梯形孔垂直篩板塔板上持液量不均勻分布性的研究

何 杰楊麥軍?張 燕丁 浩王 昕高騰飛韓少?gòu)?qiáng)

（1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072；2.天津市天大北洋化工設(shè)備有限公司，天津300072）

垂直篩板塔是由日本三井造船公司在1968年前后開(kāi)發(fā)的一種新型并流噴射塔板，具有負(fù)荷能力大、傳質(zhì)效率高、壓降小、操作彈性大，防自聚堵塞能力等優(yōu)點(diǎn)，因此該塔板在煉油、甲醇、化肥等行業(yè)廣泛應(yīng)用［1-2］。

新型垂直篩板的傳質(zhì)過(guò)程不再是鼓泡狀態(tài)。如圖1所示，塔內(nèi)上升氣體通過(guò)帽罩時(shí)形成低壓區(qū)，再加上塔盤(pán)清液層的靜壓，使塔盤(pán)液體在帽罩底隙處被上升氣體吸入，經(jīng)過(guò)拉膜霧化，在帽罩內(nèi)和塔板液層以上空間傳質(zhì)，液層中氣泡很少，故塔板上的液層高度即為清液層高度［3-4］。由于垂直篩板的氣液傳質(zhì)機(jī)理和鼓泡型塔板不同，故持液量的分布規(guī)律與傳統(tǒng)塔板區(qū)別很大。塔板上持液量的分布規(guī)律關(guān)系到塔板上壓降、漏液量、液體的停留時(shí)間、氣液接觸狀況，因此是影響塔板流體力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一［5-6］。

圖1 VST氣液流動(dòng)接觸狀況Fig.1 VST gas-liquid contact condition

如圖1所示，RH-VST清液層高度（沿液流方向）分布不均，液面高度存在數(shù)個(gè)波峰、波谷。造成RH-VST清液層高度不均勻分布的主要原因是帽罩形體阻力、流道的漸縮與漸擴(kuò)以及帽罩對(duì)周?chē)后w的抽吸和提升作用。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們?cè)赗H-VST基礎(chǔ)上，將塔板上原來(lái)的矩形開(kāi)孔改為梯形開(kāi)孔，帽罩橫截面也由矩形相應(yīng)改為梯形，從而開(kāi)發(fā)了一種梯形孔垂直篩板TH-VST。其出色的導(dǎo)流性能使垂直篩板塔板的持液量分布不均問(wèn)題顯著改善，提高了塔板的操作彈性。

由于清液層高度是塔板持液量的關(guān)鍵參數(shù)，故對(duì)不同頂角的TH-VST的清液層高度分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并與相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的RH-VST進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，確定了具有良好導(dǎo)流性能的梯形頂角范圍，給出了持液量不均勻分布程度（參差度）的關(guān)聯(lián)式，為工業(yè)應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本次實(shí)驗(yàn)的對(duì)象是RH-VST和TH-VST，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2a）和圖2b）。

罩體上除了液體進(jìn)口方向外，其他三面均開(kāi)霧膜分離孔，以防止氣液混合物倒噴而產(chǎn)生返混。罩體下端除了液體出口方向外，其余三面均與塔板間有一定的間隙，以防止液體逆流吸入帽罩內(nèi)而加劇液面波動(dòng)。

TH-VST較RH-VST有以下3個(gè)特點(diǎn)：1）梯形帽罩由于其外壁結(jié)構(gòu)的平滑過(guò)渡使得帽罩的形體阻力和流道的漸縮阻力較矩形帽罩減小；2）梯形帽罩

圖2 a）矩形孔垂直篩板和b）梯形孔垂直篩板Fig.2 a）RH-VST and b）TH-VST

體積的縮小而導(dǎo)致的抽吸和提升作用的減小，使得帽罩區(qū)的清液層高度回升；3）梯形帽罩在抽入液體時(shí)的推液作用。如圖3所示，VST上的液體在塔板底隙處被氣流吸入帽罩，RH-VST氣體對(duì)液體所產(chǎn)生的吸力與液流方向構(gòu)成一垂角，對(duì)液流沒(méi)有向前的推動(dòng)力。TH-VST氣體對(duì)液體所產(chǎn)生的吸力與液流方向構(gòu)成1個(gè)銳角，從而產(chǎn)生推動(dòng)液體向前流動(dòng)的分力F2，加速液體流動(dòng)，從而減小了參差度，改善塔盤(pán)的流體力學(xué)性能。

圖3 底隙處液體受力示意圖Fig.3 Schematic diagram of force at the bottom gap

本實(shí)驗(yàn)對(duì)4種不同頂角的TH-VST和1種具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的RH-VST進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，各塔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of experimental trays

2 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)在1 500mm×400mm的矩形塔內(nèi)進(jìn)行，采用空氣-水系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)塔分為2層，下層為800mm×400mm氣體分布板，上層為1塊實(shí)驗(yàn)塔板，降液管低隙為65mm，堰長(zhǎng)為400mm，板間距為600mm。

實(shí)驗(yàn)工況范圍為：板孔動(dòng)能因子Fo＝6～18 m/s（kg/m3）1/2，堰高h(yuǎn)w＝ 40 ～60mm，液流強(qiáng)度Lw＝12.5 ～62.5 m3/（m·h）。

實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示?？諝獠捎?-19-4.5風(fēng)機(jī)輸送，氣體流量由UG-1渦街流量計(jì)測(cè)定。水采用IRG-80管道泵輸送，液體流量由LZB-80轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定，由實(shí)驗(yàn)塔板流出的液體返回水槽循環(huán)使用。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置及流程圖Fig.4 Experimental equipment and flowchart

實(shí)驗(yàn)采用靜壓斜管測(cè)量板上清液層高度，該方法是將軟管的一端連在塔板上的測(cè)量點(diǎn)處，軟管另一端引出塔外與斜玻璃管液位計(jì)（液位計(jì)零點(diǎn)與塔板處于同一水平線）相連，構(gòu)成液位連通器，故斜管內(nèi)的液位高度就是塔板上清液層高度。

如圖5所示，液位計(jì)采用1支傾斜放置的玻璃管，其長(zhǎng)度是垂直高度的10倍，這樣就將液位計(jì)的讀數(shù)放大了10倍，大大降低了視覺(jué)誤差。

測(cè)量點(diǎn)的位置與分布如圖6所示。沿液流方向，塔板上設(shè)置了6個(gè)不同位置處的清液層高度測(cè)量點(diǎn)。為了減小測(cè)量位置處液面波動(dòng)帶來(lái)的誤差，每個(gè)測(cè)量位置設(shè)置了2個(gè)關(guān)于塔板縱向中心線對(duì)稱(chēng)的測(cè)量點(diǎn)，取這2個(gè)對(duì)稱(chēng)的測(cè)量點(diǎn)的清液層高度平均值得到該位置處的清液層高度hi（i＝1～6）。

3 結(jié)果與討論

圖5 清液層高度測(cè)量裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of measuring device of clear liquid height

圖6 測(cè)量點(diǎn)的位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of the measurement position

垂直篩板塔盤(pán)上的清液層高度分布與其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操作狀況密切相關(guān)，目前在這方面還沒(méi)有合適的數(shù)據(jù)和理論計(jì)算公式可以利用。傳統(tǒng)的梯度計(jì)算存在正負(fù)梯度抵消的情況，而各塔板持液量在分布圖上重疊交錯(cuò)，不能清晰地區(qū)分各種塔板持液量的不均勻分布性能的優(yōu)劣。為便于評(píng)價(jià)垂直篩板塔板上持液量的不均勻分布程度，我們用參差度Δ來(lái)表示，參差度越大，說(shuō)明液面波動(dòng)劇烈，分布效果越差；參差度越小，持液量分布越均勻，其計(jì)算公式為式（1）。

式（1）中：n為清液層高度測(cè)量點(diǎn)總數(shù)，n＝6；hi為塔板上第i個(gè)測(cè)量位置處的清液層高度；為整個(gè)塔板的平均清液層高度。

在同一冷模實(shí)驗(yàn)裝置上，采用同樣的測(cè)試方法對(duì)TH-VST和RH-VST塔板進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了塔板上6處不同位置處的清液層高度，從而得出不同操作狀況下的參差度。

3.1 梯形頂角的影響

由于篇幅的關(guān)系，僅給出在堰高40mm時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其他條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果走勢(shì)與之相同。圖7 是hw＝40mm，F(xiàn)o＝12 m/s（kg/m3）1/2時(shí)，在不同的溢流強(qiáng)度下RH-VST和TH-VST塔板上的參差度和梯形頂角（RH-VST的頂角為0°）的關(guān)系。塔板參差度隨著梯形頂角的增大，先減小后增大。TH-VST在大流量下的參差度較RH-VST有明顯減小，故更適合在大流量的工況下使用。

圖7 參差度與梯形頂角的關(guān)系Fig.7 Relationship between non-uniform degree and the angle of Trapezoidal hole

根據(jù)動(dòng)量守恒原理，對(duì)塔板上進(jìn)口截面和出口截面間區(qū)域內(nèi)的液體在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行動(dòng)量衡算（水平液流方向）。在一定工況下，可得動(dòng)量衡算式：

式（2）中：QL為液體流量，m3/s；ρ為液體密度，kg/m3；h1和h2為塔板進(jìn)口截面和出口截面處的清液層高度，m；w1和w2為塔板進(jìn)口截面和出口截面處的流道寬度，m；α為動(dòng)量傳遞效率；k為帽罩提升效率；v為底隙處被吸入帽罩內(nèi)的液體流速，m/s；l為塔板液流長(zhǎng)度，m；τ為塔板板面和壁面的摩擦應(yīng)力，N/m2；fj為帽罩形體阻力，N。

在式（2）中，方程兩端第1項(xiàng)表示單位時(shí)間內(nèi)流入塔板進(jìn)口截面和流出塔板出口截面的液體所具有的動(dòng)量；方程兩端第2項(xiàng)表示作用于兩截面上由液體靜壓所產(chǎn)生的水平力；方程左端第3項(xiàng)表示上升氣體對(duì)所吸入帽罩的液體所產(chǎn)生的沿液流方向的水平推動(dòng)力；方程右端第3項(xiàng)表示塔板表面和壁面的摩擦阻力；方程右端第4項(xiàng)表示帽罩的形體阻力和流道的漸縮和漸擴(kuò)等局部阻力。

RH-VST塔板底隙處液體的吸入方向?yàn)橐毫鞣较虻拇瓜?，?duì)液流沒(méi)有向前的推動(dòng)力作用。隨著梯形頂角θ的逐步增大，推動(dòng)力沿液流方向的分量不斷增加，故參差度有所減小。

隨著頂角的進(jìn)一步增加，塔板開(kāi)孔率逐漸減小，梯形孔面積減小，導(dǎo)致帽罩體積減小，k值隨之減小，進(jìn)而塔板的帽罩提升量也隨之減少，使推動(dòng)力減弱。再者，隨著梯形頂角的增加，帽罩窄邊和寬邊的差距逐漸增加，使得流體在流動(dòng)過(guò)程中漸縮和漸擴(kuò)等局部阻力逐漸增加。故當(dāng)阻力增加超過(guò)推動(dòng)力增加的時(shí)候，清液層的參差度又開(kāi)始增加。

當(dāng)梯形頂角為4°時(shí)，梯形孔窄邊較矩形孔縮短了17.5%，開(kāi)孔率為12.17%。開(kāi)孔形狀能與矩形產(chǎn)生較明顯的差別。當(dāng)梯形頂角為8°時(shí)，梯形孔窄邊較矩形孔縮短了35%，開(kāi)孔率為11%，帽罩體積較RH-VST降低了17.5%。能夠保證塔板的開(kāi)孔率與傳質(zhì)效率。且在此范圍內(nèi)，塔板的參差度較小。綜合塔板流體力學(xué)性能、帽罩形體差別、塔板開(kāi)孔率和塔板傳質(zhì)效率確定最佳頂角范圍為4°～8°。

3.2 液體流量的影響

圖8 是hw＝ 40mm，F(xiàn)o為 9 m/s（kg/m3）1/2和12 m/s（kg/m3）1/2時(shí)，RH-VST 和 TH-VST-1 上參差度和溢流強(qiáng)度的關(guān)系。

圖8 參差度與溢流強(qiáng)度的關(guān)系Fig.8 Relationship between non-uniform degree and liquid weir load

2種塔板的參差度都隨著溢流強(qiáng)度的增大而增大，這是流量的增大使得帽罩的形體阻力和塔板的板面和壁面等摩擦阻力不斷增大的緣故。

當(dāng)溢流強(qiáng)度Lw＜25 m3/（m·h）時(shí)，2 種塔板上參差度基本一致。當(dāng)溢流強(qiáng)度Lw＞25 m3/（m·h）時(shí)，TH-VST的參差度小于RH-VST。在Fo＝12 m/s（kg/m3）1/2，Lw＝50 m3/（m·h）時(shí)，TH-VST-1 的參差度較RH-VST低17.34%。這是因?yàn)樵谝合嘭?fù)荷比較小時(shí)，清液層高度低，帽罩提升量較少，梯形孔塔板的推動(dòng)力很小，加之參差度很小，故對(duì)參差度的降低作用不是很明顯。隨著液相負(fù)荷的增加，帽罩提升量也增加，帽罩的抽吸作用使推動(dòng)力逐步增加，使得參差度較RH-VST也有明顯的降低。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明了這一點(diǎn)，TH-VST-1進(jìn)口區(qū)域測(cè)量點(diǎn)1和2的液位差明顯小于RH-VST，導(dǎo)流作用明顯。

3.3 氣速的影響

圖9是hw＝40mm，液流強(qiáng)度Lw＝50 m3/（m·h）和62.5 m3/（m·h）時(shí)，RH-VST 和 TH-VST-1 上參差度和板孔動(dòng)能因子的關(guān)系。2種塔板的參差度都隨著板孔動(dòng)能因子的增大，先減小后增大。

圖9 參差度與板孔動(dòng)能因子的關(guān)系Fig.9 Relationship between non-uniform degree and Fo

根據(jù)物料守恒原理，在穩(wěn)態(tài)下，進(jìn)入塔板空間的液體流量等于離開(kāi)塔板的液體流量。故塔板入口流量＝塔板出口流量+帽罩提升流量+漏液流量+霧沫夾帶流量。而塔板出口流量＝塔板面積（扣除帽罩）×清液層高度×液體流速。在穩(wěn)態(tài)下，塔板面積和液體流速是一定的，故塔板出口流量則是清液層高度分布的關(guān)鍵參數(shù)。霧沫夾帶流量很小，可以忽略不計(jì)，所以帽罩提升量與漏液流量便是影響清液層高度及分布的重要參數(shù)。

隨著板孔動(dòng)能因子的增大，帽罩提升量隨之增大，而漏液流量隨之減小，二者的綜合作用使得板上平均清液層高度先增加后減小。當(dāng)Fo＝6 m/s（kg/m3）1/2時(shí)，由于氣速較小，漏液流量較大，塔的操作狀況不穩(wěn)定，所以造成清液層高度波動(dòng)較大。隨著氣速增大，漏液流量迅速減小，而帽罩提升流量雖然略有增大，但變化不大，此時(shí)漏液流量起主導(dǎo)作用，故參差度有所減小。故在氣速適中時(shí)，參差度最小，操作狀態(tài)最佳。隨著氣速進(jìn)一步增加，漏液量基本保持為0，但帽罩提升流量不斷增大，此時(shí)帽罩提升流量起主導(dǎo)作用，當(dāng)Fo＝18 m/s（kg/m3）1/2時(shí)，帽罩區(qū)域和出口區(qū)域的清液層高度明顯降低，使清液層的分布發(fā)生較大變化，故而參差度有所回升。

從兩類(lèi)塔板參差度的對(duì)比來(lái)看，TH-VST-1的導(dǎo)流性能明顯優(yōu)于 RH-VST。在hw＝40mm，Lw＝62.5 m3/（m·h）時(shí)，TH-VST 在不同板孔動(dòng)能因子下的平均參差度較RH-VST低26.63%。

3.4 參差度的關(guān)聯(lián)式

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Origin軟件對(duì)影響參差度的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行回歸，得到了2種塔板參差度的關(guān)聯(lián)式。

RH-VST塔板

TH-VST塔板

式（3）和（4）中，Δ為參差度；θ為梯形頂角；Lw為溢流強(qiáng)度，m3/m·h；Fo為板孔動(dòng)能因子，（m/s）（kg/m3）1/2；hw為溢流堰高，mm。

4 結(jié)論

1）TH-VST具有良好的導(dǎo)流性能，與傳統(tǒng)的RH-VST相比，在大流量的情況下能夠有效降低參差度，改善塔板持液量的不均勻分布。

2）參差度隨著溢流強(qiáng)度的增加而增加，隨著板孔動(dòng)能因子和梯形頂角的增加，參差度先減小而后又有所回升。具有良好導(dǎo)流性能的梯形頂角范圍為4°～ 8°。

3）給出了塔板參差度的計(jì)算關(guān)聯(lián)式，為梯形孔塔板的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了一定的依據(jù)。

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