于　坤, 王振元, 石　巖, 黃子賓, 程振民

(華東理工大學(xué) 化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200237)

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新型抽吸型氣-液分流式分布器的性能

于坤, 王振元, 石巖, 黃子賓, 程振民

(華東理工大學(xué) 化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200237)

摘要：開(kāi)發(fā)了一種新型氣-液分流式分布器,采用冷模實(shí)驗(yàn)裝置考察了氣體操作線(xiàn)速度和液體線(xiàn)速度分別在0~6.19 cm/s和0.18~0.44 cm/s范圍時(shí)分布器安裝高度差對(duì)液體分布的影響,并與工業(yè)上使用的泡罩式分布器對(duì)比。結(jié)果表明,由于氣-液經(jīng)由獨(dú)立的通道,有著恒定的流通面積,氣-液分流式分布器對(duì)塔板傾斜的敏感度較低,且隨氣速的增大不斷減小;當(dāng)氣體線(xiàn)速度超過(guò)3 cm/s、氣/液流量比大于10時(shí),該分布器分布不均勻度可降至10%,接近均勻分布。采用計(jì)算流體力學(xué)軟件模擬了單個(gè)分布器抽吸過(guò)程,得到各相體積分?jǐn)?shù)和速度分布等值線(xiàn)等流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：分布器; 氣-液分流; 氣體抽吸; 抗塔板傾斜; 分布均勻性

氣-液分配盤(pán)是加氫反應(yīng)器重要的內(nèi)構(gòu)件,通常是由幾百甚至上千個(gè)分布器固定在塔盤(pán)上構(gòu)成。通過(guò)這些分布器共同作用,將原料油和氫氣均勻噴灑到催化劑床層,從而充分發(fā)揮整個(gè)床層催化劑的催化作用,保證反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量和收率[1]。由于加氫精制和加氫裂化反應(yīng)都是強(qiáng)放熱過(guò)程,催化劑床層中反應(yīng)原料油的不均勻分配會(huì)直接導(dǎo)致床層局部過(guò)熱,引起催化劑結(jié)焦[2-3]。因此,研究氣-液分布器的結(jié)構(gòu)和性能,設(shè)計(jì)出具有高分散均勻度的氣-液分布器,對(duì)煉油及化工工業(yè)中大型反應(yīng)器的合理設(shè)計(jì)和產(chǎn)品質(zhì)量的提高有重要的理論和實(shí)踐意義。

由于氣-液分布器的重要作用,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者和機(jī)構(gòu)投入巨大精力,并推出了很多結(jié)構(gòu)不同的氣-液分布器。除了在工業(yè)上廣泛使用的聯(lián)合油型泡罩式分布器[4]外,蔡連波等[5]開(kāi)發(fā)了改進(jìn)的抽吸破碎型分布器,白躍華等[6]通過(guò)冷模實(shí)驗(yàn)研究了噴射分布器的性能,Gamborg等[7]提出了新的氣提型氣-液分布器,Muller[8]改進(jìn)了溢流型分布器。以上這些分布器多采用氣-液抽吸式原理,如圖1所示。氣體通過(guò)外管側(cè)面的條縫,利用氣體動(dòng)能帶動(dòng)液體通過(guò)環(huán)隙到達(dá)內(nèi)管出口,達(dá)到分散效果。但在實(shí)際操作中,由于加工和安裝精度限制,塔板總是有一定的傾斜程度,導(dǎo)致分配盤(pán)上各分布器在液面以上的條縫面積大小存在差異,氣體穿孔的速度不同,進(jìn)而引起抽吸能力的差異,加劇了流體分布的不均勻度[9]。

圖1　泡罩式分布器的型式及作用原理

除此之外,人們對(duì)許多新型分布器僅進(jìn)行了小試研究,很少有大規(guī)模中試實(shí)驗(yàn)。針對(duì)存在的這些缺點(diǎn),筆者提出了一種抗塔板傾斜的氣-液分流抽吸式分布器,將其與常用的泡罩式分布器進(jìn)行了抗塔板傾斜能力的對(duì)比,并采用直徑2 m的冷模裝置進(jìn)行了液體分布均勻性的比較,對(duì)單個(gè)分布器流體力學(xué)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1　分布器工作原理

強(qiáng)抽吸型分布器結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要有外管、內(nèi)中心管、錐形出口和碎流裝置等部分組成。為了使氣體經(jīng)過(guò)各分布器的流通面積相同,此分布器改變了條縫結(jié)構(gòu),采用分流式通道,位于外管上的分別為2個(gè)長(zhǎng)/寬比為2的“跑道型”氣體和液體進(jìn)口,沿外管軸向左右對(duì)稱(chēng)分布。外管上端封閉,內(nèi)管上端打開(kāi),中間空隙呈倒U形空間。氣-液分流式分布器的抽吸工作原理如圖3所示,當(dāng)氣、液兩相由上而下并流流動(dòng)時(shí),在壓力作用下,氣體流入環(huán)隙,由于流通面積突然減小,氣速迅速增大,在環(huán)隙中間產(chǎn)生了強(qiáng)烈的抽吸作用,將間隙中液體拖曳向上流動(dòng),氣、液兩相流撞擊上頂板后,折返180°沿內(nèi)管向下流動(dòng),并經(jīng)過(guò)一個(gè)雙層碎流擋板,在撞擊與強(qiáng)剪切力的作用下,液滴進(jìn)一步破碎變小,呈錐臺(tái)型噴出,達(dá)到均勻分布的目的。

圖2　氣-液分流式分布器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　氣-液分流式分布器的抽吸工作原理

與工業(yè)上使用的泡罩式分布器相比,該分布器保留了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作范圍寬的優(yōu)點(diǎn),并且氣、液兩相通過(guò)各自通道分流進(jìn)入,即使塔板傾斜,分配盤(pán)上各個(gè)分布器的氣、液流通面積和流通速度仍然保持相同,每個(gè)分布器具有相近的抽吸能力,因此對(duì)塔板傾斜的敏感度較低。另外,該分布器尺寸較小,塔盤(pán)上可以安裝得更加密集,噴淋點(diǎn)數(shù)相應(yīng)增加,分布均勻度能得到進(jìn)一步提高。

1.2　抗塔板傾斜能力實(shí)驗(yàn)

為了比較不同分布器的流體力學(xué)性能,將改進(jìn)的分布器與工業(yè)上常用的泡罩式分布器進(jìn)行對(duì)比。同時(shí),為了消除尺寸不同帶來(lái)的差異,分別將2種分布器按照比例放大或縮小,共得到4種分布器;其中分布器A和C為不同尺寸的氣-液分流式分布器,B和D為不同尺寸的泡罩式分布器,它們的幾何特征和尺寸列于表1。

表1　本研究中采用的氣-液分流抽吸式和泡罩式分布器的幾何特征和尺寸

A—Gas-liquid separated flow distributor; B—Bubble cap distributor; C—Gas-liquid separated flow distributor (scale up);

D—Bubble cap distributor (scale down)

抗塔板傾斜能力是分布器設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一,為了能夠直觀顯示,設(shè)計(jì)了特殊實(shí)驗(yàn),如圖4所示。在直徑為28 cm的小型有機(jī)玻璃塔內(nèi),將2個(gè)相同的分布器安裝在塔板上,并使其安裝高度相差10 mm,用以模擬生產(chǎn)操作中的最差工況。分布器出口分別設(shè)有收集裝置承接液體,通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間流量的差異來(lái)反映抗塔板傾斜能力的強(qiáng)弱。

圖4　抗塔板傾斜能力實(shí)驗(yàn)裝置

定義塔板傾斜敏感度(βQL)來(lái)表征抗塔板傾斜能力[10],如式(1)所示。

(1)

式(1)中,QLow和QHigh分別為安裝在低處和高處的分布器單位時(shí)間通過(guò)的液體體積,mL/s。由定義可看出,βQL為0時(shí),表示塔板傾斜對(duì)分布效果沒(méi)有影響,βQL越大,表示分布器對(duì)塔板傾斜越敏感。

2結(jié)果與討論

2.1　氣-液分流抽吸式和泡罩式分布器的抗塔板傾斜能力對(duì)比

采用小型有機(jī)玻璃塔測(cè)定了不同尺寸的氣-液分流式分布器A、C和不同尺寸的泡罩式分布器B、D的抗塔板傾斜能力。實(shí)驗(yàn)中所用的氣體流量(QG)范圍是0~20 m3/h,折合成氣體線(xiàn)速度(UG)為0~9.02 cm/s;液體流量(QL)范圍是0~1.5 m3/h,液體線(xiàn)速度(UL)為0~0.68 cm/s,氣/液流量比為5~50。

圖5為UL分別為0.18和0.54 cm/s時(shí),氣體速度(UG)對(duì)氣-液分流式分布器A、C和泡罩式分布器B、D塔板傾斜敏感度的影響?？梢钥闯?隨著UG的增大,每種分布器對(duì)塔板傾斜的敏感度βQL逐漸下降,其中氣-液分流式分布器A的表現(xiàn)最優(yōu),同等情況下βQL是工業(yè)常用的B泡罩式分布器的50%左右,尺寸放大的氣-液分流式分布器C也優(yōu)于2種泡罩式分布器。

抽吸過(guò)程中,在壓差作用下,氣體帶動(dòng)液體上升并越過(guò)中心內(nèi)管,克服重力做功,當(dāng)氣速增大,氣體攜帶的動(dòng)能增大,抽吸作用增強(qiáng),而液體上升所需勢(shì)能并沒(méi)有發(fā)生變化,因此高度不同所造成的勢(shì)能差異相對(duì)變小,2個(gè)分布器通過(guò)的液體流量逐漸接近,βQL不斷降低。對(duì)于泡罩式分布器,當(dāng)安裝高度不同時(shí),各分布器液面以上條縫的面積會(huì)存在差異,氣體流通速度不同導(dǎo)致抽吸能力不同;而分流式分布器具有獨(dú)立的氣液入口,各分布器氣體流通面積始終保持恒定,保證了高度不同的分布器擁有近似的抽吸能力,受塔板傾斜的影響很小。因此,A和C的抽吸力較穩(wěn)定,抗塔板傾斜能力優(yōu)于泡罩式分布器B和D。

從圖5還可以看到,隨著UG的變化,氣-液分流式分布器的βQL存在著一個(gè)小范圍的突變,在UL=0.18 cm/s、UG在2.5~3.0 cm/s之間變化時(shí),βQL從0.42降至0.30;在UL=0.54 cm/s、UG在4.0~4.5 cm/s之間變化時(shí),βQL從0.35降至0.25,降幅達(dá)到30%。此時(shí)的氣/液流量比均為10附近,放大后的分布器C在相應(yīng)區(qū)域也有類(lèi)似現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),發(fā)生突變前后的液位剛好在進(jìn)氣孔的下邊緣上下浮動(dòng),這也驗(yàn)證了恒定的流通面積對(duì)于抗塔板傾斜的重要性。工業(yè)實(shí)際操作中,氣/液流量比一般大于20,氣-液分流式分布器完全適用于該條件。

圖5　不同氣、液流速下分布器A、B、C、D的塔板傾斜敏感度(βQL)

除此之外,圖5還顯示,分布器的尺寸對(duì)其βQL也有著較大影響。同樣的UG下,尺寸增大,抽吸能力勢(shì)必減弱;減小尺寸,增大抽吸能力更有利于抵抗塔板的傾斜。但大分布器有著壓降低、不易結(jié)垢特點(diǎn)[11],如何優(yōu)化這些條件,有待進(jìn)一步探究。

2.2　氣-液分流抽吸式和泡罩式分布器的液體分布均勻性對(duì)比

液體分布均勻性是檢驗(yàn)分布器效果的直接方法。仿照工業(yè)加氫反應(yīng)器,在直徑2 m的冷模實(shí)驗(yàn)裝置中將很多分布器安裝在塔板上構(gòu)成氣液分配盤(pán)。將氣-液分流式分布器A和泡罩式分布器B分別按照正三角形排列安裝,其中,相鄰的A分布器中心間距為10 cm,共223個(gè),相鄰的B分布器中心間距為15 cm,共149個(gè)。在分布板下方15 cm處有環(huán)盤(pán)型液體收集和測(cè)量裝置,研究液體沿徑向的線(xiàn)速分布,測(cè)量方法和原理與王振元等[12]所采用的一致。

圖6為2種分布器在UL=0.27 cm/s(QL=30 m3/h)、UG=4.42 cm/s(QG=500 m3/h),即氣/液比為16.4時(shí),下方收集盤(pán)(四分之一)沿徑向液體分布效果?？梢钥吹?由于預(yù)分布和塔板傾斜的原因,泡罩式分布器組成的分配盤(pán)出現(xiàn)嚴(yán)重的中心匯流現(xiàn)象,中心液量與邊壁液量差異近4倍,這勢(shì)必對(duì)下游操作影響較大,而氣-液分流式分布器由于抽吸能力的增強(qiáng),液體沿徑向分布的幅度波動(dòng)較小,分布均勻度得到很大改善。

為了更加精確地定量表示,對(duì)各種條件下的液體分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)處理,引入液體分布不均勻度的概念[13],如式(2)所示。

(2)

圖7為不同的UL下,UG的變化對(duì)分布器A和B分布不均勻度Mf的影響?？梢钥闯?Mf隨著UG的增大而減小;在只有液體通過(guò)分布器時(shí),Mf值極高,一旦氣體開(kāi)始參與,氣/液流量比增大,Mf顯著下降;并且,氣-液分流式分布器的表現(xiàn)都要優(yōu)于對(duì)應(yīng)大小的泡罩式分布器,相同操作條件下,前者可比后者的Mf降低50%,充分顯示了分流式結(jié)構(gòu)能夠提高分布性能的特點(diǎn)。

圖6　在液速(UL)為0.27 cm/s、氣速(UG)為4.42 cm/s下2種分布器安裝下收集盤(pán)的流速分布圖

圖7　不同液速(UL)下氣速(UG)的變化對(duì)分布器

從圖7還可以看到,當(dāng)UG≥3 cm/s時(shí),氣速的變化對(duì)于不均勻度的影響逐漸減弱,氣-液分流式分布器已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài),不均勻度為0.1左右。在實(shí)際工業(yè)操作中,UG一般在6~15 cm/s之間[14],該區(qū)間均處于氣-液分流式分布器的穩(wěn)定操作范圍內(nèi)。

2.3　氣-液分流抽吸式分布器的流場(chǎng)模擬

采用歐拉兩相流方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,空氣作為連續(xù)相,液體作為離散相,利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent模擬了小塔裝置中的氣-液分流式分布器流體流動(dòng)情況。圖8為UG=5.42 cm/s、UL=0.36 cm/s下,氣-液分流式分布器中心截面氣相體

積分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果。從圖8可見(jiàn),氣體抽吸帶動(dòng)液體沿管隙上升,并在中心管內(nèi)下降過(guò)程中將液相破碎分散,在出口處兩相達(dá)到了一個(gè)均勻的分布。圖9為氣-液分流式分布器中心截面的軸向速度分布云圖。從圖9可以看出,氣、液由不同入口分別進(jìn)入,在管內(nèi)空隙中高速流動(dòng),尤其在分布器頂端位置,流速達(dá)到1.5 m/s,在分布器環(huán)隙內(nèi)形成較強(qiáng)的湍動(dòng);從中心內(nèi)管下降過(guò)程中,沿軸向逐漸形成均勻速度場(chǎng),最終隨導(dǎo)向板呈錐形流出,達(dá)到均勻分布的目的。

圖8　氣-液分流式分布器中心截面的氣相體積分?jǐn)?shù)

圖9　氣-液分流式分布器中心截面的軸向速度(v)分布云圖

3結(jié)論

開(kāi)發(fā)了一種抽吸型氣-液分流式分布器。該分布器構(gòu)造簡(jiǎn)單,體積小巧,流動(dòng)阻力小,能夠在較大氣、液流速范圍內(nèi)穩(wěn)定操作,滿(mǎn)足工業(yè)要求。氣體流經(jīng)該分布器時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)的抽吸力,將液體破碎成液滴,使分布更加均勻,在正常操作范圍內(nèi),Mf在0.1附近。由于始終保持恒定的氣、液流通面積,各個(gè)不同高度的氣液分流式分布器抽吸能力相近,即使安裝高度相差10 mm,分布器的流率差異也可控制在30%以?xún)?nèi),抗塔板傾斜性能較好。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙汝文. 填料塔氣液分布器優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)律[J].化學(xué)工程,2006,34(7):75-78. (ZHAO Ruwen. Optimization design principle for gas-liquid distributor of packed column[J]. Chemical Engineering,2006,34(7):75-78.)

[2] MAITI R, NIGAM K. Gas-liquid distributors for trickle bed reactors: A review[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2007,46(19):61-64.

[3] TSOCHATZIDIS N, KARABELAS A,GIAKOUMAKIS D,et al. An investigation of liquid maldistribution in trickle beds[J].Chemical Engineering Science,2002,57(17):35-43.

[4] BALLARD J, HINES J. Vapor liquid distribution method and apparatus for the conversion of hydrocarbons:US,3218249[P].1965-11-16.

[5] 蔡連波, 王冕, 盛維武, 等. 溢流碎流型氣液分配器的開(kāi)發(fā)研究[J] .煉油技術(shù)與工程.2009,39(12):23-27.(CAI Lianbo,WANG Mian,SHENG Weiwu,et al. Research and development of overflow-broken fluid type vapor-liquid distributor[J]. Petroleum Refinery Engineering,2009,39(12):23-27.)

[6] 白躍華, 李秀芝, 李憑力, 等. 噴射式分布器的冷模試驗(yàn)[J].石油煉制與化工, 2005,36(1):39-43. (BAI Yuehua,LI Xiuzhi,LI Pingli,et al. Cold model experiment of spray nozzle distributor[J]. Petroleum Processing and Petrochemicals, 2005,36(1):39-43.)

[7] GAMBORG M, JENSEN B. Two-phase downflow liquid distribution device: US, 5942162[P].1999-08-24.

[8] MULLER M. Distribution device for two-phase concurrent downflow: US, 20060163758[P].2006-07-27.

[9] WANG S B, ZHANG Z Z,WU D F,et al. Cold Model study and commercial test on novel vapor-liquid distributor of hydro processing reactor[J].China Petroleum Processing and Petrochemical Technology,2007,(2):49-54.

[10] FREDERIC, BAZER B,YACINE H,et al. Experimental evaluation of distributor technologies for trickle-bed reactors[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013,52(32):11189-11197.

[11] ATTA A, ROY S, KRISHNA D. Investigation of liquid maldistribution in trickle-bed reactors using porous media concept in CFD[J]. Chemical Engineering Science, 2007,62(24):7033-7044.

[12] 王振元, 程振民, 于坤. 氣-液分流式分布器的流體力學(xué)性能[J].石油學(xué)報(bào)(石油加工), 2013,29(6):1023-1029. (WANG Zhenyuan,CHENG Zhenmin,YU Kun. Hydrodynamic performance of a gas-liquid separated flow distributor[J]. Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 2013,29(6):1023-1029.)

[13] MARCANDELLI C, LAMINE A,WILD G,et al. Liquid distribution in trickle-bed reactor[J]. Oil & Gas Science and Technology, 2000,55(4):407-415.

[14] MOHANTY S, KUNZRU D,SARAF D. Hydrocracking: A review[J]. Fuel,1990,69(12):1467-1473.

Performance of a New Gas-Pumped Gas-Liquid Separated Flow Distributor

YU Kun, WANG Zhenyuan, SHI Yan, HUANG Zibin, CHENG Zhenmin

(StateKeyLaboratoryofChemicalEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)

Abstract：A new type of gas-liquid separated flow distributor was developed based on the gas-pumping induced flow, and compared with the traditional bubble cap distributor in terms of resistance to tray levelness and liquid distribution under the operation conditions of gas velocity in the range of 0-6.19 cm/s and liquid velocity in the range of 0.18-0.44 cm/s. The results showed that the sensitivity to tray unlevelness was low,and decreased with the increase of gas velocity, due to the separated channels and constant flow areas. The liquid could be distributed uniformly as the unevenness decreased to 10%, when the gas velocity was higher than 3 cm/s, gas/liquid flow ratio of 10. Computational fluid dynamics was used to simulate the suction process to get phase volume fraction and velocity field.

Key words：distributor; gas-liquid separated flow; gas-induced pumping; tray unlevelness resisting; distribution uniformity

中圖分類(lèi)號(hào)：TE621

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.01.016

文章編號(hào)：1001-8719(2016)01-0119-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21076072, 21306045)、中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重大科技專(zhuān)項(xiàng)基金(2010E-2004-02)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金(WA1113008, 222201314014)資助

收稿日期：2014-09-28

第一作者： 于坤,男,碩士,從事化學(xué)反應(yīng)工程方面的研究;Tel:021-64252610;E-mail:yukun1290@163.com

通訊聯(lián)系人： 程振民,男,教授,從事化學(xué)反應(yīng)工程方面研究;Tel:021-64253529;E-mail:zmcheng@ecust.edu.cn