组合式降液管塔板的流体力学性能研究及其流场CFD模拟

开发了一种液相处理能力大、结构简单且安装方便的组合式降液管塔板,可在不动火的前提下对常规双溢流塔板进行扩能改造。以空气和水为物系,在内径1219 mm的有机玻璃塔内,研究了组合式降液管塔板的流体力学性能。对塔板上液相流场的流体流动特性进行了计算流体力学(CFD)模拟,并将模拟结果与常规双溢流塔板进行对比。实验结果表明,相较于常规双溢流塔板,组合式降液管塔板的湿板压降低5%~25%、干板压降低20%~30%,而漏液率略高;在大液相负荷下,组合式降液管塔板的雾沫夹带率明显低于常规双溢流塔板。CFD模拟结果显示,组合式降液管塔板上液相流场比常规双溢流塔板更均匀,在扩大处理能力的同时不会影响塔板效率。

大型二甲苯塔悬挂式降液管塔板的工业应用

利用Aspen Plus模拟软件对应用于芳烃装置二甲苯塔的大型悬挂式降液管塔板分离性能和塔板效率进行了计算,并进一步结合塔内气液相负荷的模拟计算结果逐段分析了影响塔板效率的因素。模拟结果显示:在83.4%总进料负荷条件下,全塔板效率可达到72.0%;在97.5%进料负荷条件下,实际塔内气相负荷超过设计值的110%,液相负荷为设计值的113%~135%,全塔板效率仍然可达75.2%。悬挂式降液管塔板效率与塔板上液体分布均匀程度密切相关,后者主要受到进料分配器对液体的初分布均匀度以及塔板受液区导流作用的影响。较低液相负荷条件下,精馏塔上段塔板效率容易受到液相分布不均匀影响,导致局部的塔板效率降低。

分散降液筛板塔传质性能

在筛板塔的基础上,研发了一种新型板式塔——分散降液筛板塔,将传统筛板塔的弓形降液管改为均布于塔板筛孔间的多降液管结构,使整个塔板面成为均匀降液和受液的传质区,并新增淋降和喷溅传质区,在全塔空间内实现立体、连续的微分接触式气液传质过程,另外,塔板之间可以加装填料来强化传质,或装填催化剂以促进伴随化学反应的传质过程。以＂氧气-空气-水＂为体系,初步研究了分散降液筛板的传质性能及其影响因素,并与传统筛板进行比较,结果表明：分散降液筛板气液分布均匀,接触充分,在同等条件下传质效率比传统筛板提高了8.4%~9.7%。

CTST-MD复合型塔板降液管流体力学性能的实验研究

结合立体传质塔板(CTST)和悬挂式降液管各自的优势,在CTST塔板的基础上组合悬挂式降液管。以此为实验塔板,在直径为570 mm的有机玻璃塔中以空气-水为实验物料进行冷漠实验,对此种塔板的板压降、降液管的液层高度、液流孔孔流系数等流体力学性能进行了实验研究,并与鼓泡型塔板进行了对比。结果表明,复合型立体传质塔板的板压降低于弓形降液管的CTST和悬挂式降液管的筛板(MD筛板)。在高液相负荷下,复合立体传质塔板降液管液层高度远低于MD筛板,具有更大的液体处理能力。悬挂式降液管液流孔的孔流系数主要与开孔的水力半径有关,受开孔率影响较小。得到了复合立体传质塔板降液管几种孔型的孔流系数值。

弓形降液管内的气含率分布

采用毛细管光电检测技术，测定了弓形降液管内气含率的三维分布。实验结果表明，在降液管中心处的气含率高于两侧，在外侧的气含率高于内侧。沿高度方向气含率的分布分为三个区：第一区为高气含率区，第二区为气含率显著变化区，第三区为下层低气含率区。在每一区内，气含率都随液体流率的增加而增加。研究结果为设计更合理的降液管提供了实验依据。实验还表明Ｈｏｆｈｕｉｓ关于乳化态的判据是有局限性的。

竖管内蒸发降液膜流动的不稳定性分析

引入能量分析方法 ,探讨流动的惯性力、气液界面和管壁界面上的表面张力对波动薄液膜的作功机制 ,从物理上解释随液膜流动雷诺数及扰动波长的增加以及液膜波动加剧的规律。分析表明

红外热像仪测量多降液管塔板液相等停留时间分布的实验研究

多降液管塔板目前在精馏、吸收和解吸等领域应用日益广泛。多降液管塔板由于降液管悬挂,且上、下塔板的降液管垂直布置,故它的液相流场分布较为复杂。提出了测试塔板上液相流场分布的一项新技术:与塔板上液体同质的高温示踪剂液体在塔板上阶跃注入,用红外热像系统拍摄高温示踪剂液体的流动,从而作出塔板上等停留时间分布图。实验在直径1200mm的有机玻璃塔中进行,测试塔板为单根悬挂降液管塔板和两根悬挂降液管塔板,物系为空气-水。实验得到不同液量下单根和两根悬挂降液管塔板上等停留时间分布图。结果表明:该测试技术方便、精确、且示踪剂对塔内液体无干扰污染。多降液管塔板存在滞流区,且滞流区随液量增大而增大。

高通量塔板悬挂式降液管击穿漏气的气液相研究

采用空气-水物系,在直径为500 mm的有机玻璃塔中对底部分别开有8个和12个液流孔的悬挂式降液管的漏气进行了研究,并在假设漏入降液管的气体产生的压降与板压降相等的基础上建立了击穿漏气模型。结果表明,当塔内的气体流量逐渐增大,漏入的气体以气柱的形式连续进入降液管时,降液管液层被击穿,降液管无法正常操作。根据实验数据得到了击穿漏气模型的关联式,关联式的计算值与实验值吻合较好。开有12个液流孔的降液管在液流孔的真实漏气气速为1.40 m/s时,漏入的气体会击穿降液管液层。

降液管长度对分散降液筛板性能的影响

探讨了分散降液筛板塔的降液管,通过计算分析设置了降液管的管径和长度,以"氧气-空气-水"为体系,研究了降液管长度对分散降液筛板的流体力学性能和传质性能的影响,结果表明降液管长度对分散降液筛板的性能具有重要的影响,且降液管长度为20mm的分散降液筛板综合性能较好。

新型固定阀悬挂降液管塔板的开发及工业应用

新型固定阀悬挂降液管塔板是一种新型大通量高效DJ塔板。该塔板具有结构简单、处理能力大、传质效率 高、抗堵性能好的特点。应用于工业生产,替代原浮阀塔板,可以实现30％以上的扩能要求,并解决由于物料中含有 固定颗粒而发生塔板堵塞的问题。新型固定阀悬挂降液塔板是一种性价比优异的新型塔板,工业应用效果好。

功能表面材料与流体界面相互作用对垂直降液膜流动特性的影响

通过调节水温度、添加表面活性剂以及铝合金壁面表面改性处理来改变降膜流体与固体表面之间的表面自由能差值,运用JDC-2000型精密测微仪测定垂直降液膜的厚度,研究固体表面和液体间相互作用对流体垂直降膜流动特性的影响;考察了液膜雷诺数、流体温度、添加表面活性剂、固体表面材料物理化学性质等因素对垂直壁面降液膜流动特性的影响规律。实验结果表明:改变固体表面与降液膜流体的物理化学特性,即改变固液界面的相互作用能够改变流体的降膜流动特性。降液膜平均厚度随液固表面自由能差的增大而减小。

竖直降液膜流动在反应工程中的应用

竖直元件上的降液膜流动由于具有传热传质系数高、气液接触面积大和表面更新速度快等优点,因而在化工和聚合反应工程上有着广泛应用。本文综述了竖直降膜元件上液膜流动的实验研究、理论分析和数值模拟,分别介绍了低黏流体降液膜流动在气体吸收与化学反应等方面的应用和高黏流体降液膜流动在涂覆与聚合物脱挥等聚合物加工中的应用情况。总结表明,目前对于低黏流体在竖直元件上的降液膜流动研究已较为成熟,而高黏流体降液膜流动的大部分研究仅着重于其成膜性能上。最后分析了降液膜流动的研究趋势,指出涉及热质传递与化学反应耦合的高黏流体在竖直结构上的降液膜流动是今后的重点研究对象。

竖壁降液膜流动纵向及水平发展规律研究

采用高频率电容式测厚仪测量并分析了降液膜膜厚和波动的统计规律,得到了降液膜沿竖直大平板流动平均膜厚经验关系式,发现了液膜流动的横向扩展和纵向发展规律。结果表明,降膜在竖直发展2.6m后可能已基本充分发展。

竖壁冷态降液膜流动统计特性实验研究

对冷态降液膜在大平板上的流动特性进行了实验研究,运用电容式精密测微仪测定垂直降液膜的厚度,考察了在无蒸发情况下雷诺数对降液膜厚度和流量对液膜覆盖率的影响规律,得到平均膜厚经验关系式,并认为液膜在达到临界膜厚后,随流量增加只会使覆盖率增大而厚度几乎不变,发现同流量下接触角较小的平板上液膜覆盖率较大。

板式塔降液管的机械消泡研究

研究开发了板式塔降液管机械消泡板组件。在降液管中加设特制的新型消泡板组件,该组件由数列若干块相互平行的倒V字形波纹板垂直排列组成,倒V字形波纹板的开口端向下。消泡板组件半浸于降液管泡沫层中,越堰的泡沫液与波纹板碰撞,以及波动的泡沫层不停地与波纹板摩擦,都加速泡沫的破裂,促进降液管内气液分离,降低了泡沫层高度。开口端向下的倒V字形波纹板还对降液管内液体产生向下的作用力,降低了降液管清液层高度。试验结果表明,对易起泡物系,降液管机械消泡板组件能降低泡沫层高度13.1%—36.2%,降低清液层高度10.5%—32.5%。对不易起泡物系,消泡板组件能降低泡沫层高度7.1%—33.2%,降低清液层高度5.1%—24.6%。因此,该消泡板组件可以起到降低降液管液层高度和延缓降液管液泛的作用,具有良好的消泡效果。

竖直平板上层流降液膜表面波特性的实验研究

基于自主设计的平板降液膜流动实验台，分析了层流状态下竖直平壁上表面波在空间域和时间域上的演化过程，利用高速摄像机阴影成像法在Re为600～1300下，对表面波形态、波速和频率等流动特性进行了实验研究，并在实验测量的基础上结合Matlab图像处理深入分析了表面渡波速和频率等统计特征．结果表明：孤立波波速与Re具有线性正相关性，波速的变化范围也随Re的增大而增大，而孤立波频率与Re和沿程距离呈弱相关；通过Matlab编程得到实验中孤立波频率在7～13Hz内波动．

考虑降液管影响的多元精馏塔动态机理建模 Ⅰ.动态机理模型的建立

板式精馏塔的塔板可以分为有降液管和无降液管2种类型,有降液管板式塔中降液管是一个重要的塔内件,合理的降液管既可使液体顺利通过,又可使夹带的气体分离出去,同时防止发生液泛。而目前的精馏塔动态模拟中,其机理模型大都没有考虑降液管的影响,不利于分析蒸馏塔的液相滞留量及故障诊断。在考虑降液管影响的基础上,基于严格理论推导对多元精馏塔进行了动态机理建模,建立了降液管结构和水力学模型,并且考虑降液管部分液相混合的影响,建立了其关联板效率及传质扩散的数学模型。通过理论分析发现,降液管对塔板效率、相平衡常数、蓄液量以及塔板压降等有一定程度的影响,将其影响纳入到多元精馏塔的完整动态机理模型中,通过修正相关模型,更充分地反映了精馏塔的内在机理及其动态特性。

塔板降液管中液体混合的测定

在φ１．２ｍ单液流塔板冷模装置的弓形降液管中进行了液体混合的测定，并用混合地模型作了计算。为研究降液管中液体混合问题提供了新方法，对塔板效率的模拟给出了符合实际的边界条件。

悬挂式降液管液流孔气液流动状态研究

悬挂式降液管液流孔存在3种气液流动状态:只有液体流过液流孔(称走液态),只有气体流过液流孔(称走气态),气液二相都不流动(称气液堵塞态)。实验在长300 mm和宽200 mm的有机玻璃塔中进行,物系是空气-水。使用多路电导仪测试,在每个测试点都巧妙地布置3个电导探针,3种气液流动状态都被测出。结果表明,气液堵塞态确实存在,其面积分率是走气态面积分率的0.4—1.8倍。因此,悬挂式降液管液自封标准既应限制漏气量,还应限制气液堵塞。

CTST和浮阀塔板降液管操作能力比较

实验采用示踪技术测量降液管中液体的停留时间,结果表明:相同降液管宽度、相同气液负荷下,CTST与浮阀塔板比较,液体平均停留时间约小4～6 s.说明相同大小的降液管,CTST塔板上的降液管可处理的操作负荷比浮阀塔板的大.实验证明,CTST更适宜处理易发泡物系.