程圖Fig.1 Flow Chart

1.2 填料塔主要結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)采用噴淋式液體分布器來給填料供水，安裝在填料層上方120mm處。為了能夠真實(shí)的反映填料塔底部液體分布情況，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)液體集液器見圖2。

圖2 液體集液槽示意圖Fig.2 Liquid collector

壁流區(qū)域經(jīng)過了精細(xì)劃分，以保證塔底圓周位置上的液體都能夠被獨(dú)立地檢測到。集液器包含185個(gè)集液槽（塔壁40個(gè)和塔內(nèi)145個(gè)），每個(gè)規(guī)整正方形槽的橫截面積為144mm2，深度為120mm。每一個(gè)集液槽的出口都通過一根細(xì)長的軟管與量液器相連，用于測量這一點(diǎn)的液體噴淋量。

進(jìn)氣口位于集液槽上方，緊鄰填料層。為了保證進(jìn)氣的均勻性，本實(shí)驗(yàn)采用24個(gè)進(jìn)氣口，能夠從塔底圓周的各個(gè)方向進(jìn)氣。另外，為防止液體向下流動(dòng)時(shí)直接流入進(jìn)氣管，對進(jìn)氣管端進(jìn)行了坡口設(shè)計(jì)，安裝時(shí)坡口向下，具體示意圖見圖3。

圖3 塔底進(jìn)氣示意圖Fig.3 Air input in bottoms

1.3 試驗(yàn)條件與過程

為了探究不同傾斜角度下填料對液體的分散性能，實(shí)驗(yàn)在3種傾斜角度下進(jìn)行。對于每種傾斜角度，依次改變4種填料高度，先由低到高，再由高到低，取兩次實(shí)驗(yàn)的平均值作為參考數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)還考慮了氣體對液體分布的影響，在其他條件不變的前提下，改變5種氣液比率來測量塔底的液體分布情況。同樣，氣液比先從低到高然后由高到低，最后取兩次實(shí)驗(yàn)的平均值作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。每組實(shí)驗(yàn)獲得185個(gè)數(shù)據(jù)，通過對這185個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維擬合及二維線性分析，對在傾斜狀態(tài)下塔底液體分布情況進(jìn)一步認(rèn)知。

每次實(shí)驗(yàn)前均進(jìn)行預(yù)液泛以達(dá)到充分潤濕填料，調(diào)解流量待氣液流率基本穩(wěn)定時(shí)，開始取液測定，測定時(shí)間為60s。實(shí)驗(yàn)過程中的各參數(shù)變量見下表1。

表1 實(shí)驗(yàn)中各參數(shù)變量Tab.1 Parameter variables

2 結(jié)果與討論

2.1 不同傾斜角度

實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)為塔底各個(gè)集液點(diǎn)的液體積累量，共計(jì)185個(gè)集液點(diǎn)。取其中3組數(shù)據(jù)通過MATLAB軟件將數(shù)據(jù)擬合成為三維立體圖形，見圖4。

圖4為傾斜0°、3°和7°條件下的液體分布輪廓。填料高度0.95m，液體流量9.88kg（m2·s）-1，進(jìn)氣量0kg（m2·s）-1。X 和Y 軸坐標(biāo)表示塔底橫截面的坐標(biāo)位置，Z 軸坐標(biāo)表示測定時(shí)間內(nèi)的各個(gè)集液槽的液體積累量，單位為mL。

圖4 液體分布輪廓Fig.4 Liquid distribution profiles

從圖4中可以看出，即使是垂直塔體運(yùn)行，流體也有傾向性路線穿過填料，在靠近塔壁區(qū)域流速相對較高。這是由靠近塔壁區(qū)域空隙率較大所導(dǎo)致，但總體來說是比較均勻的。而在傾斜條件下，大部分流體都集中在傾斜塔的低端區(qū)域，造成塔底液體分布嚴(yán)重不均勻。傾斜角度越大不均勻性越嚴(yán)重。為了進(jìn)一步表達(dá)流體向低端壁區(qū)的遷移狀況，在集液槽橫截面上沿傾斜方向作線分析見圖5。

圖5 線區(qū)域示意圖Fig.5 Line areas

沿傾斜方向從上到下共分15個(gè)線性區(qū)域。分析結(jié)果表明，線區(qū)域的液體分布情況基本一致，均呈現(xiàn)出液體在傾斜低端區(qū)域流率較高。

為了取點(diǎn)作圖方便，取線區(qū)域8在3種不同傾斜角度下的液體分布為例，做出分析圖見圖6。

圖6 不同傾斜角度液體流率變化圖Fig.6 Changing liquid flux profile at different tilt angles

3條曲線分別代表傾斜0°、3°和7°條件下，塔底截面線區(qū)域2的液體流率分布圖。橫坐標(biāo)是塔底橫向位置，縱坐標(biāo)為液體流率。每一槽內(nèi)的液體分布計(jì)算式為：

式中 L（i）：第i 集液槽所收集的液體流率，kg·s-1；S（i）：第i 個(gè)集液槽的橫截面積，m2。

從圖6中很容易看出，在傾斜條件下液體的分布具不均勻性。當(dāng)垂直運(yùn)作時(shí)，流體流率在10·kg（m2·s）-1上下浮動(dòng)，但總的來說還是變化不大的。當(dāng)傾斜3°和7°時(shí)，在沿傾斜方向0~0.14m位置的液體噴淋量均變化不大，超過0.14m之后液體噴淋量均極劇增加?？梢钥闯鰞A斜7°比傾斜3°所導(dǎo)致的塔底液體分布不均勻現(xiàn)象更嚴(yán)重。傾斜角度越大不均勻性越強(qiáng)，能夠看出這與用MATLAB擬合的三維圖形結(jié)果是一致的。

2.2 不同填料高度

實(shí)驗(yàn)在每種傾斜角度下改變4種不同填料高度，分別對塔底液體分布進(jìn)行了測試。對測試結(jié)果進(jìn)行線性分析，圖7展示了不同填料高度下的液體分布狀況。傾斜角度為7°，液體流量9.88/kgm-2·s-1，進(jìn)氣量0kg（m2·s）-1。

圖7 不同填料高度下液體分布變化圖Fig.7 Changing liquid flux profile at different packed heights

從圖7中可以看出，隨著填料高度的改變，液體呈現(xiàn)一定規(guī)律性分布。填料高度越高，由于傾斜所導(dǎo)致的液體分布不均勻性逐漸減弱。這是由于填料自身的徑向分布能力把一部分液體分散到了干燥區(qū)域。由此可得，填料塔內(nèi)填料具有橫向分散作用，能夠改變液體流動(dòng)方向。所以在實(shí)際應(yīng)用中，只要選擇適合的填料可以一定程度內(nèi)減輕液體分布的不均勻性。

2.3 不同氣液比率

在兩相逆流工作過程中，上升氣流對于塔內(nèi)液體分布的影響是不可忽視的。本試驗(yàn)對于進(jìn)氣條件下的液體分布情況作了進(jìn)一步研究。在一定的傾斜角度及填料高度下，變化不同氣液比G/L來測量塔底的液體分布狀況。通過對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行線性分析，得到不同氣液比率下液體的流率變化見圖8。傾斜角度為7°，填料高度為0.95m。

圖8 不同氣液比時(shí)液體流率變化圖Fig.8 Changing liquid flux profile at different GLR

從圖8中可以看出，在氣液并存的情況下，傾斜塔內(nèi)流體仍然是向塔身傾斜低端一側(cè)匯聚。最開始的忽然降低是由于填料塔本身的壁流作用所致。當(dāng)入塔氣液比率增大時(shí)，塔傾斜低端一側(cè)的液體流量逐步降低，這說明一定范圍內(nèi)增大進(jìn)氣量對于塔內(nèi)液體分布的均勻性是有益的。由此可得，逆向氣流對塔內(nèi)液體分布的均勻性具有促進(jìn)作用，綜合考慮壓降和分離效果，在實(shí)際應(yīng)用中可以適當(dāng)?shù)脑黾舆M(jìn)氣量來緩解液體的分布不均勻性。

3 結(jié)語與展望

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得在傾斜條件下，隨著填料高度及氣液比率的變化，塔底液體分布均呈現(xiàn)出不同程度的規(guī)律性分布不均。傾斜角度越大，液體分布不均勻性越強(qiáng)。在一定的傾斜角度下，填料高度越高，氣液比率越小，傾斜導(dǎo)致的不均勻性逐漸減弱。這對于實(shí)際應(yīng)用具有一定實(shí)用價(jià)值，在一定范圍內(nèi)，可以適當(dāng)?shù)脑黾犹盍细叨群吞岣邭庖罕嚷蕘砭徑鈨A斜所導(dǎo)致的分布不均勻問題，進(jìn)一步提高填料塔的傳質(zhì)效率。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，填料和傾斜角度對于液體分布均勻性影響很大，所以將來下一步研究將考慮更換填料或者通過搖擺裝置來改善傾斜問題。

［1］Baker,S.,Tanner.R.K.andWaldie,B.,Comparisonofpacking typesonawaterdeaerationcolumnundervertical,tiltandmotion conditions［J］.Chem.Eng.Des.,1992,70:509-515.

［2］JensHetland,HanneMarieKvamsdal,GeirHaugen,etal.Integratingafullcarboncaptureschemeontoa450MWeNGCCelectric powergenerationhubforoffshoreoperations:PresentingtheSevan GTWconcept［J］.AppliedEnergy,2009,86:2298-2307.

［3］楊卓如，陳運(yùn)文，等.填料塔內(nèi)液體分布特性研究［J］.高等化學(xué)工程學(xué)報(bào)，1990，14（4）.

［4］徐震宇，江生南，等.填料塔液體分布研究［J］.石油化工，1990，19.

［5］BakerSA,MillarMK,etal.Modellingtheperformanceofapacked columnsubjectedtotilt［J］.IstitutionofChemicalEngineers,1996,21:401-406.

［6］SpiegelL,MeierW.Distillationcolumnswithstructuredpackings inthenextdecade［J］.Chem.Eng.Res.Des.,2003,81（1）:39-47.