组合导向浮阀塔板的板效率研究.pdf

第 3 8卷 第 7期 2 0 1 0年 7月 化学工程 C HE MI C A L E N G I N E E R I N G C H I N A Vo 1 ． 3 8 No． 7 J u 1 ．2 0 1 0 组合导 向浮阀塔板的板效率研究 赵培 ，张艳梅 ，熊丹柳 ，张秋 香 华东理工大学 化工学院，上海2 0 0 2 3 7 摘要 在直径为 0 ． 7 5 m的不锈钢塔内， 以正庚烷一 环己烷为物系， 常压全回流条件下， 进行了组合导向浮阀传质效率 的研究， 测试了该塔板的气、 液相默弗里板效率和全塔效率， 并和 F l型浮阀塔板的全塔效率进行了对 比。采用 A I C h E与C h e n ， C h u a n g 2种传质模型计算了组合导向浮阀塔板的点效率值。研究了A I C h E与 Mo l n a r 2 种计算涡流 扩散系数的方法对默弗里板效率的影响。实验结果表明 在正常操作范围内组合导向浮阀塔板全塔效率高于 F l 型浮阀塔板。经比较实验值与模型值， 发现采用 C h e n ， C b u a n g 预测点效率和 Mo l n a r 方法计算涡流扩散系数所估计 的默弗里板效率偏差在 1 1 ％内。 关键 词 组 合导向浮阀塔板 ； 默弗里板效率 ； 全塔效 率 中图分类号 T Q 0 2 8 ． 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 - 9 9 5 4 2 0 1 0 0 7 - 0 0 1 4 - 0 4 Tr a y e ffi c i e n c y 0 f c o mp o s e d d i r e c t e d v a l v e t r a y Z HA 0 P e i ，Z HA NG Ya n - me i ， XI oN G Da n - l i u ，Z HA NG Qi u - x i a n g S c h o o l o f C h e m i c a l E n g i n e e ri n g ，E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e ma s s t r a n s f e r c ha r a c t e ris t i c s o f c o mpo s e d d i r e c t e d v a l v e t r a y we r e me a s u r e d i n a 0． 7 5 m s t a i n l e s s s t e e l c o l umn b y u s i n g he p t a ne ． c y c l o he x a n e s y s t e m u n d e r t h e c o nd i t i o ns o f n o ma l a t mo s p h e r e a n d t o t a l r e flu x．Th e Mu r ph r e e t r a y e f f i c i e nc y a n d t he o v e r a l l c o l u mn e f f i c i e n c y we r e s t ud i e d a n d t h e o v e r a l l c o l u mn e f fic i e n c y wa s c o mp a r e d wi t h t ha t o f F1 v a l v e p l a t e ．T he p o i n t e f fic i e nc y o f c o mp o s e d d i r e c t e d v a l v e t r a y wa s e s t i ma t e d b y AI Ch E． a n d Ch e n． Ch u a n g me t h o d s ． Th e i n f l u e n c e s o f AI Ch E a n d Mo l na r me t h o d s f o r c a l c u l a t i n g t he e d d y d i f f u s i o n c o e f fic i e nt O n t h e a c c u r a c y o f Mu r p h r e e t r a y e f fi c i e n c y we r e s t ud i e d．T h e r e s u l t s s h o w t h a t i n n o r ／ n a l o p e r a t i o n．t h e o v e r a l l c o l u mn e f fi c i e n c y o f c o mp o s e d d i r e c t e d v a l v e t r a y i s h i g h e r t h a n t h a t o f F1 t r a y．T h r o ug h t h e c o mp a r i s o n o f e x p e r i me n t a l v alu e s a n d c a l c u l a t e d v alu e s o f p o i n t e f f i c i e n c y b y Ch e n，Ch ua n g a n d e d d y d i f f us i o n c o e f fic i e n t b y Mo l n a r me h t o d．t h e d e v i a t i o n o f Mu r p h r e e t r a y e f fi c i e n c y i s l e s s t h a n l l ％ ． Ke y wo r d s c o mp o s e d d i r e c t e d v alv e t r a y；Mu r p h r e e t r a y e f fi c i e nc y；o v e r a l l c o l u mn e f f i c i e n c y 精馏作为化学工业 中重要的单元操作 ， 地位极 其重要。塔板效率在实际塔设备设计中是一个极为 重要的指标 ， 长期 以来 ， 对塔板效率的预测进行了大 量的研究工作 ， 是近代化学工程研究重要的热点方 向之一。自 A I C h E出版的 泡罩塔设计手册 后 ， 对 塔板效率预测研究除了从机理分析着手进行理论或 半理论的关联外， 仍有采用经验关联 的办法或统计 学的关联法⋯ 。其次 ， 国内外多名学者根据不 同的 实验条件 ， 在大小不 同的多种精馏塔内以多种组分 为物系进行实验， 力求获取实测塔板效率数据。 本文研究组合导向浮阀塔板的板效率， 为该塔板 的工业应用提供理论指导。组合导向浮阀塔板兼有导 向浮阀塔板和梯形导向浮阀塔板的优点， 该塔板以矩 形导向浮阀和梯形导向浮阀按适当比例组合而成， 能 更有效地消除板 f 液体滞止区， 减小液面梯度， 从而提 高塔板效率。该塔板 已在炼油和石化装置中的常压 塔、 初馏塔等 2 0 0 余塔内广泛应用， 均获得 良好效果。 1 板效率模型 预测板效率 的模型包括经验模 型和半 经验模 型。经验模型一般是根据物性或量纲一数群对板效 率进行回归获得 的关联式 ， 其形式简洁， 但误差较 大。半经验模型则以传质理论模型为依据对实验数 据进行经验关联而得到 ， 可以在不 同实验条件下计 算塔板效率 ， 但是计算较复杂。本文只就半经验模 型作为参考对 比。 1 ． 1 A I C h E板效率模型 2 O世纪 5 O年代 ， 美 国化学工 程师协会组织一 些大学的研究者 ， 对塔板效率进行 了多年 的系统研 究 ， 提出了一套塔板效率 的计算 方法 。A I C h E法采 作者简介 赵培 1 9 6 3 一 ， 男 ， 副教授 ， 研 究方 向为新型塔板的开发设计及化工 过程 的计算机模拟 ； 张艳梅 ， 通讯联系人 ， E ma i l z h f 2 0 0 0 1 2 6 ． c o rn。 赵培等组合导向浮阀塔板的板效率研究 1 5 用双膜理论 ， 在推导中使用了 3个假设 1 i 组分在某相 中的传质速率 与相 主体 与界 面的浓度差 或分压差 成正 比。 2 在界面处气液平衡 。 3 存在于边界层及其附近区域的组分与主体 数量相 比忽略不计。 1 ． 2 C h e n ， C h u a n g板效率模型 C h e n ， C h u a n g 合作提出了一种新的半经验模型来 计算传质单元数。该方法也是根据溶质渗透理论推导 而来的。该模型所需的 2 个参数是由美国精馏研究公 司 F a t 的实验数据 环己烷． 正庚烷物系 来拟合的。 2 实验部分 2 ． 1 实验装置及分析方法 本实验在塔径为 0 ． 7 5 m的不锈钢塔内进行 ， 内 部共装有 4层相 同的塔板。实验物 系为环 己烷一 正 庚烷 ， 在常压全 回流操作条件下研究塔板效率。流 程图见图 1 ， 组合导 向浮阀塔板参数表见表 1 ， 该塔 板的排布见 图2 。 蒸 图 1 精 馏塔 实验流程示意图 F i g ． 1 S c h e ma t i c fig u r e o f d i s t i l l a t i o n c o l u mn f l o w 矩 形 导 塔板上 液体流动方 向 导 向浮 阀 开 口方 向 向浮 阀 图 2 组合导 向浮阀塔板排布 Fi g ． 2 Ar r a n g e me n t o f c o mp o s e d d i r e c t e d v a l v e o n p l a t e 空 表 1 浮阀塔板参数表 T a b l e 1 T r a y p a me t e m 矩形导向浮阀 梯形导向浮阀 F 1 浮阀 实验采集到的样品浓度在 G C 1 1 2 A型气相色谱 中进行组成定量分析。本色谱毛细管规格为 S E - 3 0 ， 2 5 m 0 ． 3 1 m l n x 0 ． 3 3 m。进样器温度与检测器温 度均设定为 1 5 0 c I ， 色谱 柱温度设定为 6 0℃。F I D 检测器 ， 载气压力 0 ． 4 M P a ， 氢气压力 0 ． 2 M P a 。采用 色谱工作站进行数据处理 ， 采用校正归一法定量。 3 结 果与讨 论 3 ． 1 塔板位置对浮阀板效率的影响 组合导 向浮阀塔板在不 同位置时的液相默弗里 板效率见图 3 ， 组合导向浮阀塔板和 F 1型浮阀塔板 的全塔效率 比较见 图4 。E 1 m L E 4 mL为第 1 块 塔板液相默弗里板效率 。 F ／ m s ～ k g i n 一 图 3组合导 向浮 阀的板效率 Fi g ． 3 Ef fi c i e n c y o f c o mp o s e d d i rec t e d v a l v e t r a y 从图 3可以看出 第 3块塔板和第 4块塔板的 液相默弗里板效率较稳定 ， 且随着气速 的增大而增 大 ； 但第 1块塔板和第 2块塔板 的液相默弗 里板效 率偏低。这是因为在全回流计算中假设的是泡点回 流 ， 但实际操作 中回流温度低于泡点温度 ， 致使塔板 上的温度较低 ， 部分蒸汽冷凝使蒸汽量变少 ， 气速降 低 。当气速较低时， 塔板上的清液层高度降低， 最终 导致板效率降低 ； 同时由于气速过低导致漏液发生 。 第 1块塔板漏下的液体降低了第 2块塔板上的传质 推动力。以上 2个因素使第 2块塔板的液相默弗里 板效率最低 ， 与其他 3块塔板的效率偏差较大 。 图4比较了组合导向浮阀塔板和 F l 型浮阀塔板 1 6 化学工程2 0 1 0年第 3 8卷第 7期 的全塔效率。在实验条件下， 组合导向浮阀塔板的全 塔效率比 F 1 型浮阀塔板的全塔效率高， 最大时超过 1 0 ％。这是因为对于 F 1型浮阀塔板， 气体由浮阀四 周吹出， 不仅在阀与阀之间产生汽液对冲现象 ， 而且 吹出的部分汽体与液流方向相反， 增加了板上液体流 动的阻力， 导致液面梯度增大， 降低 了塔板效率。组 合导向浮阀塔板在操作时， 从阀二侧和导 向孔中吹出 的汽相能够与塔板上的液流更充分、 更均匀地接触， 加上浮阀二侧的汽相通道截面积大， 明显减小了汽液 二相的对冲， 改进了塔板的流体力学性能。 6 0 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 9 0 F ／ m s ～ k g m一 图 4 全塔效率的比较 Fi g ． 4 Co mp a r i s i o n o f o v e r g e f fi c i e n c y 3 ． 2 利用不同传质模型计算的默弗里板效率 3 ． 2 ． 1 不同传质理论模型计算的默弗里板点效率 不 同浮阀塔板 的区别在于浮 阀的几何形状不 同， 不同的几何形状对汽液接触有着显著的影响， 从 而影响塔板效 率。A I C h E的计 算方法基 于双膜理 论 ， 较 全 面地 考虑 了影 响塔 板效 率 的各种 因素。 C h e n ， C h u a n g 模型基于溶质渗透理论 ， 为半理论半 经验模 型。根据 A I C h E双 膜理论 与 C h e n ， C h u a n g 溶质渗透理论计算 的导向浮阀的点效率值见表 2 。 表 2 组合导 向浮阀点效率计算表 T a b l e 2 Co u n t i n g t a b l e o f e s t i ma t e d p o i n t e f fi c i e n c y f o r c o mpo s e d d i r e c t e d v a l v e t r a y 3 ． 2 ． 2 不同涡流扩散系数计算方法计算默弗里板 效率 根据计算的点效率 E 。 。 的值 ， 只要知道塔板上 流体 的流动情况就能计算 E 。本文 中采用 2种方 法计算涡流扩散系数 D ， ①根据 A I C h E模型计算 ； ②根据 M o l n a r 关联式计算 ] 。 A I C h E模型有关 D 的计算方法 D 0 ． 0 0 3 8 0 ． 0 1 7 u s A 3 ． 8 6 L P 0 ． 1 8 X 1 0 一 h w Mo l n a r 1 9 7 4 对浮阀塔板 D 进行的关联 0． 2 51 0一 0 ． 1 6 5 x1 0一 。 M 2 s A3 9． 9 4 0 ． 0 9 7 3 72 根据 P e 计算 P e ， t 为液相停 留时间 ， s 。 根据 S L 0 6 2一 计算 S L ， 然后按照下式计 算 E v E E o c f 1 、 ， 组合导向浮阀默弗里板效率结果如表 3所示。 表 3 组合导 向浮 阀板效率计算表 T ab l e 3 Es t i ma t e d Mu r p h r e e e ff i c i e n c y f o r c o mpo s e d d i r e c t e d v alv e t r a y 由表 3可以看出， 采用 由 A I C h E模型计算点效 率的方法预测的 E 普遍偏高。这可能是 由于组合 导向浮阀塔板上 的汽液接触情况与泡罩塔板差别很 大 ， 认为该模型不适用 于浮阀塔板 的计算。比较表 3中数据发现 用 C h e n ， C h u a n g模型计算点效率并 用 Mo l n a r 方法计算涡流扩散系数而得到的 E m v 较接 近实验 值 ， 且 偏 差 不 超过 1 1 ％。这 可 能 是 因 为 C h e n ， C h u a n g 模 型是 根据溶质 渗透理论 推导而来 的， 预测界面面积更加准确 ； 同时 ， 用于 回归该方法 参数的实验体系与本实验体系相同都 为环 己烷一 正 庚烷 ， 因此 ， 该模型中由物性带来的偏差相对较小 。 综上 ， 在计算浮阀塔板 的默弗里板效率时可 以采用 先用 C h e n ， C h u a n g模 型 计 算 点 效 率， 然后 采 用 Mo l n a r 方法计算涡流扩散系数的方法。 赵培等组合导向浮阀塔板的板效率研究 1 7 4结论 本文以环己烷． 正庚烷为物系， 在常压、 全 回流操 作条件下， 研究了组合导向浮阀塔板和 F l 型浮阀塔 板的汽液相默弗里板效率 、 全塔效率。经过 比较发现 组合导向浮阀塔板全塔效率高于 F 1 型浮阀塔板。 根据 A I C h E与 C h e n ， C h u a n g 2种传 质模 型， 计 算了组合导向浮阀塔板 的点效率 ； 又根据 A I C h E与 Mo l n a r 涡流扩散系数经验模型 ， 得 出了默弗里板效 率 ， 并与实际测定 的默弗里板效率值进行 比较 。经 比较发现 ， 以 C h e n ， C h u a n g预测的点效率和 Mo l n a r 方法计算涡流扩散系数所得 的默弗里板效率值与实 验值较接近。 符号说 明 E 。 。 汽相默弗里点效率 ， ％ 动能因子 基于鼓泡面积 h w溢流堰堰高 ， i n 液相摩尔流率 ， m o l ／ s 液流强度 ， I n ／ S m 乩A I C h E中液体混合模型图中斜率 u 表观汽速 基于鼓泡面积 ， m ／ s 液体流经长度 ， in 参考文献 [ 1 ] 兰州石油机械研究所． 现代塔器技术[ M] ． 2版． 北京 中国石化 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] AI C h E ．B u b b l e t r a y d e s i g n m a n u a l [ M] ．N e w Y o r k AI C h E Di s t i l l a t i o n S u b c o mmi t t e e o f t h e Re s e a r c h C o mmi t t e e，1 95 8． [ 3 ] C HE N G X ．P r e d i c t i n g a n d i mp r o v i n g s i e v e t r a y p o i n t e ff i c i e n c y [ 0 3 ．E d m o n t o n ， C a n a d a U n i v e r s i t y o f A l b e r - 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