【導(dǎo)讀】板式精餾塔工藝說明。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，本次設(shè)計(jì)的化工設(shè)備針對的工藝是連續(xù)精餾，塔頂設(shè)冷凝。精餾物料是甲酚-水的液相混合物，根據(jù)所給密度是，知物料含甲酚5%。由于甲酚是珍貴化工原料所以須盡可能全部精餾出來，故設(shè)。釜液中甲酚的回收率為，餾液中甲酚含量不高于。物料送入精餾塔經(jīng)。過氣液傳質(zhì)、傳熱后，塔底采出液的一部分作為產(chǎn)品回收，另一部分經(jīng)再沸器回。到精餾塔內(nèi)，塔頂蒸汽一部分經(jīng)冷凝器回流進(jìn)入精餾塔參與氣液傳質(zhì)，一部分作。表6—液體汽化熱。進(jìn)行總物料衡算：。浮閥塔板層數(shù)的確定。一般情況綜合考慮塔效率與收益，取回流比。③確定精餾段和提餾段的氣液相摩爾流量為。精餾段的操作線方程可以表示為：。該計(jì)算方法是根據(jù)老式工業(yè)塔及試驗(yàn)塔數(shù)據(jù)做出的關(guān)聯(lián)，因此對于目前的浮。②確定塔頂、進(jìn)料口、塔釜的壓力為：。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書板間距，板上液層高度，塔形為等。為防止堵塞和因安裝偏差而使液流不暢造成液泛，降液管底隙高度不易小于

　　

【正文】 區(qū)域控制體積 通過采用與上述圓形塔相同的方法，干空氣的質(zhì)量平衡給出了： 其它控制方程與軸對稱冷卻塔的環(huán)形控制方程類似，其中唯一的區(qū)別是徑向坐標(biāo)r被笛卡爾坐標(biāo) x代替，因此方程（ 6）成為： 并且式（ 11）保持不變， 方程（ 17）成為 : 方程（ 18）寫成如下 : 現(xiàn)在假定空氣是過飽和的，干空氣質(zhì)量平衡給出了相同的方程為式（ 27），但水的質(zhì)量平衡產(chǎn)生： 方程（ 29）成為 : 方程（ 30）成為 : 方程（ 31）寫成 : 4 橫 逆流填料默克爾 數(shù) 要解出上述圓形和方形濕式冷卻塔控制方程，唯一剩下未知的是填料傳輸特性或默克爾數(shù)，定義為： 默克爾數(shù)從填料測試裝置測定的填料性能測試數(shù)據(jù)中獲得，并且通常用和 表達(dá)的方程表示。由于實(shí)際和經(jīng)濟(jì)的原因，這些測試只有在完全的逆流和橫流組合下進(jìn)行，其中對于一個特定的填料，逆流默克爾數(shù)不同于相應(yīng)的橫流默克爾數(shù)。這些差異主要是由于沿空氣流動路徑的填料幾何形狀的變化，以及由于液滴附加豎向阻力造成的水較長時(shí)間停留在逆流狀態(tài)，這是受到了在點(diǎn)滴式填料中增加界面表面區(qū)域的影響。然而，一般認(rèn)為橫流和逆流默克爾數(shù)之間的差異，對于點(diǎn)滴式填料是相對較小的。 因此為了找到一個合適的斜氣流下的填料默克爾數(shù)，建議采用基于氣流絕對速度的橫流和逆流默克爾數(shù)之間的插值，使用下面的公式： 這里的氣流角 ，是相對水平線的角度。 5 解偏微分方程系統(tǒng) 上述微分方程，是通過用 MathCAD 工程計(jì)算軟件編程的計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值求解的，最終通過采用 UDF 程序的一個歐拉 FLUENT 模型來計(jì)算傳熱傳質(zhì)。對于這 些模型，要考慮圖 5 顯示的一個橫 逆流填料的計(jì)算網(wǎng)格（它被均分成三段或是對于例證顯示的在垂直和水平方向上的組成單元）。 圖 5對于橫 逆流填料的 3 組成計(jì)算網(wǎng)格示意圖 對于計(jì)算模型，上述微分方程根據(jù)一階迎風(fēng)法進(jìn)行離散，并通過高斯 – 賽德爾法求解，解出在計(jì)算網(wǎng)格上分散節(jié)點(diǎn)的非獨(dú)立變量。選擇這種方法主要由于它的簡單性。 為了說明這一點(diǎn)，適用于方形冷卻塔式的（ 7），（ 29），（ 30），和（ 31），已離散。選擇這些方程，是由于它們被用于評估橫流和逆流填料性能數(shù)據(jù)以及比較FLUENT 的結(jié)果。 這里 ， ，填料長度為 和 ，在 x和 z方向各自的組成單元數(shù)為和 。 在填料空氣入口邊界，組成單元表面節(jié)點(diǎn)上，從指定或測量的數(shù)據(jù)已知空氣溫度值和空氣的相對濕度值。由于組成單元（ 1,1）將有兩個界面，所以這個組成單元的空氣溫度通過下式可以確定： 最后一排組成單元內(nèi)的空氣溫度（ 1， J），可以通過下式確定： 對于第一列組成單元（ i， 1）， 可以通過 ： 同樣地，方程（ 31）可以離散為如下式所示，去確定濕度比的組成單元中心節(jié)點(diǎn)值 w，該值分別在角組成單元（ 1,1），排在底部的組成單元（ 1， J）和第一列組成單元（ I， 1）的邊界。 如果空氣在填料一點(diǎn)是過飽和的，就必須替代上述非飽和空氣方程求解過飽和空氣控制方程。 通過采用雙精度二維穩(wěn)態(tài)分離求解器，和對于壓力 速率耦合性的簡單算法，F(xiàn)LUENT 求解了質(zhì)量、動量、能量方程、物相混合、和 k 可實(shí)現(xiàn)湍流模型（對于包括空氣和水蒸汽混合物的全局流場）的守恒方程。為了獲得最大限度的數(shù)值計(jì)算精度，對所有的控制方程采用二階離散化。通過 UDF 的方式確定水和空氣之間的傳熱和傳質(zhì)，也就是給傳輸區(qū)域的每一個組成單元分配一個參考值，并且對每一個組成單元迭代計(jì)算水溫（式（ 48））和質(zhì)量速度（式（ 49））的變化，以及空氣側(cè)能量源項(xiàng)（式（ 50））和氣相質(zhì)量源項(xiàng)（式（ 51）），每一個組成單元來自當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速，空氣溫度，和水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的數(shù)據(jù)（通過 UDF 從每個組成單元中獲取）。 上述用戶定義 的 能量和水蒸汽質(zhì)量源項(xiàng)，出現(xiàn)在能量和物質(zhì)傳輸方程中并通過 FLUENT 求解 。這些源項(xiàng)從 UDF轉(zhuǎn)入到利用用戶定義存儲單元（ UDM）和 DEFINE程序中的組成單元，就會 得到全局流場中空氣溫度和水蒸汽各相質(zhì)量分?jǐn)?shù)FLUENT 的變化。水溫和由于蒸發(fā)改變的質(zhì)量流速數(shù)據(jù)是直接從 UDF 獲得的。 6 模型驗(yàn)證程序 本文提出的計(jì)算模型和程序模型利用完全橫流和逆流填料默克爾數(shù)來預(yù)測橫 逆流填料性能。為了驗(yàn)證模型結(jié)果，需要全部三個流體裝置的填料性能特性和數(shù)據(jù)。然而由于現(xiàn)有的填料試驗(yàn)設(shè)備是為完全的逆流和 /或橫流測試設(shè)計(jì)的，合適的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是不可用的，從而需要一個可替代的方法以獲得所需的數(shù)據(jù)。路透社 [9]研究表明，通過使用單分散性的拉格朗日離散相模型， FLUENT 可以有效地預(yù)測任意給定的組合流動方 式的淋水區(qū)性能。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，分別針對逆流和橫流采用默克爾分析法和有效性 NTU法，從 FLUENT 數(shù)據(jù)得到的默克爾數(shù)，本質(zhì)上與通過使用單液滴模型獲得相應(yīng)的平均默克爾數(shù)是一樣的，單液滴模型是對液滴運(yùn)動方程和能量方程進(jìn)行數(shù)值求解。 因此，根據(jù)性能特性提出了一種方法，并且使用拉格朗日 FLUENT 模型，在已知 均勻傳熱和傳質(zhì)系數(shù)，一個矩形傳送區(qū)，和單向流的情況下 獲得數(shù)據(jù) 。這是通過采用較低的空氣速度和較大的液滴實(shí)現(xiàn)的。從單液滴位移模型觀察到，對于直徑 d＞ 5mm 液滴的水平位移是同樣有效的，因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤慕K端速度。然而為了 最大限度地提高傳熱和傳質(zhì)，液滴要小，因此液滴直徑取 d=5mm。對于單向氣流，目前的模型中氣流方向是固定的；然而，對于拉格朗日 FLUENT 模型計(jì)算，氣流速度和方向分別固定在 x 和 z 方向。為了驗(yàn)證計(jì)算模型和歐拉 FLUENT模型（ 被稱為當(dāng)前模型 ） ，其結(jié)果與來自等效拉格朗日 FLUENT 模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，使用數(shù)據(jù)是基于 Stellenbosch 大學(xué)的填料測試設(shè)備的逆流和橫流試驗(yàn)部分的尺寸，如圖 6所示。 圖 6用于比較不同模型的計(jì)算區(qū)域（所標(biāo)尺寸一毫米微單位） 需要使用下列輸入值：進(jìn)水質(zhì)量速度 ,以獲得最大的傳熱和傳質(zhì)同時(shí)還提供不飽和空氣出口條件；初始液滴速度 ；液滴相對水平線的入射角；單分散液滴直徑 ；絕對氣速 ；相對水平線的不同的氣流角（ U）；大氣壓 ；環(huán)境溫度 ；相對濕度；還有進(jìn)水溫度 。此外，使用下面的參考模型：戴爾斯 [11]關(guān)系（加速變形液滴阻力系數(shù)）； Ranz 和 Marshall[12]關(guān)系（傳熱傳質(zhì)系數(shù)）；富勒 [13]關(guān)系（擴(kuò)散系數(shù)）；和劉易斯因子關(guān)系（根據(jù) bosnjakovic[1]（式（ 12））。 基本程序驗(yàn)證了當(dāng)前模型，如下所示： ?針對一滴下落穿過空氣的液滴，測定平均逆 橫流默克爾數(shù)和橫 逆流默克爾數(shù)，并與通過方程（ 37）得到的默克爾數(shù)進(jìn)行比較。 ?這些默克爾數(shù)被應(yīng)用于當(dāng)前模型以確定水和空氣出口溫度、空氣出口濕度比的數(shù)據(jù)，并將它們進(jìn)行比較。 ?當(dāng)前模型結(jié)果與相應(yīng)的拉格朗日 FLUENT 結(jié)果進(jìn)行比較。 7 結(jié)果的比較 獲得不同的氣流角的單液滴終端液滴速度和默克爾數(shù)，范圍是從逆流到組合流（ ），表 1給出了上述輸入條件。 表 1單液滴終端下落速度和不同氣流角的默克爾數(shù) 結(jié)果與式（ 37）內(nèi)插入值比較，從中可以看出，確切值和內(nèi)插值（流體角為）之間的最大絕對偏差大概是 。對于適用于流動分離區(qū)和回流區(qū)（如在冷卻塔的入口）的外推默克爾數(shù)（氣流角為 ），可以獲得類似的結(jié)果。 正氣流角的 Me 值輸入到當(dāng)前計(jì)算模型中用來確定平均冷卻范圍，干球溫度變化，和在 x 和 z 方向上濕度比的變化，如表 2 中給出的一個 尺寸為 計(jì)算網(wǎng)格對應(yīng)的結(jié)果。 表 2使用分析單液滴默克爾數(shù)在不同流動角得到的計(jì)算模型結(jié)果 對于 網(wǎng)格的當(dāng)前歐拉 FLUENT 模型可以得到在表 3 中給出的類似結(jié)果。網(wǎng)格大小的差異歸因于二階離散化概形和更先進(jìn)的用于計(jì)算模型中相對的一階離散化 FLUENT 的 數(shù)值方法，這導(dǎo)致在 FLUENT 中使 網(wǎng)格獨(dú)立性更快地達(dá)到。 表 3使用分析單滴默克爾數(shù)用不同流動角得到的當(dāng)前歐拉 FLUENT 模型結(jié)果 在以前的研究中發(fā)現(xiàn)對于冷卻塔全局流場，尺寸為 的網(wǎng)格可以達(dá)到足夠的網(wǎng)格獨(dú)立性。為了驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性，表 4中給出了對于不同網(wǎng)格尺寸的當(dāng)前計(jì)算模型所獲得的結(jié)果，在那里可以看到，對于二維傳熱傳質(zhì)，一階離散性的網(wǎng)格尺寸必須顯著降低。 表 4氣流角為 當(dāng)前計(jì)算模型的結(jié)果 對于，表 5 給出了相應(yīng)的拉格朗日 FLUENT 結(jié)果，與當(dāng)前模型相比顯示了輕微的偏差。這些差異可以歸因?yàn)椴煌臄?shù)值方法產(chǎn)生不同的網(wǎng)格尺寸；平均默克爾數(shù)的微小差異；熱物理學(xué)性能的處理； FLUENT 模型中空氣的速度是恒定的；還有傳熱和傳質(zhì)系數(shù)之間聯(lián)系的差異。 表 5與當(dāng)前模型結(jié)果比較的 FluentDPM 數(shù)據(jù) 在圖 7中給出了橫 逆流（ ）水溫度等值線圖，空氣的干球溫度，還有濕度比，這些對于所有三個模型被認(rèn)為本質(zhì)上是相同的。 圖 7如圖 6所示范圍的氣流角為 等高線 8 結(jié)果和結(jié)論的總結(jié) 完善二維計(jì)算模型和 FLUENT 歐拉模型是為了估計(jì)橫 逆流中的填料性能或 估計(jì)使用一個新提出方程的斜氣流條件，通過對完全橫流和逆流默克爾數(shù)采用線性插值法來確定橫 逆流默克爾數(shù)。這些模式之間的比較顯示出了的微小偏差，主要是由于采用了不同的網(wǎng)格尺寸，不同的數(shù)值方法，和不同離散化方案。驗(yàn)證這些模型需要通過比較采用單液滴平均默克爾數(shù)獲得的結(jié)果和拉格朗日 FLUENT結(jié)果。 FLUENT 歐拉模型和拉格朗日模型之間的邊際差異是由于 :平均默克爾數(shù)的較小數(shù)值差異、采用不同的數(shù)值方法、熱物理性質(zhì)的不同處理、空氣速度保持在FluentDPM 常數(shù)、和在傳熱和傳質(zhì)系數(shù) 之間的關(guān)系差異。 總之，在本節(jié)建立的歐拉 FLUENT 模型提供了一種用各向同性填料阻力預(yù)測濕式冷卻塔性能的改進(jìn)方法，這使得冷卻塔性能可以得到更好的優(yōu)化。 感謝 作者要感謝來自 GEANilenca,NRFTHRIP,NRFThuthuka,ESKOMTESP， 和斯坦陵布什大學(xué)下屬委員會 B 為自然通風(fēng)濕式冷卻塔中流動模式優(yōu)化的研究項(xiàng)目提供的 資金支持。 命名 A=比表面積， =在恒定壓力下的比熱， D=擴(kuò)散系數(shù)， d=直徑， E=東部中心節(jié)點(diǎn) e=有效性；東部邊界節(jié)點(diǎn) G=質(zhì)量流速， H=傳熱系數(shù)， =傳質(zhì)系數(shù)， I=焓， =潛熱， K=導(dǎo)熱系數(shù)， L=長度， =劉易斯因子， Me=默克爾數(shù)， N=北部中心節(jié)點(diǎn) n=北部邊界節(jié)點(diǎn)；組成單元的數(shù)量 P=中心節(jié)點(diǎn) p=壓力， r=半徑， ；坐標(biāo) S=南部中心節(jié)點(diǎn) s=南部邊界節(jié)點(diǎn) T=溫度， v=速度， W=西中心結(jié)點(diǎn) w=濕度比， 水蒸氣／ 干空氣；西邊界節(jié)點(diǎn) x=坐標(biāo) z=坐標(biāo) 希臘字母 =微分 =液滴如射角，度 =密度， =相對水平線的流動角，度；相對濕度 下標(biāo) a=空氣 BC=邊界條件 Counter=逆流 Cross=橫流 d=液滴 fl=填料 i=入口；網(wǎng)格的行指標(biāo) j=網(wǎng)格列指標(biāo) m=平均 o=相對于 s=飽和的 ss=過飽和的 T=終端 v=水蒸氣 w=水 縮寫 CFD=流體動力學(xué)計(jì)算 NTU=傳熱單元數(shù) UDF=用戶自定義函數(shù) 浮閥塔的運(yùn)行故障和檢查維修 1 塔設(shè)備檢查維護(hù)的重要意義 化工設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)過程中不可避免地會出現(xiàn)損傷和故障，如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能會導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降、產(chǎn)品質(zhì)量不合格、瞬間壓力過大引發(fā)爆炸、有毒氣體泄漏、火災(zāi)等等一系列事故。因此國家標(biāo)準(zhǔn)對化工設(shè)備的設(shè)計(jì)制造有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，例如對鋼板的制造要求、對壓力容器的設(shè)計(jì)要求、對法蘭及密封裝置等標(biāo)準(zhǔn)件的選型要求、安裝要求、試車要求、操作規(guī)范要求、檢測檢查要求、維護(hù)保養(yǎng)要求等。但由于各個環(huán)節(jié)可能會出現(xiàn)的未嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的情況以及自然環(huán)境等不可控因素，設(shè)備故障在每個化工生產(chǎn)地都頻頻發(fā)生，甚至在全國范圍內(nèi)也經(jīng)常發(fā)生生產(chǎn)事故，輕則影響生產(chǎn) 效益重則對當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境產(chǎn)生破壞或危及職工甚至是當(dāng)?shù)鼐用竦娜松戆踩? 塔設(shè)備是化工生產(chǎn)中精餾、萃取、冷卻、吸收等重要工段的執(zhí)行件，特點(diǎn)是一般用于氣液傳質(zhì)、傳熱且能耗較大。塔設(shè)備有板式塔和填料塔兩類，其中板式塔在化工塔設(shè)備的發(fā)展史上出現(xiàn)的較早而且應(yīng)用廣泛。板式塔的分類是根據(jù)氣液傳質(zhì)單元的不同而劃分，泡罩塔、篩板塔都在早期得到過深入的研究和有效地利用。浮閥塔是在 19 世紀(jì) 50年代走入化工設(shè)備發(fā)展史的，與前兩者相比它具有 氣液接觸狀態(tài)良好，并且氣體延水平方向吹入液層因而霧沫夾帶較小，塔板的效率高和操作彈性大，塔板效率可 以在較寬的氣相負(fù)荷范圍內(nèi)保持一定的穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。在目前的化工生產(chǎn)中，浮閥塔也因?yàn)榫哂刑岣呱a(chǎn)能力、降低能耗的巨大空間而得到更廣泛的應(yīng)用和深入的設(shè)計(jì)研究。許多新型的浮閥被開發(fā)應(yīng)用， 組合導(dǎo)向浮閥塔板、采用 U型帶翼結(jié)構(gòu)的 SUPERV 型浮閥塔板、閥頂開孔的 ADV 微分浮閥塔板等，與傳統(tǒng)的 F1 型浮閥相比，它們在提高效率、增強(qiáng)生產(chǎn)能力、改善整體性能方面有很明顯的突破。 綜上所述，研究浮閥塔的運(yùn)行故障和檢查維修方法就十分有必要，研究方向既有作為精餾塔共通的地方，又有浮閥塔單獨(dú)的特點(diǎn)，本文會進(jìn)行全方面的綜述。 2 浮閥塔的運(yùn)行故障 及其 原因 塔設(shè)備的運(yùn)行故障可以分為兩種，一種是可以累積性的，另一種是突發(fā)性的。突發(fā)性的故障往往是由于不可控的外界因素或者無