基于分形几何理论的隔板塔连续排管式液体调配装置研究

摘要 在隔板塔中，隔板两侧的液体分配比作为一个十分重要的操作变量，直接影响着隔板塔的效率。以分形几何理论为基础，设计了一种可以安装在隔板塔内的连续排管式液体调配装置。根据简化的修正动量方程计算进液流率Q = 0.6 m3/h时的穿孔压强和穿孔速度，通过实验测定，对该装置在不同进液流率工况下进行Klemas分布质量方法评估，利用计算流体力学软件FLUENT对该装置的性能进行了模拟分析，并经实验研究对模拟结果进行验证；对不同阀门偏转角度对液体分配比的影响进行了模拟研究。结果表明：该液体调配装置能够有效地调节液体在隔板两侧的分配，并且液体通过该装置后分布质量较高，成功实现了液体在隔板塔内的分配控制，实验结果和模拟值符合良好；阀片偏转角度在0～50°变化时，该液体分布器对液体的调节作用较明显。

关 键 词 隔板塔；连续排管式液体调配装置；分形几何；分布；控制

中图分类号 TQ053.5 文献标志码 A

0 引言

精馏是化工生产中最成熟且应用最广泛的分离技术之一，但精馏过程消耗的能量巨大。作为独立的操作单元，精馏过程消耗的能量占整个化工行业消耗能源的60%，同时热力学效率较低[1-2]。能源价格的持续上涨及日益突出的环境问题，使得精馏过程节能技术的研究具有极其重要的意义[3]。近年来，由于完全热耦合技术在精馏过程中具有较高的热力学效率而备受关注，隔板塔技术作为完全热耦合技术的延伸发展，良好地继承了其高效率、低能耗的特点。隔板塔是完全热耦合精馏塔的1种应用，如图1所示，在1个精馏塔中竖直放置1块隔板，分为主塔和副塔2部分，这样的精馏序列可以分离三元或多元物系，有效地减少了能量损失，提高了热力学效率，同时节省了设备和场地费用，实现了一塔多效[4-5]。

最早的完全热耦合技术是在1965年由Pelyuk提出的，并以其名字命名。从概念的提出到工业应用，隔板塔作为完全热耦合技术的延续经历了漫长的发展时期，究其原因主要是塔器结构变化引起的系统复杂度增加，导致在设计、操作和控制等方面存在严重困难[6]。隔板塔内部气液流股的分配及耦合是相当重要的影响因素[7]，其中液体分配比作为一个非常重要的优化调节参数，直接影响着隔板塔的性能。

用于隔板塔内的液体分布器不仅要满足对进料液体能够灵活分配，同时也要满足对进料液体分布均匀的要求。液体的良好均匀分布关键取决于液体分布器，故液体分布器的设计是十分重要的[8]。液体分布器的种类繁多，根据划分方法的不同，液体分布器可分为不同的类别。根据驱动力的不同可以分为重力型和压力型，后者需要额外提供流体通过分布器的能量；根据液体流出方式的不同可分为堰型和孔口型；按照用途可分为通用型和特殊型；按照结构形状可分为喷头式、管式、盘式、槽式等；根据液体分布的次数可分为单级和多级；按照液体分布器组合方式的不同可分为管槽式、槽盘式和孔槽式。其中排管式液体分布器由于液体流量范围均布性能好，气流通道大，通道面积甚至可超过70%的塔截面，并且因所占空间小，结构简单，加工方便，易于支承，造价低廉等优点而得到广泛的应用[9]。调配装置分配液相的方式有间断式和连续式2种。间断式分布器是通过控制电流的通断，依靠电磁铁产生的磁力使得阀片摆动，从而达到控制液体在隔板两侧分配的目的。Skogestad[10]所在实验室的隔板塔装置采用摆动的漏斗，根据装置外部电磁线圈的间断时间来控制回流液体的流量分配。袁斌[11]，汪丹峰[12]等同样是运用摆动的原理来实现隔板塔实验装置的液体分配比控制。间断式分布器结构比较简单便于制造，但在向主副塔区域进料过程中属于间歇进料，进液流量不稳定，同时活动部件易出现损坏，影响稳定生产，因此目前间断式分布装置仅用于精度要求不高的实验室规模的隔板塔装置上。连续式分布器是采集隔板上方液体后，通过计量后按比例同时加入到隔板两侧区域中，具有流量稳定，适用于工业化的特点。Mutalib[13]，Delgado-Delgado[14]等采集液相至塔外储罐，然后控制阀门按比例回流入塔内隔板塔两侧，朱怀工等[15]所搭建的实验装置同样采用塔外的流量比例控制器调节回流。专利[16-18]通过控制安装在塔外管线上的阀门达到调配隔板塔内主副塔两侧液体的目的。 Ge[19]所设计的隔板塔气体调配装置也属于连续式，通过控制隔板两侧的阀片偏转角度来实现气体的主动分配。

针对隔板塔装置的特点，提出了1种新型的可以安装在隔板塔内部，无需外部储罐的连续排管式隔板塔液体调配装置。通过理论计算流经该装置的液体穿孔压强与穿孔速度，以及实验测定液体分布均匀性，并对该装置控制阀门在不同角度下进行数值模拟，以期验证设计的隔板塔液体调配装置的分布性能。

1 液体分布器研究

1.1 分布器结构及工作原理

分形的概念最早是由Mandelbrot于1975年提出的，并将其定义为局部以某种方式与整体相似的集[20]。通过分形几何理论构造出新型的具有完全自相似的分形图形。如图2所示，以H型分形结构为框架，通过工程优化，设计了1种能够用于隔板塔的连续排管式液体调配装置。从H型分形结构液体分布器的中心O点进液，液体（经管道Ⅰ，调节阀门A、B，依次分别进入管道Ⅱ、管道Ⅲ……）同等机会的在水平分布的管道Ⅰ内向相反的2个方向地流动，依次分析可知，不考虑管道自身对液体的阻力，每级分形都具有这样的特点，即管道内两个方向的流量相等。在H型分形结构液体分布器的Ⅰ级布液管左右两侧各设置1个控制阀门，通过控制阀门开度灵活调节隔板两侧的液体比例。

1.2 排管式液体分布器理论基础

进料液体经分配管分流给各级布液管，然后液体通过布液管底部小孔得以分布，而各喷淋孔的穿孔压强和穿孔速度是否均匀是液体分布器性能的重要因素。排管式液体分布器中液体的流动为变质量流动，管内的压力变化受摩擦阻力和动量交换的影响，需参考多孔管中流体的流动行为进行研究和设计，采用修正动量方程对多孔管中液体的流动行为进行校核[21]。图3表示截取的变质量流动微元体，截面Ⅰ-Ⅰ处液体轴向流速为W，静压为P，流动dx距离至截面Ⅱ-Ⅱ处，液体轴向流速为W + dW，静压为P + dP。根据质量和动量衡算，導出多孔管内Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面间流动的修正动量方程：

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