摇摆状态下的填料塔液体分布性能研究

2023.03.30

岳强李斌斌韩洋洋

摘 ?????要：填料塔在稳态下应用广泛，但是在摇摆条件下气液分布不均，限制了其在离岸海洋平台上的应用。通过水力学测试和MATLAB等软件，考察了摇摆周期、摇摆角度和气液比率对填料塔液体分布性能的影响，得到精确的液体分散状态，对于摇摆状态下填料塔的设计具有重大参考意义。

关 ?键 ?词：摇摆;填料塔;液体分布

中图分类号：TQ 053.5 ??????文献标识码： B ??????文章编号： 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

化工气液传质过程在平坦的陆地上很容易进行，技术已经相对成熟，但通常精馏塔和吸收塔等设备均要求整个塔体的垂直度小于0.3%。在陆地上，一般通过基础固定等手段，能够满足设备需求[1-3]。然而在当代随着对海洋探索的深入及军事战略储备的要求，海上离岸状态下的气液传质过程不可或缺[4]。如水面舰船[5]、潜艇[6，7]和海上平台[8]等，CO2吸收和液体脱气等工艺设备大量采用精馏塔和吸收塔[9，10]。

当气液传质设备处于摇摆状态时，气相与液相在塔内的流动及分布处于非正常状态，气液分布不均匀，精馏和吸收效率会严重下降[2]。本文针对精馏塔在摇摆状态下的液体分散性能进行研究，探讨影响液体非均匀分布的关键因素，为海上平台化工分离设备的设计开发奠定基础。

1 ?实验部分

1.1 ?实验装置

摇摆试验流程如图1所示，实验采用填料塔直径为200 mm，高度为1.65 m，材质为透明有机玻璃。塔底的液体集液器包含185个网格化集液槽。填料为25 mm聚丙烯鲍尔环，高度0.95 m，直接放置在集液器上。

1-贮水池;2-离心泵;3-液体流量计;4-填料塔;

5-集液器;6-量液器;7-气缸;8-气体流量计;9-风机

试验介质为空气-水。空气经计量后从塔底进入塔内，与液体逆向接触后由塔顶排空。水经计量后送入填料塔顶，通过液体分布器均匀喷淋在填料层上，流经填料后进入塔底集液器，最后由导流管导入量液器[2]。塔体通过中间部位的支架固定，塔身一侧安装气缸，通过气缸节流阀的调节可控制摇摆周期，通过限位开关可调节摇摆角度。

1.2 ?实验方法

在垂直稳态下，启动离心泵和风机，观察塔内气液流动状况。待气流和液流状态稳定之后，设定采样时间为60 s，并测量塔底液态分布情况。

启动气缸，调节限位开关位置，使塔体在轴向偏离角度为 5°的状态下进行摇摆运动。调节气缸两端节流阀，控制摇摆周期，待摇摆状态稳定之后开始采样，测量液态分布情况。以同样的方法调节限位开关位置至塔体轴向偏离角度分别为10°和20°，测量相应状态下的液体分布情况。

在每一种摇摆角度状态下，摇摆周期分别取1、20、40和60 s，测量不同摇摆周期状态时的液态分布情况。

1.3 ?数据处理

实验所得数据为塔底每一个采样点的液体喷淋量，经MATLAB软件进行三维拟合，可得在每一种试验条件下的液态三维分布图，如图2所示。X、Y轴表示塔底横截面的相对位置，Z轴表示测定时间内的塔底液体喷淋量，单位为mL。

沿摇摆方向，在塔底横截面上取点数最多的中间一列。将所得数据经origin拟合后可得液体流率分布二维曲线，横坐标为沿摇摆方向横向位移，m; 纵坐标为液体分布流率，kg·m-2· s-1。

2 ?结果与讨论

2.1 ?摇摆周期

固定摇摆角度为10°，气液比率为0.008，所得不同摇摆周期状态的液体三维分布图如图4所示。

图4显示，摇摆周期为10 s时，塔底液体分布比较均匀。随着摇摆周期的增大，塔底液体分布不均匀性增强，这是由于摇摆塔身的轴向偏离使得两端的壁流作用显著。当摇摆周期增大到40 s以后，流体几乎全部集中于两端区域，中心大部分区域分布极少，气液分布严重不均匀。进一步作出液體流率变化图如图5所示。

从图5中可以更直观的看出，在摇摆状态下的液体分布虽不均匀，但具有一定规律。当摇摆周期为10 s时，塔底液体分布比较均匀，流体流率在10 kg·m-2·s-1上下浮动;随着摇摆周期的增大，在沿运动方向上0～0.05 m位置范围内液体流率迅速下降甚至为0;在0.05～0.16 m位置范围内液体流率集中在5 kg·m-2·s-1左右;大于0.16 m位置后液体流率又迅速增加。摇摆周期越长液体分布越不均匀。

2.2 ?摇摆角度

固定摇摆周期和气液比率，改变摇摆轴向偏离角度。摇摆周期为20 s的液态分布三维视图如图6所示。

通过图6可得，在摇摆周期为20 s状态时，当摇摆角度为5°时，塔底流体分布比较均匀。而随着摇摆角度的增大，塔底液体分布逐渐恶化，不均匀性明显增强。摇摆角度越大，壁流作用越强，液体分布越不均匀。当摇摆角度增大到20°时，液体分布严重不均匀。对不同摇摆角度下的液体分布作二维线性分析，如图7所示。

图7表明，在摇摆周期为20 s条件下，当摇摆角度为5°时，塔底液体分布相对比较均匀，流体流率在10 kg·m-2·s-1上下浮动;当摇摆角度增加至10°、20°时，在沿运动方向上0～0.05 m位置范围内液体流率迅速下降接近于0，在0.05～0.16 m位置范围内液体流率变化很小，在5 kg·m-2·s-1上下浮动;而大于0.16 m位置后液体流率又迅速增加，达到与初始位置同水平的高度。综上可知，摇摆角度越大液体分布的不均匀现象越严重。

3 ?结语与展望

综上所述，在摇摆状态下的填料塔中，当摇摆角度较小（<10°）、运动周期较短（≤20 s）时，散装填料的液体分散性能较好，上升气流对于填料分散性能影响作用明显，气液比率的增加可促进液体分布均匀化;當摇摆角度较大（≥10°）、运动周期较长（>20 s）时散装填料的液体分散性能下降，气相流率的大小对于填料分散能力的影响较弱。这对于舰船化工设备的设计和操作具有重要参考意义。

参考文献：

[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] 岳强，于开录，罗太刚，刘学民，倾斜状态下的填料塔液体分布性能研究[J].化学工程师， 2015，233（2）.

[3] 施建荣，施诗，张燕，论舰船装备倾斜和摇摆环境适应性与试验，装备环境工程，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.

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

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[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.