鄒小藝，趙 培，孫 浩

(華東理工大學(xué)化工學(xué)院，上海 200237)

在“雙碳”目標(biāo)背景下,石化行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排轉(zhuǎn)型發(fā)展的進(jìn)程越來(lái)越緊迫[1]。板式蒸餾塔是石化行業(yè)最常見(jiàn)的分離提純?cè)O(shè)備之一[2],其結(jié)構(gòu)和性能不僅決定著企業(yè)的生產(chǎn)進(jìn)程和產(chǎn)品質(zhì)量,也是深度影響著其降本增效和節(jié)能減排[3]。然而,近年來(lái),對(duì)板式塔塔板的研究偏重于提高操作能力和傳質(zhì)效率,而塔板對(duì)不同復(fù)雜原料的操作適應(yīng)性卻沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的提高[4];塔板因結(jié)焦堵塞而導(dǎo)致裝置停車(chē)的比例逐步上升[5],不僅造成大量原料和能源損耗,也嚴(yán)重制約了企業(yè)生產(chǎn)進(jìn)度。

浮閥塔板因受浮閥上下浮動(dòng)的限制并不適合在易結(jié)鹽、結(jié)垢的傳質(zhì)環(huán)境中長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)[6]。由于固定閥塔板與浮閥塔板結(jié)構(gòu)相似,中國(guó)石化某煉油廠[7]和中國(guó)石油某煉油廠[8]分別將分離塔的浮閥塔板更換為固定閥塔板,從而大幅降低了塔板除垢和清焦頻率,解決了堵塞問(wèn)題并提高了處理量。為了消除企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備瓶頸,提高塔板的抗堵塞性能,本課題組開(kāi)發(fā)了新型橢圓固定閥塔板內(nèi)構(gòu)件,將閥蓋由原來(lái)的圓形改為橢圓形,使固定閥的有效濕潤(rùn)邊周長(zhǎng)增加以提高氣液接觸面積;采用了傾斜式雙閥腿結(jié)構(gòu),以減少閥腿數(shù)、緩解塔板結(jié)垢堵塞[9]。

本研究旨在考察橢圓固定閥塔板的流體力學(xué)規(guī)律,并與篩孔塔板性能進(jìn)行對(duì)比,以期更深入地探討其性能;同時(shí),從數(shù)值模擬的角度設(shè)置定性分析指標(biāo),預(yù)測(cè)傳質(zhì)元件內(nèi)部的兩相微觀流態(tài),優(yōu)化傳質(zhì)元件結(jié)構(gòu),強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過(guò)程和分離效果[10-11],奠定橢圓固定閥塔板在石化領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

橢圓固定閥塔板及傳質(zhì)元件的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1,其結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。由圖1和表1可知,共設(shè)計(jì)了3種不同開(kāi)孔率的橢圓固定閥塔板A,B,C,其開(kāi)孔率分別為5.3%,8.4%,12.0%。

表1 橢圓固定閥塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 橢圓固定閥塔板及傳質(zhì)元件結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)裝置主體為一個(gè)高6 m、直徑1.2 m、塔板間距0.45 m的以空氣-水為操作物系的中型冷態(tài)模型試驗(yàn)塔(冷模塔),內(nèi)置4層塔板(由下至上依次為第1,2,3,4層塔板),如圖2所示。冷模塔內(nèi)部構(gòu)件由上向下分別為除沫器、霧沫夾帶捕集板、4層塔板、漏液收集板等。

圖2 試驗(yàn)裝置及流程

在空氣-水物系中,空氣由風(fēng)機(jī)直接輸送至塔釜,經(jīng)過(guò)氣體分布器后均勻上升,其流量由標(biāo)準(zhǔn)畢托管測(cè)量;水則由離心泵通過(guò)渦輪流量計(jì)計(jì)量后送至第4層塔板上方,從溢流堰流入降液管,氣液兩相在塔板上接觸。在第3層塔板上下裝有壓差計(jì),可直接讀取壓降數(shù)值。產(chǎn)生的霧沫夾帶和漏液均由對(duì)應(yīng)的導(dǎo)流管引流至收集筒,并計(jì)量霧沫夾帶qt和漏液量qq。試驗(yàn)操作參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)過(guò)程中,考察不同橢圓固定閥塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同操作參數(shù)(氣相流量、液相流量)下的冷模塔流體力學(xué)參數(shù),因此氣相流量需要在0.39～2.70 m3/s間調(diào)節(jié),而液相流量則選擇17.8,35.6,53.4 m3/h 3種工況條件。

表2 試驗(yàn)操作參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 干板壓降

干板壓降是指僅有氣體自下而上穿過(guò)塔板時(shí)因塔板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的阻力損失[12]。不同開(kāi)孔率塔板的干板壓降(Δpd)隨閥孔動(dòng)能因子(F0)變化的趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可知,在閥孔動(dòng)能因子相同的情況下,即閥孔氣體流速一定時(shí),塔板開(kāi)孔率越大,則干板壓降越大,其原因在于開(kāi)孔率越大,閥孔數(shù)越多,氣流通過(guò)產(chǎn)生的能耗也越多,同時(shí)閥孔布局相對(duì)密集,氣體在相鄰固定閥間產(chǎn)生的氣流對(duì)沖現(xiàn)象更加嚴(yán)重,導(dǎo)致塔板壓降的變化幅度增大。此外,3種塔板的干板壓降均與F0成正相關(guān)關(guān)系,F0越大,氣相產(chǎn)生的阻力損失越大。

圖3 3種開(kāi)孔率塔板的干板壓降

干板壓降能夠反映分離塔結(jié)構(gòu)的合理性。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)塔板的干板壓降均可與閥孔氣速進(jìn)行關(guān)聯(lián)[13-14],其中固定閥型塔板的干板壓降可由Stichlmair等[15]提出的經(jīng)驗(yàn)式(1)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),得到干板壓降關(guān)聯(lián)式系數(shù)、擬合決定系數(shù)(R2)和誤差如表3所示。

表3 干板壓降數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)果

(1)

式中:F0為閥孔動(dòng)能因子,(m/s)·(kg/m3)0.5;ζ為孔流系數(shù);ρg為氣相密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;a為擬合參數(shù)。

從表3可以看出:塔板干板壓降關(guān)聯(lián)式的R2均在0.90以上,說(shuō)明擬合精度符合要求;同時(shí),干板壓降與孔流系數(shù)的大小成正比,即塔板開(kāi)孔率越大,擬合所得關(guān)聯(lián)式的孔流系數(shù)也越大;此外,隨著塔板開(kāi)孔率增大,閥孔動(dòng)能因子的擬合指數(shù)增加,說(shuō)明塔板壓降損失增加。

選取開(kāi)孔率為8.4%的橢圓固定閥塔板(塔板B)的干板壓降與篩孔(孔徑為13 mm)塔板的干板壓降進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖4所示。由于固定閥塔板上閥片的存在,氣流通過(guò)閥孔后會(huì)受到阻擋并產(chǎn)生阻力損失;同時(shí),氣流從閥片周?chē)鷩姵龊?相鄰固定閥間會(huì)存在一定程度的對(duì)吹現(xiàn)象,進(jìn)一步增加阻力損失;二者共同影響使得固定閥塔板的干板壓降高于篩孔塔板的。由圖4可知,在相同開(kāi)孔率下,與篩孔塔板相比,橢圓固定閥塔板的干板壓降升高了10%～20%,但這個(gè)增加幅度較小,說(shuō)明橢圓固定閥塔板的開(kāi)孔形狀、固閥排布等都是可行且良好的。

圖4 橢圓固定閥塔板與篩孔塔板的干板壓降

2.2 濕板壓降

濕板壓降與塔板上氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系較為復(fù)雜,影響濕板壓降的主要因素為氣速變化和液體流動(dòng),表現(xiàn)為塔板上清液層高度對(duì)壓降的影響[16-18]。3種開(kāi)孔率橢圓固定閥塔板的濕板壓降如圖5所示。

由圖5可知,塔板的總壓降均隨著F0、液流強(qiáng)度(Lw)、堰高(hw)的增大而增大。這是因?yàn)?F0越大,氣相通過(guò)閥孔后產(chǎn)生的干板阻力越大,使得相應(yīng)的濕板壓降逐漸升高;堰高和液流強(qiáng)度都是通過(guò)影響板上液層高度來(lái)影響濕板壓降的,液層高度越大,氣體通過(guò)液層的阻力也越大,塔板壓降隨之增大。同時(shí),開(kāi)孔率越大,濕板壓降越大,原因在于開(kāi)孔率較大時(shí),閥孔間距較小,有液相存在時(shí)相鄰閥孔間的對(duì)沖現(xiàn)象更加明顯,導(dǎo)致能量損失增多。

為了探究影響濕板壓降的因素,采用加和模型法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,其表達(dá)式見(jiàn)式(2)。從式(2)可以看出,濕板壓降包括3部分:液層壓降、干板壓降、剩余壓降,其中干板壓降已經(jīng)擬合,由于塔板剩余壓降較小,可忽略,因此只需擬合液層壓降中的充氣因子,其具體擬合方法參見(jiàn)式(3),相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4。從表4可以看出,塔板充氣因子關(guān)聯(lián)式的R2均在0.90以上。當(dāng)充氣因子接近于 1時(shí),塔板上液層高度接近于實(shí)際清液層高度,板上的氣液擾動(dòng)幅度較小,直接影響塔內(nèi)氣液傳質(zhì)效果。

表4 濕板壓降數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)果

Δpw=ΔpL+Δpd+Δpr

(2)

(3)

式中:Δpw為濕板壓降,Pa;ΔpL為液層阻力,Pa;Δpd為干板壓降,Pa;Δpr為剩余壓降,Pa;ua為根據(jù)有效傳質(zhì)面積計(jì)算得出的氣體速度,m/s;ρl為液相密度,kg/m3;n1,n2,n3,n4為擬合參數(shù)。

在液流強(qiáng)度為40 m3/(m·h)、堰高為50 mm的條件下,橢圓固定閥塔板與篩孔塔板之間的濕板壓降對(duì)比如圖6所示。由圖6可知,橢圓固定閥塔板的濕板壓降略高于篩孔塔板。原因分析如下:首先,篩孔塔板沒(méi)有閥蓋結(jié)構(gòu),氣流通過(guò)閥孔后不會(huì)撞擊閥蓋而導(dǎo)致能量損失,而氣流通過(guò)橢圓固定閥塔板閥孔后會(huì)有能量損失,導(dǎo)致濕板壓降增大,這與干板壓降的結(jié)論一致;其次,固定閥塔板上的閥片對(duì)液相有一定支撐作用,使得相同工況下塔板上的液層厚度略高于傳統(tǒng)篩孔塔板;相比而言,閥蓋對(duì)濕板壓降的影響更大,特別是在較大氣速工況下。隨著氣速不斷增大,氣液接觸逐漸呈噴射狀態(tài),塔板實(shí)際液層高度趨于一致,因此兩種類(lèi)型塔板的濕板壓降逐漸趨近至相同。

圖6 橢圓固定閥塔板與篩孔塔板的濕板壓降

2.3 霧沫夾帶

霧沫夾帶是指氣相負(fù)荷過(guò)高時(shí)下一層塔板的液體以液滴的形式吹進(jìn)上層塔板而形成的軸向返混現(xiàn)象[19]。霧沫夾帶的量過(guò)大時(shí),會(huì)嚴(yán)重降低塔板效率。因而,工業(yè)上設(shè)定一定的霧沫夾帶率,作為設(shè)備操作的上限。霧沫夾帶率的定義見(jiàn)式(4)。

ev=qt/(q0+qt)

(4)

式中:ev為霧沫夾帶率,%;qt為霧沫夾帶量,m3/h;q0為塔板上液體流量,m3/h;q0+qt為進(jìn)液量,m3/h。

影響霧沫夾帶的因素主要有塔板結(jié)構(gòu)、開(kāi)孔率、板間距及氣液相負(fù)荷?？疾鞕E圓固定閥塔板在不同液流強(qiáng)度、不同堰高下的霧沫夾帶率,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:對(duì)于3種不同開(kāi)孔率的塔板,霧沫夾帶率均隨F0的增加而增加;當(dāng)堰高和液流強(qiáng)度一定時(shí),開(kāi)孔率較大的橢圓固定閥塔板的霧沫夾帶率較小。這是因?yàn)殡S著塔板開(kāi)孔率增大,通過(guò)單個(gè)閥孔的氣速減小,導(dǎo)致氣相沒(méi)有足夠的動(dòng)能夾帶更多液滴進(jìn)入上層塔板而形成霧沫夾帶;同時(shí),開(kāi)孔率越大,塔板有效面積越小,板上液層高度增大,氣流穿過(guò)液層后的動(dòng)能損失越多,會(huì)進(jìn)一步降低霧沫夾帶率。

圖7 3種開(kāi)孔率塔板在不同堰高和液流強(qiáng)度下的霧沫夾帶率

在堰高和液流強(qiáng)度較高時(shí),塔板上液層高度增加,導(dǎo)致某一氣速下會(huì)有更多的小液滴被吹向上層塔板,使霧沫夾帶率增大;與此同時(shí),部分大液滴形成之初在彈濺作用下到達(dá)上層塔板,也導(dǎo)致霧沫夾帶率增大。而當(dāng)hw=30 mm,F0<15(m/s)·(kg/m3)0.5時(shí),Lw為40 m3/(m·h)時(shí)的霧沫夾帶率比Lw為20 m3/(m·h)時(shí)的工況略低,這是因?yàn)?液流強(qiáng)度低時(shí),板上液層高度較小,氣相更容易裹挾液滴至上層塔板而發(fā)生霧沫夾帶;當(dāng)氣速增大后,塔板上液相流量限制了氣體裹挾的液滴量和氣液兩相擾動(dòng)彈濺的大液滴量。可見(jiàn),氣相流速和液流強(qiáng)度共同影響塔板霧沫夾帶率變化。

在塔板間距為450 mm的條件下(其他板間距條件下可進(jìn)行修正[20]),采用吳昕華等[21]提出的霧沫夾帶模型[式(5)和式(6)]對(duì)試驗(yàn)測(cè)得霧沫夾帶的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后并擬合,結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 霧沫夾帶數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)果

(5)

(6)

式中:σ為空塔截面積與有效空塔截面積之比;cg氣相負(fù)荷因子,m/s;u為空塔氣速,m/s;φ塔板開(kāi)孔率,%;HT為板間距,m;hf為塔板上泡沫層高度,m;hl清液層高度,m;A,a,b,c,d均為擬合參數(shù)。

值得說(shuō)明的是,清液層高度hl是根據(jù)式(7)、式(8)計(jì)算得來(lái)的,泡沫層高度hf則是利用上文計(jì)算出的充氣因子關(guān)聯(lián)得到的α通過(guò)式(9)得來(lái)的。

hl=how+hw

(7)

(8)

hf=αhl

(9)

式中,how為高出堰的清液層高度,m。

從表5可以看出,3種開(kāi)孔率塔板的霧沫夾帶關(guān)聯(lián)式的R2均在0.90以上,可用于優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)霧沫夾帶量。

在液流強(qiáng)度為40 m3/(m·h)、堰高為50 mm的條件下,橢圓固定閥塔板與篩孔塔板霧沫夾帶率的對(duì)比見(jiàn)圖8。由圖8可知,以霧沫夾帶率10%為氣相負(fù)荷上限時(shí),篩孔塔板的閥孔動(dòng)能因子F0為23.73(m/s)·(kg/m3)0.5,而橢圓固定閥塔板的F0為25.86(m/s)·(kg/m3)0.5,說(shuō)明橢圓固定閥塔板允許有更高的氣速上限。

圖8 橢圓固定閥塔板與篩孔塔板的霧沫夾帶率

2.4 漏液率

當(dāng)閥孔氣速過(guò)小時(shí),氣體動(dòng)能無(wú)法支撐起塔板上的液體,導(dǎo)致上層塔板液體大量從閥孔漏至下層塔板,造成液相返混。漏液會(huì)占用塔板上的氣相傳質(zhì)通道,導(dǎo)致塔板效率下降。而且,當(dāng)漏液嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成塔內(nèi)壓力大范圍波動(dòng),引發(fā)設(shè)備塔振動(dòng)而發(fā)生危險(xiǎn)。泄漏率的定義式見(jiàn)式(10)。

w=qq/(q0+qq)

(10)

式中:w為漏液率;qq為漏液量,m3/h;q0為塔板上液體流量,m3/h;q0+qq為進(jìn)液量,m3/h。

塔板漏液率與堰高、塔板結(jié)構(gòu)、氣液相負(fù)荷等因素有關(guān)。在不同的液流強(qiáng)度和堰高下,橢圓固定閥塔板的泄漏率如圖9所示。由圖9可知,3種開(kāi)孔率的塔板均對(duì)氣相負(fù)荷的變化反應(yīng)靈敏,開(kāi)孔率較大塔板的漏液率較高。隨著F0增大,塔板的漏液情況迅速好轉(zhuǎn),且在F0高于某一限值時(shí),不同開(kāi)孔率塔板的漏液量逐漸趨于一致。這是由于隨著氣速增大,塔板上液體幾乎完全被氣相推動(dòng)向上運(yùn)動(dòng),漏液率顯著減小。當(dāng)堰高一定時(shí),塔板液流強(qiáng)度與漏液率應(yīng)呈正相關(guān)趨勢(shì),但液流強(qiáng)度為60 m3/(m·h)下的漏液率卻稍低于液流強(qiáng)度為40 m3/(m·h)時(shí)的漏液率,這是因?yàn)?由式(10)可知q0增大時(shí),漏液率反而降低。但隨著hw增大,漏液率也增大,說(shuō)明氣相負(fù)荷一定時(shí),液相負(fù)荷增大也是造成漏液的原因之一。

圖9 3種開(kāi)孔率塔板在不同堰高和液流強(qiáng)度下的漏液率

當(dāng)氣速增大到一定范圍后,塔板的漏液基本消失,此時(shí)對(duì)應(yīng)的閥孔氣速稱(chēng)為泄漏點(diǎn)孔速(u0min)。在實(shí)際生產(chǎn)中,通常將w=5%時(shí)的閥孔氣速設(shè)定為泄漏點(diǎn)孔速,作為設(shè)備氣相操作的下限[22]。采用計(jì)算泄漏點(diǎn)孔速的經(jīng)驗(yàn)式(11),對(duì)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果見(jiàn)表6。

(11)

從表6可以看出:塔板的泄漏點(diǎn)孔速關(guān)聯(lián)式的R2均在0.90以上;同時(shí),堰高對(duì)橢圓固定閥塔板的泄漏率影響更強(qiáng),這是因?yàn)檠吒吲c塔板的持液量成正比,持液量增加導(dǎo)致漏液更容易。相比之下,篩孔塔板沒(méi)有閥蓋結(jié)構(gòu),漏液量與塔板上液相負(fù)荷之比基本為定值,因而堰高對(duì)篩孔塔板的漏液率影響相對(duì)較小。

在液流強(qiáng)度為40 m3/(m·h)、堰高為50 mm的條件下,橢圓固定閥塔板與篩孔塔板的泄漏率對(duì)比見(jiàn)圖10。由圖10可知,當(dāng)漏液率為10%時(shí),篩孔塔板的F0≤8.2(m/s)·(kg/m3)0.5,而橢圓固定閥塔板的F0≤6.8(m/s)·(kg/m3)0.5。這說(shuō)明在相同的閥孔氣速下,篩孔塔板比橢圓固定閥塔板的漏液量更大。其原因在于,固定閥閥蓋起到很好的支撐作用,可以防止液相直接從閥孔落入下一層塔板,有效減少了漏液。

2.5 氣相負(fù)荷性能比較

合理的塔板結(jié)構(gòu)不僅能提高氣液接觸效率,還能降低霧沫夾帶量和漏液量。圖11展示了橢圓固定閥塔板和篩孔塔板的霧沫夾帶線(xiàn)(ev=10%時(shí)的空塔氣速隨液相體積流量的變化曲線(xiàn))和漏液線(xiàn)(w=5%時(shí)的空塔氣速隨液相體積流量的變化曲線(xiàn)),直觀反映了兩種塔板的氣液相負(fù)荷性能。從圖11可以看出,橢圓固定閥塔板比篩孔塔板更具優(yōu)勢(shì)。橢圓固定閥閥腿的液流導(dǎo)向和閥蓋向下彎曲折邊的氣流導(dǎo)向相協(xié)作,使得氣液流通更加平穩(wěn),液面梯度較低,氣相負(fù)荷性能更好。在固定的液相負(fù)荷下,橢圓固定閥塔板的漏液線(xiàn)均較低,而其霧沫夾帶線(xiàn)均較高。此外,在相同液相流量下,橢圓固定閥塔板A的氣相流速降幅最大,為31.12%;橢圓固定閥塔板C的霧沫夾帶氣相流速增幅最大,為45.22%。通過(guò)氣相負(fù)荷性能圖,可以粗略判斷固定閥塔板的上限空塔動(dòng)能因子可以達(dá)到2左右,通量較篩孔塔板大;而結(jié)構(gòu)合理的橢圓固定閥塔板操作彈性比可以達(dá)到或超過(guò)3.5,操作范圍比篩孔塔板更寬。因此,初步認(rèn)定橢圓固定閥塔板A的結(jié)構(gòu)較為合理,但在氣相負(fù)荷較大時(shí),可以考慮采用橢圓固定閥塔板C的結(jié)構(gòu)。

圖11 不同工況下氣相負(fù)荷性能對(duì)比

3 氣液兩相流場(chǎng)CFD模擬

為了進(jìn)一步探究橢圓固定閥塔板的氣液相流場(chǎng)對(duì)其流體力學(xué)性能的影響,通過(guò)Fluent軟件對(duì)橢圓固定閥塔板上的氣液流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,重點(diǎn)研究了塔板上固定閥周?chē)约跋噜忛y件之間的流場(chǎng)分布,系統(tǒng)了解橢圓固定閥塔板上氣液兩相的流動(dòng)特征。數(shù)值模擬過(guò)程假設(shè)氣體流過(guò)固定閥孔隙的流動(dòng)態(tài)為湍流,參照Shenastaghi等[23]的研究選用Standardκ-ε模型,并將模型分成多個(gè)區(qū)域依次劃分網(wǎng)格,靠近固定閥及塔板處采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,其他區(qū)域采用較大尺寸的六面體網(wǎng)格。考慮到計(jì)算區(qū)域?yàn)閹缀螌?duì)稱(chēng)形狀,采用SolidWorks建立半塔物理模型,以清液層高度為基準(zhǔn)對(duì)網(wǎng)格劃分進(jìn)行調(diào)整,并進(jìn)行模擬驗(yàn)證,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨網(wǎng)格數(shù)量增加,模擬值與試驗(yàn)值逐漸接近,最終確定模型的網(wǎng)格總數(shù)為858 531個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)為4 553 066個(gè)。

采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散化,為保證計(jì)算穩(wěn)定性,采用一階精度的離散格式處理對(duì)流項(xiàng)。在默認(rèn)的松弛因子下,采用SIMPLE算法處理壓力-速度耦合。

3.1 模型驗(yàn)證

文獻(xiàn)[24-25]發(fā)現(xiàn),通過(guò)清液層高度變化能更好地判斷計(jì)算是否達(dá)到收斂。當(dāng)模擬的清液層高度以較小的幅度上下波動(dòng)并趨于穩(wěn)定時(shí),則認(rèn)為計(jì)算收斂,且此時(shí)塔板上氣液流動(dòng)為動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。在Lw=20 m3/(m·h),hw=30 mm,u=0.82 m/s條件下,對(duì)塔板A的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,結(jié)果見(jiàn)圖12。如圖12所示,模型在6 s后達(dá)到收斂。由于應(yīng)在清液層穩(wěn)定后對(duì)模擬結(jié)果分析,因此選取分析時(shí)間為10 s。

圖12 清液層高度的瞬態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果

表7為清液層高度的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬值與試驗(yàn)測(cè)量值的比較。從表7可以看出,清液層高度隨空塔氣速的增大而降低,模擬值略高于試驗(yàn)值,二者的相對(duì)誤差約8%,與文獻(xiàn)[26]研究結(jié)果誤差比較,證明所建CFD模型具有較好的準(zhǔn)確性。

表7 清液層高度的模擬值與試驗(yàn)值

3.2 模擬結(jié)果分析

圖13為橢圓固定閥塔板x-z剖面(板上10 mm)上氣液相速度場(chǎng)及流線(xiàn)場(chǎng)局部放大圖。由圖13可以看出,來(lái)自相鄰閥側(cè)孔流出的氣流在4個(gè)固定閥的中心強(qiáng)烈碰撞后,部分到達(dá)閥頂上方空間,增強(qiáng)了上方空間的湍流程度,有利于提高氣液傳質(zhì)。然而,由于液相被氣相中的湍流所偏離,相鄰閥腿之間存在明顯的旋渦。盡管旋渦可以增加兩相之間的接觸時(shí)間,但它們往往使液相停滯,導(dǎo)致漏液增加。因此,為了保持橢圓固定閥的結(jié)構(gòu),可以設(shè)計(jì)為沿著液流方向“前寬后窄”的結(jié)構(gòu),從而有利于液相流動(dòng),減少漏液。單個(gè)固定閥液相分布云圖的放大圖見(jiàn)圖14。從圖14可以看出,固定閥閥蓋的支撐作用有效減小了塔板的漏液,這與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致。但是,在閥蓋上方滯留了部分液相,不利于氣液接觸傳質(zhì)。

圖13 氣液相速度場(chǎng)及流線(xiàn)場(chǎng)局部放大圖Lw=20 m3/(m·h); u=0.82 m/s

圖14 y=0.01 m截面的液相相含率局部放大圖

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)試驗(yàn)探究橢圓固定閥塔板的流體力學(xué)特性可以判定:當(dāng)開(kāi)孔率為5.3%時(shí)塔板的結(jié)構(gòu)較合理;而當(dāng)氣相負(fù)荷較大時(shí),可考慮使用開(kāi)孔率為12%的橢圓固定閥塔板。此外,該試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式可為后續(xù)塔板優(yōu)化提供參考。

(2)橢圓固定閥塔板的壓降較傳統(tǒng)篩孔塔板有所增加,但這種增加是在一定限度內(nèi)的;通過(guò)氣相負(fù)荷性能圖,可粗略判斷固定閥塔板的上限空塔動(dòng)能因子可達(dá)到2左右,比篩孔塔板的通量大;結(jié)構(gòu)合理的橢圓固定閥塔板操作彈性比可達(dá)到或超過(guò)3.5,較篩孔塔板的操作范圍寬。

(3)采用Standardκ-ε模型,利用Fluent軟件對(duì)橢圓固定閥塔板的流體力學(xué)進(jìn)行模擬分析,結(jié)果表明:該模型準(zhǔn)確性較好,誤差較小;固定閥塔板有利于提高氣液傳質(zhì)效率,旋渦增加了兩相間的接觸時(shí)間,但會(huì)使液相停滯,導(dǎo)致漏液增加;沿著液流方向“前寬后窄”的固定閥結(jié)構(gòu)更有利于減少漏液。

綜上,橢圓固定閥塔板是一種高通量、高彈性的新型塔板,通過(guò)對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)可為原油精餾裝置改造提供性能更優(yōu)的塔內(nèi)構(gòu)件。