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)

天津大学

博士学位论文

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拟

姓名：张鹏

申请学位级别：博士

专业：化学工程

指导教师：余国琮

2002.1.1

天津大学博士学位论文

力也随之降低，这样随着压力的增加，传质效率应不断增大，当压力升至混合物的临界压力时，两相的差别消失，传质阻力下降为零，传质效率应趋近于１００％。但在实际精馏操作中，高压时的传质效率往往要比人们预测的低得多。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，

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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

第二章加压下规整填料塔内传质行为的研究

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