兩種泡罩塔板的流體力學(xué)性能研究

于洪江，董 宇，楊 斌，趙桂周

（1. 西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 陜西 西安 710065； 2. 西安同大實(shí)業(yè)有限公司， 陜西 西安 710075）

兩種泡罩塔板的流體力學(xué)性能研究

于洪江1，董 宇1，楊 斌1，趙桂周2

（1. 西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 陜西 西安 710065； 2. 西安同大實(shí)業(yè)有限公司， 陜西 西安 710075）

應(yīng)用空氣-水系統(tǒng)，在1 000 mm×400 mm的有機(jī)玻璃塔中，測(cè)定不同結(jié)構(gòu)的兩種泡罩塔板的壓降、霧沫夾帶、漏液等流體力學(xué)性能，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到了計(jì)算泡罩塔板各項(xiàng)流體力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)式，為今后的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在正常操作范圍內(nèi)，Ⅱ型泡罩塔板的壓降、漏液點(diǎn)、霧沫夾帶隨板孔動(dòng)能因子（F0）增加的幅度均低于Ⅰ型，即Ⅱ型泡罩塔板的流體力學(xué)性能優(yōu)于Ⅰ型泡罩塔板。

泡罩塔板；壓降；漏液；霧沫夾帶

泡罩塔是最早獲得廣泛應(yīng)用的一種典型板式塔，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中積累了比其他塔板都要豐富的經(jīng)驗(yàn)［1］。傳統(tǒng)泡罩塔板的優(yōu)點(diǎn)是：因升氣管高出液層，不易發(fā)生漏液現(xiàn)象，液氣比范圍大，有較大的操作彈性，塔板不易堵塞，適于處理各種物料。缺點(diǎn)是：塔板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，塔板壓降高，生產(chǎn)能力及板效率較低［2］。

為了克服傳統(tǒng)泡罩塔板的缺點(diǎn)并適應(yīng)不同的工藝要求，人們對(duì)各種改進(jìn)的泡罩塔板進(jìn)行了大量的研究，發(fā)展了一些新型的泡罩塔板，如條型泡罩塔板［3］、單流式（Uniflux tray，S型塔板）泡罩塔板、旋轉(zhuǎn)泡罩塔板、傘型泡罩塔板［4］、槽式泡罩塔板［5,6］、帶溢流管泡罩、長(zhǎng)泡罩、泡罩垂直篩板［7-9］等。它們各有其特點(diǎn)，能適應(yīng)不同的生產(chǎn)需求并部分克服了傳統(tǒng)泡罩塔的缺點(diǎn)，在化工、煉油與石化等工業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展中起了積極的作用。

將現(xiàn)用的兩種泡罩塔板進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了兩種泡罩塔板的流體力學(xué)性能，對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比關(guān)聯(lián)并建立模型，為今后實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)備及方法

所用的兩種泡罩結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，圖1(a)為國(guó)標(biāo)直徑150 mm泡罩(Ⅰ型)，圖1(b)為某企業(yè)現(xiàn)用泡罩(Ⅱ型)，Ⅱ型升氣管及齒縫均高于Ⅰ型，用三根筋固定，結(jié)構(gòu)較Ⅰ型為簡(jiǎn)單。

圖1 兩種泡罩結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of two types of bubble-cap trays

試驗(yàn)在1 000 mm×400 mm規(guī)格的有機(jī)玻璃塔中進(jìn)行，板間距450 mm。降液管面積占塔截面的7.97%，塔板開(kāi)孔率11.2%，出口堰高度hw為90 mm。實(shí)驗(yàn)流程圖見(jiàn)圖2。

實(shí)驗(yàn)應(yīng)用空氣-水系統(tǒng)，在常溫常壓下進(jìn)行，由U型管壓差計(jì)測(cè)得每層塔板的壓力，分別用量筒取出漏液收集板上單位時(shí)間的漏液和霧沫夾帶收集器中單位時(shí)間的霧沫夾帶液體。測(cè)試液流強(qiáng)度Lw分別為10,20,30 m3/(h·m)時(shí)，兩種泡罩塔板的壓降、霧沫夾帶、漏液隨F0的變化關(guān)系。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2 Flow chart of experiment

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 干板壓降

兩種泡罩塔板的干板壓降與F0關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，由圖可知：兩泡罩塔板的干板壓降均隨著F0的增加而增加。Ⅰ型隨F0的增大幅度明顯大于Ⅱ型，這是由于：Ⅰ型泡罩的齒縫底部到塔板的距離與Ⅱ型相比較小，即氣體出口通道較小，阻力較大；此外，由于Ⅰ型泡罩的齒縫相對(duì)較大而邊緣間的間距較小，由齒縫噴出的氣流在此相互沖擊，加大了干板壓降。

圖3 Ⅰ型泡罩塔板與Ⅱ型泡罩塔板干板壓降的比較Fig.3 Comparison of dry pressure drop of bubble-cap trayⅠandⅡ

對(duì)干板壓降的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：

式中:PdⅠ—Ⅰ型泡罩塔板的干板壓降，Pa；

PdⅡ—Ⅱ型泡罩塔板的干板壓降，Pa。

2.2 濕板壓降

兩種泡罩塔板的濕板壓降與F0關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖4，由圖可知：兩塔板的濕板壓降均隨F0的增加而增加。Ⅰ型泡罩塔板濕板壓降高于Ⅱ型，這是由于：首先Ⅰ型的干板阻力大于Ⅱ型；其次，在相同的液層厚度下，Ⅰ型的齒縫高度較低，氣體要穿越的液層厚度較Ⅱ型的為高，故濕板壓降高。

圖4 Ⅰ型泡罩塔板與Ⅱ型泡罩塔板濕板壓降的比較Fig.4 Comparison of pressure drop of bubble-cap trayⅠandⅡ

對(duì)濕板壓降的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到在堰高為90mm時(shí)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：

式中:PⅠ—Ⅰ型泡罩塔板的濕板壓降，Pa；

PⅡ—Ⅱ型泡罩塔板的濕板壓降，Pa。

2.3 霧沫夾帶

以每100 kg氣體所夾帶的液體kg數(shù)表征霧沫夾帶量。對(duì)于一定的物系，霧沫夾帶量的大小主要取決于板孔垂直氣速、氣體克服液層的阻力（液層厚度）以及板間距。

兩種泡罩塔板的霧沫夾帶與F0關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖5，在實(shí)驗(yàn)操作范圍內(nèi)，相同液流強(qiáng)度下，氣量增大，液體容易被吹散成小液滴，越不易沉降，因此霧沫夾帶量增大；相同氣量下，對(duì)于Ⅰ型，隨著液流強(qiáng)度的增加，清液層厚度升高，液層阻力增大，液體不容易被吹散成小液滴形成霧沫夾帶，故霧沫夾帶量減小。

于Ⅱ型，隨著液流強(qiáng)度的增加，清液層厚度升高，另升氣管較高，板間距相對(duì)較小，板間距的影響大于氣體克服液層阻力的影響，在此固定板間距下，液滴相對(duì)不易沉降，故霧沫夾帶量增加。由圖5可知：Ⅰ型泡罩塔板的霧沫夾帶量大于Ⅱ型，但Ⅰ型泡罩塔板霧沫夾帶量隨F0增加的幅度大于Ⅱ型。

圖5 Ⅰ型泡罩塔板與Ⅱ型泡罩塔板霧沫夾帶的比較Fig.5 Comparison of entrainment rate of bubble-cap trayⅠandⅡ

對(duì)霧沫夾帶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到在堰高90 mm時(shí)的霧沫夾帶經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：

式中:evⅠ—Ⅰ型泡罩塔板霧沫夾帶率，%；evⅡ—Ⅱ型泡罩塔板霧沫夾帶率，%。

以每100 kg液體從塔板漏出的液體kg數(shù)表征漏液量。在實(shí)驗(yàn)操作范圍內(nèi)，Ⅱ型泡罩塔板因其升氣管較高，未出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，Ⅰ型泡罩塔板在液流強(qiáng)度為30 m3/(h·m)時(shí)出現(xiàn)明顯的漏液現(xiàn)象見(jiàn)圖6。由圖可知，其漏液率隨F0的增加而減小。

圖6 Ⅰ型泡罩塔板漏液情況Fig.6 The weeping rate of bubble-cap trayⅠ

對(duì)漏液的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到在堰高90 mm時(shí)的漏液率經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：

式中:LⅠ—Ⅰ型泡罩塔板漏液率，%。

2.4 漏液

由于泡罩塔板特殊的結(jié)構(gòu)，其升氣管高出泡罩齒縫，形成液封，塔板上的液層高度主要不是由氣流來(lái)支撐，故在操作時(shí)不會(huì)像其他塔板出現(xiàn)嚴(yán)重的漏液現(xiàn)象，這是泡罩塔板的一項(xiàng)突出優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié) 論

(1) Ⅰ型泡罩塔板的壓降大于Ⅱ型泡罩塔板，且隨著F0增大的幅度更大；

(2) Ⅱ型泡罩塔板由于升氣管較高，在本實(shí)驗(yàn)操作范圍內(nèi)未出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，而Ⅰ型泡罩塔板在堰高較大、液流強(qiáng)度較大情況下有明顯漏液現(xiàn)象。由此可知Ⅱ型泡罩塔板比Ⅰ型漏液點(diǎn)低；

(3) Ⅰ型泡罩塔板霧沫夾帶量隨F0增加的幅度大于Ⅱ型。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Ⅱ型泡罩塔板的流體性能優(yōu)于Ⅰ型泡罩塔板。所得數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)式可為實(shí)際生產(chǎn)及操作提供依據(jù)。

［1］蘭州石油機(jī)械研究所．現(xiàn)代塔器技術(shù)[M].第2版．北京：中國(guó)石化出版社，2005：166．

［2］天津大學(xué)化工學(xué)院，柴誠(chéng)敬．化工原理（下冊(cè)）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007: 143－144．

［3］魏兆燦，李寬宏．塔設(shè)備設(shè)計(jì)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， 1988: 85．

［4］蘭州石油機(jī)械研究所．現(xiàn)代塔器技術(shù)[M].北京：烴加工出版社，1990: 181．

［5］Guerrieri, Salvatore A. Bubble cap tray: US,Patent 3914352[P]. 1975-10-21．

［6］Guerrieri, Salvatore A. Bubble cap tray: US,Patent 4104338[P]. 1978-08-01．

［7］褚雅志，馬曉迅．泡罩立體篩板:中國(guó),實(shí)用新型專(zhuān)利ZL200620136216.6[P].2006: 11-19．

［8］彭軍，褚雅志，馬曉迅，等．泡罩垂直篩板性能研究[J].化學(xué)工程, 2010，38(7) ：5-8．

［9］彭軍．泡罩立體篩板性能研究[D].西安：西北大學(xué)，2010．

Research on Hydrodynamics of Two Types of Bubble-Cap Trays

YU Hong-jiang1，DONG Yu1，YANG Bin1，ZHAO Gui-zhou2
（1. College of Chemistry&Chemical Engineering, Xi’an Shiyou University, Shaanxi Xi’an 710065, China；2. Xi’an Tongda Industrial Co., Ltd , Shaanxi Xi’an 710075, China）

The compared experiments of two types of bubble-cap trays were performed in an experimental rectangular column of 1 000 mm×400 mm by employing a typical model experimental system of water-air. From the experiment, many hydraulic properties were measured, such as tray pressure drop, entrainment rate, weeping rate. The results show that in normal operation, the tray pressure drop, weeping rate, entrainment rate of bubble-cap trayⅡare lower than those of bubble-cap trayⅠ,it is concluded that hydraulic properties of typeⅡare better than those of typeⅠ.

Bubble-cap tray; Tray pressure drop; Weeping rate; Entrainment rate

TQ 053.5

A

1671-0460（2011）11-1158-03

2011-09-15

于洪江（1965-），男，陜西西安人，副教授，2000年獲西北大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位，研究方向：油田化學(xué)。E-mail：yhjhx@xsyu.edu.cn。