大型塔板气液分散床层共振特性及安全设计的研究

蒸馏塔大型化和安全生产是当今我国重大需求。板式塔共振操作是蒸馏塔大型化重要的安全隐患，开展大型塔板共振特性的研究，避免共振现象的发生，实现安全设计和操作具有十分重要的意义。. 塔板上的共振操作属于气液浅床层操作的范畴，目前公开的小规模的研究文献不足20篇，尚未形成系统的理论体系。本项目拟在实验室近27年的研究和应用积累基础上，以全球最大6400X800mm2 冷模塔为试验平台，系统地考察大型浮阀塔板的共振特性，涉及：考察共振发生区域、水力学特征及其频率、振幅特征，建立相应的物理模型，从而填补气液浅床层共振操作的化学工程空白。一方面直接指导蒸馏塔大型化安全设计，另一方面，依据气液浅床层共振操作具有气液分布均匀、液层有序振动的特点，探索高液气比体系反应、分离强化和设备大型化的新途径。

大型浮阀塔板的共振现象是板式塔操作的重大安全隐患，一般发生在气相负荷较低和塔开、停车阶段，易引起塔板损坏、塔体焊缝开裂、以及分离失效和爆炸着火等安全事故。本项目从基础和工程两方面开展的相关研究具有十分重要的意义。. 建立了试验设备和多点压力测试系统。采用多点压力测试系统结合傅立叶变换，可准确地、有效地进行大型浮阀塔板频谱特性的研究。在宽广的塔板结构和气液负荷范围内，详细测量了共振发生的区域，建立了系统的试验数据库。. 观测了浮阀塔板的液噻点与共振消失点。结果表明：大型浮阀塔板共振消失点与堰上溢流点两者并不一致，共振发生也并非是塔板完全泄漏。在高开孔率/小液流强度条件下，浮阀塔板的泄漏量接近100％，但在小开孔率/高液流强度下，在泄漏量~15％时共振现象依然发生，已十分接近我国浮阀塔板的设计下限。鉴于塔板上液层是跳跃性流动的，该共振机理定名为袋鼠跳跃机理。. 提出了大型浮阀塔板共振区域关联图。关联了共振消失点，最小起振液层高度等，提出了共振发生区域图的新概念。可用于指导精馏塔安全设计。. 进行了共振条件下塔板水力学模型化的研究。开发了最全面、精度最高的普适性干板压降理论模型。开发了考虑共振过程间歇泄漏特性的浮阀塔板泄漏模型，具有较高的预测精度，误差在20％之内；以塔板上任一位置压降相等的准则，开发了以持液分布推算浮阀塔板气体分布的方法，解决了大型塔板气速分布测量的难题。 .基于准数分析和理论分析，开发了高精度共振频率预测关联，具有优良的外推性，可用于准确预测大型浮阀塔板的共振现象，为实现安全设计奠定坚实的基础。.初步建立了共振振幅理论模型，在预测初始阶段共振的振幅较为合理，但后期出现了相反的预测趋势，深入的模型目前仍在开发中。.初步进行了试验塔板的无约束DASP平台动态试验测试，并与ANSYS软件的预测固有频率进行了对比。随后进行了有约束无载荷的ANSYS塔板固有频率的预测，结果表明：随着塔板堰高和开孔率的增加，塔板的固有频率都是增加的。为了考察有载荷塔板的固有频率，推导了浮阀升起加速度预测的理论模型，计算浮阀对塔板的冲击载荷，为实现工业精馏塔固有频率的ANSYS预测奠定基础。.提出了塔板安全设计若干考虑，为实现工业精馏塔安全设计奠定理论基础。最后分析了应用塔板共振特性替代鼓泡反应器，实现高液气比化学工程强化的可行性。