梯矩形立体连续传质塔板流体力学性能

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:675

关键词：新型垂直筛板;梯矩形立体喷射塔板;流体力学;板压降;雾沫夹带
分类号：TQ053.5 　 文献标识码：A 文章编号：0438-1157(2005)04-0593-05

引 言
新型垂直筛板（new-vertical-sieve-tray，简称New-VST）是由日本三井造船株式会社（MSE）开发的一种新型高速并流喷射塔板，经美国分馏公司（FRI）测定后认为，这种塔板在解决高负荷、高效率和低压降等问题方面取得了突破性进展[1]，New-VST自问世以来受到国内外化工界的高度重视，三井造船公司株式会社又加以改进并在日本、美国、前联邦德国等国家取得了专利，与此同时在工业应用方面亦取得了相当的成绩，自1980年起，国内一些单位如大连理工大学、北京化工大学、西北大学、河北工业大学、兰州石油机械研究所塔器组等先后对New-VST帽罩单元的结构、流体力学以及传质性能进行了研究并取得了一定成果[2~9]。但应认识到，由于New-VST同样涉及相当复杂的直接接触的企业两相流体流动分布和相际间的传质问题，所以人们对其性能的了解仍然十分有限。本文是在分析了现有文献及多年工业应用设计的基础上提出了一种全新型的垂直筛板——梯矩形立体连续传质塔板（LLC-Tray），无论从罩体结构上还是帽罩在塔板上的安装排布上都有新的变化，实验表明这种全新塔板具有更高的处理能力、更低的压降、更小的雾沫夹带及更大的操作弹性等优点。

1 实验
1.1实验装置
    本实验是在一套600mm×800mm的矩形多罩冷模装置中进行的，如图1所示，该装置是由4块塔板组成的，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夜测试板。在实验板上安装有11只高低不同的帽罩，实验板孔为平板孔型。
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帽罩结构
    实验用的帽罩结构及板的开空率见表1 .帽罩在塔板上地排布形式采用高低错落排布（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。
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 结果与讨论
2.1干板压降
    对于干板压降，大家一致认为是由于气体通过板孔和帽罩开孔时的收缩、膨胀以及在帽罩内改变方向而引起的能量损失。赖文衡[10]以流体力学的基本规律为基础，从理论上研究了New-VST的干板压降问题后认为干板压降的一般关联式应为
(1)
实验测定了在不同气速下的平板板孔以及装有帽罩时的干板压降，结果见图3.并采用式（1）对所得到的数据进行拟合，得到以下关系式
(2)
计算值与实验数据的相对误差小于5%。
图3：LLC-Tray干板压降
（1mmH2O=9.80665Pa）
    从图3可以看出LLC-Tray塔板的干板压降变化规律与New-VST等塔板相同，这是因为LLC-Tray塔板的帽罩结构与这些塔板一样，气体通过其通道时，由于气体通道面积不随气体的流量变化而变化，因而干板压降与气速的平方呈正比关系。LLC-Tray塔板的干板压降与其平板孔的压降值差的不是很多，尤其在低气速的时候两者几乎重合，这说明了LLC-Tray罩体设计的合理性，从而充分降低了过程在罩体上的能量损失，如果把LLC-Tray塔板总的干板压降看成是两部分组成：即由气体通过板孔产生的能量损失和气体通过帽罩体所产生的能量损失，气体通过板孔时的压降占总干板压降的80%，这就说明由于LLC-Tray塔板采用的特殊结构使得气体通过帽罩体时所产生的能量损失很小，从而降低了整个塔板的阻力损失。
通过图3对LLC-Tray塔板与New-VST塔板的干板压降进行比较，LLC-Tray塔板干板压降比New-VST降低约30%左右。这是由于LLC-Tray塔板在喷射板与盖板之间开有天窗，大大增加了喷射板的开孔率，降低了气体通过帽罩体的速度，从而使得罩体内外的压差减小，进而使气体与罩顶的碰撞程度大大减小，同时减少了因气体碰撞、折返、涡流而引起的能量损失的缘故。
2.2湿板压降
    湿板压降与气液两相流动状况的关系极为密切，通过实验观测表明：LLC-Tray湿板压降与New-VST相似，但泡罩、浮阀等塔板有明显的不同。通过实验测定在不同条件下的湿板压降结果绘于图4和图5。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，而板上清液层高度又受到液流强度和堰高的影响，对于湿板压降可以采用如下的加合模型
(3)
对实验数据采用上述模型进行处理，得到以下关联式
(4)
计算值与实验数据的误差一般小于8%。
    通过比较LLC-Tray 和New-VST的湿板压降（如图6所示），发现LLC-Tray的压降 比New-VST降低约35%左右，这也说明由于LLC-Tray 在结构上的特殊设计以及在塔板上的特殊排布使得气液两相在塔板上的接触更加合理，从而使总能耗降低。
图4：LLC-Tray的气体速度对湿板压降的影响 图5：LLC-Tray的液体流量对湿板压降的影响
（1mmH2O=9.80665Pa） （1mmH2O=9.80665Pa）
图6：LLC-Tray与New-VST湿板压降的比较
（1mmH2O=9.80665Pa）
2.3 雾沫夹带
    雾沫夹带是塔板的重要性能指标，夹带量的大小影响其实际应用效果。通过实验测定了板孔气速、液流强度、溢流堰高、喷射板开孔率以及罩体底隙对塔板雾沫夹带的影响，实际结果如图7、图8所示。
图7：LLC-Tray气体速度对塔板雾沫夹带的影响 图8：LLC-Tray液体负荷对塔板雾沫夹带的影响
（Lw=22.5m ·（h·m） ，HT=500mm） （HT=500mm）
对于影响塔板雾沫夹带的因素的分析结果可以看出，影响塔板雾沫夹带的主要因素可以归纳为：板孔动能因子F0和板上清液层高度hol.对实验取得数据进行多元线性回归，得到以下公式（见表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.
图9：LLC-Tray与New-VST雾沫夹带的比较
（HT=500mm）
    通过比较LLC-Tray 和New-VST[11]的雾沫夹带（如图9所示），说明了由于LLC-Tray 增设的天窗以及折流挡板的作用，使得雾沫夹带量明显降低（80%以上）,从而说明了LLC-Tray 在设计上的先进性和合理性。
2.4塔板漏液
    在正常操作工况下，塔板上的液体是通过降液管逐板流动的，只有少量的液体可能从塔板的升气孔中漏下（这种情况只在低气速的时候才发生），虽然漏下的这部分液体将造成液相的轴相返混，导致塔板效率降低。一般认为影响漏液量的主要因素是板孔气速和塔板上清液层高度。通过实验考察了上述两个因素对于漏夜量的影响，结果绘于图10、图11。
图10：不同液体负荷下的塔板漏夜量的比较
    实验测试表明，当板孔气速低于某一临界值时，漏液量会迅速增加。在临界气速附近时，有少量板上液体以大液滴状漏下，且漏液的位置无规律的随机变化；当气速低于临界气速，板上液体以片状大液团连续漏下，随气速的降低，漏液量急剧增加直至塔板正常操作状态完全破环。通过图10可以看出，液流强度对塔板漏液的影响不像板孔气速那样明显，工程设计中甚至可以忽略。
对实验所得到的数据进行回得到以下公式
el=4.63×10 F (5 )
2.5 操作弹性
    引用文献[11]的数据，雾沫夹带量0.1kgH2O.(kg air)-1为气相操作上限，漏夜量10 kgH2O.(100kgH2O)-1为气相下限，对LLC-Tray 、New-VST及浮阀塔板操作弹性进行比较，结果列于表3。 通过与浮阀塔板及New-VST气速下限比较，LLC-Tray气速下限高一些，但LLC-Tray的气速上限要比浮阀塔板及New-VST高（约比New-VST提高94%；比浮阀塔板提高150%以上），从而知LLC-Tray操作弹性比New-VST、浮阀塔板都大。
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.结论
梯矩形立体喷射塔板（LLC-Tray）是在新型垂直筛板的基础上进行结构上的改进——顶板与喷射板之间增设天窗、喷射板处增加折流挡板并且把不同高度的帽罩在塔板上错落排布，这样在正常工作时大大减少了罩间对喷的程度，从而使LLC-Tray性能与New-VST相比有以下提高：板压降降低（干板压降降低30%左右、湿板压降降低35%左右）、生产能力提高（约40%）、操作弹性增大（38%左右）雾沫夹带降低（大于80%）。实验表明梯矩形立体喷射塔板（LLC-Tray）是一种更为优秀的喷射型塔板。
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
β —— 液层阻力系数
ζ ——阻力系数
ρg —— 气相密度，kg.m-3
ρl —— 液相密度， kg.m-3
参考文献：
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