塔器的性能研究及工程應(yīng)用分析

李軍軍

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471000)

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化工機(jī)械

塔器的性能研究及工程應(yīng)用分析

李軍軍

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471000)

在化工、煉油等工業(yè)生產(chǎn)裝置中，塔器一直是最關(guān)鍵的設(shè)備之一，其性能及效率影響著產(chǎn)品的質(zhì)量、成本及生產(chǎn)過程的能耗和環(huán)保等。板式塔開發(fā)研究重點(diǎn)是提高效率，滿足低壓降和大通量等要求。為了使化工設(shè)計(jì)人員和研究者對浮閥和固閥之間的差異以及塔器的設(shè)計(jì)有更深的理解，本文對浮閥和固閥的流體力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探討了閥孔動(dòng)能因子對浮閥塔板和固閥塔板的塔板壓降、霧沫夾帶和泄漏率的影響，得倒了一些可靠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。作者結(jié)合自己在化工設(shè)計(jì)上的工作經(jīng)驗(yàn)，并查閱了相關(guān)文獻(xiàn)，認(rèn)為這些數(shù)據(jù)可用于塔器的設(shè)計(jì)。

塔器；固閥；浮閥；壓降；霧沫夾帶；漏液

塔器作為氣-液和液-液之間進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于煉油﹑石油化工﹑精細(xì)化工等行業(yè)的物系分離。塔器作為化工生產(chǎn)中應(yīng)用數(shù)量最多、涉及面最廣、能耗最大的單元設(shè)備，其增效、擴(kuò)能、降耗成為降低加工成本、提高經(jīng)濟(jì)效益最為活躍的領(lǐng)域之一，塔板的性能對于整個(gè)裝置和企業(yè)的生產(chǎn)能力﹑產(chǎn)品質(zhì)量﹑消耗定額及環(huán)保等方面均有重要的影響[1-2]。本文通過實(shí)驗(yàn)比較了固閥塔板和浮閥塔板的水力學(xué)性能，讓化工設(shè)計(jì)人員對二者性能有更深的理解，并且總結(jié)了一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，希望對以后塔板的選型、工廠的擴(kuò)能改造和節(jié)能起到一點(diǎn)作用。實(shí)驗(yàn)所用新型固閥和浮閥如圖1～圖3所示。

圖1 固閥主視圖

Fig.1 Fixed valve’s front view

圖2 固閥俯視圖

Fig.2 Fixed valve’s front view

圖3 浮閥圖

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析

1.1 實(shí)驗(yàn)介紹

本實(shí)驗(yàn)為冷模實(shí)驗(yàn)，設(shè)備為1600 mm×400 mm的矩形塔。實(shí)驗(yàn)過程如下：采用空氣-水系統(tǒng)，空氣由鼓風(fēng)機(jī)輸入，氣體流量由畢托管測定；自來水用離心泵輸送，液體流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)設(shè)定，由實(shí)驗(yàn)塔板流出的液體返回水槽循環(huán)使用。塔板為浮閥塔板和固閥塔板，開孔率均為12.9%，板間距HT為600 mm，出口堰高h(yuǎn)w為50 mm。

1.2 壓降的比較及分析

塔板壓降一般分為兩類：干板壓降和濕板壓降。所謂干板壓降即塔板上沒有液體時(shí)的壓降；濕板壓降即塔板上有液層時(shí)的壓降，包括干板壓降，液層壓降，克服浮閥自身重力的壓降和克服液體表面張力的壓降[1-2]。

圖4 塔板壓降比較

在液流強(qiáng)度為0、45 m3/(m·h)時(shí)，分別測定固閥塔板和浮閥塔板的壓降，結(jié)果見圖4。由圖4可知，固閥塔板的干板壓降和濕板壓降均小于浮閥塔板，其原因主要是浮閥塔板需要克服浮閥自身的重力。從圖4中也可以看出：在氣速較小時(shí)，浮閥塔板和固閥塔版的干板壓降差別較大；在氣速較大時(shí)，浮閥塔板和固閥塔版的干板壓降差別較小。其原因是：當(dāng)氣速較小時(shí)，浮閥塔板上浮閥開度較小，氣體通過浮閥塔板的面積小于對應(yīng)的固閥塔板，而閥孔氣速高于對應(yīng)的固閥塔板，導(dǎo)致固閥塔板和浮閥塔板壓降差別較大；當(dāng)氣速較大時(shí)，浮閥塔板上浮閥全開，固閥塔板和浮閥塔板的氣體通過面積沒有太大差別，此時(shí)二者的壓差主要是浮閥自身重量造成的，而且此時(shí)浮閥自身重力引起的壓降在浮閥塔板的濕板壓降中所占的比重減少，導(dǎo)致了固閥塔板和浮閥塔板的壓降差別較小。從圖4還可以看出：固閥塔板的濕板壓降和浮閥塔板的濕板壓降之差隨氣速變化不大。其原因在于：清液層對浮閥的開度起了一定的調(diào)節(jié)作用，且由于清液層的存在，浮閥自身的重力引起的壓降在濕板壓降中占比變小，且波動(dòng)較小。由于固閥壓降低于浮閥，因此從工廠節(jié)能的角度考慮，工程設(shè)計(jì)可以優(yōu)先選用固閥，尤其是在操作壓力較低時(shí)，其節(jié)能效果尤其明顯[1]。

圖5 固閥塔板壓降

實(shí)驗(yàn)過程中也測定了液流強(qiáng)度和閥孔動(dòng)能因子對固閥塔板的壓降的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖5可以看出：當(dāng)閥孔動(dòng)能因子在5至12 m/s·(kg/m3)1/2時(shí)，塔板壓降變化平穩(wěn)；當(dāng)閥孔動(dòng)能大于13 m/s·(kg/m3)1/2時(shí)，塔板壓降急劇增加。因此為了降低壓降和塔器的穩(wěn)定操作，推薦動(dòng)能因子不要大于12 m/s·(kg/m3)1/2，但是當(dāng)塔板壓降并不是決定因素時(shí)，閥孔動(dòng)能因子可以適當(dāng)提高[4-5]。

1.3 霧沫夾帶的比較及分析

圖6 霧沫夾帶比較

在液流強(qiáng)度為45 m3/(m·h)的條件下，固閥塔板和浮閥塔板的霧沫夾帶率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。由圖6可知：在相同氣速下，固閥塔板的霧沫夾帶率比浮閥塔板略低。其原因在于：固閥塔板的液面梯度較?。挥捎跉怏w分布不均，導(dǎo)致浮閥塔板上不同的浮閥開度不同；由于通過浮閥塔板的氣體波動(dòng)，導(dǎo)致浮閥塔板上單個(gè)浮閥開度在一直變化。多個(gè)因素疊加和互相影響，導(dǎo)致通過浮閥的氣體夾帶了更多的液體至上層塔板。因此，當(dāng)遇到由于霧沫夾帶導(dǎo)致浮閥塔不能正常操作，改造時(shí)可以考慮更換為固閥塔板；或者當(dāng)氣相通量較大時(shí)，也可以考慮使用固閥塔板。

圖7 固閥塔板霧沫夾帶率

實(shí)驗(yàn)中測定了不同液流強(qiáng)度下的霧沫夾帶率與閥孔動(dòng)能因子的關(guān)系，結(jié)果見圖7。氣速的上限一般受霧沫夾帶的限制。由圖7可以看出：當(dāng)閥孔動(dòng)能因子低于17 m/s·(kg/m3)1/2時(shí)，霧沫夾帶率小于10%；甚至有的工況下，閥孔動(dòng)能因子高于20 m/s·(kg/m3)1/2時(shí)，霧沫夾帶依然低于10%。因此，當(dāng)塔板壓降不是決定因素時(shí)，閥孔動(dòng)能因子可以適當(dāng)提高[4-5]。

1.4 泄漏率的比較及分析

在液流強(qiáng)度L為45 m3/(h·m)時(shí)，分別測定了閥孔動(dòng)能因子對固閥塔板和浮閥塔板泄漏率的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖8。從圖8中可以看出：在相同氣速下，固閥的泄漏率大于浮閥。其原因是：浮閥可以通過改變閥孔開度，調(diào)節(jié)閥孔氣速，降低泄漏率。

圖8 漏液率

從圖8還可以看到：對于浮閥，當(dāng)閥孔動(dòng)能因子小于5 m/s·(kg/m3)1/2時(shí)，泄漏率急劇增加；對于固閥，當(dāng)閥孔動(dòng)能因子小于8 m/s·(kg/m3)1/2時(shí)，泄漏率急劇增加。因此在工程設(shè)計(jì)中，浮閥閥孔動(dòng)能因子應(yīng)不小于5 m/s·(kg/m3)1/2；固閥閥孔動(dòng)能因子應(yīng)不小于8 m/s·(kg/m3)1/2[4-5]。

2 結(jié) 論

(1)本文通過對固閥塔板和浮閥塔板性能的研究和比較，得到：固閥塔板的壓降低于浮閥塔板，霧沫夾帶率低于浮閥塔板，泄漏率比浮閥塔板略高。

(2)本文通過研究閥孔動(dòng)能因子對固閥和浮閥塔板水力學(xué)影響，找到了適合固閥塔板和浮閥塔板的閥孔動(dòng)能因子，可以用于塔板類型的選擇、擴(kuò)能改造和節(jié)能等。

(3)鑒于固閥、浮閥塔板良好的水力學(xué)性能，且結(jié)構(gòu)簡單易于清理，可以廣泛應(yīng)用于化工、石油化工、制藥和煉油等產(chǎn)業(yè)，對提高生產(chǎn)能力，改善產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能將會有很明顯的經(jīng)濟(jì)效果。

[1] 李玉安.梯形導(dǎo)向浮閥塔板的流體力學(xué)和傳質(zhì)性能的研究[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào),1996, 22(4):406-411.

[2] 孫蘭義,劉立新,楊德連.半橢圓固閥塔板性能研究[J].化工進(jìn)展,2007,26(6):878-881.

[3] 蘭州石油機(jī)械研究所.現(xiàn)代塔器技術(shù)[M].北京:中國石化出版社,2005:200-400.

[4] 中國石化工程建設(shè)公司.塔器工藝設(shè)計(jì)規(guī)定[S].中國石油化工集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),2008:1-23.

[5] 石油化學(xué)工業(yè)部石油化工規(guī)劃設(shè)計(jì)院組織編寫.塔的工藝計(jì)算[M].北京:石油工業(yè)出版社,1979:128-149.

Study on Tower’s Performance and Analysis of Engineering Application

LIJun-jun

(Luoyang Petrochemical Engineering Corporation/Sinopec, Henan Luoyang 471000, China)

s: In chemical, petrochemical and other industrial production facilities, the tower has always been one of the most important equipment.The performance and efficiency of tower will obviously affect product quality, cost and energy consumption and environmental protection.The focal point in tower plate research is to improve the plate efficiency, low pressure drop and improve throughput requirements.In order to let chemical engineer and researcher to know more deeply about design of tower and difference of valve tray and fixed valve tray, the hydrodynamic performance of valve tray and fixed valve tray were studied, tray pressure drop, entrainment rate and leak rate affected by velocity were invested, the results were useful.These values can be used for tower design upon his engineering experience and related documents.

towers; fixed valve; float valve; pressure drop; entrainment; leakage

TH

A

1001-9677(2016)019-0156-03