一种增大气相通量DJ塔板的流体力学性能及工业应用

余文婷，沈绍传，姚克俭

（浙江工业大学 化学工程学院 绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地，浙江 杭州 310032）

在石油、化工、轻工等行业的精馏装置中，塔设备被广泛应用于物料的净化和产品的分离纯化，性能主要包括生产能力、分离效率、操作弹性及流体力学特性等［1］。传统的板式塔和填料塔经过多年发展已经技术成熟，为提高塔效率，国内外学者相继开发出了各种适用于大通量工况的新型塔板和填料［2-4］，如立体喷射型塔板［5］、多降液管塔板［6］、复合塔板、Col-Sep 塔板［7-8］等。工业应用较广的板式塔中，适宜的空塔动能因子（F）为1.2～1.4 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5；气相负荷过大，会使雾沫夹带增大，塔板效率降低，最终导致液泛。为了提高气相负荷上限，增大塔的处理能力，需要降低板间的雾沫夹带［9-10］。DJ 塔板采用矩形悬挂式降液管，有效减小了塔板液层厚度，增大了液相通量，但是塔的气相通量受雾沫夹带限制。DJ-5 型塔板通过对鼓泡元件的改进，减弱了相邻阀的侧面气流对冲强度，从微观角度通过合理的气液流动方式减小了雾沫夹带［11］。

图1 DJ-5 Plus 塔板结构示意图Fig.1 Structure of DJ-5 Plus tray.

本工作利用空中复合填料技术［12］改进DJ-5 塔板，形成改进型DJ-5（DJ-5 Plus）塔板，利用填料在气相空间拦截小液滴聚集成大液滴并加速返回原塔板上。考察了DJ-5 Plus 塔板的雾沫夹带特性及干板压降（Δpd）、湿板压降（Δpw）、漏液等流体力学性能，并与DJ-5 塔板进行了比较。目前，DJ-5 Plus 塔板已在工业实践中成功应用。

1 实验部分

1.1 DJ-5 Plus 塔板的结构

图1为DJ-5 Plus 塔 板 结 构。由 图1可 知，DJ-5 Plus 塔板主要由固定阀塔板和空中填料两部分组成。直径600 mm 的固定阀塔板上分布着86 个带折边的条形固定阀，厚度为50 mm 的规整填料置于填料框中分别悬挂于塔板主体下方的矩形降液管两侧，填料上表面距离塔板2 mm。DJ-5 Plus 塔板的特点是固定阀塔板空中复合填料，其中填料不仅阻挡了雾沫夹带，还具有均布气体的作用。

1.2 实验装置与方法

图2为实验装置。

图2 实验装置Fig.2 Schematic diagram of experimental setup.

由图2可知，实验装置由塔体、DJ-5/DJ-5 Plus 塔板、流量计、压差计、离心式水泵和离心式风机等组成。3 块DJ-5/DJ-5 Plus 塔板安装在塔内，自上而下，第1 层塔板主要起液体分布的作用，第2 层塔板为测试板，第3 层塔板主要为了气体分布的目的。第1 层塔板上方等距离处安装雾沫夹带收集板，第3 层塔板下方等距离处安装漏液收集板。塔体顶部安装丝网除雾器以挡下未被收集到的微量雾沫。风机和离心泵出口管线上安装调节阀，实验塔板处安装U 型压差计。实验条件为常温常压，实验物系为空气-水。空气通过风机经孔板流量计后从塔底进入塔内，水通过离心泵经转子流量计从塔釜输送至塔顶，液体流入塔釜后循环使用。雾沫夹带和漏液通过分别测量单位时间内从雾沫夹带收集板和漏液收集板流出的液体质量得到，测量单位时间内流出液体的质量。塔内气量和板压降分别由U 型压差计读数换算得到，液体流量由转子流量计读出。利用调节阀得到不同气相和液相负荷下的压降、漏液、雾沫夹带等流体力学性能数据。

表1为实验用塔板及各部件结构参数。

表1 实验塔及塔板的结构参数Table 1 Structural parameters of the experimental column and trays

2 结果与讨论

2.1 流体力学性能

2.1.1F对雾沫夹带的影响

雾沫夹带量作为体现塔板流体力学性能的重要参数之一，限制了塔的气相负荷上限。对于板式塔而言，少量雾沫夹带难以避免，但是过量的雾沫夹带会导致板效率明显降低。影响雾沫夹带的因素包括F、塔板间距、液体喷淋密度（L）和清液层高度等［13］。图3为不同L下DJ-5 Plus 塔板和DJ-5塔板的雾沫夹带率。由图3可知，相同L下，DJ-5 Plus 塔板的雾沫夹带率随着F的增大而逐渐增大；相同F时，随着L的增加，DJ-5 Plus 塔板的雾沫夹带率有减小的趋势。这是因为L越大，被带起的液滴尺寸越大，受到的重力就越大，更不容易被夹带到上层塔板。当F≤2.43 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5时，DJ-5 Plus 塔板的雾沫夹带率趋于零；当F＞2.43 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5的 时 候，DJ-5 Plus 塔板的雾沫夹带率缓慢增加。在相同L下DJ-5 Plus塔板的雾沫夹带率比DJ-5 塔板低50%以上。当L=20 m3/（m2·h），F=3.06 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5时，DJ-5 Plus 塔板的雾沫夹带率达到上限（10%），而DJ-5 塔板在F=2.76 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5左右时已经达到上限值。可见，置于塔板下的规整填料作为一种除沫器，使气体通过路径变曲折且所夹带的液滴在填料通道内多次碰撞汇集成粒径更大的液滴。这种惯性碰撞作用对于阻挡雾沫有着非常好的效果，较小的雾沫夹带率有利于提高塔板效率，强化传质效果。

图3 DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的雾沫夹带率对比Fig.3 Comparison of entrainment rate between DJ-5 Plus tray and DJ-5 tray.

2.1.2F对Δpd的影响

Δpd是塔板没有液体情况下，气体通过塔板及板上鼓泡元件时遇到阻力而产生的压力损失［14］，体现了塔板的结构复杂程度。图4为DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的Δpd与F的关系。

图4 DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的ΔpdFig.4 Comparison of dry pressure drop(Δpd) between DJ-5 Plus tray and DJ-5 tray.

由图4可知，两种塔板的Δpd均随着F的增大而逐渐增加，而DJ-5 Plus 塔板比DJ-5 塔板的Δpd略高；且F越大，两者之间的差距越明显。这是因为DJ-5 Plus 塔板中的填料层加大了气体通过时的阻力损失；气速越大，气体经过弯折的填料通道时候能量损失也越大。

根据Prince 关联式［15］可知，见式（1）。

式中，ρG为气相密度，kg/m；ρL为液相密度，kg/m；u0为阀孔气速，m/s；C0为孔流系数。

对DJ-5塔板和DJ-5 Plus塔板的Δpd进行关联，得到各塔板的C0与相关系数（R）。DJ-5 塔板C0=0.331 2，R=0.999 4；DJ-5 Plus 塔板C0=0.314 4，R=0.999 9。

2.1.3F对Δpw的影响

影响Δpw的因素有气速、L、堰高和液体性质［16］等，实验测定了不同F下DJ-5 塔板和DJ-5 Plus塔板的Δpw，结果见图5。由图5可知，Δpw随着气相负荷和L的增大而增大，且不同L下压降变化趋势相似。F＜0.66（m·s-1）·（kg·m-3）0.5时，压降变化呈直线趋势，此时气速偏小，漏液严重，且降液管也处于漏气状态，气速对压降的影响很大。在相同F条件下，Δpw随L的增加而增大，这是因为填料表面液膜随L增大而加厚，且塔板上的液层高度有所增加，气体穿过实验塔板的阻力也相应逐渐增大；在相同L时，F越大通过阀孔和填料的阻力损失就越大，同时气液两相湍流程度也加大，从而增加了Δpw。L=60 m3/（m2·h）且F≥1.32 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5时，压降曲线陡升发生了突变，可以推测此时塔内发生了液泛。

图5 DJ-5 Plus 塔板的ΔpwFig.5 Wet pressure drop(Δpw) of DJ-5 Plus tray.

根据临界溢流强度的预测关联式［17］（式（2）），计算可知临界溢流强度（Ic）为47.11 m3/（m·h），转换后L=43.62 m3/（m2·h）。结合实验过程中的实际雾沫夹带情况，临近发生液泛没有收集到雾沫夹带液体，可以判断此时发生的液泛是由降液管引起的。

式中，n为降液管长宽比；b为降液管宽度，mm。

计算Δpw的关联式主要有加和式、准数关联式和气速关联式，通常情况下，准数关联式更能清晰表明关键影响因素。对于空气-水体系，计算Δpw的关联式［18］，见式（3）。

式中，α为系数；β1，β2，β3为指数；F0为阀孔动能因子，（m·s-1）·（kg·m-3）0.5；hw为溢流堰高度，m。

溢流堰在实验过程中固定不变，因此式（3）又可以简化为式（4）。

采用关联式（4），用最小二乘法对Δpw数据进行拟合，得到回归方程式（5）。

在实验条件下，F范围（0.63～3.12 （m·s-1）·（kg·m-3）0.5）内，R=0.976 9。

图6为DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的Δpw。

图6 DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的ΔpwFig.6 Comparison of Δpw between DJ-5 Plus tray and DJ-5 tray.

由图6可知，当L=20 m3/（m2·h）时，DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的Δpw对比结果与Δpd对比结果趋势相似；说明液量小时，填料层中无液体积累，压降差别仅由于填料本身引起。而当L=40 m3/（m2·h）时，DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的压降曲线非常贴近；这是因为L增大到一定程度时，塔板上液层较高，液层压降占主导地位，此时填料层的影响可忽略。

2.1.4F对塔板漏液的影响

漏液量反映的是塔板气相负荷下限［14］。造成漏液的原因主要有气速太低和板上液层分布不均。图7为DJ-5 Plus 塔板的漏液率。

图7 DJ-5 Plus 塔板的漏液率Fig.7 Weeping of DJ-5 Plus tray.

由图7可知，L不变时，DJ-5 Plus 塔板的漏液率随着F的增大而减小，这是由于上升的气体所具有的动能不足以支撑板上的液体；相同F下，漏液率随着L的增大略微增大，这是由于板上液体的静压能比气体的动能大，导致液体从阀孔落至下一层塔板。当L≥20 m3/（m2·h）时，不同L下的漏液率非常接近，说明此时L对漏液的影响较小。

图8为DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的漏液率对比。由图8可知，在L=40 m3/（m2·h）时，DJ-5 Plus 塔板的漏液率比DJ-5 塔板低15%～20%。这是因为受填料的影响，塔板有效开孔率比表观开孔率低，所以DJ-5 Plus 的漏液小，与Δpd曲线反映出的现象一致。

图8 DJ-5 Plus 塔板和DJ-5 塔板的漏液率Fig.8 Comparison of weeping between DJ-5 Plus tray and DJ-5 tray.

2.2 工业应用

中国石油某分公司对二甲苯芳烃联合装置的抽出液塔进行扩能改造，根据用户提供的装置现场数据，对抽出液塔进行了模拟计算，提出了该塔扩能改造的要求；抽出液塔的原塔塔板情况和扩能改造要求工况具体见表2。

表2 抽出液塔原塔塔板情况和改造要求工况Table 2 The original tray of extract column and revamped requirements

由表2可知，扩能后的气液负荷（尤其是气相负荷）很高，需更换能满足相应工况要求的塔板类型。本课题组采用DJ-5 Plus 型塔板，对该塔进行了成功改造。

经改造，装置能力从650 kt/a 扩产到1 000 kt/a，其中第一期扩能到750 kt/a，于2018年7月完成。第一期改造后抽出液塔的效果见表3，装置产能、塔顶和塔底分离指标、全塔压降等主要指标和关键操作参数均达到并优于设计值，改造达到了预期的目的。

表3 抽出液塔改造后的主要分离指标和关键操作参数Table 3 Major specifications of the products and operating parameters for the revamped extract column

3 结论

1）在DJ-5 塔板的基础上，结合填料空中复合技术提出了DJ-5 Plus 塔板。

2）根据现有压降模型，提出了DJ-5 Plus 塔板的Δpd和Δpw关联式，实验值和计算值较为吻合。当气液负荷相同时，DJ-5 Plus 塔板的Δpw略大于DJ-5 塔板，雾沫夹带率比DJ-5 塔板小50%以上，漏液率比DJ-5 塔板低15%～20%，具有更大的气相操作范围。

3）在较大的F下，DJ-5 Plus 塔板的抗雾沫夹带性能明显优于DJ-5 塔板。在实验操作范围内，DJ-5 Plus 塔板是一种大气体通量、高效、高弹性的新型塔板。

4）DJ-5 Plus 塔板在扩能改造方面的成功实践，说明该塔板具有重要工业应用价值，值得进一步大力推广。

符 号 说 明

b降液管宽度，mm

C0孔流系数

F空塔动能因子，(m·s-1)·(kg·m-3)0.5

F0阀孔动能因子，(m·s-1)·(kg·m-3)0.5

hw溢流堰高度，m

Ic临界溢流强度，m3/(m·h)

L液体喷淋密度，m3/(m2·h)

n降液管长宽比

Δpd塔板的干板压降，Pa

Δpw塔板的湿板压降，Pa

R相关系数

u0阀孔气速，m/s

α系数β1，β2，β3指数

ρG气体密度，kg/m3

ρL液体密度，kg/m3