作者/來(lái)源:天津衡創(chuàng )工大現代塔器技術(shù)有限公司    日期:2012-05-21    點(diǎn)擊量:636

關(guān)鍵詞：新型垂直篩板;梯矩形立體噴射塔板;流體力學(xué);板壓降;霧沫夾帶
分類(lèi)號：TQ053.5 　 文獻標識碼：A 文章編號：0438-1157(2005)04-0593-05

引 言
新型垂直篩板（new-vertical-sieve-tray，簡(jiǎn)稱(chēng)New-VST）是由日本三井造船株式會(huì )社（MSE）開(kāi)發(fā)的一種新型高速并流噴射塔板，經(jīng)美國分餾公司（FRI）測定后認為，這種塔板在解決高負荷、高效率和低壓降等問(wèn)題方面取得了突破性進(jìn)展[1]，New-VST自問(wèn)世以來(lái)受到國內外化工界的高度重視，三井造船公司株式會(huì )社又加以改進(jìn)并在日本、美國、前聯(lián)邦德國等國家取得了專(zhuān)利，與此同時(shí)在工業(yè)應用方面亦取得了相當的成績(jì)，自1980年起，國內一些單位如大連理工大學(xué)、北京化工大學(xué)、西北大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)、蘭州石油機械研究所塔器組等先后對New-VST帽罩單元的結構、流體力學(xué)以及傳質(zhì)性能進(jìn)行了研究并取得了一定成果[2~9]。但應認識到，由于New-VST同樣涉及相當復雜的直接接觸的企業(yè)兩相流體流動(dòng)分布和相際間的傳質(zhì)問(wèn)題，所以人們對其性能的了解仍然十分有限。本文是在分析了現有文獻及多年工業(yè)應用設計的基礎上提出了一種全新型的垂直篩板——梯矩形立體連續傳質(zhì)塔板（LLC-Tray），無(wú)論從罩體結構上還是帽罩在塔板上的安裝排布上都有新的變化，實(shí)驗表明這種全新塔板具有更高的處理能力、更低的壓降、更小的霧沫夾帶及更大的操作彈性等優(yōu)點(diǎn)。

1 實(shí)驗
1.1實(shí)驗裝置
    本實(shí)驗是在一套600mm×800mm的矩形多罩冷模裝置中進(jìn)行的，如圖1所示，該裝置是由4塊塔板組成的，頂層為霧沫夾帶測試板，中間兩層為實(shí)驗板，底層為氣體分布及漏夜測試板。在實(shí)驗板上安裝有11只高低不同的帽罩，實(shí)驗板孔為平板孔型。
Fig.1 Sketch map of experimental equipment Fig.2 Sketch map of installation of LLC-T
1-Entrying liquid valve;2-water pump;3-leaving liquid valve;
4-flowmeter;5-tower body;6-pack;7-experimental cover;
8-experimental plate;9-gas distributing plate;
10-pilot tube;11-manometer; 12-water tank;
13-air blower;14-air adjusting valve
1.2帽罩結構
    實(shí)驗用的帽罩結構及板的開(kāi)空率見(jiàn)表1 .帽罩在塔板上地排布形式采用高低錯落排布（A-B-A 或B-A-B），帽罩形狀及塔板上的安裝形式見(jiàn)圖2 .（a）為主視圖，（b）為俯視圖。
Table 1 configuration of cap
No. length ×breadth
×height/mm3 configuration opening rate ofspray broad /% Dia.of spray
hole/㎜ Number of
spray hole configuration of
clerestory/mm3 Height of
bottom/㎜
A 140×60×170
140×60×185 flat with hem 13-18.5 8-15 3×7×2 103×107×20
100×115×23 15-23
B 140×60×170
140×60×185 flat with hem 20-27.3 8-15 3×7×2 113×117×20
100×115×23 15-23
Note: rate of trays in experiment is 12.94%.

2 結果與討論
2.1干板壓降
    對于干板壓降，大家一致認為是由于氣體通過(guò)板孔和帽罩開(kāi)孔時(shí)的收縮、膨脹以及在帽罩內改變方向而引起的能量損失。賴(lài)文衡[10]以流體力學(xué)的基本規律為基礎，從理論上研究了New-VST的干板壓降問(wèn)題后認為干板壓降的一般關(guān)聯(lián)式應為
(1)
實(shí)驗測定了在不同氣速下的平板板孔以及裝有帽罩時(shí)的干板壓降，結果見(jiàn)圖3.并采用式（1）對所得到的數據進(jìn)行擬合，得到以下關(guān)系式
(2)
計算值與實(shí)驗數據的相對誤差小于5%。
圖3：LLC-Tray干板壓降
（1mmH2O=9.80665Pa）
    從圖3可以看出LLC-Tray塔板的干板壓降變化規律與New-VST等塔板相同，這是因為L(cháng)LC-Tray塔板的帽罩結構與這些塔板一樣，氣體通過(guò)其通道時(shí)，由于氣體通道面積不隨氣體的流量變化而變化，因而干板壓降與氣速的平方呈正比關(guān)系。LLC-Tray塔板的干板壓降與其平板孔的壓降值差的不是很多，尤其在低氣速的時(shí)候兩者幾乎重合，這說(shuō)明了LLC-Tray罩體設計的合理性，從而充分降低了過(guò)程在罩體上的能量損失，如果把LLC-Tray塔板總的干板壓降看成是兩部分組成：即由氣體通過(guò)板孔產(chǎn)生的能量損失和氣體通過(guò)帽罩體所產(chǎn)生的能量損失，氣體通過(guò)板孔時(shí)的壓降占總干板壓降的80%，這就說(shuō)明由于LLC-Tray塔板采用的特殊結構使得氣體通過(guò)帽罩體時(shí)所產(chǎn)生的能量損失很小，從而降低了整個(gè)塔板的阻力損失。
通過(guò)圖3對LLC-Tray塔板與New-VST塔板的干板壓降進(jìn)行比較，LLC-Tray塔板干板壓降比New-VST降低約30%左右。這是由于LLC-Tray塔板在噴射板與蓋板之間開(kāi)有天窗，大大增加了噴射板的開(kāi)孔率，降低了氣體通過(guò)帽罩體的速度，從而使得罩體內外的壓差減小，進(jìn)而使氣體與罩頂的碰撞程度大大減小，同時(shí)減少了因氣體碰撞、折返、渦流而引起的能量損失的緣故。
2.2濕板壓降
    濕板壓降與氣液兩相流動(dòng)狀況的關(guān)系極為密切，通過(guò)實(shí)驗觀(guān)測表明：LLC-Tray濕板壓降與New-VST相似，但泡罩、浮閥等塔板有明顯的不同。通過(guò)實(shí)驗測定在不同條件下的濕板壓降結果繪于圖4和圖5。一般認為影響濕板壓降的主要因素是板孔氣速和板上清液層高度，而板上清液層高度又受到液流強度和堰高的影響，對于濕板壓降可以采用如下的加合模型
(3)
對實(shí)驗數據采用上述模型進(jìn)行處理，得到以下關(guān)聯(lián)式
(4)
計算值與實(shí)驗數據的誤差一般小于8%。
    通過(guò)比較LLC-Tray 和New-VST的濕板壓降（如圖6所示），發(fā)現LLC-Tray的壓降 比New-VST降低約35%左右，這也說(shuō)明由于LLC-Tray 在結構上的特殊設計以及在塔板上的特殊排布使得氣液兩相在塔板上的接觸更加合理，從而使總能耗降低。
圖4：LLC-Tray的氣體速度對濕板壓降的影響 圖5：LLC-Tray的液體流量對濕板壓降的影響
（1mmH2O=9.80665Pa） （1mmH2O=9.80665Pa）
圖6：LLC-Tray與New-VST濕板壓降的比較
（1mmH2O=9.80665Pa）
2.3 霧沫夾帶
    霧沫夾帶是塔板的重要性能指標，夾帶量的大小影響其實(shí)際應用效果。通過(guò)實(shí)驗測定了板孔氣速、液流強度、溢流堰高、噴射板開(kāi)孔率以及罩體底隙對塔板霧沫夾帶的影響，實(shí)際結果如圖7、圖8所示。
圖7：LLC-Tray氣體速度對塔板霧沫夾帶的影響 圖8：LLC-Tray液體負荷對塔板霧沫夾帶的影響
（Lw=22.5m ·（h·m） ，HT=500mm） （HT=500mm）
對于影響塔板霧沫夾帶的因素的分析結果可以看出，影響塔板霧沫夾帶的主要因素可以歸納為：板孔動(dòng)能因子F0和板上清液層高度hol.對實(shí)驗取得數據進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸，得到以下公式（見(jiàn)表2）。
Table 2 Simulating formulations of entrainment
Forms Suitable structure
(opening rate of spray broad)
e =3.60×10 F h
e =3.49×10 F h
e =2.92×10 F h  A(13.1%)+B(19.9%)
A(15.8%)+B(23.6%)
A(18.5%)+B(27.3%)

Note: A denotes type A cap in Table 1 and so does B.
圖9：LLC-Tray與New-VST霧沫夾帶的比較
（HT=500mm）
    通過(guò)比較LLC-Tray 和New-VST[11]的霧沫夾帶（如圖9所示），說(shuō)明了由于LLC-Tray 增設的天窗以及折流擋板的作用，使得霧沫夾帶量明顯降低（80%以上）,從而說(shuō)明了LLC-Tray 在設計上的先進(jìn)性和合理性。
2.4塔板漏液
    在正常操作工況下，塔板上的液體是通過(guò)降液管逐板流動(dòng)的，只有少量的液體可能從塔板的升氣孔中漏下（這種情況只在低氣速的時(shí)候才發(fā)生），雖然漏下的這部分液體將造成液相的軸相返混，導致塔板效率降低。一般認為影響漏液量的主要因素是板孔氣速和塔板上清液層高度。通過(guò)實(shí)驗考察了上述兩個(gè)因素對于漏夜量的影響，結果繪于圖10、圖11。
圖10：不同液體負荷下的塔板漏夜量的比較
    實(shí)驗測試表明，當板孔氣速低于某一臨界值時(shí)，漏液量會(huì )迅速增加。在臨界氣速附近時(shí)，有少量板上液體以大液滴狀漏下，且漏液的位置無(wú)規律的隨機變化；當氣速低于臨界氣速，板上液體以片狀大液團連續漏下，隨氣速的降低，漏液量急劇增加直至塔板正常操作狀態(tài)完全破環(huán)。通過(guò)圖10可以看出，液流強度對塔板漏液的影響不像板孔氣速那樣明顯，工程設計中甚至可以忽略。
對實(shí)驗所得到的數據進(jìn)行回得到以下公式
el=4.63×10 F (5 )
2.5 操作彈性
    引用文獻[11]的數據，霧沫夾帶量0.1kgH2O.(kg air)-1為氣相操作上限，漏夜量10 kgH2O.(100kgH2O)-1為氣相下限，對LLC-Tray 、New-VST及浮閥塔板操作彈性進(jìn)行比較，結果列于表3。 通過(guò)與浮閥塔板及New-VST氣速下限比較，LLC-Tray氣速下限高一些，但LLC-Tray的氣速上限要比浮閥塔板及New-VST高（約比New-VST提高94%；比浮閥塔板提高150%以上），從而知LLC-Tray操作彈性比New-VST、浮閥塔板都大。
Table 3 Comparison of operating flexibility
Upper limit of Lower limit of Operating
Item gaseous veloci gaseous veloci flexibility
uo/m.s-1 uo/m.s-1 
LLC-Tray 33.2 7.45 4.45
New-VST 17.1 6.4 3.2
Valve tray 13.2 4.0 3.3

3.結論
梯矩形立體噴射塔板（LLC-Tray）是在新型垂直篩板的基礎上進(jìn)行結構上的改進(jìn)——頂板與噴射板之間增設天窗、噴射板處增加折流擋板并且把不同高度的帽罩在塔板上錯落排布，這樣在正常工作時(shí)大大減少了罩間對噴的程度，從而使LLC-Tray性能與New-VST相比有以下提高：板壓降降低（干板壓降降低30%左右、濕板壓降降低35%左右）、生產(chǎn)能力提高（約40%）、操作彈性增大（38%左右）霧沫夾帶降低（大于80%）。實(shí)驗表明梯矩形立體噴射塔板（LLC-Tray）是一種更為優(yōu)秀的噴射型塔板。
符號說(shuō)明
et ——漏夜量，kg液.(100 kg液)-1
ev ——霧沫夾帶量，kg液.(kg氣)-1
F0 ——板孔動(dòng)能因子，（m.s）-1.(kg.m-3)1/2
g —— 重力加速度，m.s-2
H T —— 板間距，mm
hd —— 干板壓降，mm H2O（1 mm H2O=9.80665 pa）
hol —— 板上液層高度，mm
how ——堰高，mm
hw ——濕板壓降，mm H2O（1 mm H2O=9.80665 pa）
Lw —— 液體強度，m3 .（h.m）-1
uo —— 板上氣速，m.s-1
β —— 液層阻力系數
ζ ——阻力系數
ρg —— 氣相密度，kg.m-3
ρl —— 液相密度， kg.m-3
參考文獻：
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