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高效复合塔板流体力学和传质性能研究的开题报告
一、研究背景及意义
随着化工工艺的不断发展，复合塔板装置在气相吸收、萃取、蒸馏等工业过程中被广泛应用，而复合塔板的性能直接影响了整个装置的效率和产品质量。
因此，研究
复合塔板的流体力学和传质性能，对于推进化工工艺的发展和提高工业生产效率具有
重要意义。
二、研究内容和思路
本研究旨在通过数值模拟的方法，探究复合塔板内部流态及其对传质性能的影响规律，并寻求促进复合塔板传质强化的方法。
1、复合塔板内部流态数值模拟
首先，选取具有一定代表性的复合塔板结构，建立数值模型。
采用CFD（计算流体力学）计算，对塔板区内的气、液两相流体的运动特性进行模拟，并结合实验数据
进行模型验证。
2、复合塔板传质性能数值模拟
在模拟塔板流态的基础上，进一步计算复合塔板中气、液两相流体的传质特性，并分析影响传质性能的相关因素。
同时，结合实验数据进行模型验证。
3、复合塔板传质强化技术的研究
基于前两个阶段的数值模拟研究结果，对复合塔板传质强化技术进行探索，包括空气增压、添加助剂等方法。
三、研究预期成果
本研究期待通过数值模拟，深入挖掘复合塔板内部气液流体运动规律和传质特性，并寻找促进传质强化的方法，为工业生产提升效率和产品质量奠定基础。
同时，研究
成果也将为复合塔板设计和优化提供重要参考。
2018年国家技术发明奖提名公示内容主要知识产权证明目录完成人合作关系说明1. 2003年6月–2016年1月，田原宇、乔英云合作相继开展NS并流复合塔板、NS穿流复合塔板及高效抗堵塞脱过热段专用塔板、系列专用液体分布器、开孔率大于50%的低压降液体收集器等配套塔内件的研发，同时通过将复合塔板与工艺结合，进行了基于清晰切割的节能型常减压深拔新技术、混合碳四反应精馏制仲丁醇、炼厂干气塔式悬浮床络合回收乙烯等系列高效节能降耗新反应分离工艺的研究和推广应用，佐证材料为专利、论文、专著、鉴定和获奖，见附件 1.1.1、1.1.2、1.1.3、2.1.1、2.1.3、2.1.5、2.1.11、2.1.15、2.1.16、2.2.1、2.2.2、2.2.6-2.2.8、2.3.1、2.3.4、2.3.5、2.3.7-2.3.10。
2. 1995年6月–2016年1月，田原宇和刘艳升提出了多因素调控的塔板设计方法和原则，进行了NS高效提馏段专用塔板、NS并流复合塔板和NS穿流复合塔板的研发或推广应用，佐证材料为鉴定和论文，见附件2.1.5、2.3.10。
3. 2006年9月–2016年12月，谢克昌、田原宇和乔英云共同完成973计划课题，开展NS并流复合塔板和NS穿流复合塔板的研究和推广应用工作，并提出了"塔板和规整填料两体系高效耦合方法"、"纳微尺度气液表面更新传质模型"和"气液相界面传质调控强化方法"3个核心理论，佐证材料见论文、获奖和鉴定，见附件2.3.4、2.3.5、2.1.11、2.1.1、2.1.2。
4. 1996年3月--2016年1月，田原宇、梁治国合作相继开展NS高效提馏段专用塔板、高效抗堵塞脱过热段专用塔板、塔板入口液体可控分布的新型导向降液管、系列专用液体分布器、开孔率大于50%的低压降液体收集器等配套塔内件，同时通过工艺设备一体化研发了基于清晰切割的节能型常减压深拔新技术，并进行了推广应用，佐证材料为论文、获奖和鉴定，见附件2.1.5、2.1.11、2.3.11。
复合塔板――新一代超高效塔板中国发明专利号：ZL91 1 03326.2工业上广泛应用的分离设备主要有两大类：板式塔和填料塔。
在石化、化工、化肥、轻工、制药等工业系统中板式塔要比填料塔用得多，尤其在有侧线进出料和处理易堵物料时，板式塔有明显优势。
但目前填料塔的应用呈上升趋势，有些板式塔被填料塔所替代。
其原因主要有两条：一是填料塔的压降比板式塔低得多；二是在中低压下运行的填料塔传质效率比较高，特别在规整填料发展以后，应用填料塔似乎形成了一股潮流。
为了充分发挥板式塔和填料塔的各自优点，我们经十几年来对塔板和填料复合技术的研究，成功开发出了新一代型超高效塔板――复合塔板。
一、对板式塔和填料塔传质的剖析1.1 板式塔的传质效率一般气液错流型塔板，两塔板之间可分为两个区，板上是鼓泡区，为气液接触的有效空间；在其上面是气相空间，或称它为气液分离区，这一区域对传质贡献甚微。
现假设鼓泡层高为150mm，板效为75%。
则鼓泡层的等板高度HETP为200mm，也就是每米有5块理论板，可见鼓泡层的传质效率是相当高的，至少与高效板波填料相当。
然而气相空间对传质贡献很小，如果板间距为450mm，气相区高度为300mm，这就使板式塔的HETP大大上升，450mm的高度只有0.75块理论板，即每米为1.7块理论板，大约相当于50鲍尔环的传质效率。
所以若能将此空间加以利用，同时保留鼓泡层的高效区，则板式塔的传质效率将会大幅度提高，复合塔板的构思由此而来。
1.2填料塔的传质效率填料塔的传质效率高低，很大部分在于气液分布是否良好。
对于一般的填料层，液流分布是关键，分布不好会严重影响传质效率，同时液体分布不均还会使气体分布恶化。
液体分布均匀与否与初始分布有很大关系，但即使在良好的初始分布条件下，液体通过填料层还将重新分布，其中壁流是一个严重的问题。
有关这方面的研究文章不少，我们也对颗粒填料和规整填料做过试验，都表明壁流相当可观。
颗粒填料可高达40%左右，规整填料壁流量也可达10%以上。
DJ TM系列塔板——新一代大通量高效塔板中国发明专利号：ZL97 1 03868.6，ZL97 1 03869.4美国发明专利号：6,299,146 B1 6,345,811 B11 前言六十年代，美国联合碳化物公司（UCC）开发了悬挂式多根矩形降液管的MD塔板。
由于它具有高通量低压降的独特优点，很快在工业上获得了广泛的应用。
以MD塔板代换一般筛板或浮阀，可满足大幅度扩产和节能的要求。
从1973年开始，我们化了近十年时间，对矩形降液管的流体力学和传质性能作了较为全面的研究，探索了具有矩形降液管塔板的设计方法。
同时，针对MD塔板在液流分布和传质效率方面的不足，作了较为深入的考察和改进。
我们认为，MD塔板存在以下三个问题：一是降液管的宽度问题。
Billet发表的资料中以21.6 m3/m·h作为MD塔板堰上溢流强度的上限，降液管宽度一般不超过150mm。
对于高液气比的吸收操作，不突破这一限制，不相应加宽降液管，降液管的根数将会过多，从而带来液体流场和结构上的不合理，容易导致降液管堵塞而提前液泛。
二是塔板效率问题。
对于MD塔板的效率，各家评价不一。
Huber曾指出，大型MD塔板能提供较好的活塞流，因而应有较高的塔板效率。
实际上，MD塔板上的液流分布并不均匀，因而影响了塔板效率。
三是冲击漏液问题。
因MD塔板在受液区仍然开孔，在大液量操作下受液区存在着明显的冲击漏液，这种冲击漏液造成了液相在塔板间的短路，降低了塔板效率。
为此，我们着重在改善塔板气液两相流和优化结构提高效率等方面作了一系列研究工作。
2 研究开发DJ塔板继承了MD塔板降液管的特色，并在结构型式、通量和效率等方面有所创新、有所突破，形成了具有我国自主知识产权特色的新型塔板系列，其特征结构特点如图1所示。
2.1 DJ-1型塔板图1DJ系列塔板结构示意图DJ-1型塔板是为了适应特大液气比的吸收操作而开发的。
主要结构特点是采用宽型降液管，对降液管的根数和排列作改进和优化。
大通量高效DJ系列塔板研究、开发和工业应用Research Development & Applications of DJ Traywith High Capacity and High efficiency浙江工业大学赛普科技企业集团浙江工业大学化学工程设计研究所SEP Engineering Corporation ,China2013.8目录Content一、多降液管塔板的开发背景Development and Research of Multi-Downcomer Tray二、DJ TM-2型塔板的研究和应用Research and Applications of DJ TM-2 Tray三、DJ TM-3型塔板的研究和应用Research and Applications of DJ TM-3 Tray四、DJ TM-5型塔板的研究和应用Research and Applications of DJ TM-5 Tray五、DJ TM-6型塔板的研究开发Development and Research of DJ TM-X Tray多降液管塔板的开发背景Development and Research of Multi-DowncomerTray l 更大的液体通量Larger Liquid Capacity l 更大的鼓泡面积More Bubble Area l 较小的塔板压降Lower Tray Drop l 较低的塔板效率Lower Tray Efficiency 弓形降液管塔板Tray with segmental downcomer 矩形悬挂降液管塔板多降液管塔板的开发背景Development and Research of Multi-DowncomerTray弓形降液管塔板Tray with segmental downcomer矩形悬挂降液管塔板l 更大的液体通量Larger Liquid Capacityl 更大的鼓泡面积More Bubble Areal 较小的塔板压降Lower Tray Drop l 较低的塔板效率Lower Tray Efficiency多降液管塔板的开发背景Development and Research of Multi-Downcomer Trayl 更大的液体通量Larger Liquid Capacityl 更大的鼓泡面积More Bubble Areal 较小的塔板压降Lower Tray Dropl 较低的塔板效率Lower Tray Efficiency多降液管塔板的开发背景Development and Research of Multi-Downcomer Trayl 更大的液体通量Larger Liquid Capacityl 更大的鼓泡面积More Bubble Areal 较小的塔板压降Lower Tray Dropl 较低的塔板效率Lower Tray EfficiencyTray with suspendedrectangular downcomerTray with segmental downcomer多降液管塔板的开发背景Development and Research of Multi-Downcomer Trayl 更大的液体通量Larger Liquid Capacityl 更大的鼓泡面积More Bubble Areal 较小的塔板压降Lower Tray Dropl 较低的塔板效率Lower Tray EfficiencyDJ TM-1型宽型矩形悬挂降液管塔板Development and Research of DJ TM -1TrayDJ TM -1 tray (Ø2800)l 更大的液体通量Larger Liquid Capacityl 更大的鼓泡面积More Bubble Area l 较小的塔板压降Lower Pressure Drop l 较低的塔板效率Lower Tray Efficiency l 简单的塔板结构Simpler Structure研究和应用Research and Applications of DJ TM -2 Tray DJ TM -2 trayDJ TM-2 trayDJ系列塔板导流板的作用Effect of Directing baffle on DJ TrayDJ 系列塔板导流板的作用Effect of Directing baffle on DJ TrayA. without directing baffle areaB. withdirecting baffle塔板上的平均停留时间分布曲线RTD of Liquid on Tray Deckarea导流塔板研究和应用Research and Applications of DJ TM -3 Tray Structure Diagram of DJ-3 traytray deck packingdowncomerwall downcomerwall tray deck填料对DJ-3型塔板性能的作用The effect of Packing on Performance of DJ-3 tray Ø气体负荷高，复合填料阻挡雾沫夹带When the vapor load is high, packing can reduceentrainmentØ气体负荷低，利用倾向性漏液传质When the vapor load is low, non-uniform weeping cantransfer mass with vapor in the packingØ气体负荷中等，利用随机性漏液传质When the vapor load is moderate, uniform weeping can transfer mass with vapor in the packingØ塔板和填料互为气体和液体分布器Packing acts as vapor distributor for tray deck, while tray deck acts as liquid distributor for packingPrinciple of DJ-3 tray筛孔型塔板随机漏液试验Uniform Weeping Phenomena on Perforated Tray导流塔板研究和应用Research and Applications of DJ TM-3 Tray导流塔板研究和应用Research and Applications of DJ TM-3Trayl更大的液体和气体通量DJ-3 tray (Ø2000)大型DJ-3 tray (Ø6800)导流塔板研究和应用Research and Applications of DJ TM -3TrayF m/s(kg/m 3)0.5Overall Plate Efficiency of DJ-3 TrayE T %）l 更大的液体和气体通量2040608010000.51 1.52 2.53F m/s(kg/m 3)0.5Overall Plate Efficiency of DJ-3 TrayE T （%）2040608010000.51 1.52 2.53Research and Applications of DJ TM-5TraylResearch and Applications of DJ TM-5Trayl更大的液体和气体通量Larger Liquid and Vapor Capacityl更高的塔板效率Higher Tray Efficiencyl较大的操作弹性Wider Turndownl较小的投资费用Lower Costl很好的抗堵性能Research and Applications of DJ TM-5TraylStructure diagram of DJ-5传统固定阀塔板的气液接触图DJ TM -5型塔板的气液接触图Vapor/Liquid Contact on Vapor/Liquid Contact on Coventional Fixed Valve Tray DJ TM -5 Tray with Fixed ValveResearch and Applications of DJ TM -6Tray液流方向导向孔齿边阀腿DJ-6型--齿边导向浮阀塔板研究和应用Research and Applications of DJ TM-6弓形降液管矩形悬挂式降液管Arch downcomer Rectangular downcomer抗堵性能比较DJ 系列塔板的抗堵性能Development and Research of Anti-Dumping Unit诱导式防冲击漏液装置原理示意图Principle Diagram of Anti-Dumping UnitDJ TM系列塔板防冲击漏液的开发Development and Research of Anti-Dumping Unit诱导式防冲击漏液装置对比试验Experiment of trays with anit-dumping Unit compared with experiment of trays without anit-dumping UnitTray without anti-dumping unitTray with anti-dumping unitimprovedF m/s(kg/m3)1/2冲击漏液流量与F因子的关系曲线Dumping vs. F factor冲击漏液量m3/m2hF m/s(kg/m3)1/2全塔效率与F因子的关系曲线全塔效率％102030405060708000.51 1.52 2.51234567800.51 1.52 2.53Development and Research of Anti-Dumping UnitDJ 系列型塔板的工业应用Applications of DJ TM TrayDJ TM 系列塔板已成功应用！Success in applicationsThanks!复合塔板的研究和工业应用Research and Applications of CompoundTray TMMuch high Tray Efficiency复合塔板的操作状态示意图Sketch Diagram of Compound Tray in Operation1—dual-flow tray ；2—structure packing ；3—鼓泡区；4—淋降区；5—液膜区弓形降液管塔板Tray with segmental downcomer弓形降液管塔板Tray with segmental downcomer。
