條槽形集液箱開發(fā)及其性能研究

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(中石化煉化工程(集團)股份有限公司 洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 471003)

集液箱是石油化工領(lǐng)域常見的一種填料塔內(nèi)件。集液箱又稱集油箱、集液升氣管或煙囪板，是塔器抽出產(chǎn)品或回流操作的必需構(gòu)件。集液箱自身不具備傳質(zhì)作用，因而遠不及液體分布器那樣受到設(shè)計人員的重視。中石化煉化工程(集團)股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心(以下簡稱SEG研發(fā)中心)分析了空塔分餾技術(shù)中，氣體通過集液箱后與來自高效噴淋式液體分布器的液體微滴的傳熱和傳質(zhì)過程，認為在這一傳質(zhì)過程中兩相的分布均勻性同等重要，任何一個相分布不均勻都將影響到整個過程的傳熱效率，即使另一相的分布非常均勻。所以設(shè)計合理的集液箱不僅應具備基本的產(chǎn)品收集功能，還應有適當?shù)臍怏w分布功能以及能與合適液體分布器組合使用提高傳質(zhì)和傳熱效率的特點。

針對常見圓筒形集液箱設(shè)計時，主要考慮相同面積圓形所用周長最短，可以節(jié)省用料的主要設(shè)計理念，SEG研發(fā)中心進一步對圓筒形集液箱和高效噴淋式液體分布器組合、條槽形集液箱和高效噴淋式液體分布器組合進行了冷模研究及對比模擬[1-3]。研究結(jié)果表明后者的氣液接觸均勻程度遠高于前者，說明集液箱的結(jié)構(gòu)形式會影響到通過其中的氣相的分布均勻性，并進而影響到與其相鄰的上層塔盤或填料的氣液傳質(zhì)過程。因此在空塔分餾技術(shù)中，研究和選擇最適合與噴淋式液體分布器組合使用的集液箱，才是實現(xiàn)輕、重組分分離，完成抽出合格側(cè)線產(chǎn)品或進行中段回流，最終完成分餾塔分離工藝過程的關(guān)鍵。

1 條槽形集液箱結(jié)構(gòu)研發(fā)

1.1 常見集液箱形式

集液箱的形式種類很多，一般應用場合最常見的是升氣管集液箱。根據(jù)集液箱上開孔的形狀，升氣孔大致分為矩形孔和圓筒形孔2類。根據(jù)折邊形式的不同,矩形升氣管集液箱又分為上折邊式和下折邊式2種結(jié)構(gòu)，立體示意圖分別見圖1和圖2。圖1中矩形升氣管的頂蓋折邊朝上，圖2中矩形升氣管的頂蓋為折邊朝下。

圖1 上折邊式矩形升氣管集液箱

圖2 下折邊式矩形升氣管集液箱

在某些應用場合，還會用到2種特殊結(jié)構(gòu)的升氣管集液箱，分別見圖3和圖4。圖3為集液器+盤式分布器(集液槽間隙型)，圖4為集液盤+盤式分布器(集液升氣板可以和液體分布器組合應用)。

圖3 集液槽間隙型升氣管集液箱

圖4 組合式升氣管集液箱

1.2 分布結(jié)構(gòu)優(yōu)選

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)流體分布器對流體充分發(fā)揮分布功能的前提條件。目前石油和化工裝置填料塔內(nèi)廣泛使用的重力型液體分布器，代表著液體分布器結(jié)構(gòu)設(shè)計的最高水平，是氣體分布結(jié)構(gòu)研究的最佳參考對象。

重力型液體分布器[4-5]先后經(jīng)歷了盤式液體分布器(圖5)、槽盤式液體分布器(圖6)和槽式液體分布器(圖7)3個發(fā)展階段，目前普遍采用的是槽式液體分布器。條槽形結(jié)構(gòu)在均布液體的同時能使通過條槽間的氣體得到均勻分布，因而在液體分布器應用中具有一定的優(yōu)勢。

圖5 盤式液體分布器

圖6 槽盤式液體分布器

圖7 槽式液體分布器

為了使氣體通過集液箱后分布更加均勻，促進相鄰集液箱上層塔盤或填料的氣液傳質(zhì)過程，SEG研發(fā)中心基于槽式液體分布器的原理[6]，進行逆向思維創(chuàng)新開發(fā)了條槽形集液箱。新型條槽形集液箱平面設(shè)計示意圖見圖8。

圖8 條槽形集液箱平面設(shè)計示圖

1.3 分布結(jié)構(gòu)對比

對條槽形和圓筒形2種集液箱的氣體分布結(jié)構(gòu)進行對比。圓筒形集液箱平面設(shè)計示意見圖9。

圖9 圓筒形集液箱平面設(shè)計示圖

對比圖8和圖9可知，條槽形集液箱結(jié)構(gòu)中氣體通過的上方縫隙呈矩形，圓筒形集液箱升氣孔上方開縫為環(huán)形帶狀。

根據(jù)等周長條件下圓形面積大于矩形面積的幾何原理，可以反向推導出等面積的矩形周長大于圓形周長，并可進一步推理出在塔的橫截面開孔面積相同情況下，圓形孔的周長總和小于矩形孔的周長總和。另外，圓形孔的布置相較矩形孔更易受限，相同情況下可布置的孔數(shù)較少，而矩形孔沒有死角，可以最大限度利用塔內(nèi)空間，使矩形槽上部條縫更多，條縫總面積更大。

例如，在?1 000 mm的實驗塔中，條槽形升氣管開孔率為23.81%時，升氣管條縫的總長度為3.836 m；圓筒形升氣管的開孔率為23.69%時，升氣管條縫的總周長為2.647 m。在開縫高度皆為100 mm的條件下，條槽形升氣管的開縫面積比圓筒形升氣管的開縫面積增大44.9%。因此在縫隙高度相等情況下，矩形孔頂蓋下的側(cè)縫面積大于圓形孔頂蓋下的側(cè)縫面積，有助于降低通過縫隙的氣速，降低塔內(nèi)壓降，同時有助于減少霧沫夾帶，改善產(chǎn)品質(zhì)量。

2 集液箱計算流體力學模擬

基于文獻[4-5]可知，槽式液體分布器的液體分布性能優(yōu)于盤式液體分布器。據(jù)此可以推理，如果采用條槽形集液箱來收集液體，那么氣體通過條槽形集液箱各矩形槽之間的條縫之后的分布也應更加均勻。為此，采用CFX計算流體力學軟件對氣體通過2種圓筒形集液箱頂蓋(平板和三角形隆起)和條槽形集液箱頂蓋后的氣體分布狀況進行了模擬計算，得到了不同形式集液箱的氣體分布云圖，見圖10。圖10a所示的圓筒形集液箱1的頂蓋為平板結(jié)構(gòu)，圖10b所示的圓筒形集液箱2的頂蓋為三角形隆起結(jié)構(gòu)。

圖10 不同形式集液箱氣體分布云圖

從圖10的集液箱氣體分布云圖可明顯看出，氣體通過2種不同頂蓋圓筒形集液箱后整個塔截面的氣體分布相對較差，氣體通過條槽形集液箱后分布比較均勻。

此外，模擬計算還得到了不同形式集液箱氣體分布不均勻度系數(shù)對比圖，見圖11。分布不均勻度系數(shù)是衡量分布元件好壞的重要參數(shù)，分布不均勻度系數(shù)越小，分布性能越好[7-10]；反之，則分布性能越差。

圖11 不同形式集液箱氣體分布不均勻度系數(shù)對比

分析圖11可知，對條槽形集液箱，當氣體出口到塔截面的距離大于500 mm時，氣體在塔截面的分布不均勻度系數(shù)接近0.3。隨著距離氣體出口的高度的增加，氣體在塔截面的分布不均勻度系數(shù)呈下降趨勢。當氣體出口到塔截面的距離增至約1 000 mm時，氣體在塔截面的分布不均勻度系數(shù)已降至近0.2，這說明隨著塔截面的提升，氣體分布性能越好。潘國昌等[7]對7種氣體分布器性能進行比較，認為分布較好的氣體分布器的分布不均勻度系數(shù)約為0.33。據(jù)此可以判斷出，氣體通過條槽形集液箱后的氣體分布相對比較均勻。

3 集液箱性能實驗研究

3.1 壓降

實驗研究以安裝在?1 000 mm實驗塔中的集液箱為對象，以空氣為氣相介質(zhì)，以水為液相介質(zhì)。實驗時，采用保持液體的體積流量qVL固定不變，通過改變氣體的體積流量的方法研究集液箱壓降變化規(guī)律。

實驗選取的保持固定不變的液體體積流量有2個，分別為0 m3/h和8 m3/h。 改變氣體的體積流量時，按照由低(1 000 m3/h)到高(11 000 m3/h)的方式調(diào)節(jié)。通過實驗研究，得到了條槽形集液箱壓降和圓筒形升氣管集液箱的壓降隨空塔動能因子變化對比圖，見圖12。

圖12 2種形式集液箱壓降對比

在頂部開縫高度均為200 mm的條件下，實驗結(jié)果表明圓筒形集液箱壓降較高。在有液體負荷的情況下，當氣相體積流量小于3 000 m3/h 時，條槽形集液箱壓降約為20 Pa，圓筒形集液箱的壓降約為50 Pa；當氣相體積流量為5 500 m3/ h 時，圓筒形集液箱的壓力降約為250 Pa，條槽形集液箱的壓力降約為180 Pa。之后，隨著氣相負荷的增大，2種集液箱壓降的差值趨于恒定。因此可以計算出，條槽形集液箱的壓降比圓筒形集液箱壓降低25%～50%。對于塔器來說，集液箱壓降的減少可以有效降低整個塔內(nèi)壓降，減少外部輸送設(shè)備的動能，這一點對減壓蒸餾塔的意義尤其大，可以提高減壓蒸餾塔的真空度，達到節(jié)能的目的。

3.2 霧沫夾帶

霧沫夾帶量是衡量塔內(nèi)件優(yōu)劣的一個重要指標。霧沫夾帶量大，氣液傳質(zhì)時就容易將重組分帶到上層的輕組分中去，會引起塔內(nèi)重組分的縱向返混，還會影響產(chǎn)品的質(zhì)量，過量的霧沫夾帶還將引起液泛問題。所以，在氣液兩相傳質(zhì)過程中需要嚴格控制塔內(nèi)件的霧沫夾帶量。霧沫夾帶量一般按照不超過10%[11-16]進行控制，即1 kg氣體夾帶的液體量不能超過0.1 kg。

在升氣管開孔面積近似相等的情況下進行集液箱霧沫夾帶情況研究。實驗時采用固定液體體積流量、改變氣體體積流量的方式，分別對條槽形集液箱、圓筒形集液箱在多個液體體積流量下的霧沫夾帶量進行對比。

因為霧沫夾帶量在相同氣速下是隨著液體體積流量的增大而增大的，所以文中僅選取具有代表性的2組數(shù)據(jù)進行對比分析，得到了條槽形集液箱和圓筒形集液箱的霧沫夾帶量隨空塔動能因子變化的對比圖，見圖13。

圖13 2種形式集液箱霧沫夾帶對比

分析圖13可知，圓筒形集液箱的霧沫夾帶量雖然在空塔動能因子高達4.3 m·s-1·kg0.5·m-1.5時僅約7%，但在整個模擬實驗操作過程中，圓筒形集液箱的霧沫夾帶量始終高于條槽形集液箱，而且兩者相差非常明顯。條槽形集液箱在空塔動能因子為4.5 m·s-1·kg0.5·m-1.5時的霧沫夾帶量約為4.5%，比圓筒形集液箱的低約36%。當空塔動能因子小于3.5 m·s-1·kg0.5·m-1.5時，條槽形集液箱的霧沫夾帶小于0.5%，遠低于塔器在操作時10%的允許霧沫夾帶上限，可見條槽形集液箱能夠有效減少塔器霧沫夾帶超限的風險，為提高塔器的處理能力提供可靠保證。

4 集液箱特性對比

根據(jù)圓筒形集液箱和條槽形集液箱的結(jié)構(gòu)形式和流體力學性能實驗研究數(shù)據(jù)，對這2種集液箱頂蓋出來的氣相從氣流形式、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、開縫面積、壓降、霧沫夾帶量5個方面分別進行比對分析，結(jié)果見表1。

表1 圓筒形和條槽形集液箱特性對比

5 結(jié)語

基于液體分布器的結(jié)構(gòu)形式研究開發(fā)了條槽形集液箱。以圓筒形集液箱為對比，采用計算流體力學軟件CFX對條槽形集液箱進行了氣體分布性能模擬，通過實驗重點研究了條槽形集液箱的壓降和霧沫夾帶特性。

對條槽形集液箱的性能模擬和實驗研究表明條槽形集液箱具有以下特點：①氣相分布均勻。將氣相由多個環(huán)形流提升為多股線形流，實現(xiàn)氣相均勻分布的全覆蓋，分布不均勻度系數(shù)低于0.3，有利于集液箱相鄰上層塔盤的氣液傳質(zhì)。②霧沫夾帶少。開縫面積大，過縫氣速低，霧沫夾帶量低于0.5%，有利于集液箱相鄰塔盤的氣液傳質(zhì)。③壓降低。條槽形集液箱比圓筒形集液箱壓降低25%～50%。④結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。條形結(jié)構(gòu)更易形成框架結(jié)構(gòu)，牢固穩(wěn)定，可實現(xiàn)集液箱的長周期運行。