立体连续传质复合塔板流体力学特性

作者/来源:天津衡创工大现代塔器技术有限公司    日期:2012-05-21    点击量:584

关键词：复合塔板； 梯矩形立体连续传质塔板；流体力学；压降；操作弹性
分类号：TQ053.5　 文献标识码：A 文章编号：0438-1157(2006)06-1314-05

引言
板式塔结构简单、性能稳定、成本低廉，广泛应用于各种场合，但雾沫夹带大、操作弹性小等原因限制其进一步应用；填料塔压降低、传质效率高，因此有人将两者结合起来形成一种新的高效复合塔板。复合塔板有以下特点：（1）整个塔板空间全部具有传质作用； （2）填料层起到气体均布器的作用，使气体分布均匀，气体接触更好；（3）填料层能够捕捉由气相夹带的雾沫（包括小液滴），基本上消除了塔板间的雾沫夹带。从目前报道来看，复合塔板的实际应用效果良好——传质效率高、雾沫夹带小、操作弹性大， 因此有必要对复合塔板进行开发研究。
作者在梯矩形立体传质塔板（LLC-Tray）基础上，通过在塔板下面增加一薄层规整丝网填料，使其既具有板式塔的优点既拥有板式塔的优点又有填料塔的特点，同时，避免了以前复合塔板的板间空间几乎全部被填料层占用的缺点，使设备结构简单、安装（拆卸）方便、费用降低。本文通过实验初步测定了该复合塔板的基本流体力学性能，以期对今后的研究及工程应用有所帮助。

1 实验
1.1实验装置
实验在800㎜×600㎜的矩形多罩冷模装置中进行，如图1所示。该装置由4块塔板组成：顶层为雾沫夹带测试板，中间两层为实验板，底层为气体分布及漏液测试板。实验板上安装有11只高度不同的帽罩，实验孔为平板孔型。
Fig.1 Sketch map of experimental equipment
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
复合塔板结构
1.2.1帽罩结构 实验帽罩结构及开空率见表1。帽罩结构在塔板上采用高低错落排布（A-B-A 或B-A-B），帽罩形状及塔板上的安装形式见图2 .[（a）为主视图，（b）为俯视图]。
Fig.2 Sketch map of cup and installation in compound tray
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%.
1.2.2 规整填料参数 2~3层不锈钢丝网填料按平铺方式放入塔板下方，其特性参数为：比表面125㎡.m-3,空隙率96%~98.5%。
1.3 测试方法
（1）空气流量用标准毕托管+微压差计测量；
（2） 液体流量用智能涡轮数字流量计测量；
（3） 干、湿板压降采用U形管压差计测量；
（4） 板上清液层高度用液面计测量；
（5） 雾沫夹带及漏液经收集后用台秤称量；

2 结果与讨论
2.1 干板压降
实验测定了相同条件（开孔形式、孔径和开孔率）时复合塔板的板孔压降和干板压降，结果汇于图3。由图3可知，复合塔板的板孔压降和干板压降并没有因增加一层填料而引起明显的差别，复合塔板与LLC-Tray的压降（包括板孔压降和干板压降）变化规律基本相同，只是复合塔板的压降比LLC-Tray的压降稍大一些。这是由于板孔下的那层规整丝网填料，使得气体在通过复合塔板时压降值增大，但是又由于填料对上升气体由均布的作用，使得上升气体分布均匀，从而消除了气体速度局部过大以及局部涡流现象，减小了气体能量损失，综合以上两各方面的因素，使得复合塔板的压降值比LLC-Tray压降大的不是很多。
Fig.3 Dry-pressure-drop of compound tray（1mmH2O=9.80665Pa）
由于复合塔板压降变化规律与LLC-Tray干板压降的变化规律相似，所以同样利用模型
(1)对复合塔板的干板压降进行拟合，式（2）是利用实验得到的数据拟合结果
2.2 湿板压降
湿板压降湿板压降与气液两相流动状况的关系比较复杂，一般认为影响湿板压降的主要因素是板孔气速和板上清液层高度。本文通过实验研究了上述两个参数对湿板压降的影响。
图4说明在其他条件不变的情况下，复合塔板的湿板压降随着板孔气速的增大而增大，其变化趋势与LLC-Tray的相似，差值随气速的变化而变化：气速较低时两者差值较小；而气速较大时比较大。这可能是由于随着气速的增大，由于液沫占据填料的空隙，使得气体消耗在规整填料细小空隙处的能耗变大的缘故，从而复合塔板总压降增大的幅度较大。
图5说明在板孔气速和溢流堰高度不变条件下，复合塔板的湿板压降随着液流强度的增大而增大；而溢流堰高度对于湿板压降的影响基本上相同，即随堰高的增高而增大。
Fig.4 Comparison of wet-pressure-drop between compound tray and LLC-Tray
Lw=22.5m ·（h·m）
Fig.5 Effect of weir height od wet-pressure-drop of compound tray
(Fo=25.36m.s-1.(kg.m-3)-1/2)
由于液流强度和溢流堰高度是通过影响板上液层高度来影响湿板压降，所以利用加和模型式（3）
(3)
关联实验所得到的数据，得到以下关联式
(4)
2.3 雾沫夹带
本文测定了板孔气速、液流强度、溢流堰高、喷射板开孔率以及罩体底隙等因素对复合塔板雾沫夹带的影响，结果表明，影响雾沫夹带的主要因素是板孔气速uo（这里没有考虑板间距对塔板雾沫夹带的影响），结果示于图6。
对实验数据进行拟合得到以下公式
ev=9.5×10 u (5)
由图6可以看出，复合塔板的雾沫夹带非常小，尤其在高气速时，其夹带量远远小于LLC-Tray的夹带量（低80%左右），这是由于塔板下面的规整填料将气体夹带上来的细小液滴“拦截”下来，小液滴又逐渐合并成大液滴，从而落回到下一层塔板上，规整填料不但“拦截”了气体夹带的细小液滴， 而且还通过液滴的合并更新气液接触表面积，从而提高复合塔板传质效率。
Fig.6 Comparison of entrainment between compound tray and LLC-Tray
（Lw=19.3m ·（h·m） ，HT=500mm）
2.4 漏液
在一定溢流堰高的条件下，通过实验，测定了板孔气速、液流强度、喷射板开孔率以及罩体底隙对复合塔板漏液量的影响，试验结果表明，影响复合塔板漏液量的主要因素是板孔气速uo结果示于图7。
Fig.7 Comparison of weeping liquid
（ Lw=19.3m ·（h·m） ）
对实验数据进行拟合得到以下公式
el=8.31×105u (5 )
由图7可知，复合塔板的漏液量远小于LLC-Tray和New-VST塔板俄的漏液量。实验过程中，将复合塔板与LLC-Tray上下放置，对二者的漏液情况进行了比较，发现当LLC-Tray漏液非常严重的时候，复合塔板还没出现漏液，在相同条件下，复合塔板的漏液量比LLC-Tray减小40%左右，这也证明了图7中二者的关系。 分析其中的原因，可能由于规整填料的空隙很小，从而液体在其界面上的表面张力变大，这样即使板孔气速变小，液体表面张力仍可以将塔板上的液体“托住”使其漏不下去，从而降低了塔板的负荷下限 。

3 结论
本文是在梯矩形立体连续传质塔板（LLC-Tray）的基础上，增加几层丝网填料，初步设计了一种新型复合塔板，通过实验，对该复合塔板在喷射状态下的压降、雾沫夹带、漏液等基本流体力学性能作了系统测试，并进行了关联。结果表明：与LLC-Tray相比，该复合塔板在相同的操作条件下具有更大通量（提高80%以上）、更大操作弹性（提高40%左右）、更小雾沫夹带（降低80%左右）、更低漏液量（减小40%左右）等优点。该复合塔板适合对能耗要求不大、通量大，同时对操作弹性有严格要求的生产

符 号 说 明
et ——漏夜量，kg液.(100 kg液)-1
ev ——雾沫夹带量，kg液.(kg气)-1
F0 ——板孔动能因子，（m.s）-1.(kg.m-3)1/2
g —— 重力加速度，m.s-2
H T —— 板间距，mm
hd —— 干板压降，mm H2O（1 mm H2O=9.80665 pa）
hol —— 板上液层高度，mm
how ——堰高，mm
hw ——湿板压降，mm H2O（1 mm H2O=9.80665 pa）
Lw —— 液体强度，m3 .（h.m）-1
uo —— 板上气速，m.s-1
ρg ，ρl —— 气相密度、 液相密度， kg.m-3
β —— 液层阻力系数
ζ ——阻力系数
ε——板孔阻力系数
参考文献：
[1]Yao Kejian(姚克俭),Zhu Lingyu(祝铃钰),Ji Jianbing (计建炳).The study and development of compound tray and its applications.Petrochemical Technology(石油化工),2000,29(10):772-776
[2]Wang Weilin(王伟林).Application of new type clad tray in methanol recovery.Contemporary Chemical Industry (当代化工),2002,31(1):52-54
[3]Gao Changbao(高长宝),Zhou Kun(周鹍),Zeng Aiwu (曾爱武),Wang Shuymg(王树楹).Hydrodynamics of jet coflow packing tray.Petrochemical Technology(石油化工),2002,31(8):619-722
[4]Zhuang Zhijun (庄志军),Liu Fang (刘放),Zhang Weihua (张卫华),Wei Guangye (卫广业).Study on the characteristics of hydrodynamics of draining sieve plate and packing compound.Journal of J ilin Institute of Chemical Technology (吉林化工学院学报),2002,19 (4):13-16
[5]Fang Yunjin (方云进),Du Dongyun (杜冬云),Xiao Wende (肖文德).A study on hydrodynamics of large-holed combination sieve tray in spray regime.Journal of East China University of Science and Technology (华东理工大学学报),1999,25 (6):550-555
[6]Du Peiheng (杜佩衡),Dong Yanhe (董艳河),Wang Rongliang (王荣良),Huang Jing (黄敬).Hydrodynamic performance of trapezoidal-rectangular solid series masstransfer tray.Journal of Chemical Industry and Engineering (China) (化工学报),2005,56 (4):593-597
[7]Dong Yanhe (董艳河).The study on structures and performances of the jet type solid series mass-transfer tray[D].Tianjin:Hebei University of Technology,2003
[8]Wang Hualiang (王良华),Ji Jianbing (计建炳),Yao Kejian (姚克俭),Xu Chongsi (徐崇嗣).Study on performance of non-uniform perforated compound tray.Petrochemical Technology (石油化工),2003,32 (6):499-503
[9]Du Dongyun (杜冬云),Wang Jun (王军),Fang Yunjin (方云进),Xiao Wende (肖文德).Hydrodynamics of plural tray (Ⅱ):Effect of operation variable and liquid physical property on sieve tray.Journal of Chemical Industry and Engineering (China)(化工学报),2002,53(7):690-694
[10]Du Peiheng (杜佩衡),Wang Qingyao (王庆瑶),Yu Wenkui (于文奎).Research on hydrodynamic performance of the New-VST.Petro Chemical Equipment (石油化工设备),1986,15 (9):1-8