李春利，段叢

（1 河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津300130；2 河北工業(yè)大學(xué)化工節(jié)能過程集成與資源利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，天津300130）

板式塔是一種應(yīng)用廣泛的傳質(zhì)、傳熱設(shè)備，可用于吸收（解吸）、精餾等化工分離過程[1]，是重要的化工塔器。工業(yè)生產(chǎn)中要求塔板具有通過能力大、塔板效率高、壓降低、操作彈性大、成本低等特點(diǎn)[2]。

蒸餾過程強(qiáng)化技術(shù)是我國(guó)現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)發(fā)展的重要研究領(lǐng)域，包括引入質(zhì)量分離劑強(qiáng)化、引入能量分離劑強(qiáng)化以及先進(jìn)設(shè)備強(qiáng)化。其中，新型塔內(nèi)件的開發(fā)是先進(jìn)設(shè)備強(qiáng)化蒸餾過程的技術(shù)之一[3]。

近年來，考慮化工生產(chǎn)中的一系列擴(kuò)能要求，基于篩板和浮閥塔板的優(yōu)化開發(fā)了一系列新塔板。同時(shí)，結(jié)合國(guó)外技術(shù)開發(fā)了雙層固閥塔板、SFV全通導(dǎo)向浮閥塔板、高性能自適應(yīng)浮閥塔板、DJ 系列塔板、導(dǎo)向篩板和碳化硅泡沫閥塔盤等新型塔板[4]。

在結(jié)構(gòu)上，多個(gè)院校開發(fā)了一系列立體噴射型塔板，如立體傳質(zhì)塔板（combined trapezoid spray tray，CTST）、立體復(fù)合噴射塔板[5]、旋流霧化塔板[6-7]、新型逆流全噴射塔板（TST）[8-10]、立體旋流篩板[11-15]、低返混均效噴射塔盤[16]、自吸式立體噴射塔板[17]等塔板。其中，CTST 是河北工業(yè)大學(xué)研發(fā)的一系列大通量高效噴射型塔板[18-19]。其結(jié)構(gòu)獨(dú)特、性能優(yōu)異，近些年來，對(duì)CTST 的研究與工業(yè)應(yīng)用都十分廣泛。

1 塔板結(jié)構(gòu)與水力學(xué)特性

CTST 具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和操作工況，其壓降、清液層高度、液體提升量、空間持液量、降液管操作時(shí)間、噴射特性均不同于其他塔板。

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與操作工況

CTST 由塔板、梯形噴射罩和分離板組成。塔板上是矩形開孔，矩形開孔上方是噴射罩，如圖1所示，噴射罩兩側(cè)是帶篩孔的噴射板，兩端為梯形端板，上部為分離板，噴射板和分離板之間有氣液通道。噴射板與塔板間有一定的底隙，是液體進(jìn)入罩體的通道。分離板的作用是提供氣液接觸空間以及使氣液兩相有效分離，減少霧沫夾帶。

CTST 的操作工況如圖2 所示：①液體在壓差驅(qū)動(dòng)下自底隙進(jìn)入罩內(nèi)，氣體自板孔進(jìn)入噴射罩中將液體提升拉成液膜貼在噴射罩下側(cè)內(nèi)壁，此時(shí)氣液流動(dòng)為環(huán)形流動(dòng)狀態(tài)[21-22]；②液體被提升到噴射罩上部后由于噴射孔和氣體剪應(yīng)力的作用液膜破碎成液滴，一部分上升至分離板，一部分由噴射板上的篩孔噴出罩外；③氣體及液滴碰撞到分離板后進(jìn)一步破碎，部分折返，返回的氣體及液滴與上升的氣、液激烈碰撞、混合，氣、液一起自罩頂側(cè)面縫隙和側(cè)面篩孔向兩側(cè)斜上方噴出；④噴出的氣、液與鄰罩噴出的氣、液相互激烈碰撞；⑤氣、液在分離板上分離，氣體繞過分離板上升至上層塔板，液體落回塔板[18]。

圖1 CTST結(jié)構(gòu)示意圖［20］

圖2 CTST操作工況示意圖［20］

CTST塔板的特殊結(jié)構(gòu)決定了其噴射工況特點(diǎn)。噴射工況下氣液經(jīng)過拉膜、碰頂返回、破碎、噴射、互噴、分離六個(gè)過程，氣液傳質(zhì)面積增大，傳質(zhì)區(qū)域擴(kuò)大到立體空間，同時(shí)又利用分離板使氣液兩相有效分離，減少霧沫夾帶，因而決定了CTST塔板的高分離效率。由于CTST 開孔大且無活動(dòng)部件，抗堵塞性好，因此，該塔板特別適合于含固體顆粒及易發(fā)生自聚的物料。表1是國(guó)內(nèi)外各種新型塔板的性能參數(shù)比較。

表1 國(guó)內(nèi)外各種新型塔板的性能參數(shù)比較[23]

1.2 壓降

在板式塔中，氣體通過塔板孔隙及液相時(shí)受到阻力，塔板上、下空間對(duì)應(yīng)位置產(chǎn)生的壓強(qiáng)差即板壓降Δp。

CTST 的干板壓降的表達(dá)式見式(1)，濕板壓降為干板壓降加液相阻力，見式(2)[18-20]。

由于CTST 的特殊結(jié)構(gòu)及操作工況，氣體不再由板上液層通過，因此塔板液相阻力低。由于板上單孔面積大，開口散布少，且噴射罩上出口大（噴射板上的篩孔和頂部與分離板的間隙），氣相阻力小，所以干板壓降也小[20]。對(duì)于濕板壓降，CTST比New VST 低10%左右，在低負(fù)荷時(shí)與F1 浮閥塔板相當(dāng)，但在高負(fù)荷時(shí)則遠(yuǎn)低于F1 浮閥塔板。CTST與Glitsch V1塔板的干板壓降及濕板壓降的比較如圖3 和圖4?？梢钥闯觯瑹o論是干板壓降還是濕板壓降，CTST都比Glitsch V1塔板低。

1.3 清液層高度

清液層高度（hL）是指塔板操作時(shí)板上泡沫層的沉清高度，用以描述塔板上實(shí)際的持液量。

劉啟東等[24]應(yīng)用改進(jìn)的連通法在直徑1000mm的不銹鋼冷模塔中對(duì)CTST 的hL進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定。研究發(fā)現(xiàn)CTST 的板上hL不均勻，塔板進(jìn)口區(qū)的清液層最高（hL1），弓形區(qū)的（hL4）稍低，出口堰附近的（hL3）比弓形區(qū)的小，罩間區(qū)域的（hL2）最??；hL隨溢流強(qiáng)度（Lw）和堰高（hw）的增大而增加，隨板孔氣速的增大先降低后升高，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到式(3)～式(7)。

圖3 CTST與Glitsch V1干板壓降比較［20］

圖4 CTST與Glitsch V1濕板壓降比較［20］

板上平均清液層高度 -hL=1.933L0.3461wF(-0.1089)0h0.4729w(7)

1.4 液體提升量

液體提升量描述氣相提升液體的能力。液體提升量與CTST 上各種傳遞過程直接相關(guān)，是分析塔板上兩相流以及計(jì)算板效率的依據(jù)。相對(duì)液體提升量（q）是指單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量氣體通過噴射罩所提升并經(jīng)噴射孔噴出的液體量，單位為kg(液體)/kg(氣體)。

陳華艷等[25]在內(nèi)徑為600mm的有機(jī)玻璃塔中進(jìn)行了冷模實(shí)驗(yàn)探究，圖5為實(shí)驗(yàn)所用液體提升量收集示意圖。發(fā)現(xiàn)液體提升量隨hL的增加而增大，隨板孔氣速增加而降低。罩體底隙（H）小于15mm時(shí)提升量隨底隙增加而增加，大于15mm時(shí)隨底隙增加而降低。對(duì)于固定的板孔寬度，提升量隨板孔長(zhǎng)度的增加先增加后降低。分析得出相對(duì)提升量（q）的關(guān)聯(lián)式，如式(8)。

圖5 提升量收集示意圖

圖6 單罩、多罩（3個(gè)罩）提升量的對(duì)比［26］

劉繼東等[26]提出影響CTST 液體提升量的主要因素可歸納為物性、塔板結(jié)構(gòu)、操作狀況等方面。通過對(duì)比單罩和多罩的提升量，發(fā)現(xiàn)罩間對(duì)噴效應(yīng)使液體提升量有所減少，如圖6所示，并將板孔動(dòng)能因子（F0）、hL、H 對(duì)CTST 多罩塔板的液體提升量影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到式(9)。

劉繼東等[27]建立了相對(duì)液體提升量的數(shù)學(xué)模型，見式(10)。所建模型能夠較好地反映物性參數(shù)（ρL、ρG、σ）、帽罩結(jié)構(gòu)（AS、l、hg、hm）、塔板結(jié)構(gòu)（Ao、n）、操作條件（uo、hL）等對(duì)液體提升量的影響。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比該模型的平均相對(duì)誤差為5.2%，最大相對(duì)誤差為±14.8%。

劉繼東等[28]通過向板上液層充氣研究了不同操作條件下板上氣體體積分?jǐn)?shù)（φ）對(duì)液體提升量的影響。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出F0、φ、hL對(duì)q 影響的關(guān)聯(lián)式，見式(11)：q 隨φ 的增加而降低；φ 相同時(shí)，q隨著hL的增大而增加、隨F0的增大而減少。

綜上所述，物性參數(shù)、帽罩結(jié)構(gòu)、塔板結(jié)構(gòu)、操作條件均能影響液體提升量，其中，操作條件包括F0、hL、φ。

1.5 空間持液量

在正常操作狀態(tài)下，板上清液層以外空間所持有的液體的量稱為空間持液量（HoL）。CTST 的傳質(zhì)區(qū)域在塔板空間，HoL可以影響傳質(zhì)效果。

劉繼東等[29]研究了CTST 在單罩和多罩情況下的HoL和塔板效率。發(fā)現(xiàn)HoL隨hL的增加而增大，隨板孔氣速的增大而減少，其關(guān)聯(lián)式見式(12)、式(13)。液體只經(jīng)過一次CTST 的效率為CTST 的一次提升效率。CTST的一次提升效率隨HoL的增大而減少。另外，他們[30]還發(fā)現(xiàn)HoL隨液體提升量的增大而呈指數(shù)增長(zhǎng)，而且氣速越大，增長(zhǎng)趨勢(shì)越快。

總的來看，CTST 的一次提升效率并沒有因?yàn)镠oL的增加而提高。雖然CTST液體提升量很大，但HoL卻相對(duì)較小，這更有利于傳質(zhì)。

1.6 降液管停留時(shí)間

降液管的兩個(gè)基本作用是為液體流動(dòng)提供通道和分離氣液兩相。降液管液泛會(huì)發(fā)生在液相負(fù)荷過大時(shí)，這會(huì)降低塔的操作性能。

隋紅等[31]采用脈沖響應(yīng)法比較了F1 型浮閥塔板和CTST 降液管的操作能力。發(fā)現(xiàn)在相同的操作條件下，CTST 降液管的液體停留時(shí)間比浮閥塔板的小20%～50%，泡沫高度低110～150mm。

CTST 操作工況為激烈的噴射工況，塔板上流動(dòng)的清液不含氣體，也無發(fā)泡機(jī)制，且噴出的液滴還有破泡作用，因此CTST適合處理易發(fā)泡物料。

1.7 噴射特性

CTST 的操作工況是噴射型工況，在氣動(dòng)力的作用下將塔板上的液體提升轉(zhuǎn)化為射流，進(jìn)而破碎成離散液滴。

劉繼東等[32]采用高速攝像儀研究了CTST 的噴射過程。發(fā)現(xiàn)隨著噴射孔氣速的增加噴射錐角逐漸增大，當(dāng)噴射孔氣速超過某一閾值，噴射錐角趨于恒定；隨著氣速的增加，噴射孔處液膜速度顯著增大，而液體流量增加時(shí)液膜速度略有減小，越靠近噴射孔頂端，液膜速度越大。噴射區(qū)域內(nèi)液滴的分布密度接近于Rosin-Rammler 分布，在噴射錐角為[20°，40°]區(qū)間內(nèi)的液滴數(shù)量比較集中，隨著氣速和液體流量的增大，液滴分布密度逐漸趨于均勻。液滴群平均粒徑隨氣速的增加而減小，隨液體流量的增加略有增大。

1.8 傳質(zhì)性能

王志英等[33]用富含CO2的水-空氣系統(tǒng)在φ600 mm 的冷模實(shí)驗(yàn)塔內(nèi)對(duì)CTST 帽罩空間的氣、液相CO2濃度分布進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，罩內(nèi)液相CO2濃度沿帽罩高度方向總體呈降低趨勢(shì)，同一高度上罩外液相CO2濃度始終低于罩內(nèi)液相CO2濃度，氣相濃度分布與液相濃度分布趨勢(shì)相反；在帽罩的提升段，靠近噴射板的液相CO2濃度明顯高于中心位置，在噴射段，噴射板附近和帽罩中心的液相CO2濃度則相差不大；正常操作條件下，提升段、噴射段和罩外傳質(zhì)量占總傳質(zhì)量的比率分別為50%～70%、10%～17%和20%～35%。并發(fā)現(xiàn)隨著板孔氣速或液體流量的增大，提升段傳質(zhì)量比率減小，噴射段傳質(zhì)量比率增大。

2 塔板上流體流動(dòng)機(jī)理

塔板上氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)可直接影響傳質(zhì)效果，目前對(duì)CTST 兩相流動(dòng)狀態(tài)的研究集中在板上液相流場(chǎng)、罩內(nèi)壓力分布、罩內(nèi)氣相流動(dòng)狀況、和罩外空間氣液相流場(chǎng)。

2.1 板上液相流場(chǎng)

計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）可以模擬計(jì)算塔內(nèi)氣液兩相流動(dòng)狀況。精餾塔內(nèi)氣液兩相間的熱量、能量和物質(zhì)的傳遞是伴隨著兩相的流動(dòng)而進(jìn)行的。CFD具有省時(shí)、省力、效率高、易于改變參數(shù)和工況條件等優(yōu)點(diǎn)，因而常用來預(yù)測(cè)大型精餾塔的液流形式和流體力學(xué)特性[34]。

王志英等[36]采用熱膜測(cè)速儀探究了CTST 板上的液相速度分布，發(fā)現(xiàn)氣體的提升作用對(duì)液相流場(chǎng)影響較大，底隙附近的液體速度與進(jìn)入塔板的液體速度之比隨hw和板孔氣速的增大而增大，隨液體流量的增大先減小后稍微增大。王志英等[35]還對(duì)CTST板上液相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了板上液相流場(chǎng)的三維分布特征，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值對(duì)比，如圖7所示，結(jié)果十分吻合。并發(fā)現(xiàn)CTST 板上液相返混明顯小于篩板。

圖7 實(shí)驗(yàn)值與測(cè)量值的比較［35］

高長(zhǎng)虹等[37]模擬了雙溢流CTST 的板上氣液兩相流動(dòng)，得到了收縮流和擴(kuò)張流兩種流型的板上氣液兩相流場(chǎng)分布規(guī)律：邊降液管收縮流板面液相流動(dòng)較均勻，近似于均勻的收縮流，不存在回流區(qū)；中降液管擴(kuò)張流板面液相流動(dòng)不均勻，靠近塔板中心流速較快，塔板弓形區(qū)存在著回流現(xiàn)象；板孔處的帽罩區(qū)液層較其他地方小，氣相體積分?jǐn)?shù)較其他地方高，擴(kuò)張流受氣相的影響比收縮流大。

牛小威[38]對(duì)大型雙溢流CTST 的擴(kuò)張流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)大型CTST 板上的液相流場(chǎng)整體流動(dòng)較為均勻，部分區(qū)域的清液層表面有回流；帽罩之間的液相流速最高，帽罩底隙附近區(qū)域有側(cè)向流動(dòng)；板上液層高度整體上由中心向兩邊、由入口向出口逐漸降低；塔板振動(dòng)速度隨著氣速的增大會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)極值，之后振動(dòng)速度逐漸降低。

2.2 罩內(nèi)壓力分布

劉繼東等[39]研究了CTST 干板和濕板操作時(shí)帽罩內(nèi)部不同高度處截面的平均壓力變化規(guī)律，以及同一測(cè)壓面上不同測(cè)壓點(diǎn)的壓力分布變化。研究了hL、F0對(duì)濕板操作時(shí)罩內(nèi)壓力分布的影響規(guī)律，建立了相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式，見式(14)～式(17)。從罩內(nèi)壓力分布角度研究了氣相對(duì)塔板上液體的提升機(jī)理，分析了罩內(nèi)壓力分布對(duì)塔板壓降等流體力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)CTST 罩內(nèi)各截面壓力分布很不均勻，分離板下沿及罩頂通道處壓力最高，帽罩底隙壓力最低，裙體部位壓力較低而且分布均勻；底隙處噴射板內(nèi)側(cè)（液體進(jìn)入罩內(nèi)的通道）壓力為負(fù)值，負(fù)壓提供了液體進(jìn)入罩內(nèi)的動(dòng)力，裙體低壓區(qū)有利于液體提升，罩頂高壓區(qū)有利于液體破碎；除底隙處噴射板內(nèi)側(cè)壓力外，其他部位壓力均隨氣量的增加而增大，但幅度不同。如劉繼東等[39]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所述，在相同條件下，CTST 罩內(nèi)各處壓力分布明顯低于New VST，其中，干板壓力低25%～40%，濕板壓力低150～200Pa，CTST 的結(jié)構(gòu)更有利于液體的提升。

2.3 罩內(nèi)氣相流動(dòng)狀況

劉繼東等[40]以連續(xù)性方程和N-S 方程為基礎(chǔ)，用RNG κ-ε 湍流模型對(duì)方程進(jìn)行封閉，建立了CTST 罩內(nèi)氣體單相流動(dòng)的三維數(shù)學(xué)模型。對(duì)模型進(jìn)行了CFD 模擬計(jì)算，分析了罩內(nèi)氣體單相流動(dòng)特性。發(fā)現(xiàn)罩內(nèi)的氣體流動(dòng)分為核心氣流為主的中心區(qū)和流動(dòng)變化較大的邊緣區(qū)，流動(dòng)過程大致可以分為回旋、發(fā)展、噴射3個(gè)階段：氣體在回旋階段形成對(duì)稱的兩個(gè)渦旋，應(yīng)設(shè)法避免；在發(fā)展階段氣體的流動(dòng)較平穩(wěn)；在噴射階段流體受到噴射孔的干擾，湍動(dòng)加劇。

2.4 罩外空間汽液相流場(chǎng)

賀亮等[23,41]實(shí)驗(yàn)和模擬研究了CTST帽罩外空間的氣相速度分布和液滴粒度分布。證明了實(shí)驗(yàn)值與理論值是一致的，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型及所得出相關(guān)規(guī)律的正確性。提出影響液膜速度的主要因素為噴射孔氣速和液膜在噴射孔上的位置。

從機(jī)理上可以解釋塔板的各種性能。機(jī)理研究可以為綜合判斷某一因素對(duì)整個(gè)塔板各種性能的影響效果，為塔板在應(yīng)用中的改進(jìn)、優(yōu)化和創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

3 塔板復(fù)合與優(yōu)化

多年來，在對(duì)CTST 塔板的性能、機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，不斷改進(jìn)完善CTST 塔板的結(jié)構(gòu)和性能，并創(chuàng)新性提出各種耦合、復(fù)合形式，形成立體催化精餾塔板、導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板、CTST-F1 復(fù)合塔板、CTST-MD 塔板、CTST-梯形降液管、新型雙層噴射立體傳質(zhì)塔板和CTST 液體分布器等優(yōu)化、耦合結(jié)構(gòu)。

3.1 立體催化精餾塔板（solid reactive spray tray，SRST）

SRST是指在CTST塔板的帽罩之間裝填催化劑的新型立體催化精餾塔板，如圖8 所示。利用CTST 液體提升量大的特點(diǎn)，使液體通過塔板時(shí)多次流過催化劑。為了使被提升的液體盡量多地落入催化劑筐內(nèi)，與CTST相比SRST沒有側(cè)孔。

圖8 SRST結(jié)構(gòu)示意圖

該塔板具有催化劑裝填量大且不易損壞、可以通過改變罩體高度來改變催化劑的裝填量以適應(yīng)不同反應(yīng)速度、效率高、壓降低等優(yōu)點(diǎn)[42]。

李柏春等[42]在直徑600mm的有機(jī)玻璃冷模實(shí)驗(yàn)塔中測(cè)定了SRST 的部分流體力學(xué)性能參數(shù)。發(fā)現(xiàn)SRST 的濕板壓降隨hL的增大而增大，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了壓降的關(guān)聯(lián)式(18)、式(19)；漏液受hL和罩體高度的影響較復(fù)雜：F0較小時(shí)，漏液量隨著hL的增加迅速增大；F0較大時(shí)，漏液量隨著hL的增加先增大后減小。

液體提升量是SRST 的一項(xiàng)重要流體力學(xué)性能參數(shù)。在一定物系下，液體提升量隨hL的增大而增大，隨罩體高度的增大而減小。

李柏春等[43]用強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹脂作催化劑，以自制固定床模擬催化劑筐，以乙醇和乙酸催化反應(yīng)生成乙酸乙酯為研究對(duì)象，對(duì)立體催化精餾塔板的反應(yīng)量進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。考察了催化劑高度、醇酸摩爾比、流速對(duì)反應(yīng)量的影響，并關(guān)聯(lián)得到了反應(yīng)量G 的經(jīng)驗(yàn)式(20)，相對(duì)誤差＜9%?；诜磻?yīng)量的經(jīng)驗(yàn)公式與質(zhì)量守恒定律，建立了塔板上液相中乙酸乙酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的模型，并通過對(duì)工業(yè)試驗(yàn)塔板上反應(yīng)量的測(cè)量對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

李柏春等[44]還對(duì)SRST 進(jìn)行了乙酸甲酯水解反應(yīng)精餾塔的工業(yè)化試驗(yàn)，結(jié)果表明，SRST 可以較大幅度地提高乙酸甲酯的水解率（由改造前的25%左右達(dá)到現(xiàn)在的65%～80%）。

3.2 導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板CTST-8

導(dǎo)向立體傳質(zhì)塔板（CTST-8）是在CTST的分離板上開孔，并加裝導(dǎo)向板，結(jié)構(gòu)見圖9。在CTST-8上，當(dāng)氣液兩相到達(dá)噴射板的開孔區(qū)域時(shí)，一部分從噴射孔噴出，另一部分則通過分離板上的開孔到達(dá)導(dǎo)向板。在導(dǎo)向板的作用下氣液兩相沿水平方向噴出并形成一層水幕，對(duì)由噴射孔傾斜向上噴出的流體造成一定程度的阻擋。液體回落到塔板上，氣體則進(jìn)入到上一層塔板。CTST-8 可以進(jìn)一步降低帽罩的阻力，提高氣相提升能力。

李春利等[46]對(duì)CTST-8 罩內(nèi)兩相流場(chǎng)進(jìn)行了三維CFD 模擬和實(shí)驗(yàn)，獲得了罩內(nèi)兩相流場(chǎng)的詳細(xì)信息。模擬和實(shí)驗(yàn)吻合較好。

劉繼東等在直徑600mm 的實(shí)驗(yàn)塔上對(duì)CTST-8的塔板壓降、霧沫夾帶、漏液[45]、液體提升量[47]等流體力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到了干板壓降、濕板壓降和霧沫夾帶的經(jīng)驗(yàn)式，如式(21)～式(23)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CTST-8的塔板壓降、霧沫夾帶、漏液等性能比CTST優(yōu)越。正常操作范圍內(nèi)CTST-8的濕板壓降比CTST的低10%～30%。

3.3 CTST-F1復(fù)合塔板

將不同板型復(fù)合得到的復(fù)合塔板是塔板結(jié)構(gòu)開發(fā)的一個(gè)方向。

劉繼東等[48]結(jié)合CTST 和F1 浮閥各自的優(yōu)點(diǎn)，在CTST 塔板的基礎(chǔ)上組合，見圖10(a)，得到了新型的CTST-F1 復(fù)合塔板。在直徑為570mm 的有機(jī)玻璃冷模實(shí)驗(yàn)塔內(nèi)，對(duì)CTST-F1復(fù)合塔板的hL、板壓降、霧沫夾帶、漏液量等流體力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定，并與CTST塔板和F1浮閥塔板的性能進(jìn)行了比較。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到了經(jīng)驗(yàn)公式(24)～式(27)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：CTST-F1 復(fù)合塔板通量大、效率高、板壓降比F1 浮閥低，但稍高于CTST 塔板，介于二者之間，氣相負(fù)荷上限高于F1 浮閥，下限比CTST塔板和F1塔板都低，操作彈性大且接近于CTST，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型塔板。

圖10 CTST-F1復(fù)合塔板的平面分布圖

孟爽[49]用Fluent 軟件模擬了兩種復(fù)合方式的CTST-F1 復(fù)合塔板的板上液相流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)CTST 與F1 浮閥分排[復(fù)合方式1，見圖10(a)]時(shí)，各自區(qū)域的流場(chǎng)之間相互影響較小。二者混排時(shí)[復(fù)合方式2，見圖10(b)]相互影響較大。復(fù)合方式1返混狀況優(yōu)于復(fù)合方式2。在直徑為570mm的冷模實(shí)驗(yàn)塔中對(duì)兩種復(fù)合方式塔板的流體力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。在相同的液體流量下，復(fù)合方式1塔板上的hL隨板F0的增加先減小后增大，復(fù)合方式2則為平滑的上升曲線，復(fù)合方式2的板上清液層高度整體要高于復(fù)合方式1，塔板壓降也比復(fù)合方式1 大；而復(fù)合方式2的霧沫夾帶量要遠(yuǎn)低于復(fù)合方式1。

3.4 降液管優(yōu)化

3.4.1 懸掛式降液管

懸掛式降液管適合在大直徑塔中使用，具有很多優(yōu)點(diǎn)：液體負(fù)荷大、液面梯度小、氣體分布均勻、板壓降小、塔板有效面積大、操作彈性大等。影響降液管處理能力的重要參數(shù)為降液管內(nèi)的液層高度和液流孔的孔流系數(shù)。

劉繼東等[50]在CTST 塔板的基礎(chǔ)上組合懸掛式降液管，結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)，形成了CTST-MD 塔板，如圖11。在直徑為570mm 的有機(jī)玻璃塔中進(jìn)行了冷模實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CTST-MD 的板壓降隨著F0的增加而增大，在Lw相同時(shí)，其板壓降低于MD篩板和CTST。CTST-MD 降液管的液層高度隨著Lw的增加而增大，隨空塔氣速的增加而增大；降液管開孔率越小，液層高度增加得越快，也越易形成自液封；在大溢流強(qiáng)度下，CTST-MD降液管的液層高度遠(yuǎn)低于MD篩板，具有更大的液體通過能力。降液管開孔的水力半徑越大，孔流系數(shù)也越大；開孔率對(duì)孔流系數(shù)影響不大?？琢飨禂?shù)的變化趨勢(shì)符合大孔孔流系數(shù)曲線，從小變大達(dá)到峰值而后趨于穩(wěn)定。

圖11 CTST-MD的幾何結(jié)構(gòu)示意圖［50］

3.4.2 降液管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隋紅[51]為改善液體在塔板上的流動(dòng)形式，將CTST 塔板的弓形降液管裙體由直形改成梯形，見圖12。實(shí)驗(yàn)證明，優(yōu)化后CTST塔板的流體力學(xué)性能（干板及濕板壓降、霧沫夾帶量和漏液量）更加優(yōu)越，可以提高CTST 的塔板處理能力。值得注意的是，原弓形降液管的裙體與塔板之間有一底隙，而改變后降液管的裙體直接與塔板相接觸，這樣就在一定程度上阻止了液體在塔板中心的流動(dòng)，改善了降液管的性能。

3.5 新型雙層噴射立體傳質(zhì)塔板

李春利等[52]針對(duì)高氣相和大液相負(fù)荷的要求開發(fā)了新型雙層噴射立體傳質(zhì)塔板。結(jié)構(gòu)如圖13 所示，和CTST相比,分離板變成了具有一定傾角的雙層結(jié)構(gòu)，進(jìn)入罩內(nèi)的氣液經(jīng)過拉膜破碎后，一部分從噴射罩側(cè)面的噴射孔噴出，一部分從第一層分離板下方噴射通道噴出，其余的從第二層分離板下方噴出。因此它的霧沫夾帶量低，液相通量大，板壓降低。2006 年該塔板在中國(guó)石油華北石化分公司1600kt/a催化裂化裝置催化分餾塔成功應(yīng)用。

圖13 新型雙層噴射立體傳質(zhì)塔板結(jié)構(gòu)示意圖［52］

3.6 CTST液體分布器

李春利等[53]結(jié)合CTST 的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出兼具傳質(zhì)功能的槽盤式液體分布器，見圖14。氣體通過矩形升氣通道，在帽罩內(nèi)高速上升的氣體和液體接觸；由上部填料段流下的液體在板上形成液層；液體通過底隙被氣體提升到帽罩空間，并進(jìn)一步提升、拉膜、破碎，氣液兩相充分接觸，強(qiáng)化傳質(zhì)，均布后由導(dǎo)液管進(jìn)入下一填料段。

槽盤式液體分布器解決了傳統(tǒng)分布器普遍存在的大量占用塔內(nèi)有效體積、截面內(nèi)液體濃度分布不均等問題。在一套直徑為580mm 有機(jī)玻璃冷模塔中對(duì)該分布器進(jìn)行了分布性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)槽盤式液體分布器適用于常壓精餾或者加壓精餾等對(duì)壓降不敏感的物系的分離過程中。

圖14 CTST液體分布器結(jié)構(gòu)示意圖［53］

4 工業(yè)應(yīng)用

隨著石化工業(yè)的快速發(fā)展和能源危機(jī)的逐步顯現(xiàn)，合理利用能源、消除現(xiàn)有設(shè)備的瓶頸、挖掘潛在能力和降低能耗是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最重要方法。塔設(shè)備的性能將對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量、能耗和環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。塔內(nèi)件的每項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步都可能獲得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。因此，開發(fā)新的塔內(nèi)件是提高裝置產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)效益的重要方法之一[54]。

CTST 塔板由于其獨(dú)特的空間立體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，目前已在全世界多個(gè)國(guó)家和地區(qū)成功應(yīng)用。其中，中國(guó)的500多家企業(yè)的4000多套塔都已成功運(yùn)行。覆蓋了石化、PVA、制藥、氯堿、PTA、苯精制/順酐、化肥等行業(yè)。表2總結(jié)了近十年文獻(xiàn)所報(bào)道的部分工業(yè)應(yīng)用情況。圖15為CTST的實(shí)際照片圖。

圖15 CTST實(shí)際照片圖

表2 CTST的工業(yè)應(yīng)用（部分）

續(xù)表

如表2中所列，由于擴(kuò)產(chǎn)導(dǎo)致原塔板在操作上出現(xiàn)問題，并導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降或不滿足指標(biāo)。使用CTST 塔板可以在不改變?cè)兴?、塔高、塔外殼的情況下，只更換為CTST 塔板和其支撐裝置，就可以達(dá)到提高生產(chǎn)能力，提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的，并且?guī)硭航到档?、操作彈性增大等好處。其改造成本低，改造后獲得了較高的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

從CTST 的塔板性能來看，CTST 具有通量大、效率高、壓降低、抗堵性能強(qiáng)、消泡性能好等優(yōu)點(diǎn)。從工業(yè)應(yīng)用上來看，使用CTST 塔板可以獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。

雖然CTST 在工程應(yīng)用上獲得了廣泛認(rèn)可，但其作用機(jī)理仍有進(jìn)一步研究的空間。比如，對(duì)于板上氣相流動(dòng)，板孔氣速分布是否均勻還有待研究。CFD技術(shù)有必要在模型研究方面進(jìn)一步深入。對(duì)于液膜及液滴的流動(dòng)特性認(rèn)識(shí)還需加強(qiáng)。對(duì)于組合帽罩而言，罩與罩之間流體的相互作用及傳質(zhì)過程需要著重研究。完善CTST 性能機(jī)理的研究對(duì)改進(jìn)CTST、發(fā)展高效分離塔板技術(shù)有著重要意義。

塔板優(yōu)化的方向目前有：與塔板復(fù)合、與填料復(fù)合、降液管優(yōu)化、帽罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，將CTST 與液體分布器耦合為塔板優(yōu)化提供了一種創(chuàng)新的思路。

符號(hào)說明

Ao—— 板孔面積，m2

As—— 噴射面積，m2

a—— 板孔寬度，m

b—— 板孔長(zhǎng)度，m

dm—— 液滴的平均直徑，m

ev—— 霧沫夾帶

F0—— 板孔動(dòng)能因子，m/s·(kg/m3)0.5

FT—— 空塔動(dòng)能因子，m/s·(kg/m3)0.5

g—— 重力加速度，m/s2

G—— 反應(yīng)量

H—— 罩體底隙，m

Hm—— 罩體高度，m

Hs—— 噴射通道高度，m

HOL—— 塔板空間持液量

hL—— 液層高度，m

hm—— 液體被提升的平均高度，m

hw—— 堰高，m

i—— 反應(yīng)進(jìn)展度

Lw—— 溢流強(qiáng)度，m3/(m·s)

l—— 底隙長(zhǎng)度，m

n—— 帽罩的個(gè)數(shù)

Δpw—— 濕板壓降，m

q—— 相對(duì)液體提升量，kg/kg

t—— 接觸時(shí)間

u0—— 速度，m/s

ρ—— 密度，kg/m3

φ—— 氣體體積分?jǐn)?shù)

σ—— 液體的表面張力，N/m

ξ1—— 校正系數(shù)

ξ2—— 阻力系數(shù)

ξg—— 液體通過底隙進(jìn)入罩內(nèi)時(shí)的局部阻力系數(shù)

ξ—— 阻力系數(shù)

下角標(biāo)

G—— 氣相

L—— 液相

m—— 氣液平均