[发明专利]一种内环绕壁填料塔的设计方法

说明书

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，Yan 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问题。

(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：