倾斜状态下的填料塔液体分布性能研究

岳 强，于开录，罗太刚，刘学民

（中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸056027）

倾斜对于填料塔性能的影响很大，即便只有1°的倾斜对于填料塔传质性能的影响也十分严重，直接导致传质质量损失[1]。精馏塔及吸收塔等气液传质设备对塔体垂直度的要求非常严格，一般不超过0.3%。而在某些特殊环境，如潜艇、水面舰船和海上平台作业等工艺设备均大量采用精馏塔和吸收塔[2]。由于海浪的影响，此类设备将一直处于非稳态，塔体的轴线与重力方向不能始终保持一致。因此，液体在塔内的分布会脱离正常状态，导致精馏塔和吸收塔内出现气液分布不均匀现象，精馏和吸收性能严重降低。

在垂直条件下，对填料塔性能的研究国内外都十分常见，且均取得了一定成果[3，4]。对非稳状态下塔设备性能的研究，国外开始较早且已有相对较成熟的成果[5，6]，而在国内还相对较少，应用技术不成熟甚至还处于空白阶段。所以，开展倾斜问题相关方面的探索研究十分有必要。要从根本上解决倾斜问题，首先必须了解在倾斜条件下设备性能下降的作用机理。塔内液体分布对于填料塔传质性能的影响很大，所以研究和改善倾斜条件下塔内的液体分布具有重要意义。而在倾斜条件下填料高度和气液比率对于液体分布的影响目前并不是很清楚。鉴于此，本文在倾斜条件下对塔底的液体分布特性进行了研究，以图表的形式直观地认知倾斜对液体分布的影响机理，为今后进一步解决倾斜问题奠定一定理论基础。

1 实验部分

1.1 实验流程

实验采用的填料塔直径为200mm，高度为1.65m，材质为透明有机玻璃，以便于观察塔内气液流动状况。25mm聚丙烯鲍尔环散装填料直接堆在积液槽上，试验介质为空气-水。水从贮水池由离心泵抽入管道，经计量后送入塔顶液体分布器，均匀喷淋在填料层上。液体流经填料后进入塔底集液槽内，由槽底导管流至量液器进行计量。空气通过风机经计量后从塔底供入塔内，与液相逆向流动接触，最后由塔顶排空。装置具体流程见图1。

图1 试验流程图Fig.1 Flow Chart

1.2 填料塔主要结构

实验采用喷淋式液体分布器来给填料供水，安装在填料层上方120mm处。为了能够真实的反映填料塔底部液体分布情况，本实验设计液体集液器见图2。

图2 液体集液槽示意图Fig.2 Liquid collector

壁流区域经过了精细划分，以保证塔底圆周位置上的液体都能够被独立地检测到。集液器包含185个集液槽（塔壁40个和塔内145个），每个规整正方形槽的横截面积为144mm2，深度为120mm。每一个集液槽的出口都通过一根细长的软管与量液器相连，用于测量这一点的液体喷淋量。

进气口位于集液槽上方，紧邻填料层。为了保证进气的均匀性，本实验采用24个进气口，能够从塔底圆周的各个方向进气。另外，为防止液体向下流动时直接流入进气管，对进气管端进行了坡口设计，安装时坡口向下，具体示意图见图3。

图3 塔底进气示意图Fig.3 Air input in bottoms

1.3 试验条件与过程

为了探究不同倾斜角度下填料对液体的分散性能，实验在3种倾斜角度下进行。对于每种倾斜角度，依次改变4种填料高度，先由低到高，再由高到低，取两次实验的平均值作为参考数据。实验还考虑了气体对液体分布的影响，在其他条件不变的前提下，改变5种气液比率来测量塔底的液体分布情况。同样，气液比先从低到高然后由高到低，最后取两次实验的平均值作为实验数据。每组实验获得185个数据，通过对这185个数据进行三维拟合及二维线性分析，对在倾斜状态下塔底液体分布情况进一步认知。

每次实验前均进行预液泛以达到充分润湿填料，调解流量待气液流率基本稳定时，开始取液测定，测定时间为60s。实验过程中的各参数变量见下表1。

表1 实验中各参数变量Tab.1 Parameter variables

2 结果与讨论

2.1 不同倾斜角度

实验测得数据为塔底各个集液点的液体积累量，共计185个集液点。取其中3组数据通过MATLAB软件将数据拟合成为三维立体图形，见图4。

图4为倾斜0°、3°和7°条件下的液体分布轮廓。填料高度0.95m，液体流量9.88kg（m2·s）-1，进气量0kg（m2·s）-1。X 和Y 轴坐标表示塔底横截面的坐标位置，Z 轴坐标表示测定时间内的各个集液槽的液体积累量，单位为mL。

图4 液体分布轮廓Fig.4 Liquid distribution profiles

从图4中可以看出，即使是垂直塔体运行，流体也有倾向性路线穿过填料，在靠近塔壁区域流速相对较高。这是由靠近塔壁区域空隙率较大所导致，但总体来说是比较均匀的。而在倾斜条件下，大部分流体都集中在倾斜塔的低端区域，造成塔底液体分布严重不均匀。倾斜角度越大不均匀性越严重。为了进一步表达流体向低端壁区的迁移状况，在集液槽横截面上沿倾斜方向作线分析见图5。

图5 线区域示意图Fig.5 Line areas

沿倾斜方向从上到下共分15个线性区域。分析结果表明，线区域的液体分布情况基本一致，均呈现出液体在倾斜低端区域流率较高。

为了取点作图方便，取线区域8在3种不同倾斜角度下的液体分布为例，做出分析图见图6。

图6 不同倾斜角度液体流率变化图Fig.6 Changing liquid flux profile at different tilt angles

3条曲线分别代表倾斜0°、3°和7°条件下，塔底截面线区域2的液体流率分布图。横坐标是塔底横向位置，纵坐标为液体流率。每一槽内的液体分布计算式为：

式中 L（i）：第i 集液槽所收集的液体流率，kg·s-1；S（i）：第i 个集液槽的横截面积，m2。

从图6中很容易看出，在倾斜条件下液体的分布具不均匀性。当垂直运作时，流体流率在10·kg（m2·s）-1上下浮动，但总的来说还是变化不大的。当倾斜3°和7°时，在沿倾斜方向0~0.14m位置的液体喷淋量均变化不大，超过0.14m之后液体喷淋量均极剧增加。可以看出倾斜7°比倾斜3°所导致的塔底液体分布不均匀现象更严重。倾斜角度越大不均匀性越强，能够看出这与用MATLAB拟合的三维图形结果是一致的。

2.2 不同填料高度

实验在每种倾斜角度下改变4种不同填料高度，分别对塔底液体分布进行了测试。对测试结果进行线性分析，图7展示了不同填料高度下的液体分布状况。倾斜角度为7°，液体流量9.88/kgm-2·s-1，进气量0kg（m2·s）-1。

图7 不同填料高度下液体分布变化图Fig.7 Changing liquid flux profile at different packed heights

从图7中可以看出，随着填料高度的改变，液体呈现一定规律性分布。填料高度越高，由于倾斜所导致的液体分布不均匀性逐渐减弱。这是由于填料自身的径向分布能力把一部分液体分散到了干燥区域。由此可得，填料塔内填料具有横向分散作用，能够改变液体流动方向。所以在实际应用中，只要选择适合的填料可以一定程度内减轻液体分布的不均匀性。

2.3 不同气液比率

在两相逆流工作过程中，上升气流对于塔内液体分布的影响是不可忽视的。本试验对于进气条件下的液体分布情况作了进一步研究。在一定的倾斜角度及填料高度下，变化不同气液比G/L来测量塔底的液体分布状况。通过对所得数据进行线性分析，得到不同气液比率下液体的流率变化见图8。倾斜角度为7°，填料高度为0.95m。

图8 不同气液比时液体流率变化图Fig.8 Changing liquid flux profile at different GLR

从图8中可以看出，在气液并存的情况下，倾斜塔内流体仍然是向塔身倾斜低端一侧汇聚。最开始的忽然降低是由于填料塔本身的壁流作用所致。当入塔气液比率增大时，塔倾斜低端一侧的液体流量逐步降低，这说明一定范围内增大进气量对于塔内液体分布的均匀性是有益的。由此可得，逆向气流对塔内液体分布的均匀性具有促进作用，综合考虑压降和分离效果，在实际应用中可以适当的增加进气量来缓解液体的分布不均匀性。

3 结语与展望

综合上述实验结果可得在倾斜条件下，随着填料高度及气液比率的变化，塔底液体分布均呈现出不同程度的规律性分布不均。倾斜角度越大，液体分布不均匀性越强。在一定的倾斜角度下，填料高度越高，气液比率越小，倾斜导致的不均匀性逐渐减弱。这对于实际应用具有一定实用价值，在一定范围内，可以适当的增加填料高度和提高气液比率来缓解倾斜所导致的分布不均匀问题，进一步提高填料塔的传质效率。实验过程中发现，填料和倾斜角度对于液体分布均匀性影响很大，所以将来下一步研究将考虑更换填料或者通过摇摆装置来改善倾斜问题。

［1］Baker,S.,Tanner.R.K.andWaldie,B.,Comparisonofpacking typesonawaterdeaerationcolumnundervertical,tiltandmotion conditions［J］.Chem.Eng.Des.,1992,70:509-515.

［2］JensHetland,HanneMarieKvamsdal,GeirHaugen,etal.Integratingafullcarboncaptureschemeontoa450MWeNGCCelectric powergenerationhubforoffshoreoperations:PresentingtheSevan GTWconcept［J］.AppliedEnergy,2009,86:2298-2307.

［3］杨卓如，陈运文，等.填料塔内液体分布特性研究［J］.高等化学工程学报，1990，14（4）.

［4］徐震宇，江生南，等.填料塔液体分布研究［J］.石油化工，1990，19.

［5］BakerSA,MillarMK,etal.Modellingtheperformanceofapacked columnsubjectedtotilt［J］.IstitutionofChemicalEngineers,1996,21:401-406.

［6］SpiegelL,MeierW.Distillationcolumnswithstructuredpackings inthenextdecade［J］.Chem.Eng.Res.Des.,2003,81（1）:39-47.