李鑫鋼，劉 霞，高 鑫，田 沖，楊振明，張勁松，李 洪

新型泡沫碳化硅塔板的流體力學(xué)及傳質(zhì)性能

李鑫鋼1,2，劉 霞1，高 鑫1,2，田 沖3，楊振明3，張勁松3，李 洪1,2

(1. 天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心，天津 300072；3. 中國(guó)科學(xué)研究院金屬所，沈陽(yáng) 110016)

利用碳化硅泡沫材料的孔隙率高、表面積大、強(qiáng)度大、耐腐蝕和不漏液等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用到塔板上，開(kāi)發(fā)出新型整體多孔碳化硅泡沫塔板．將一定孔徑的碳化硅泡沫材料制作成厚度為12,mm的塊狀塔板，在φ 600,mm的塔內(nèi)進(jìn)行流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了干板和濕板壓降、霧沫夾帶及漏液量等參數(shù)；以環(huán)己烷-正庚烷為標(biāo)準(zhǔn)物系在φ 300,mm的傳質(zhì)塔中進(jìn)行了傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究，在常壓、全回流條件下測(cè)定了全塔效率來(lái)表征塔板傳質(zhì)效率；選擇按工業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制成的篩板與其性能進(jìn)行比較．結(jié)果表明：泡沫孔徑為2,mm的塔板壓降過(guò)高；泡沫孔徑為4,mm的塔板漏液較多，且出現(xiàn)不均勻漏液；而孔徑為3,mm及3～4,mm組合的兩種新型塔板具有壓降低、霧沫夾帶少、漏液少和全塔效率高等特點(diǎn)，是流體力學(xué)及傳質(zhì)性能優(yōu)良的新型泡沫塔盤(pán)．

碳化硅；塔板；流體力學(xué)；全塔效率

板式塔是重要的氣液和液液傳質(zhì)設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、操作方便、易于放大、造價(jià)低廉且穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在常壓或加壓系統(tǒng)，特別是大塔徑、多側(cè)線氣液傳質(zhì)設(shè)備中的應(yīng)用具有較大的優(yōu)勢(shì)．塔板是板式分離塔的核心，是氣液接觸進(jìn)行熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的場(chǎng)所．近年來(lái)，塔板設(shè)計(jì)技術(shù)飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外相繼推出了一系列結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良的新型塔板．有的在傳統(tǒng)塔板的基礎(chǔ)上，對(duì)原有塔板的不足做局部的改進(jìn)，如減小液面梯度、漏液、霧沫夾帶等方面的改進(jìn)[1-3]；也有針對(duì)某些特殊物系設(shè)計(jì)的塔板，如具有消泡功能和防堵塞功能的塔板等[4-5]；還有一些與傳統(tǒng)塔板結(jié)構(gòu)差異顯著，氣液接觸方式發(fā)生了極大的變化，如立體傳質(zhì)塔板和復(fù)合塔板等[6-7]．這些新型塔板無(wú)論是在操作性能還是改造費(fèi)用上都顯示出廣闊的應(yīng)用前景[8]．總之，具有低壓降、大通量、高效率等優(yōu)良性能的塔板一直是廣大科技工作者追求的目標(biāo)，但是對(duì)于新興功能材料在塔器中的應(yīng)用研究則缺乏重大創(chuàng)新和突破．

近年來(lái)，各領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)多孔陶瓷特別是泡沫碳化硅表現(xiàn)出了極大興趣．作為新型功能材料，泡沫碳化硅具有孔隙率高、強(qiáng)度大、相對(duì)密度小、表面積大、耐磨蝕、抗氧化、熱膨脹系數(shù)低、熱傳導(dǎo)率高、耐熱沖擊性能優(yōu)良以及抗熱震性能好等一系列優(yōu)良特性[9]．新型泡沫碳化硅陶瓷在化工過(guò)程中的應(yīng)用主要包括用于以多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)為基礎(chǔ)的化學(xué)工業(yè)爐、新型高效耐用換熱器[10-11]、結(jié)構(gòu)化催化劑以及多功能反應(yīng)器[12-13]等方面．文獻(xiàn)[14-16]報(bào)道在精餾過(guò)程中泡沫碳化硅作為填料或塔板傳質(zhì)體強(qiáng)化化工分離過(guò)程，表明泡沫碳化硅在新型塔內(nèi)件應(yīng)用中具有很大的潛力．筆者首先提出將整體碳化硅泡沫[17]作為鼓泡區(qū)固定在塔板支架上，開(kāi)發(fā)出一種新型多孔碳化硅泡沫塔板，其中碳化硅泡沫塊的厚度為12,mm，孔徑分別為2,mm、3,mm、4,mm，以及3,mm和4,mm的組合．分別在φ600,mm的流體力學(xué)塔和φ300,mm的傳質(zhì)塔中進(jìn)行流體力學(xué)和傳質(zhì)性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并將不同孔徑的塔板性能與篩板性能進(jìn)行比較，以期對(duì)泡沫碳化硅塔板進(jìn)行評(píng)價(jià)并對(duì)其應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)．

1 材料與方法

1.1 塔板結(jié)構(gòu)

本文所用碳化硅泡沫陶瓷的比表面積為0.02,m2/g，機(jī)械強(qiáng)度高[17]，在空氣中低于1,600,℃的環(huán)境均可應(yīng)用，采用接觸角測(cè)量?jī)x(型號(hào)：Dataphysics OCA15EC Contact-Angle System)測(cè)量光滑碳化硅的接觸角為44°(小于90°)，潤(rùn)濕性良好．該泡沫材料來(lái)源廣泛，制備成本低，比金屬材料的制備過(guò)程更為環(huán)保，在節(jié)能減排方面具有很大優(yōu)勢(shì)，所以其具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性．

實(shí)驗(yàn)所用的碳化硅泡沫塊邊緣封閉，不通氣，實(shí)驗(yàn)時(shí)用硅膠將碳化硅緊密固定于不銹鋼塔板支架上，保證邊緣不漏液，塔板開(kāi)孔率以塔板支架的開(kāi)孔面積為準(zhǔn)．碳化硅泡沫的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其漏液量很小，所以可以大幅度地增加塔板開(kāi)孔率，加強(qiáng)鼓泡區(qū)，提高塔板效率．筆者充分利用塔板空間，將整塊的泡沫材料作為鼓泡區(qū)，設(shè)計(jì)了5種碳化硅泡沫塔板，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示．其中用于流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)的塔板開(kāi)孔率為43.2%(基于全塔面積)，傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)的塔板開(kāi)孔率為26.8%(基于全塔面積)．

圖1 泡沫碳化硅塔板Fig.1 SiC foam tray

表1 不同塔板上泡沫碳化硅的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1Structural parameters of different SiC foam trays

另外，在相同的實(shí)驗(yàn)條件和裝置上，采用篩板塔進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)．由于篩板塔漏液量和機(jī)械強(qiáng)度的限制，其開(kāi)孔率不能大幅度增加，本文是根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[18]設(shè)計(jì)的厚度為3,mm的篩板．其中，流體力學(xué)性能測(cè)定所選擇的篩板開(kāi)孔210個(gè)，孔徑8,mm，基于全塔面積的開(kāi)孔率為4.03%(基于開(kāi)孔區(qū)面積的開(kāi)孔率14.70%)；傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)選擇的篩板開(kāi)孔76個(gè)，孔徑6,mm，基于全塔面積的開(kāi)孔率為3.03%(基于開(kāi)孔區(qū)面積的開(kāi)孔率7.40%)，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2．

圖2 篩板的排布Fig.2 Arrangement of sieve tray

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和流程

流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)是在直徑600,mm、高2,500,mm的透明有機(jī)玻璃塔內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示．塔內(nèi)安裝有兩塊塔板，上面一塊板作為實(shí)驗(yàn)板，下面一塊板作為氣體均布和測(cè)試塔板漏液量的輔助板，塔上部氣相出口安裝有絲網(wǎng)除沫器用來(lái)測(cè)定霧沫夾帶量.在一定液流強(qiáng)度下，從小到大調(diào)節(jié)氣速直至達(dá)到液泛，測(cè)量塔板壓降、漏液量、霧沫夾帶量等參數(shù)．

圖3 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.3 Schematic drawing of the hydrodynamics experimental apparatus

傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)在直徑300,mm、高3,500,mm的不銹鋼塔內(nèi)進(jìn)行，塔內(nèi)安裝有4塊塔板，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示．實(shí)驗(yàn)采用正庚烷-環(huán)己烷(分析純，遼陽(yáng)裕豐化工有限公司)系統(tǒng)，全回流操作．利用阿貝折光儀(WAY-2WAJ，上海精密科學(xué)儀器有限公司)完成產(chǎn)品測(cè)試．

流體力學(xué)與傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置具體結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作條件見(jiàn)表2．

圖4 傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.4Schematic drawing of mass transfer performance experimental apparatus

表2 流體力學(xué)及傳質(zhì)塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作條件Tab.2 Structure parameters and operating conditions of the experimental setups for hydrodynamics experiments and mass transfer efficiency tests

2 結(jié)果與討論

2.1 干板壓降

干板壓降是指塔板上沒(méi)有液體時(shí)，氣體通過(guò)塔板的氣體通道時(shí)所產(chǎn)生的阻力損失，與開(kāi)孔結(jié)構(gòu)、開(kāi)孔率、板型和塔板厚度等參數(shù)有關(guān)．圖5為新型泡沫碳化硅塔板與傳統(tǒng)篩板在不同塔氣相動(dòng)能因子下干板壓降的比較結(jié)果．6種塔板的壓降大小順序?yàn)椋核澧瘢竞Y板＞塔板Ⅱ＞塔板Ⅳ＞塔板Ⅴ＞塔板Ⅲ．

圖5 碳化硅塔板與篩板的干板壓降比較Fig.5 Comparison of dry pressure drop for SiC foam trays and sieve tray

在相同的孔動(dòng)能因子下，泡沫碳化硅的壓降高于篩板，而本文利用整體碳化硅塔盤(pán)開(kāi)孔率很大而不漏液的特點(diǎn)來(lái)達(dá)到降低壓降的目的．本文是在相同的氣相負(fù)荷下進(jìn)行比較，也就是以有效傳質(zhì)面積為依據(jù)計(jì)算的氣相動(dòng)能因子為比較基準(zhǔn)．泡沫塔板開(kāi)孔率大(但不漏液)、孔動(dòng)能因子小，因此壓降較低；篩孔塔板開(kāi)孔率小、孔動(dòng)能因子大，因而壓降也較大．塔板Ⅰ的壓降高于篩板是由于泡沫材料的孔徑小(2 mm)，氣體經(jīng)過(guò)塔板的通道較窄，導(dǎo)致較高的阻力損失．

圖5表明碳化硅塔板的壓降隨碳化硅泡沫孔徑的增大而減小．這是因?yàn)榭讖皆叫?，氣體通道就越窄，氣體通過(guò)塔板的阻力也就越大．雙層不同孔徑的組合塔板(Ⅳ、Ⅴ)的壓降介于塔板Ⅱ、Ⅲ之間，這是因?yàn)闅怏w穿過(guò)不同孔徑碳化硅時(shí)形成不同的縮脈現(xiàn)象．氣體穿過(guò)塔板Ⅳ上的兩層不同孔徑的碳化硅泡沫，與氣體通過(guò)下錐形篩板類似，氣體流束通過(guò)碳化硅塔板的3,mm孔進(jìn)入4,mm孔，4,mm孔徑?jīng)]有漸擴(kuò)作用，因此，塔板Ⅳ與3,mm單一孔徑的塔板Ⅱ的縮脈情況基本相同，干板壓降情況也相近．而氣體通過(guò)塔板Ⅴ時(shí)與通過(guò)上錐形篩板類似，氣體剛通過(guò)和剛離開(kāi)碳化硅塔板孔徑時(shí)的流束直徑均大于塔板Ⅱ和Ⅳ的流束直徑，從而降低氣體穿過(guò)塔板的干板壓降[19]．

2.2 濕板壓降

塔板濕板壓降主要包括干板壓降和氣流通過(guò)液層的壓降兩部分．對(duì)于碳化硅塔板，高國(guó)華[16]對(duì)碳化硅固定傳質(zhì)體塔板的微觀模擬表明，濕板狀態(tài)下由于碳化硅泡沫容易被液體潤(rùn)濕，使得碳化硅材料中滯留液體，從而造成碳化硅塔板具有較高的濕板壓降．因此，濕板壓降的測(cè)定對(duì)碳化硅塔板的設(shè)計(jì)至關(guān)重要．

圖6為液流強(qiáng)度L=19.70,m2/h、堰高Hw= 40,mm時(shí)濕板壓降隨F的變化規(guī)律．從圖6中可以看出，濕板壓降隨F的增大而增加，隨孔徑的增加而減小．當(dāng)F＜2.0,kg1/2/(m1/2·s)時(shí)，壓降比較結(jié)果：塔板Ⅰ＞塔板Ⅱ＞塔板Ⅳ＞篩板＞塔板Ⅴ＞塔板Ⅲ；當(dāng)F＞2.0,kg1/2/(m1/2·s)時(shí)，壓降比較結(jié)果：塔板Ⅰ＞篩板＞塔板Ⅱ＞塔板Ⅳ＞塔板Ⅴ＞塔板Ⅲ．這主要因?yàn)樵诘蜌馑贂r(shí)，碳化硅泡沫材料良好的潤(rùn)濕性導(dǎo)致塔板上方的液層流入多孔泡沫內(nèi)成為靜持液，使得多孔泡沫材料的真實(shí)孔徑變小，氣體流過(guò)多孔通道的阻力增大，所以即使塔板Ⅱ、Ⅳ具有較大開(kāi)孔率，壓降依然高于篩板．隨著氣速的增大，多孔泡沫內(nèi)的液體減少，潤(rùn)濕的塔板的孔隙率增大，塔板壓降下降．塔板Ⅰ的濕板壓降遠(yuǎn)高于其他塔板，在實(shí)驗(yàn)測(cè)定范圍內(nèi)最高可達(dá)1,800,Pa，這是因?yàn)樗蹇讖叫?、氣流通道窄、阻力系?shù)大所致．從圖中還可看出具有較大孔徑的塔板Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的濕板壓降明顯低于塔板Ⅰ，所以通過(guò)適當(dāng)增加碳化硅泡沫的孔徑可以使新型碳化硅泡沫塔板具有較低的濕板壓降．

圖6 碳化硅塔板與篩板濕板壓降的比較Fig.6Comparison of wet pressure drop for SiC foam trays and sieve tray

圖7 和圖8分別為塔板Ⅴ在Hw=40,mm、不同液流強(qiáng)度和L=19.70,m2/h、不同堰高時(shí)的濕板壓降．從圖中可以看出，隨著液流強(qiáng)度的增大或溢流堰的增加，塔板的濕板壓降增大，這是因?yàn)橐毫鲝?qiáng)度越大，溢流堰越高，板上液層越厚，濕板壓降越大．

圖7 塔板Ⅴ在Hw=40,mm時(shí)的濕板壓降Fig.7 Wet pressure drop of Ⅴ foam tray for Hw=40,mm

圖8 塔板Ⅴ在L=19.70,m2/h時(shí)的濕板壓降Fig.8 Wet pressure drop of Ⅴ foam tray for L=19.70,m2/h

2.3 漏液量

漏液是指在低氣相負(fù)荷下，氣體通過(guò)塔板的阻力小于液層的靜壓，液體直接穿過(guò)塔板而不經(jīng)過(guò)溢流堰進(jìn)入下層塔板．漏液會(huì)使塔板上氣液接觸時(shí)間不同，導(dǎo)致縱向返混造成板效率下降，是衡量塔板流體力學(xué)性能重要的參數(shù)之一．

圖9為各種塔板在L=19.70,m2/h、Hw=40,mm時(shí)，漏液量q隨F的變化情況．圖中未包括塔板Ⅰ的漏液情況是因?yàn)槠渎┮毫繕O少(小于1%)，可視為不漏液．圖9顯示在低氣速時(shí)塔板漏液量較大，但當(dāng)F＞2.0,kg1/2/(m1/2·s)時(shí)，各塔板漏液量均低于2%．不同碳化硅塔板漏液量比較結(jié)果為：Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅱ．當(dāng)F＜1.0,kg1/2/(m1/2·s)時(shí)，篩板的漏液量最大；當(dāng)F＞1.0,kg1/2/(m1/2·s)時(shí)，塔板Ⅲ＞塔板Ⅳ＞篩板＞塔板Ⅴ＞塔板Ⅱ．碳化硅塔板比篩板漏液量少，是因?yàn)榈蜌馑贂r(shí)液體流入碳化硅泡沫后，由于泡沫骨架表面對(duì)液膜的表面張力作用和泡沫材料特殊的不規(guī)則三維通道的阻滯作用，使得碳化硅泡沫塔板較篩板更不容易漏液．因此，新型碳化硅泡沫塔板在更低的氣相負(fù)荷和更高的液相負(fù)荷下仍可以正常操作．但是，隨著多孔泡沫材料孔徑的增大，它的特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)液體的支撐作用逐漸不明顯，因此，從圖中可看出孔徑越大漏液量越大．實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在低氣速時(shí)，塔板Ⅲ發(fā)生偏流，這是由于多孔泡沫的孔徑大導(dǎo)致氣體分布不均所致．

圖9 不同塔板漏液量比較Fig.9 Comparison of weeping for SiC foam trays and sieve tray

圖10 和圖11分別為塔板Ⅴ在Hw=40,mm、不同液流強(qiáng)度和L=19.70,m2/h、不同堰高時(shí)的漏液量隨F的變化規(guī)律．從圖中可以看出，碳化硅塔板漏液量隨著液流強(qiáng)度的增加及溢流堰的增高而增大．這是因?yàn)樵谙嗤腇下，溢流堰的增高以及液流強(qiáng)度的增大都會(huì)使液層的靜壓頭增大，從而使塔板漏液量增加．因此，可以根據(jù)工況選擇合適的堰高和孔徑的搭配．

圖10 塔板Ⅴ在Hw=40,mm時(shí)的漏液量Fig.1 0 Weeping of Ⅴ foam tray for Hw=40,mm

圖11 塔板Ⅴ在L=19.70,m2/h時(shí)的漏液量Fig.1 1 Weeping of Ⅴ foam tray for L=19.70,m2/h

從圖中還可看出，在較大液流強(qiáng)度或較高溢流堰情況下，即使F很小(如F=1.2,kg1/2/(m1/2·s))，碳化硅塔板的漏液量也可以低于10%，這一點(diǎn)比篩板塔板具有很大的優(yōu)勢(shì)．

2.4 霧沫夾帶

霧沫夾帶是指氣流穿過(guò)板上液層時(shí)產(chǎn)生的小液滴被上升氣流夾帶到上層塔板中，導(dǎo)致有效相際傳質(zhì)面積減小、塔板效率下降的現(xiàn)象．霧沫夾帶量是重要的流體力學(xué)性能參數(shù)．影響霧沫夾帶的因素很多，本節(jié)重點(diǎn)研究塔動(dòng)能因子、堰高以及液流強(qiáng)度的影響．

圖12為各塔板在L=19.70,m2/h、Hw=40,mm時(shí)的霧沫夾帶量ev的比較情況．從圖12中可以看出，本文選擇的幾種碳化硅泡沫塔板的霧沫夾帶量均明顯低于篩板，這是因?yàn)榕c篩板相比，碳化硅泡沫塔板的開(kāi)孔率大，因而孔氣速小、氣體的能量小、夾帶的液滴量少．另外，篩孔噴射力大，板上液體可被破碎成更小的液滴，液滴分布很寬，小液滴容易被夾帶，而碳化硅塔板上形成的液滴均勻、分布也窄，所以不容易被夾帶．這一特性使得碳化硅泡沫塔板所適用的氣、液相負(fù)荷范圍更寬．

從圖中還可以看出，幾種泡沫塔板霧沫夾帶量的大小順序?yàn)棰瘢劲颍劲簦劲酰劲?，即在相同F(xiàn)條件下，孔徑越小、孔氣速越大，則氣體破碎液體的滴徑越小，霧沫夾帶越嚴(yán)重．對(duì)于塔板Ⅳ、Ⅴ，氣體縮脈現(xiàn)象使得相同F(xiàn)時(shí)各塔板的孔氣速大小排序?yàn)椋孩颍劲簦劲酰劲?，液滴的初速度及氣流?duì)液滴的攜帶能力也具有相同的大小關(guān)系．因此塔板Ⅳ的霧沫夾帶量大于Ⅴ，而二者均介于塔板Ⅱ、Ⅲ之間．

圖12 不同塔板霧沫夾帶量的比較Fig.1 2 Comparison of entrainment for SiC foam traysand sieve tray

圖13 和圖14分別為塔板Ⅴ在Hw=40,mm、不同液流強(qiáng)度和L=19.70,m2/h、不同堰高時(shí)的霧沫夾帶量比較．從圖中可以看出，隨著液流強(qiáng)度的增加和溢流堰的增高，塔板霧沫夾帶量增大．這是因?yàn)橐毫鲝?qiáng)度越大、溢流堰越高，塔板上液層越厚，液滴被帶至上層塔板的機(jī)會(huì)越大，導(dǎo)致霧沫夾帶量越大．

圖13 Hw=40,mm時(shí)塔板Ⅴ的霧沫夾帶量Fig.1 3 Entrainment of Ⅴ foam tray for Hw=40,mm

2.5 塔板負(fù)荷性能

為了全面比較泡沫塔板和篩板的流體力學(xué)性能，本文根據(jù)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制了塔板Ⅱ及篩板的負(fù)荷性能圖，如圖15所示．圖15中：SiC①、篩板①為兩種塔板的漏液線，指標(biāo)為漏液量為10%[18]；線②為最小液體負(fù)荷線[18]；線③為降液管負(fù)荷極限線[18]； SiC④、篩板④為兩種塔板的霧沫夾帶量極限線，指標(biāo)一般是霧沫夾帶量為10%[18]；線⑤為降液管液泛線[18]．

圖14 L=19.70,m2/h時(shí)塔板Ⅴ的霧沫夾帶Fig.1 4 Entrainment of Ⅴ foam tray for L=19.70,m2/h

圖15 塔板負(fù)荷性能Fig.1 5 Tray-load performance diagram

從圖15中可以看出，碳化硅塔板Ⅱ的漏液線比篩板低，霧沫夾帶線比篩板高，所以碳化硅塔板適合的氣、液相負(fù)荷更寬，操作彈性更大，應(yīng)用范圍也更廣. 碳化硅塔板Ⅳ、Ⅴ與塔板Ⅱ具有相似的操作區(qū)域.

2.6 傳質(zhì)效率

全塔效率是板式塔分離能力的一個(gè)度量，在工程設(shè)計(jì)中實(shí)際塔板數(shù)是根據(jù)理論板數(shù)[20]和全塔效率確定的．理論板數(shù)和全塔效率計(jì)算式分別為

式中：ET為全塔效率；NT為理論塔板數(shù)；N為實(shí)際塔板數(shù)，N=4；xD為塔頂環(huán)己烷物質(zhì)的量濃度；xW為塔底環(huán)己烷物質(zhì)的量濃度；α 為相對(duì)揮發(fā)度．

圖16為本文選擇的幾種碳化硅泡沫塔板和篩板的全塔壓降ΔpT的比較．由于塔板Ⅰ的流體力學(xué)性能不理想，本節(jié)未對(duì)其進(jìn)行傳質(zhì)性能測(cè)試．從圖中可以看出，各類型的塔板壓降的比較結(jié)果與流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果相似．對(duì)于碳化硅塔板而言，塔板壓降比較結(jié)果為：Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅲ．在低氣速時(shí)(F＜0.6,kg1/2/(m1/2·s))，篩板的壓降要低于塔板Ⅱ、Ⅳ，隨著氣速的增加，篩板的壓降高于碳化硅塔板．

圖16 不同類型塔板全塔壓降的比較Fig.1 6 Comparison of overall column pressure drop for SiC foam trays and sieve tray

圖17 為本文選擇的幾種碳化硅泡沫塔板和篩板的全塔效率ET的比較．由圖17可知，對(duì)于碳化硅塔板而言，傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)發(fā)生液泛的全塔F為1.4,kg1/2/ (m1/2·s)左右，而流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)中霧沫夾帶量達(dá)到10%的全塔F為4.2,kg1/2/(m1/2·s)左右．這是不矛盾的，因?yàn)閮蓚€(gè)塔的板間距、塔板開(kāi)孔率及所用物系不同，導(dǎo)致液泛點(diǎn)不同，傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)更容易液泛．

圖17表明，隨著F的增加，全塔效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)最佳氣相動(dòng)能因子處達(dá)到最大值．這是因?yàn)殡S著氣速增加，塔板上的泡沫層高度增大，塔板效率增加，而且在全回流條件下，隨著F的增加，液相負(fù)荷也增大，不但使板上的持液量增高，還可以抑制部分軸向返混，這都有利于傳質(zhì)；但隨著氣速的進(jìn)一步增大，霧沫夾帶量增加甚至液泛，導(dǎo)致塔板效率降低．

從圖17中還可以看出，幾種新型碳化硅泡沫塔板的全塔效率明顯高于篩板，分析認(rèn)為，一方面碳化硅泡沫的多孔結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生大量尺寸較小的氣泡，從而增大氣液傳質(zhì)面積；另一方面碳化硅的三維通道能增加氣液湍動(dòng)，使得傳質(zhì)系數(shù)增大，全塔效率得到提高.

圖17 不同類型塔板全塔效率的比較Fig.1 7 Comparison of overall column efficiency for SiCfoam trays and sieve tray

從圖17可以看出，幾種碳化硅塔板的全塔效率大小排序?yàn)棰颍劲酰劲簦劲?，塔板Ⅱ的效率最高，達(dá)到80%，分析原因，主要是因?yàn)榕菽讖郊捌浞植疾煌拢菽讖綖?,mm及孔徑梯度變化的塔板，比孔徑為4,mm塔板產(chǎn)生的氣泡小且均勻，漏液少、霧沫夾帶小，故具有更高的全塔效率．對(duì)于塔板Ⅲ，發(fā)現(xiàn)在低氣速下會(huì)在進(jìn)口區(qū)域出現(xiàn)不均勻漏液，造成液流在板間短路，使板效率下降．

值得注意的是，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的全塔效率偏低，主要是因?yàn)椋孩賯髻|(zhì)塔的直徑小，邊緣區(qū)面積大，塔板開(kāi)孔率小；②板間距小，塔板的霧沫夾帶多；③塔板數(shù)量較少(只有4塊塔板)，可能存在端效應(yīng)．由于2種塔板的傳質(zhì)效率實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)設(shè)備中進(jìn)行的，上述原因?qū)τ谔蓟杷迮c篩板塔板存在同樣的影響，本文認(rèn)為達(dá)到了實(shí)驗(yàn)對(duì)比的目的．

3 結(jié) 論

筆者開(kāi)發(fā)了一種新型整體式多孔碳化硅泡沫塔板，選擇5種不同孔徑的新型塔板進(jìn)行了流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能實(shí)驗(yàn)研究，并與傳統(tǒng)篩板進(jìn)行了比較，得到以下主要結(jié)論．

(1) 通過(guò)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，篩選出Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ3種新型碳化硅泡沫塔板，其具有鼓泡均勻、壓降小、低氣相負(fù)荷下漏液量小、霧沫夾帶小以及操作彈性大等優(yōu)良的流體力學(xué)性能．實(shí)驗(yàn)測(cè)定范圍內(nèi)最高壓降1,000,Pa左右；在低氣相負(fù)荷下(F=1.2,kg1/2/ (m1/2·s))漏液量低于10%；在很高氣速下(F= 4.2,kg1/2/(m1/2·s))霧沫夾帶量超過(guò)10%．

(2) 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，泡沫孔徑太小會(huì)導(dǎo)致塔板壓降過(guò)大、霧沫夾帶高、操作范圍?。欢讖教髸?huì)造成不均勻漏液．因此選擇適宜的泡沫孔徑是非常重要的．

(3) 傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)表明，新型泡沫碳化硅塔板(Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ3種塔板)具有很高的傳質(zhì)效率，其中塔板Ⅱ全塔效率最高達(dá)80%，塔板Ⅳ、Ⅴ的最高效率都大于60%，大大高于相同條件下篩板塔的效率(＜50%)，而且液泛點(diǎn)更高，比篩板塔具有更大的通量．

［1］ Fair J R，Trutna W R，Seibert A F. A new，ultracapacity tray for distillation columns [J]. Chemical Engineering Research and Design，1999，77(7)：619-626.

［2］ 李 鵬，吳有庭，張志炳. 95型塔板的流體力學(xué)性能[J]. 南京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，36(4)：486-490.

Li Peng，Wu Youting，Zhang Zhibing. The fluid dynamic characteristic of the 95-type tray [J]. Journal of Nanjing University：Natural Science，2000，36(4)：486-490(in Chinese).

［3］ Alizadehdakhel A，Rahimi M，Alsairafi A. Numerical and experimental investigation on a new modified valve in a valve tray column [J]. Korean Journal of Chemical Engineering，2009，26(2)：475-484.

［4］ 陳建孟，譚天恩，史小農(nóng). 旋流塔板的板效率模型[J]. 化工學(xué)報(bào)，2003，12(12)：1755-1760.

Chen Jianmeng，Tan Tian′en，Shi Xiaonong. Model for predicting rotating stream tray efficiency [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering，2003，12(12)：1755-1760(in Chinese).

［5］ 潘國(guó)昌，劉 吉，謝潤(rùn)興，等. 微分浮閥塔板及其工業(yè)應(yīng)用[J]. 煉油設(shè)計(jì)，1999，29(10)：33-36.

Pan Guochang，Liu Ji，Xie Runxing，et al. Differential floating valve tray and ITS commercial application [J]. Petroleum Refinery Engineering，1999，29(10)：33-36(in Chinese).

［6］ 姚克儉，祝玲鈺，計(jì)建炳，等. 復(fù)合塔板的開(kāi)發(fā)及其工業(yè)應(yīng)用[J]. 石油化工，2000，29(10)：772-775.

Yao Kejian，Zhu Lingyu，Ji Jianbing，et al. The study and development of compound tray and its applications [J]. Petrochemical Technology，2000，29(10)：772-775(in Chinese).

［7］ 李春利，孫玉春，王志英，等. 新型立體傳質(zhì)塔板CTST的研究與開(kāi)發(fā)進(jìn)展[J]. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33(2)：155-162.

Li Chunli，Sun Yuchun，Wang Zhiying，et al. The research and developments of CTST [J]. Journal of Hebei University of Technology，2004，33(2)：155-162(in Chinese).

［8］ 董 軍，李建波. 塔板技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與研究展望[J]. 石油煉制與化工，2007，38(11)：46-51.

Dong Jun，Li Jianbo. Present status and research prospect of tray technology [J]. Petroleum Processing and Petrochemicals，2007，38(11)：46-51(in Chinese).

［9］ Sepulveda P，Ortega F S，Innocentini M D M，et al. Properties of highly porous hydroxyapatite obtained by the gelcasting of foams [J]. Journal of the American Ceramic Society，2000，83(12)：3021-3024.

［10］ Pavel B I，Mohamad A A. An experimental and numerical study on heat transfer enhancement for gas heat exchangers fitted with porous media [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2004，47(23)： 4939-4952.

［11］ Xu W，Zhang H，Yang Z，et al. The effective thermal conductivity of three-dimensional reticulated foam materials [J]. Journal of Porous Materials，2009，16(1)：65-71.

［12］ Richardson J T，Remue D，Hung J K. Properties of ceramic foam catalyst supports：Mass and heat transfer [J]. Applied Catalysis A：General，2003，250(2)：319-329.

［13］ Twigg M V，Richardson J T. Theory and applications of ceramic foam catalysts [J]. Chemical Engineering Research and Design，2002，80(2)：183-189.

［14］ Lévêque J，Rouzineau D，Prévost M，et al. Hydrodynamic and mass transfer efficiency of ceramic foam packing applied to distillation [J]. Chemical Engineering Science，2009，64(11)：2607-2616.

［15］ Incera G G，Patcas F C，Lang S，et al. Mass transfer and pressure drop in ceramic foams：A description for different pore sizes and porosities [J]. Chemical Engineering Science，2008，63(21)：5202-5217.

［16］ 高國(guó)華. 新型多孔泡沫塔盤(pán)和規(guī)整填料的多尺度模擬研究[D]. 天津：天津大學(xué)化工學(xué)院，2011.

Gao Guohua. Multi-Scale Simulation of Novel Porous-Foam Tray and Structured Packing [D]. Tianjin：School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，2011(in Chinese).

［17］ Gao Guohua，Zhang Lühong，Li Xingong，et al. CFD simulation of film flow and gas/liquid countercurrent flow on structured packing[J]. Transactions of Tianjin University，2011，17(3)：194-198.

［18］ 劉彤文，沈 復(fù)，段道順. 現(xiàn)代塔器技術(shù)[M]. 北京：烴加工出版社，1990.

Liu Tongwen，Shen Fu，Duan Daoshun. Modern Tray Column Technology[M]. Beijing：Hydrocarbon Processing Press，1990(in Chinese).

［19］ 蔣軍榮，姚克儉，王良華. 錐形篩孔塔板流體力學(xué)性能的研究[J]. 化工進(jìn)展，2002，21(12)：919-921.

Jiang Junrong，Yao Kejian，Wang Lianghua. Research on the hydrodynamic performance of taper sieve tray [J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2002，21(12)：919-921(in Chinese).

［20］ 姜元濤. 篩板精餾塔傳質(zhì)性能的研究[D]. 上海：華東理工大學(xué)化工學(xué)院，2011.

Jiang Yuantao. Research of Mass Transfer Performance for Sieve Trays [D]. Shanghai：School of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology，2011(in Chinese).

(責(zé)任編輯：田 軍)

Hydrodynamics Behavior and Mass Transfer Performance of Novel SiC Foam Trays

Li Xingang1,2，Liu Xia1，Gao Xin1,2，Tian Chong3，Yang Zhenming3，Zhang Jinsong3，Li Hong1,2
(1. School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. National Engineering Research Centre of Distillation Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3. Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China)

With its advantages of high porosity，high surface area，high mechanical strength，good resistance to corrosion and no-leakage construction，SiC foams have been applied to tray columns to develop a series of novel trays. SiC foams with the thickness of 12,mm and various sizes of pores were used for making trays in the hydrodynamic experiments. Performance parameters including pressure drop for the dry and wet trays，entrainment and the quantity of leaking liquid were measured in a 600,mm external diameter column. The mass transfer efficiency in terms of the overall column efficiency was determined by total reflux experiments using a mixture of n-heptane and cyclohexane at atmospheric pressure in a column of 300,mm external diameter. Sieve trays designed according to the industrial standards were chosen for the performance comparison with the SiC foam trays. Results show that the pressure drop of the tray with 2,mm pore diameter is too high；there is a serious leaking of liquid for the tray of 4,mm pore diameter with the phenomenon of mal-distributed weeping；compared with sieve tray，the trays with the sizesof pores being 3,mm and 3—4,mm combination performed better with low pressure drop，small entrainment，little leaking of liquid and high overall column efficiency.

SiC；tray；fluid mechanics；overall column efficiency

TQ053.5

A

0493-2137(2014)02-0155-08

10.11784/tdxbz201205007

2012-05-03；

2012-06-27.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21336007，21176172)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAE03B07)；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT0936).

李鑫鋼(1961— )，男，博士，教授，lxg@tju.edu.cn．

李 洪，lihong.tju@163.com．