CN102068946B - 一种内环绕壁填料塔的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内环绕壁填料塔的设计方法，包括填料塔协同夹点原理设计过程、满足协同夹点的内环绕壁的填料塔设计。该协同夹点理论主要定义了质量余量(SAM)和能量余量(SAE)，用以量化塔设备集成程度。提出的塔设备协同夹点原则为：质量余量和能量余量越小，集成程度越高。质量余量和能量余量均为零时达到协同夹点。通过协同夹点原理，构造了配有内环绕壁内件的填料塔，降低了径向差异，削弱了流体壁流效应，促使内环绕壁填料塔的质量余量和能量余量大幅降低，接近协同夹点。本发明综合了场协同和质量交换理论的优点，将两种集成理论统一为协同夹点理论，适合实现塔设备高效、节能分析，可用于指导塔设备的优化设计。
Description
技术领域
本发明属于气液两相反应、场协同、质量交换、传热、反应设备领域，特别涉及一种能够实现塔设备优化操作和运行，指导塔设备结构设计与优化的基于协同夹点原理的内环绕壁填料塔的设计方法。
背景技术
近年来工业的加速发展对能源和环境提出了双重需求。塔系统是工业系统中非常重要的过程之一，其传质和传热效率直接影响工业系统的性能。开展从集成角度对塔系统的高效节能技术的基础与应用研究，对于有效控制塔系统的能量消耗，提高分离效率，促进可持续发展，具有重大战略意义。针对塔设备的集成研究是实现高效节能的有效方法之一。当前，广泛应用的填料塔分离能耗巨大，同时塔设备尺寸较大，造成塔系统成本较大。目前，降低塔系统成本的主要方法来源于过程集成理论：场协同方法和质量交换理论。然而，这两种方法在塔设备内流场相互作用影响分析和塔设备结构设计方面应用甚少。因此，围绕塔系统中关键设备塔，研究高效塔的强化技术与方法，对于实现塔系统的高效减排，具有重大现实意义。目前所开发的塔系统的集成理论及其结构主要有如下几类：
(1)填料塔多场协同分析：此类多场协同分析关联了传热、传质和化学反应过程，基于两相流模型提出了判断填料塔多场协同的协同数，根据协同数可以有效确定填料塔操作条件和筛选填料，实现较高的分离效率。(Yu YS，Li Y，Lu HF，Yah LW，Zhang ZX，Wang GX，Rudolph V.Multi-field synergy study of CO2 capture process by chemicalabsorption.Chemical Engineering Science，2010，65(10)，3279-3292.)。它具有统一、高效等优点。缺点是对于再生能耗影响考虑较少，没有探讨其在再生塔中的应用情况，前期设计成本较高(需要开展一定的数值验证)，增加了净化系统成本。
(2)内置降液管的塔系统：该塔系统中锥形降液管可以降低塔中的扰动，增加气体处理量，从而提高气体操作速度。(Bruce AER，SaiPST，Krishnaiah K.Liquid holdup in turbulent bed contactor.ChemicalEngineering Journal，2004，99(3)，203-212.)。缺点是安装和测量时都需要专门设计独立的系统，成本较高。
(3)布置静态混和器(筛板型静态混合器)的塔：该类型结构可以在较高能量效率的情况下产生液体间的扩散，具有机械稳定性，高的接触面积，低维修成本。(Taweel AM，Yan J，Azizi F，Odedra D，GomaaHG.Using in-line static mixers to intensify gas-liquid mass transferprocesses.Chemical Engineering Science，2005，60(22)，6378-6390.)。缺点是结构复杂，占用塔内空间大，扩展性不够。
(4)挡板型填料塔：此类填料塔中安装有新型设计的沿塔高方向间隔布置的挡板，气液两相分离时，挡板可以增大气体径向速度，降低气体轴向速度，增加填料塔的操作弹性。(YuanYH，Han MH，ChengY，Wang DZ，Jin Y.Experimental and CFD analysis of two-phasecross/countercurrent flow in the packed column with a novel internal.Chemical Engineering Science，2005，60(22)6210-6216.)。缺点是所需的挡板数量较多，结构较为复杂，成本较高，存在成本与效率之间的优化间题。
(5)隔板型混合反应塔器：此类反应塔器内部设置有多块垂直于横向设计反应器的隔板，隔板提高了传质混合效率，减小了径向差异。(Doble M.Green reactors.Chemical Engineering Progress，2008，104(8)：33-42.)。缺点是返混降低了反应速率。
综上所述，由于各种缺陷，现有的塔设备在结构设计、节能等方面还有很大的开发空间，还不能有效实现节能、低成本等目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于场协同和质量交换理论的优点，结合塔系统中塔设备的过程强化目标，具有结构简单、分离效率高、节能等优势的内环绕壁填料塔的设计方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1)首先设内环绕壁填料塔内环的厚度为d，高度为L，内环的外径为D，填料高度为H；
2)根据步骤1中填料塔、内环数据以及气液进出口流量、温度和浓度，确定场协同模拟对象和模拟区域，基于内环绕壁填料塔多场协同原理通过两相流模拟，获得溶质及溶剂的速度、溶质及溶剂的体积分数梯度、溶质单位体积质量流量、分离溶质能耗、分离溶质体积分数梯度以及分离溶剂温度梯度；
3)根据步骤2中获得的溶质速度和溶质体积分数梯度，求得溶质速度与溶质体积分数梯度之间的协同角，该协同角的余弦值(cosθ)为内环绕壁填料塔的质量源的纵坐标，其按照从大到小顺序排列，横坐标为溶质单位体积质量流量(Ni，j)；
由步骤2中的溶剂速度与溶剂体积分数梯度，计算获得溶剂速度与溶剂体积分数梯度之间的协同角，该协同角的余弦值(cosθ)构成内环绕壁填料塔质量阱纵坐标，其按照从大到小顺序排列，横坐标同样为溶质单位体积质量流量(Ni，j)；
质量余量(SAM)由质量源、质量阱曲线和坐标围成的面积构成，如果面积大于零，则在质量剩余图上沿着横坐标正方向画出以面积大小相等的水平直线段；反之，则沿着横坐标负方向画出与面积大小相等的水平直线段，最后，将各条直线段连接而成；
内环绕壁填料塔能量源纵坐标为基于步骤2中溶质速度与分离溶质体积分数梯度求得的协同角的余弦值(cosθ)，按照从大到小顺序排列，横坐标为分离溶质能耗(Qi，j)；
内环绕壁填料塔能量阱纵坐标为根据步骤2中溶剂速度与分离溶剂温度梯度求得的协同角的余弦值(cosθ)，按照从大到小顺序排列，横坐标同样为分离溶质能耗(Qi，j)；
能量余量(SAE)由能量源、能量阱曲线以及横、纵坐标围成的面积构成，如果面积大于零，则在能量剩余图上沿着横坐标正方向画出以面积大小相等的水平直线段；反之，则沿着横坐标负方向画出与面积大小相等的水平直线段，最后，将各条直线段连接而成；
4)根据质量源和质量阱图、能量源和能量阱图、质量剩余图以及能量剩余图优化内环绕壁填料塔，如果质量余量(SAM)和能量余量(SAE)较大，一方面采用增大内环厚度d或者增大内环高度L来减小SAM和SAE；另一方面采用减小内环外径D或者填料高度H获得较小的SAM和SAE。
本发明基于场协同和质量交换理论的优点，结合塔系统中塔设备的过程强化目标，提出了协同夹点理论判断塔设备集成程度的质量余量(SAM)和能量余量(SAE)标准，根据质量余量和能量余量判断塔设备集成程度。协同夹点的原则是质量余量和能量余量越小，填料塔中分离过程越高效、越节能。达到协同夹点时，质量余量和能量余量均等于零。设计内环绕壁新型塔设备的结构，降低流体流动的径向差异，削弱壁流效应。根据协同夹点原理判断内环绕壁的塔设备结构设计合理，因为质量余量和能量余量有大幅度降低。
附图说明
图1是本发明系统协同夹点理论的原理图，其中图1(I)为塔设备质量源和质量阱图；图1(II)为塔设备质量剩余图；图1(III)为塔设备能量源和能量阱图，图1(IV)为塔设备能量剩余图；
图2是内环绕壁的填料塔的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
1)首先设内环绕壁填料塔内环的厚度为d，高度为L，内环的外径为D，填料高度为H；
2)根据步骤1中填料塔、内环数据以及气液进出口流量、温度和浓度，确定场协同模拟对象和模拟区域，基于内环绕壁填料塔多场协同原理通过两相流模拟，获得溶质及溶剂的速度、溶质及溶剂的体积分数梯度、溶质单位体积质量流量、分离溶质能耗、分离溶质体积分数梯度以及分离溶剂温度梯度；
3)参见图1(I)根据步骤2中获得的溶质速度和溶质体积分数梯度，求得溶质速度与溶质体积分数梯度之间的协同角，该协同角的余弦值(cosθ)为内环绕壁填料塔的质量源的纵坐标，其按照从大到小顺序排列，横坐标为溶质单位体积质量流量(Ni，j)；
由步骤2中的溶剂速度与溶剂体积分数梯度，计算获得溶剂速度与溶剂体积分数梯度之间的协同角，该协同角的余弦值(cosθ)构成内环绕壁填料塔质量阱纵坐标，其按照从大到小顺序排列，横坐标同样为溶质单位体积质量流量(Ni，j)；
参见图1(II)，质量余量(SAM)由质量源、质量阱曲线和坐标围成的面积构成，如果面积大于零，则在质量剩余图上沿着横坐标正方向画出以面积大小相等的水平直线段；反之，则沿着横坐标负方向画出与面积大小相等的水平直线段，最后，将各条直线段连接而成；
参见图1(III)内环绕壁填料塔能量源纵坐标为基于步骤2中溶质速度与分离溶质体积分数梯度求得的协同角的余弦值(cosθ)，按照从大到小顺序排列，横坐标为分离溶质能耗(Qi，j)；
内环绕壁填料塔能量阱纵坐标为根据步骤2中溶剂速度与分离溶剂温度梯度求得的协同角的余弦值(cosθ)，按照从大到小顺序排列，横坐标同样为分离溶质能耗(Qi，j)；
参见图1(IV)能量余量(SAE)由能量源、能量阱曲线以及横、纵坐标围成的面积构成，如果面积大于零，则在能量剩余图上沿着横坐标正方向画出以面积大小相等的水平直线段；反之，则沿着横坐标负方向画出与面积大小相等的水平直线段，最后，将各条直线段连接而成；
4)根据质量源和质量阱图、能量源和能量阱图、质量剩余图以及能量剩余图优化内环绕壁填料塔，如果质量余量(SAM)和能量余量(SAE)较大，一方面采用增大内环厚度d或者增大内环高度L来减小SAM和SAE；另一方面采用减小内环外径D或者填料高度H获得较小的SAM和SAE。
根据上述协同夹点理论设计的内环绕壁的填料塔如图2所示。内环是以d为厚度，L为高度的与塔材质一致的三段相同内件构成。离塔顶最近的一段内环距离塔顶H1，三段内件之间的距离相等，均为H2。此种结构满足协同夹点原则，可以增大气体轴向速度，同时削弱液体壁流效应，发挥传热和传质强化的作用。
附录计算实例：
采用图1中协同夹点理论，分别计算光滑内壁填料塔和图2中所示内环绕壁的填料塔，用来完成某化学吸收法捕集二氧化碳再生塔性能分析。再生塔的直径为0.1m，装填的Sulzer Mellapak 250Y填料高度为3.89m。内环绕壁内件参数分别为H1＝1m，H2＝1.93m，d＝0.01m，L＝0.31m。计算结果为光滑内壁再生塔的质量余量为1.3×104kg/m3/s和能量余量为2.30×106kW/m3；内环绕壁再生塔的碳余量为120kg/m3/s，能量余量为7×104kW/m3。三段内环绕壁再生塔质量余量和能量余量大幅度降低。同时，内环绕壁再生塔与光滑内壁再生塔相比，再生二氧化碳的能耗降低14％左右，但是再生二氧化碳量仅降低0.7％左右。
本发明基于场协同原理与质量交换理论，提出了适用于填料塔的协同夹点原理，建立了以质量余量(SAM)和能量余量(SAE)为指标的协同夹点判断标准。通过协同夹点原理，构造了配有内环绕壁内件的填料塔，以期降低径向差异，削弱壁流效应，促使内环绕壁的填料塔的质量余量和能量余量大幅降低，接近协同夹点。填料塔采用内环绕壁设计，其结构是在常规光滑内壁填料塔中间隔配置多段内环结构。内环绕壁填料塔可以降低塔中流体流动的径向差异，削弱壁流效应，强化分离系统传质、传热。
Claims (1)
1.一种内环绕壁填料塔的设计方法，其特征在于：
1)首先设内环绕壁填料塔内环的厚度为d，高度为L，内环的外径为D，填料高度为H；
2)根据步骤1中填料塔、内环数据以及气液进出口流量、温度和浓度，确定场协同模拟对象和模拟区域，基于内环绕壁填料塔多场协同原理通过两相流模拟，获得溶质及溶剂的速度、溶质及溶剂的体积分数梯度、溶质单位体积质量流量、分离溶质能耗、分离溶质体积分数梯度以及分离溶剂温度梯度；
3)根据步骤2中获得的溶质速度和溶质体积分数梯度，求得溶质速度与溶质体积分数梯度之间的协同角，该协同角的余弦值(cosθ)为内环绕壁填料塔的质量源的纵坐标，其按照从大到小顺序排列，横坐标为溶质单位体积质量流量(Ni，j)；
由步骤2中的溶剂速度与溶剂体积分数梯度，计算获得溶剂速度与溶剂体积分数梯度之间的协同角，该协同角的余弦值(cosθ)构成内环绕壁填料塔质量阱纵坐标，其按照从大到小顺序排列，横坐标同样为溶质单位体积质量流量(Ni，j)；
质量余量(SAM)由质量源、质量阱曲线和坐标围成的面积构成，如果面积大于零，则在质量剩余图上沿着横坐标正方向画出以面积大小相等的水平直线段；反之，则沿着横坐标负方向画出与面积大小相等的水平直线段，最后，将各条直线段连接而成；
内环绕壁填料塔能量源纵坐标为基于步骤2中溶质速度与分离溶质体积分数梯度求得的协同角的余弦值(cosθ)，按照从大到小顺序排列，横坐标为分离溶质能耗(Qi，j)；
内环绕壁填料塔能量阱纵坐标为根据步骤2中溶剂速度与分离溶剂温度梯度求得的协同角的余弦值(cosθ)，按照从大到小顺序排列，横坐标同样为分离溶质能耗(Qi，j)；
能量余量(SAE)由能量源、能量阱曲线以及横、纵坐标围成的面积构成，如果面积大于零，则在能量剩余图上沿着横坐标正方向画出以面积大小相等的水平直线段；反之，则沿着横坐标负方向画出与面积大小相等的水平直线段，最后，将各条直线段连接而成；
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121128 |