Y 型固定閥塔板流體力學(xué)性能的研究

秦曉榮，趙 培，孫 浩

（華東理工大學(xué) 化工學(xué)院，上海 200237）

石油化工產(chǎn)品的分離提純離不開(kāi)塔設(shè)備［1］。塔設(shè)備是最核心也是耗能最高的設(shè)備之一［2］。通過(guò)對(duì)塔內(nèi)件進(jìn)行簡(jiǎn)單改造（如塔板的改造、降液管改造，出口堰的改造等），從而提高全塔效率，既可以解決現(xiàn)有裝置所要求的處理量大和節(jié)能改造的難題，也滿足國(guó)家綠色生產(chǎn)發(fā)展的政策［3-6］。傳統(tǒng)篩孔型塔板由于本身并沒(méi)有氣液分離裝置，如果氣速過(guò)高則會(huì)在氣相中夾帶一些液滴，從而使霧沫夾帶嚴(yán)重；氣速過(guò)低又會(huì)出現(xiàn)漏液［7］，影響塔板的正常操作［8］。還有一些浮閥塔板因浮閥會(huì)隨著氣相負(fù)荷的改變而上下浮動(dòng)，尤其在處理黏稠、易堵塞物系時(shí)，會(huì)造成嚴(yán)重磨損、堵塞甚至脫落，從而使塔板操作不穩(wěn)定、不可控因素增多，分離效率大大降低，同時(shí)停工保養(yǎng)維修所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失太大［9］。傳統(tǒng)的塔設(shè)備已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)要求，為了提高處理量而單純的擴(kuò)大板式塔體積，不僅空間利用率低，且投資高，不可取［10-11］。因此，通過(guò)簡(jiǎn)單的對(duì)固定閥塔板的閥型進(jìn)行改造，從而開(kāi)發(fā)一種高性能、高效率的固定閥塔板，解決工業(yè)生產(chǎn)上存在的問(wèn)題，是當(dāng)下應(yīng)該努力研究的方向。本課題組在篩孔型塔板和浮閥型塔板的基礎(chǔ)上，對(duì)一種固定閥塔板進(jìn)行流體力學(xué)的分析。該固定閥由塔板直接沖壓而成，避免了浮閥上下浮動(dòng)而脫落的缺點(diǎn)。該固定閥上方的圓形閥蓋，對(duì)液相有一定的支撐作用，因此也不像篩孔型塔板那樣存在嚴(yán)重的漏液。通過(guò)冷模實(shí)驗(yàn)，研究了該塔板的流體力學(xué)性能。皮耀等［12］對(duì)不同開(kāi)孔率的導(dǎo)向固定閥塔板進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大開(kāi)孔率時(shí)，塔板效率在90%以上；王良華等［13］對(duì)非均勻開(kāi)孔率的復(fù)合塔板也進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開(kāi)孔率對(duì)流體力學(xué)性能也有較大影響。

本工作研究了三種開(kāi)孔率的Y型固定閥塔板，并對(duì)塔板性能進(jìn)行比較，對(duì)板上液體的流動(dòng)和傳質(zhì)狀況進(jìn)行研究，可以更深入的了解該固定閥塔板的性能。通過(guò)在企業(yè)冷模塔中進(jìn)行中試，具有工程放大的意義，同時(shí)也為今后固定閥塔板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供思路和參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

所用冷模塔的直徑1.2 m、板間距450 mm，內(nèi)置五層塔板。最上面一層為霧沫捕集板，與之連接的是霧沫夾帶收集桶。下面四層塔板均為實(shí)驗(yàn)塔板，且在第3 塊（自上而下依次為第1，2，3，4，5 塊塔板）塔板上下裝有壓力傳感器，通過(guò)儀表盤可直接讀取壓力降。漏液由漏液收集桶進(jìn)行收集。

該實(shí)驗(yàn)物系為空氣-水，液相通過(guò)離心泵傳輸?shù)降? 塊塔板上方，并從塔板溢流堰流入降液管，再流經(jīng)下一層塔板，最后流入塔釜的液相通過(guò)循環(huán)進(jìn)入儲(chǔ)液槽。液流強(qiáng)度可通過(guò)調(diào)節(jié)水泵變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，空氣是由風(fēng)機(jī)直接在大氣中吸入，通過(guò)塔釜的升氣管將氣體均布，從閥孔吹入上層塔板，最終從塔頂部放空，風(fēng)量大小可通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)氣管道某一位置處固定有畢托管，通過(guò)讀取與之連接的U 型管壓差計(jì)讀數(shù)，再通過(guò)Bernoulli 方程來(lái)計(jì)算管內(nèi)風(fēng)速。實(shí)驗(yàn)參數(shù)及各塔板參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of hydrodynamics experiment

1.2 塔板結(jié)構(gòu)

圖1 為三種開(kāi)孔率的Y 型固定閥塔板。圖2為Y 型固定閥的結(jié)構(gòu)。

圖1 Y 型固定閥塔板Fig.1 Y-type fixed valve tray.

圖2 Y 型固定閥結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Y-type fixed valve.

2 結(jié)果與討論

2.1 開(kāi)孔率對(duì)干板壓降的影響

干板壓降是指在無(wú)液相的條件下氣體流經(jīng)塔板時(shí)所產(chǎn)生的阻力損失。圖3 為不同塔板的干板壓降隨閥孔動(dòng)能因子（F0）的變化曲線。由圖3 可知，三種不同開(kāi)孔率的塔板的干板壓降由大到小順序?yàn)椋?.40%Y 型固定閥塔板＞8.07%Y 型固定閥塔板＞5.30%Y 型固定閥塔板。三種塔板的干板壓降與F0成正比，都隨F0的增加而增大。當(dāng)開(kāi)孔率較小時(shí)，干板壓降也小。由于氣體通過(guò)Y 型固定閥塔板時(shí)，每個(gè)閥孔上方有圓形閥蓋，當(dāng)氣體經(jīng)過(guò)升氣孔時(shí)先接觸上方的圓形閥蓋，氣體受閥蓋阻擋而產(chǎn)生能量損失，部分氣體垂直于升氣孔噴出，相鄰固定閥間存在對(duì)吹現(xiàn)象。在F0一定時(shí)，對(duì)于小開(kāi)孔率的塔板，固定閥數(shù)量較少，孔間距較大，氣體經(jīng)過(guò)閥蓋造成的閥間對(duì)沖現(xiàn)象也會(huì)減弱，因此干板壓降較低。

圖3 三種開(kāi)孔率塔板的干板壓降Fig.3 Dry tray pressure drop under three opening rates.

2.2 開(kāi)孔率對(duì)濕板壓降的影響

濕板壓降是指當(dāng)塔板存在液相負(fù)荷時(shí)，氣相通過(guò)塔板產(chǎn)生的能量損失。濕板壓降主要由干板壓降、液層阻力及液相表面張力構(gòu)成。圖4 為三種開(kāi)孔率下的濕板壓降。由圖4 可知，在液流強(qiáng)度及堰高一定的情況下，三種塔板的濕板壓降與F0成正比，當(dāng)F0增加時(shí)，氣相通過(guò)閥孔的干板壓降值增大，相應(yīng)的濕板壓降也會(huì)增加。不同開(kāi)孔率的Y型固定閥塔板的濕板壓降由大到小順序?yàn)椋?.4%Y型固定閥塔板＞8.07%Y 型固定閥塔板＞5.3%Y 型固定閥塔板，即開(kāi)孔率越大，濕板壓降越大；原因在于開(kāi)孔率較大的Y 型固定閥塔板，閥間距較小，在有液相存在時(shí)，相鄰閥孔間的對(duì)沖更明顯，造成更多的能量損失，因此9.4%Y 型固定閥塔板表現(xiàn)出最大的濕板壓降。當(dāng)其他條件一定時(shí)，隨著液流強(qiáng)度的增加，單位時(shí)間流過(guò)塔板單位體積的液相流量增加，板上液層高度增加，氣相在穿過(guò)液層時(shí)的阻力損失也會(huì)增加，從而導(dǎo)致濕板壓降的增加；當(dāng)堰高增大時(shí)，板上液層厚度增加，液相在板上的停留時(shí)間也延長(zhǎng)，氣相穿過(guò)液層時(shí)阻力增加，濕板壓降增加。

圖4 三種開(kāi)孔率下的濕板壓降Fig.4 Wet tray pressure drop under three opening rates.

2.3 不同塔板結(jié)構(gòu)對(duì)霧沫夾帶和漏液的影響

圖5 為三種開(kāi)孔率下的霧沫夾帶率。

由圖5 可知，三種不同開(kāi)孔率的塔板，霧沫夾帶率均隨F0的增加而增加。在液流強(qiáng)度和堰高等條件一定時(shí)，開(kāi)孔率較大的Y 型固定閥塔板，霧沫夾帶率較大。原因在于當(dāng)F0一樣時(shí)，開(kāi)孔率較大的塔板上方氣相有足夠的動(dòng)能挾帶更多的霧沫夾帶量，且部分回落的大液滴又被氣相重新吹到上一層塔板的量也相應(yīng)增加，總體使得大開(kāi)孔率下的霧沫夾帶量更多。當(dāng)堰高不變時(shí)，氣速在較小的工況下，液流強(qiáng)度在40 m3/（h·m）的霧沫夾帶率比液流強(qiáng)度20 m3/（h·m）的要低一點(diǎn)，因?yàn)橐毫鲝?qiáng)度較低時(shí)，板上液層較薄，氣相更容易被裹挾到上層塔板，當(dāng)氣相增大后，由于板上流過(guò)的液相流量有限，因此表現(xiàn)為液流強(qiáng)度20 m3/（h·m）時(shí)霧沫夾帶率減小，小于40 m3/（h·m）時(shí)的霧沫夾帶率。當(dāng)液流強(qiáng)度一定時(shí)，隨著堰高的增加，板上的液層厚度增加，且停留時(shí)間延長(zhǎng)，氣相可以裹挾更多的液相進(jìn)入上層塔板，另一方面，由于板間距固定不變，堰高增加后，在氣相流量比較大時(shí)，更容易因?yàn)閺棡R而到上層塔板，所有因素使得該塔板在堰高較高時(shí)，表現(xiàn)出高的霧沫夾帶率。

圖5 三種開(kāi)孔率下的霧沫夾帶率Fig.5 Entrainment rate(ev) under three opening rates.

圖6 為不同塔板的漏液率。由圖6 可知，三種塔板的漏液率均隨F0的增加而降低，且開(kāi)孔率較大的Y 型固定閥塔板，漏液率較高。在F0達(dá)到某一值時(shí)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，三種開(kāi)孔率塔板的漏液率基本趨于一致。這是因?yàn)樵谠摎馑傧?，塔板上方的液體已完全被氣體推動(dòng)，基本呈直線下降趨勢(shì)。當(dāng)堰高一定時(shí)，隨著液流強(qiáng)度的增加，漏液率應(yīng)該也相應(yīng)增加，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液流強(qiáng)度60 m3/（h·m）下的漏液率比40 m3/（h·m）的時(shí)候稍低一些，這是由于漏液量和進(jìn)液量比值的變化引起的，漏液率與兩者的變化有關(guān)。當(dāng)液流強(qiáng)度一定時(shí)，隨著堰高的增加，板上液層變厚，持液量增加使得所有孔的受液量增加，從而導(dǎo)致漏液率增加。

圖6 不同塔板的漏液率Fig.6 Leakage rate(w) of different trays.

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)式擬合

3.1 塔板干板壓降關(guān)聯(lián)式擬合

當(dāng)液流強(qiáng)度為0 時(shí)，氣體經(jīng)過(guò)篩孔或板上各部件時(shí)所造成的能量損失稱為干板壓降。干板壓降的大小反應(yīng)了整個(gè)塔的結(jié)構(gòu)是否合理，數(shù)值的大小主要和氣相F0有關(guān)，本工作通過(guò)經(jīng)驗(yàn)式對(duì)干板壓降的數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 干板壓降關(guān)聯(lián)式系數(shù)Table 2 Coefficient of dry plate pressure drop correlation

3.2 塔板濕板壓降關(guān)聯(lián)式擬合

上文已經(jīng)指出，濕板壓降主要由三部分組成，其中干板壓降前面已經(jīng)擬合，表面張力在實(shí)際過(guò)程中造成的能量損失較?。ê雎裕?。因此，只需將液層壓降中的充氣因子進(jìn)行擬合即可，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 濕板壓降關(guān)聯(lián)式系數(shù)及實(shí)驗(yàn)誤差Table 3 Coefficient of wet plate pressure drop correlation and experimental error

3.3 塔板霧沫夾帶關(guān)聯(lián)式擬合

霧沫夾帶指當(dāng)氣速達(dá)到某一特定值時(shí)，氣相會(huì)將部分液體夾帶到上面一層塔板，霧沫夾帶率的大小會(huì)對(duì)塔板效率產(chǎn)生影響。霧沫夾帶量的大小與閥孔氣速、堰高、液流強(qiáng)度等因素有關(guān)。表4 為霧沫夾帶率擬合式的相關(guān)參數(shù)。

表4 霧沫夾帶關(guān)聯(lián)式系數(shù)Table 4 Coefficient of entrainment correlation

3.4 塔板漏液關(guān)聯(lián)式擬合

在正常操作時(shí)，若氣速過(guò)小難以支撐液體而使部分液體從上層塔板漏到下層塔板的現(xiàn)象稱為漏液。漏液量的多少?zèng)Q定了塔板的操作下限，主要與閥孔氣速、堰高和閥的高度等因素有關(guān)。漏液點(diǎn)孔速擬合式中相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 漏液關(guān)聯(lián)式系數(shù)Table 5 Coefficient of leakage correlation

4 結(jié)論

1）5.30%開(kāi)孔率Y 型固定閥塔板的干板壓降、濕板壓降均比8.07%，9.4%開(kāi)孔率的Y 型固定閥塔板小。

2）5.30%開(kāi)孔率Y 型固定閥塔板的霧沫夾帶率要比8.07%和9.40%開(kāi)孔率的Y 型固定閥塔板小很多，小開(kāi)孔率有利于減小霧沫夾帶的產(chǎn)生。

3）5.30%開(kāi)孔率Y 型固定閥塔板的漏液率要小于其他兩種開(kāi)孔率的Y 型固定閥塔板，開(kāi)孔率較大，正常操作范圍減小。

4）由此得出Y 型固定閥塔板符合一般固定閥塔板的流體力學(xué)規(guī)律，由于具有特殊的閥體結(jié)構(gòu)，在減少霧沫夾帶方面起到了很大的作用，對(duì)液流產(chǎn)生的推動(dòng)和導(dǎo)流作用使得漏液率也明顯降低。將該結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，為今后石油化工領(lǐng)域?qū)ξ锵档姆蛛x提供思路和參考。