新型复合式内部能量集成的精馏塔的机械设计与水力学模拟

刘宏，赵雅静，李英栋，李凭力

（1 天津大学化工学院，天津300350； 2 天津市膜科学与海水淡化重点实验室，天津300350）

引 言

精馏技术广泛应用于化工、医药、精细化工等行业，投资和能耗较高。内部热集成精馏塔（internally heat integrated distillation column，HIDiC）是一种新型精馏技术，它结合了热泵精馏和透热精馏节能的特点[1-5]。这种结构一方面将精馏段塔顶热端蒸气的余热充分利用回收；另一方面塔段间的透热使得各塔板的传质推动力平均化，实现逐板传热，提高了精馏塔的热力学效率[6-8]。因此该技术具有极大的节能效率，与常规蒸馏塔相比节省的能耗可达30%～60%[9-13]，这是理论上最先进的精馏技术，受到了众多学者的关注[14-23]。

随着CFD 理论的发展，研究人员开始利用CFD模拟的方法研究塔板的水力学特征。相比实验，CFD 可以更加精确地描述塔板上的流动情况，可以预测塔板的板效率[24-26]，Wang 等[27]对隔板塔塔盘流场进行了水力学模拟，并与实验结果进行了对比，两者具有极大的相似性。Rodríguez-Ángeles[28-29]等通过对隔板塔的机械设计以及CFD 模拟，对隔板中筛板上的水力学参数进行了优化，提高了塔盘的传质效果。较多的研究者对于HIDiC的研究只是停留在能量优化以及控制策略上，但对于与理想的HIDiC 理论相吻合的模型以及机械结构的设计和水力学模拟较少，本文基于以上问题，在HIDiC理论的基础上构建了新型的HIDiC 塔节，并用CFD 软件进行了水力学分析。

1 机械设计

首先建立内部能量集成的精馏塔理论模型，如图1 所示，提馏段塔顶蒸气经压缩机加压升温后进入精馏段塔底部，精馏段塔底回流液经节流阀减压后回到提馏段塔顶部与原料混合。两塔段间通过塔壁或换热板进行热量交换，精馏段蒸气在上升中冷凝，提馏段回流液在回流中蒸发，这样精馏段冷凝器和提馏段再沸器的热负荷会大幅减小。

图1 内部能量集成的精馏塔示意图Fig.1 Schematic diagram of internal heat integrated distillation columns

以苯和甲苯为分离物系，饱和液体进料，进料压力为常压。进料质量比为1∶1，进料流量为200 kg/h，苯和甲苯的浓度为分别4.95 和4.37 mol/L，要求塔顶和塔底苯和甲苯分离精度达到99%。利用Aspen 建立HIDiC 严格设计模型，热力学采用NRTL性质模型。利用Aspen 软件进行HIDiC 等效模拟是设计难点，根据HIDiC逐级换热的理论，建立平行级逐级换热理论模型，模型使用1台压缩机加压，精馏段操作压力为绝压0.4 MPa，提馏段操作压力为绝压0.1 MPa。利用精馏段和提馏段平行级的温度差进行换热，模拟时交换的热量通过换热器换热，传热系数和流体黏度、热导率、比热容相关，在模拟中设为常数，交换的热量主要随着换热面积和温差变化，稳态时内部热量达到平衡。机械设计时为了和模拟实现等效转化，将换热面积利用平行级之间塔节的换热列管和降液管的面积取代，换热面积调节灵活，气液相负荷变化时通过精馏段和提馏段塔盘的开孔率来调节，稳态时达到平衡。

HIDiC 塔板温度分布如图2 所示，精馏段经过压缩机加压后，温度升高，精馏段塔顶温度132℃，塔底第10 块塔板温度为142℃，塔顶塔底温度差为10℃。提馏段塔顶温度90℃，塔底第10 块塔板温度为110℃，塔顶塔底温度差为20℃。从图示中可以看出，精馏段和提馏段塔板每一个塔板之间存在温度差，第6块塔板之间最小温度差为26℃，塔顶温度差为40℃，塔底温差为32℃，为分离苯和甲苯提供了足够的热量。

图2 HIDiC塔节温度分布Fig.2 Temperature distribution of HIDiC stage

表1 为HIDiC Aspen 模拟结果，传热系数为850 W/(m2·K)，总传热面积为换热管和降液管面积的和。分离时提馏段塔底甲苯的质量分数为99.45%，精馏段塔顶苯的质量分数为99.44%，符合设计要求。

表1 内部能量集成的精馏塔Aspen模拟结果Table 1 Result of HIDiC based on Aspen simulation

表2 Aspen模拟的内部能量集成的精馏塔水力学参数Table 2 Hydraulic parameters of HIDiC based on Aspen simulation

HIDiC 塔盘Aspen 模拟水力学参数如表2 所示，精馏段塔板液泛率在0.62～0.7范围内变化，提馏段塔板液泛率在0.53～0.58 范围内变化，精馏段液泛高于提馏段液泛，主要是压力升高导致降液管内液体倒流回上层塔板，整个液泛率在0.5～0.8范围内，塔盘结构设计合理[30]。

该内部能量集成的精馏塔塔节采用了复合型耦合结构[31]，如图3 所示。精馏段的塔盘嵌入提馏段塔盘板中，形成了内塔盘和外塔盘的组合结构，筛孔用圆管代替，外塔盘的上下两块板、降液管、筛孔管以及塔壁满焊后形成封闭的空间。上下两块板中间嵌入精馏段塔盘，保证每个塔节之间有两个不相连通的空间，即加压的精馏段空间和常压的提馏段空间，使得精馏段和提馏段保持一定的压差和温差，有利于稳态传质和传热。提馏段的筛孔(圆管)、提馏段塔盘板的上下表面和提馏段降液管都成为传热面，能够有效地将精馏段的热量传入提馏段，实现了逐板传热的目标，强化了传质和传热的效果，降低了理论设计的精馏塔高度，节省了成本。

图3 内部能量集成的精馏塔塔节局部和整体撬装图Fig.3 HIDiC stage segments and overall equipment fitting

普通精馏和HIDiC 在进料条件和分离要求相同时，运行条件和成本如表3 所示，HIDiC 模拟分离苯和甲苯时，相比常规精馏可节省58.7%的能耗。总运行成本为操作费用和设备投资的总和，操作费用包括蒸汽、冷却水、电费，年运行总成本HIDiC 相比常规精馏可降低26.6%。

表3 普通精馏和内部能量集成塔的运行条件和成本Table 3 Operating conditions and cost of CDIC and HIDiC

2 塔节静应力分析

SolidWorks 软件功能强大，不仅能够简单高效地完成复杂设备的装配和撬装过程，还可以对设备整体和局部区域进行静力学应力分析。本文应用SW 仿真技术，建立内部能量集成的精馏塔的实体模型，考虑压力和温度的双重效应，分析复合内部能量集成的精馏塔塔节所受应力以及位移、变形、对等应变等状况。为了简化模型，采用全局接触的方法，压力垂直于所选面。选用实体网格，网格单元大小为49.83 mm，节点总数为2542084个，最大高宽比例为35.62。图4 为建立模型在温度压力效应下的装配图模型。

图4 温度和压力效应下装配体模型Fig.4 Assembly model under temperature and pressure effects

表4 为复合塔节设计的基础上，装配体所设定的属性。

装配体的模拟结果如图5 所示，精馏段塔节管束外操作压力为0.4 MPa，温度为138℃，提馏段管束内操作压力为0.1 MPa，温度为108℃。应力范围最小为1.01×10-17N/m2，最大为4.87×108N/m2。整个模拟结果在2×108N/m2以下，均在屈服力的范围之内，因此塔节的机械设计在对应的热模条件下不会发生应变和位移，实体的尺寸和材料的选型和理论吻合。

表4 内部能量集成的精馏塔塔节装配体属性参数Table 4 Assembly property parameters for HIDiC

图5 HIDiC塔节装配体静应力分析云图Fig.5 Cloud map of a ssembly static stress analysis for HIDiC

3 筛孔式复合HIDiC塔节水力学分析

3.1 数学模型

几何图形通过网格离散化，为了控制网格的数量和优化网格的结构，本文采用了几何图形的六面体网格。在网格划分的过程中，由于精馏段与提馏段是不连通隔绝的，首先需要抽取流体域，并对网格的边界进行优化处理，通过网格结构优化得到可接受网格偏度的网格分布。在瞬态状态下利用VOF多相流模型，VOF数学模型控制方程如下：

连续相方程（q相）

动量方程（q相）

传质运输方程（q相）

其中，w为q相k组分的质量流率，Γ为分子扩散系数，传质过程中分子扩散占主导地位。VOF 气液两相流模型中，界面追踪法在捕捉流体界面的几何模型时，需考虑表面张力对两相界面的影响，为了确定表面张力的重要性，首先评估Reynolds 数Re，计算Capillary数

计算得到的Ca＜＜1，需考虑表面张力。Fluent计算表面张力时采用Continuum Surface Stress(CSS)模型。该模型不需要对曲率进行显式计算，在未求解域中提供更好的性能，求得苯和甲苯在实验条件下表面张力的值为18.64 mN/m。

选用k-ε作为湍流模型，利用软件Fluent 进行仿真。本文采用结构化网格，以精馏段液相出口浓度为判别方法验证了网格的独立性。随着网格数目的增加，模拟结果与实验值越来越接近，经网格无关性检验，网格划分总数为1652340个，选用网格尺寸为0.3～0.5 mm。设置时间步长为0.002 s，收敛精度为10-5。如图6所示，网格的细化部分是为了准确描述流场。图6(a)是整个结构的全局域网格划分，图6(b)是提馏段顶部塔盘的X-Y径向网格，图6(c)为塔节轴侧的X-Z方向的网格，图6(d)为精馏段X-Y切向划分的网格。

CFD 模型中采用无滑移壁面边界，忽略壁面效应对流动区域的影响。气液相间采用强制对流，壁面采用自然对流边界。初始边界条件如下。

（2）液相进口：u=uLin,w=wLin,α= 1；

（4）气相进口：u=uGin,w= 0,α= 0；

图6 塔节CFD模拟网格划分示意图Fig.6 Mesh for tray of CFD simulation

实验中优化的第8 块HIDiC 塔盘和CFD 模拟中液相出口浓度随气速变化如图7 所示，模拟值和实验值的平均误差为3.8%，文献[32]中的相对误差值为4.4%，文献[33]中的相对误差值为10.0%，本研究中模拟结果液相出口浓度随表观气速的变化趋势和实验结果在误差范围内，模拟结果值偏大主要是相间作用力考虑不全面造成的，本模拟结果可信。

图7 液相出口浓度随气速的变化Fig.7 Outlet mole concentrations versus gas velocity

3.2 水力学结果分析

为了准确验证数学模型、塔板结构、材料性能和运行条件，HIDiC 塔盘的几何特性设计有两种不同的结构参数，如表5和表6所示。

在结构a参数下，第8块塔节直径为250 mm，出口堰高度为25 mm，精馏塔板孔径为5 mm，提馏塔板孔径为10 mm。图8(a)所示为热工况下苯和甲苯的混合物在运行条件下测试的拟时均化结果，在塔盘上有过量的流体流动，导致泄漏溢流。所以塔节重新设计使用新的参数。通过仿真观测，提馏塔板孔径由10 mm 减小到8 mm，精馏塔板孔径由5 mm减小到4 mm，出口堰高由25 mm 减小到20 mm，HIDiC 塔节直径为200 mm。保持其他参数和结构a参数相同，在图8(b)中可以看出，塔盘上气液接触均匀，传质效果有了明显的改善。

表5 结构a HIDiC塔节CFD模拟的几何参数Table 5 Geometrical characteristics of condition a for tray of CFD simulation

表6 结构b HIDiC塔节CFD模拟的几何参数Table 6 Geometrical characteristics of condition b for tray of CFD simulation

图9 为第8 块塔节和降液管的整体的温度拟时均化分布图。HIDiC 采用新型塔节主要利用降液管和管束作为传热面，有效地将精馏段的热量传递到提馏段。图9(a)换热管之间的传热相对均匀，颜色变化幅度小，图10 为塔节管束沿轴向分布的平均温度分布，温度分布主要在380 K 左右波动。图9(b)为提馏段降液管的温度分布，温度分布在370～385 K 传热效果好，降液管中部的温度比较均匀，但在底部和顶部出现了一些温度差异，这主要和塔盘结构相关。由于塔节顶部是外塔盘，上一块塔盘提馏段的液体流到外塔盘顶部，液体在外塔盘分布，导致温度降低。底部由于液体经降液管到下一节外塔盘进料挡板上方，液体在此处有积存，导致温度下降。整个设计达到板传热理论的目的。

图8 两种不同结构参数下的气体体积分数云图Fig.8 Volume fraction contours in two differences condition

图9 HIDiC塔节和降液管CFD模拟的温度分布Fig.9 Temperature distribution for tray and downcomer of CFD simulation

图10 管束沿Z轴方向平均温度分布Fig.10 Average temperature distribution of tube along Z axis

图11 HIDiC运行时塔盘液体速度矢量图Fig.11 Vectors velocity in liquid surface during HIDiC operation

图12 HIDiC塔节气体体积分数X-Z 轴侧云图Fig.12 Volume fraction contours of vapor in X-Z axis side map of HIDiC stage

如图11 所示，第8 块塔节上的液体主要分布在两个区域，主区域和回流区域。主流区与常规塔板流动模型是一致的，主流区速度沿塔板方向保持均匀，说明任何区域没有停滞区，气液流动状态接近活塞流，提高了塔板上的传质效率。回流区主要集中在换热管穿过塔盘的环形区域，这个区域流体流动速度相对较小，方向相对混乱，接近全混流。

图12 为第8 块塔节在轴侧拟时均化的X-Z方向的气相分数云图剖面图。热状态下的气体和液体有其通道，在壳程精馏段塔盘上气体平均体积分数为0.42，表明它拥有良好的质量传递效应。这时，气液接触后液体沿着降液管向下，气体向上汽化。气液接触的表面分为3层，分别是液体、气液混合和汽化状态的气体。

图13(a)是第8块塔节在X-Y方向气相拟时均化体积分数云图的剖面，图13(b)是第8 块塔节液相体积分数云图。从图中可以看出气液相在塔盘上的分布比较均匀，结合图11中液相在塔盘结构上速度流形结构的分散情况，可以得出塔盘上传质总体比较均匀，传质效果好。在精馏段塔盘筛孔处有气体通过，气体分数较大为0.8，靠近挡液板位置有液体进料，液相体积分数为0.65。

图13 HIDiC内部塔盘气体和液体体积分数X-Y切向云图Fig.13 Volume fraction contours of vapor and liquid in X-Y axis side map for HIDiC trays

4 结 论

（1）在HIDiC 理论和Aspen 模拟的基础上，构建了一种新型复合式的内部能量集成的精馏塔结构，并利用Fluent软件进行水力学模拟，优化了塔径、内外塔盘的堰高和内外塔盘的孔径等参数。

（2）建立的复合精馏塔塔节机械模型通过SW静力学应力分析后，探索了在热状况下的应力分析，发现塔节装配体在2×108N/m2以下，均在屈服力的范围之内，验证了模型的强度与力学性能。

（3）通过筛孔式复合HIDiC模型的水力学分析，研究发现了新型复合式塔节内部能量集成结构整体设计的优异性，内外塔盘上筛孔式结构对气液传质具有差异性，文中通过CFD 模拟了该结构在流体力学上的差异性。

符 号 说 明

D——分子扩散系数，m2·s

F——体积力，N/m3

g——重力加速度，m/s2

m——质量源相，kg/(s·m3)

n——曲面法向量

p——压力，Pa

R——相互作用力，N

S——传质源项，kg/(s·m3)

T——表面张力，N/m

U——自由流速度，m/s

u——速度，m/s

w——质量分数

X,Y,Z——方向坐标，m

α——体积分数

Γ——传质扩散系数，kg/(m·s)

μ——黏度，kg/(m·s)

ρ——密度，kg/m3

σ——连续相和分散相的界面张力，N/m

τ——剪切力，N/m2

上角标

k——气相或液相中的k组分

下角标

G——气相

L——液相

in——进口

out——出口