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

1、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。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。年，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，所用填料为。结果表明，在压力等于时，该填料的等板高度值（）为当压力升至，液相负荷为泛点负荷的时，其值达到了。而通过改进液体分布器，可使填料的分离性

2、能得到提高，可降到。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。（）以为填料，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。（）高压精馏填料塔的压降年，发现通用压降关联式（）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

3、也随之降低，这就使液相更易变为含气量比较多的泡沫相，如在分离的实验中气含率最大可达到。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。高压热模精馏实验实验装置本实验的实验装置图如图所示，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。第二章加压下规整填料

4、塔内传质行为的研究 精馏塔图实验装置图实验所高压精馏塔的示意图如图所示，该塔的操作压力范围为，操作的最高温度为。塔身材质为不锈钢，塔内径，整个装置的高度为，其中塔内有效填料装填高度为，分成两段，即精馏段和提馏段，每段填料的高度为，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×。本次实验使用的填料为天大天久公司生产的型波纹板规整填料，之所以采型填料为实验用填料是因为该填料的典型性及其在：业生产中的广泛使用。塔温度的检测采；个热电阻温度计，分别；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

5、高度分别为，天津大学博士学位论文图高压精馏塔结构示意图，。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，。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，。液相样用高压取样针来取，然后用气相色谱（）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。填料本实验所用填料为天津大

6、学天久公司生产的型金属孔板波纹填料，填料盘直径为，盘高为，填料的形状如图所示，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，波纹片上开有小孔，波纹顶角为。波纹形成的通道与垂直方向成。，相邻两波纹片流第二章加压下规整填料塔内传质行为的研究道成。，上下两盘波纹填料旋转一定角度（。）叠放，使流体在塔内充分混合全塔共装有盘相同的填料，填料总高度为。表征波纹填料的特性参数有：峰高：峰高即波纹片的小组峰高度（见图）。波纹峰距：相邻两波峰之间的距离，一般为峰高的倍左右。板厚占：波纹片的厚度，通常在之间。开孔率：波纹片上开孔的面积除以波纹片的表面积。比表面积（。）：即单位体积

7、填料的表面积，可用下式表示。口嚣（叫空隙率（）：即单位体积填料的空隙体积 图金属孔板波纹填料形状图波纹片形状（）天津大学博士学位论文：一堕：一堕向堆积密度。（。）：单位体积填料的重量。（一），式中几为填料材质的密度，一。（）（）水力直径以：波纹片两波谷间距的中点至波纹内边线之垂线长度的倍。以：竺：！一一）（）。一一一（一）口上述参数中，波纹片的峰高是波纹填料的基础数据，它反映出填料气液流道的大小、处理能力、传质效率甚至于应用范围等。型金属孔板波纹填料的结构特性列于表中。表型金属孔板波纹填料的结构特性参数波纹峰波纹峰比表面积，密度，材质倾角空隙率开孔率高，距，。不锈钢。液体取样系统液体样品由伸入

8、填料层中的半圆管取样器从填料层中取出，取样器沿填料水平放置方向向上倾斜。放置，以保证液体样品顺利地由填料中取出，取样管长度为，直径为，示意于图。取样管上安装有两个针阀，两针阀间的管段图液相取样系统第二章加压下规整填料塔内传质行为的研究上有一取样口，用聚四氟垫密封。取样前先开与塔相连的针阀（称其为进样阀），待样品从塔内取样管中进入两个针阀之间的圆管后，关此针阀，再打开另一针阀，将残液放掉，如此重复次，即可关闭两针阀，然后用高压取样针抽取液相料液。料液的成份用气相色谱（）采用方法进行检测。液体分布器实验塔分别在塔顶冷凝液回流处及塔中进料处置有液体分布装置。塔顶回流液分布器结构图示意于图。该分布器是

9、由两个高度为的柱状圆桶构成的环形区域，两桶的直径分别为和，两桶壁上缘开有角度为。的字形溢流孔，距分布器底处置有挡板，即两桶间的环状位置为受液区，回流液直接由进液管注入圆桶环中，通过溢流的方式由分布器顶部的字形溢流孔中流出。挡板一侧开有一直径为的圆孔，以备停车后回流液能全部下流至塔釜。图回流分布器示意图天津大学博士学位论文塔中进料液体分布器为一个溅液盘式的液体分布装置。其结构示意于图。料液由进料管出口处下落到溅液盘上，一部分液体由于重力作用飞溅分布至填料层上，另一部分液体通过盘上均匀分布的个中的小孔均匀分布至下层填料上。冷凝器和再沸器图进料液体分布器塔顶冷凝器为卧式列管式换热器，冷却水走管程，由

10、根长度为，规格为击×的碳钢管组成。其设计压力为，设计温度为；物料由壳程通过，其筒体规格为巾×，长度为，设计压力和温度分别为和。整个冷凝器的换热面积为。塔底再沸器为立式列管式换热器其内管规格为中×，管长为，管数为根，物料走管程，其设计压力和温度分别为、；再沸器的筒体规格为巾×，高度为，其设计压力和设计温度分别为、，导热油从壳程流过，整个再沸器的换热面积为。第二章加压下规整填料塔内传质行为的研究导热油炉系统塔底热虹吸式再沸器由导热油炉加热，炉的工作热负荷为×，使川型导热油，油出口温度最高可达。油炉的加热油位由高位槽控制。油出口温度可用人工和自动两种方式控制，一般刚开始实验时导热油升温最好采用人工控制的方法使每分钟油升温不超过待导热油温度达到能维持正常塔操作所需上升蒸汽量时，可采用自动控制的办法维持导热油炉系统的正常工作。实验物系及流程实验物系高压精馏通常应用于炼油工业中轻烃的分离和石油化工中乙烯、丙烯等低碳烃类的分离。工业中丙烯丙烷的分离是一典型应用。但由于丙烯、丙烷的沸点太低，