岳強(qiáng) 李斌斌 韓洋洋

摘 ?????要：填料塔在穩(wěn)態(tài)下應(yīng)用廣泛，但是在搖擺條件下氣液分布不均，限制了其在離岸海洋平臺(tái)上的應(yīng)用。通過水力學(xué)測(cè)試和MATLAB等軟件，考察了搖擺周期、搖擺角度和氣液比率對(duì)填料塔液體分布性能的影響，得到精確的液體分散狀態(tài)，對(duì)于搖擺狀態(tài)下填料塔的設(shè)計(jì)具有重大參考意義。

關(guān) ?鍵 ?詞：搖擺;填料塔;液體分布

中圖分類號(hào)：TQ 053.5 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）01-0211-03

Abstract： The packing column is widely used in steady state， its application in marine offshore conditions is limited due to the gas-liquid maldistribtion in non-steady state. In this paper， the influence of swing cycles， swing angles and gas-liquid ratios on liquid dispersibility was investigated by hydraulics test and MATLAB software. The exact dispersion state of liquid was obtained， which could contribute to the further design and development of the swing state packed column equipment.

Key words： Swing; Packing column; Liquid distribution

化工氣液傳質(zhì)過程在平坦的陸地上很容易進(jìn)行，技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但通常精餾塔和吸收塔等設(shè)備均要求整個(gè)塔體的垂直度小于0.3%。在陸地上，一般通過基礎(chǔ)固定等手段，能夠滿足設(shè)備需求[1-3]。然而在當(dāng)代隨著對(duì)海洋探索的深入及軍事戰(zhàn)略儲(chǔ)備的要求，海上離岸狀態(tài)下的氣液傳質(zhì)過程不可或缺[4]。如水面艦船[5]、潛艇[6，7]和海上平臺(tái)[8]等，CO2吸收和液體脫氣等工藝設(shè)備大量采用精餾塔和吸收塔[9，10]。

當(dāng)氣液傳質(zhì)設(shè)備處于搖擺狀態(tài)時(shí)，氣相與液相在塔內(nèi)的流動(dòng)及分布處于非正常狀態(tài)，氣液分布不均勻，精餾和吸收效率會(huì)嚴(yán)重下降[2]。本文針對(duì)精餾塔在搖擺狀態(tài)下的液體分散性能進(jìn)行研究，探討影響液體非均勻分布的關(guān)鍵因素，為海上平臺(tái)化工分離設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?實(shí)驗(yàn)裝置

搖擺試驗(yàn)流程如圖1所示，實(shí)驗(yàn)采用填料塔直徑為200 mm，高度為1.65 m，材質(zhì)為透明有機(jī)玻璃。塔底的液體集液器包含185個(gè)網(wǎng)格化集液槽。填料為25 mm聚丙烯鮑爾環(huán)，高度0.95 m，直接放置在集液器上。

1-貯水池;2-離心泵;3-液體流量計(jì);4-填料塔;

5-集液器;6-量液器;7-氣缸;8-氣體流量計(jì);9-風(fēng)機(jī)

試驗(yàn)介質(zhì)為空氣-水?？諝饨?jīng)計(jì)量后從塔底進(jìn)入塔內(nèi)，與液體逆向接觸后由塔頂排空。水經(jīng)計(jì)量后送入填料塔頂，通過液體分布器均勻噴淋在填料層上，流經(jīng)填料后進(jìn)入塔底集液器，最后由導(dǎo)流管導(dǎo)入量液器[2]。塔體通過中間部位的支架固定，塔身一側(cè)安裝氣缸，通過氣缸節(jié)流閥的調(diào)節(jié)可控制搖擺周期，通過限位開關(guān)可調(diào)節(jié)搖擺角度。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)方法

在垂直穩(wěn)態(tài)下，啟動(dòng)離心泵和風(fēng)機(jī)，觀察塔內(nèi)氣液流動(dòng)狀況。待氣流和液流狀態(tài)穩(wěn)定之后，設(shè)定采樣時(shí)間為60 s，并測(cè)量塔底液態(tài)分布情況。

啟動(dòng)氣缸，調(diào)節(jié)限位開關(guān)位置，使塔體在軸向偏離角度為 5°的狀態(tài)下進(jìn)行搖擺運(yùn)動(dòng)。調(diào)節(jié)氣缸兩端節(jié)流閥，控制搖擺周期，待搖擺狀態(tài)穩(wěn)定之后開始采樣，測(cè)量液態(tài)分布情況。以同樣的方法調(diào)節(jié)限位開關(guān)位置至塔體軸向偏離角度分別為10°和20°，測(cè)量相應(yīng)狀態(tài)下的液體分布情況。

在每一種搖擺角度狀態(tài)下，搖擺周期分別取1、20、40和60 s，測(cè)量不同搖擺周期狀態(tài)時(shí)的液態(tài)分布情況。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為塔底每一個(gè)采樣點(diǎn)的液體噴淋量，經(jīng)MATLAB軟件進(jìn)行三維擬合，可得在每一種試驗(yàn)條件下的液態(tài)三維分布圖，如圖2所示。X、Y軸表示塔底橫截面的相對(duì)位置，Z軸表示測(cè)定時(shí)間內(nèi)的塔底液體噴淋量，單位為mL。

沿?fù)u擺方向，在塔底橫截面上取點(diǎn)數(shù)最多的中間一列。將所得數(shù)據(jù)經(jīng)origin擬合后可得液體流率分布二維曲線，橫坐標(biāo)為沿?fù)u擺方向橫向位移，m; 縱坐標(biāo)為液體分布流率，kg·m-2· s-1。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?搖擺周期

固定搖擺角度為10°，氣液比率為0.008，所得不同搖擺周期狀態(tài)的液體三維分布圖如圖4所示。

圖4顯示，搖擺周期為10 s時(shí)，塔底液體分布比較均勻。隨著搖擺周期的增大，塔底液體分布不均勻性增強(qiáng)，這是由于搖擺塔身的軸向偏離使得兩端的壁流作用顯著。當(dāng)搖擺周期增大到40 s以后，流體幾乎全部集中于兩端區(qū)域，中心大部分區(qū)域分布極少，氣液分布嚴(yán)重不均勻。進(jìn)一步作出液體流率變化圖如圖5所示。

從圖5中可以更直觀的看出，在搖擺狀態(tài)下的液體分布雖不均勻，但具有一定規(guī)律。當(dāng)搖擺周期為10 s時(shí)，塔底液體分布比較均勻，流體流率在10 kg·m-2·s-1上下浮動(dòng);隨著搖擺周期的增大，在沿運(yùn)動(dòng)方向上0～0.05 m位置范圍內(nèi)液體流率迅速下降甚至為0;在0.05～0.16 m位置范圍內(nèi)液體流率集中在5 kg·m-2·s-1左右;大于0.16 m位置后液體流率又迅速增加。搖擺周期越長(zhǎng)液體分布越不均勻。

2.2 ?搖擺角度

固定搖擺周期和氣液比率，改變搖擺軸向偏離角度。搖擺周期為20 s的液態(tài)分布三維視圖如圖6所示。

通過圖6可得，在搖擺周期為20 s狀態(tài)時(shí)，當(dāng)搖擺角度為5°時(shí)，塔底流體分布比較均勻。而隨著搖擺角度的增大，塔底液體分布逐漸惡化，不均勻性明顯增強(qiáng)。搖擺角度越大，壁流作用越強(qiáng)，液體分布越不均勻。當(dāng)搖擺角度增大到20°時(shí)，液體分布嚴(yán)重不均勻。對(duì)不同搖擺角度下的液體分布作二維線性分析，如圖7所示。

圖7表明，在搖擺周期為20 s條件下，當(dāng)搖擺角度為5°時(shí)，塔底液體分布相對(duì)比較均勻，流體流率在10 kg·m-2·s-1上下浮動(dòng);當(dāng)搖擺角度增加至10°、20°時(shí)，在沿運(yùn)動(dòng)方向上0～0.05 m位置范圍內(nèi)液體流率迅速下降接近于0，在0.05～0.16 m位置范圍內(nèi)液體流率變化很小，在5 kg·m-2·s-1上下浮動(dòng);而大于0.16 m位置后液體流率又迅速增加，達(dá)到與初始位置同水平的高度。綜上可知，搖擺角度越大液體分布的不均勻現(xiàn)象越嚴(yán)重。

3 ?結(jié)語(yǔ)與展望

綜上所述，在搖擺狀態(tài)下的填料塔中，當(dāng)搖擺角度較小（<10°）、運(yùn)動(dòng)周期較短（≤20 s）時(shí)，散裝填料的液體分散性能較好，上升氣流對(duì)于填料分散性能影響作用明顯，氣液比率的增加可促進(jìn)液體分布均勻化;當(dāng)搖擺角度較大（≥10°）、運(yùn)動(dòng)周期較長(zhǎng)（>20 s）時(shí)散裝填料的液體分散性能下降，氣相流率的大小對(duì)于填料分散能力的影響較弱。這對(duì)于艦船化工設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作具有重要參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] B.R. Dunbobbin， W.R. Brown. Air separation by a high temperature molten salt process[J]. Gas Sep.Purif，1987，1：23-29.

[2] 岳強(qiáng)，于開錄，羅太剛，劉學(xué)民， 傾斜狀態(tài)下的填料塔液體分布性能研究[J].化學(xué)工程師， 2015，233（2）.

[3] 施建榮，施詩(shī)，張燕，論艦船裝備傾斜和搖擺環(huán)境適應(yīng)性與試驗(yàn)，裝備環(huán)境工程，2011，8（4）：41-44.

[4] Gao FuPing， Li JinHui， Qi Wen Gangand Hu Cun.On the instability of offshore foundations： theory and mechanism[J]. Science China （Physics， Mechanics & Astronomy），2015，58（12）： 124701.

[5] D.L. Bennett， P.N. Dyer. Ionic transport membrane technology for gas-to-liquids processing[C]. Gas-to-Liquids Processing Conference， San Antonio， TX， 18-20， March，1998.

[6] A. Coverdale ，d S. Cassidy. The use of scrubbers in submarines （the removal of CO2 by MEA）[J]. Journal of Naval Engineering， 1987， 30 （3）：528-544.

[7] J Abbott. GTL syngas generation using synetix GHR technology[R]. Gas-to-Liquids Processing 99， San Antonio， TX， 17-21， May，1999

[8]Production of oxygen by integrated ion transport membrane systems[J]. Res .Discl.， 1995：427-440.

[9] K. Onda， H. Takeuchi， Y. Maeda a， N. Takeuchi. Liquid distribution in a packed column， Chem EngSci，1973，28：1677.

[10]Jens Hetland， Hanne Marie Kvamsdal， Geir Haugen， Fredrik Major， Vemund K?rstad， G?ran Tjellander.Integrating a full carbon capture scheme onto a 450 MWe NGCC electric power generation hub for offshore operations： Presenting the Sevan GTW concept[J]. Applied Energy，2009， 86：2238–2246.