董永平 劉 燕 王 領(lǐng) 顏 歡 褚雅志

1.西北大學(xué)化工學(xué)院 2.西安道特石化工程有限公司 3.天原集團(tuán)

分流式降液管的篩孔塔板流體力學(xué)性能研究

董永平1劉 燕2王 領(lǐng)2顏 歡3褚雅志1

1.西北大學(xué)化工學(xué)院 2.西安道特石化工程有限公司 3.天原集團(tuán)

將分流器設(shè)置在降液管上，采用篩孔塔板，以空氣-水為介質(zhì)進(jìn)行冷模實(shí)驗(yàn)，對其流體力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并在相同的實(shí)驗(yàn)條件下與無分流式降液管篩孔塔板進(jìn)行對比。結(jié)果表明，分流式降液管篩孔塔板總板壓降平均降低了14.3%，板上清液層高度平均降低了12.1%，操作彈性平均提高了15.3%，分流器的設(shè)置提高了塔板液泛上限和液相處理能力。

降液管 分流式 冷模實(shí)驗(yàn) 流體力學(xué)性能

板式塔的應(yīng)用較普遍[1]。長期以來，人們的研究主要集中在氣液接觸元件上，而對降液管研究較少[2-3]。本文提出了一種在降液管上設(shè)置分流器的篩孔塔板，分流器上開設(shè)有一定數(shù)量的分流孔(結(jié)構(gòu)如圖2所示)，不僅導(dǎo)流了板上的液體，同時還增加了溢流堰長，使塔板溢流強(qiáng)度和降液管的持液量降低，提高了塔板的液相處理能力和操作彈性。

實(shí)驗(yàn)A1型塔板(無分流式降液管篩孔塔板，見圖1)只加長了溢流堰，A2型塔板(分流式降液管篩孔塔板，見圖2)的降液管上設(shè)置一個分流器，分流器不僅分流了板上液量，還加長了溢流堰。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

本次實(shí)驗(yàn)是在Φ450 mm ×1 500 mm的有機(jī)玻璃塔節(jié)中進(jìn)行，以空氣-水為介質(zhì)通過冷漠實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)塔板進(jìn)行流體力學(xué)性能測試。實(shí)驗(yàn)裝置分為3段，依次為霧沫夾帶收集裝置、測試塔板和氣體分布器，板間距300 mm，塔板開孔率4.6%，如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)中，首先氣相經(jīng)9-26-11(4.5A)離心式鼓風(fēng)機(jī)輸送，經(jīng)過皮托管流量計(jì)測量氣速后，經(jīng)過一段彎折的緩沖管道進(jìn)入塔底，氣體通過塔底的氣體分布器后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)塔板的氣相通道。水箱中的液體通過IH100-50-160A離心泵的增壓作用經(jīng)過LZB-100玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)后，由塔頂通過液相分配器進(jìn)入實(shí)驗(yàn)塔板的受液盤上，隨后氣液兩相在塔板的傳質(zhì)區(qū)充分傳質(zhì)后，氣體繼續(xù)上升至塔頂除霧放空，液相則經(jīng)溢流堰進(jìn)入降液管，最終從塔底進(jìn)入原料水箱中循環(huán)使用。

2 實(shí)驗(yàn)方法

同一實(shí)驗(yàn)裝置上，與A1型無分流式塔板進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)通過改變F因子(空塔動能因子)和液相負(fù)荷，測得塔板壓降，板上清液層高度以及操作彈性等性能。板壓降用U型壓差計(jì)測量。

3 結(jié)果與分析

3.1總板壓降

總板壓降是由于氣體穿過板孔構(gòu)件以及板上液層所引起的壓強(qiáng)差[4]，在保證塔板一定液層厚度下，降低壓降有利于節(jié)能。其影響因素有板上開孔率、F因子、液相負(fù)荷以及物系的黏度和密度等。實(shí)驗(yàn)選取了Ⅰ=28.21 m3/(m2·h)，Ⅱ=35.26 m3/(m2·h)，Ⅲ=42.32 m3/(m2·h)3個液相負(fù)荷，觀察在不同液相負(fù)荷下，F(xiàn)因子對兩種不同結(jié)構(gòu)塔板的總板壓降的影響，如圖4所示。

由圖4可知，同一液相負(fù)荷下，A2型塔板的總板壓降小于A1型塔板的總板壓降，平均降低了14.3%。這是因?yàn)锳2型塔板降液管具有分流作用，降低了板上液層厚度，減小了氣相損失，使得塔板壓降減小。

3.2板上清液層高度

板上清液層高度是用來描述板上實(shí)際持液量大小的參數(shù)，同時也是溢流強(qiáng)度大小的體現(xiàn)。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康木褪墙档退逡缌鲝?qiáng)度，提高塔板的液相處理能力。實(shí)驗(yàn)選取Ⅰ=28.21 m3/(m2·h)，Ⅱ=35.26 m3/(m2·h)，Ⅲ=42.32 m3/(m2·h)3個液相負(fù)荷，觀察不同液相負(fù)荷下，F(xiàn)因子對兩種不同結(jié)構(gòu)塔板板上清液層高度的影響，如圖5所示。

由圖5可以看出，同一液相負(fù)荷下，A2型塔板上的清液層高度比A1型塔板的板上清液層高度低，平均降低了12.1%。這是因?yàn)锳1型塔板降液管無分流作用，導(dǎo)致板上液層積聚增多，板上液層高度增加。這說明A2型塔板的降液管上的分流器的設(shè)置能有效降低塔板的溢流強(qiáng)度，提高塔板的液相處理能力。

3.3板上平均泡沫層高度

隨著F因子的增大，板上氣泡數(shù)量不斷增多，形成了不斷更新的液膜表面，為氣液兩相提供了良好的傳質(zhì)條件。實(shí)驗(yàn)選?、?28.21 m3/(m2·h)，Ⅱ=35.26 m3/(m2·h)，Ⅲ=42.32 m3/(m2·h)3個液相負(fù)荷，觀察不同液相負(fù)荷下，F(xiàn)因子對兩種不同結(jié)構(gòu)塔板的板上平均泡沫層高度的影響，如圖6所示。

由圖6可以看出，同一液相負(fù)荷下，A2型塔板的平均泡沫層高度比A1型塔板的平均泡沫層低，平均降低了12.8%。這是由于A1型塔板上的液層積聚多，溢流強(qiáng)度大，導(dǎo)致氣液兩相在板上接觸劇烈而產(chǎn)生大量泡沫。當(dāng)F因子在0.9～1.10時，分流式與無分流式兩種情形下，塔板上的平均泡沫層高度增加的速率都增大；當(dāng)F因子在1.1左右時，A1型塔板上的泡沫層高度快接近上層塔板，而A2型塔板上的泡沫層高度雖然較高，但離上層塔板還有一定距離。這說明A2型塔板的降液管上的分流器的設(shè)置能有效降低該塔板的板上泡沫層高度，提高了塔板的液泛點(diǎn)。

3.4降液管平均泡沫層

降液管泡沫層高度的大小決定了降液管是否發(fā)生液泛。通常降液管液泛時，塔板上開始積液，傳質(zhì)效率急劇下降。實(shí)驗(yàn)選取了Ⅰ=28.21 m3/(m2·h)，Ⅱ=35.26 m3/(m2·h)，Ⅲ=42.32 m3/(m2·h)3個液相負(fù)荷，觀察在不同液相負(fù)荷下，F(xiàn)因子對兩種不同結(jié)構(gòu)塔板的降液管平均泡沫層高度的影響，如圖7所示。

由圖7可以看出，同一液相負(fù)荷下，A2型塔板的降液管中平均泡沫層高度比A1型塔板的降液管平均泡沫層高度要低，平均降低了12.4%。這是由于A1型塔板降液管無分流，板上的液體積聚多，導(dǎo)致塔板的溢流強(qiáng)度增大，同時氣液接觸劇烈，產(chǎn)生的泡沫層增多，因而進(jìn)入降液管的泡沫層增多，引起降液管中平均泡沫層高度增大。這說明了A2型塔板的降液管上的分流器的設(shè)置，能有效降低降液管中的平均泡沫層高度，提高降液管液泛的上限。

3.5塔板操作彈性

塔板操作彈性是指塔板液泛時霧沫夾帶不超過10%的氣相負(fù)荷上限與漏液不超過10%時的氣相負(fù)荷下限的速度比值。塔板的操作彈性是判斷塔板靈活性的重要指標(biāo)[5]。實(shí)驗(yàn)測定了多個液相負(fù)荷下兩種塔板的操作彈性，如表1所示。

表1 塔板的操作彈性Table1 Operationflexibilityoftray編號特性噴淋密度/(m3·(m2·h)-1)7．0514．121．228．235．342．349．456．463．570．5F因子/((m·s-1)(kg·m-3)0．5)A1型塔板上限1．261．261．131．131．011．010．880．750．630．50下限0．380．380．500．500．500．500．500．500．500．50操作彈性比3．323．322．262．262．022．021．761．511．261．00A2型塔板上限1．381．381．381．261．131．131．010．880．760．63下限0．380．380．500．500．500．500．500．500．500．50操作彈性比3．633．632．762．522．262．262．021．761．511．26

由表1可以看出，在實(shí)驗(yàn)室所能測得的氣液負(fù)荷范圍內(nèi)，具有分流式降液管的A2型塔板的操作彈性比無分流式降液管的A1型塔板的操作彈性平均增大了15.3%，這是因?yàn)榉至髌鞯脑O(shè)置使A2型塔板的液泛上限提高，進(jìn)而使得塔板操作彈性增大。這就說明分流器的設(shè)置的確能提高塔板的液相處理能力和操作彈性。

4 結(jié) 論

(1) 同一噴淋密度下，A1型塔板和A2型塔板的總板壓降、板上平均泡沫層高度和降液管平均泡沫層高度隨F因子的增大而增大；板上清液層高度隨F因子的增大而減小。

(2) 同一噴淋密度下，A2型塔板比A1型塔板總板壓降平均降低了14.3%，塔板清液層高度平均降低了12.1%，塔板平均泡沫層高度平均降低了12.8%，降液管中平均泡沫層高度降低了12.4%。

(3) 在實(shí)驗(yàn)室所能測得的氣液負(fù)荷范圍內(nèi)，A2型分流式塔板的操作彈性比A1型無分流式塔板的操作彈性平均增大了15.3%。

綜上所述，分流式降液管的篩孔塔板具有的特征為：塔板溢流強(qiáng)度更小，塔板總板壓降更小，液泛上限更高，以及塔板處理量更大。

[1] 褚雅志, 向小鳳, 付亞瑋, 等. 塔器技術(shù)新進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展, 2007, 26(增刊1): 1-7.

[2] 王撫華. 塔器的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M]. 西安: 陜西人民出版社, 2009: 7-11.

[3] 周海龍, 徐世民. 降液管結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)展[J]. 石油化工設(shè)備, 2004, 33(6): 45-48.

[4] 陳敏恒, 叢德滋, 方圖南, 等. 化工原理(下冊)[M]. 3版. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006: 106-107.

[5] 曹婉婉, 郭建全, 樊軒, 等. 篩孔型潤德塔盤的流體力學(xué)性能[J]. 過程工程學(xué)報, 2015, 15(3): 381-385.

Studyonthehydrodynamicperformanceofthesievetraywithshunttypedowncomer

DongYongping1,LiuYan2,WangLing2,YanHuan3,ChuYazhi1

1.CollegeofChemicalEngineering,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi,China; 2.Xi’anChemdoctorPetrochemicalEngineeringCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi,China; 3.TianyuanGroup,Yibin,Sichuan,China

In this paper, the sieve tray with shunt type downcomer was studied and then the cold model experiment was conducted in air-water system. Hydrodynamic performance of the sieve tray with shunt type downcomer was systematically studied. Under the same operating conditions, compared by the sieve trays with no shunt type downcomer, the total pressure drop of tray is reduced on average by 14.3%, the clear liquid height of tray is reduced on average by 12.1%, the operating flexibility of tray is increased on average by 15.3%, and then the high limit of liquid flooding and the processing capacity of tray was improved effectively.

downcomer， shunt type， cold model experiment， hydrodynamic performance

TQ 053.530

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.05.009

2017-04-15；編輯康莉

董永平(1990-)，女，碩士，研究方向?yàn)榛し蛛x與工藝研究。

褚雅志(1961-)，男，高級工程師，主要從事化工分離與塔器技術(shù)開發(fā)研究工作。E-mail：yzchu@nwu.edu.cn