（化学工程专业论文）齿边浮阀塔板流体力学性能研究及cfd模拟.pdf

齿边浮阀塔板流体力学性能研究及0 f d 模拟 摘要 在直径为6 0 0m m 的有机玻璃塔内，以空气一水为实验物系，对齿 边浮阀塔板的流体力学性能进行研究，用计算流体力学( c f d ) 软件 f l u e n t 6 1 对气体通过齿边浮阀塔板的流场做了数值模拟，并将数值模 拟结果与实验结果进行对比。 实验测定了塔板压降、漏液、雾沫夹带等性能参数，并与f l 型浮 阀塔板作了对比。实验结果表明，齿边浮阀塔板的关闭平衡点的阀孔 动能因子比f 1 型浮阀塔板小2 2 ，而开启平衡点的阀孔动能因子比 f 1 型浮阀塔板大1 6 ；当阀孔动能因子大于关闭平衡点而小于开启平 衡点时，齿边浮阀塔板的塔板压降和f 1 型浮阀塔板基本相同；当阀孔 动能因子大于开启平衡点时，齿边浮阀塔板的塔板压降比f 1 型浮阀塔 板小2 0 - - ，3 0 ；齿边浮阀塔板的漏液量与f l 型浮阀塔板基本相同。 对实验测定的塔板压降、漏液、雾沫夹带等实验数据进行了回归， 得出了计算干板压降、湿板压降、漏液点孔速及雾沫夹带的关联式， 关联式能较好地预测塔板的压降、漏液点孔速和雾沫夹带。这些关联 式对齿边浮阀塔板的结构设计和分析具有参考作用。 采用计算流体力学软件f l u e n t 6 1 ，选用标准k - 湍流模型，研 究了全开状态下的齿边浮阀塔板和f 1 浮阀塔板上的三维湍流流动场， 得到了气体通过齿边浮阀和f 1 浮阀时的速度场分布，发现浮阀周围存 在较强的湍动流动场。按照各自的形状及排列方式，齿边浮阀与相邻 阀体之间形成了四个较明显的涡旋，位于阀前后两侧；f 1 浮阀由于三 个阀腿的影响和周围成正三角形排列的相邻阀体喷出的气流形成六个 较明显的涡旋。模拟还计算了气体通过齿边浮阀和f 1 浮阀塔板的干板 压降，并和实验数据作了对比。 本文研究为齿边浮阀塔板的工程设计和实际操作提供了依据，并 为今后进一步的研究和改进奠定了基础。 关键词：塔板，齿边浮阀塔板，流体力学性能，c f d h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dc f d s i m u l a t i o no fs e rra t e dv ，ai v et r a y a bs t r a c t t h eh y d r o d ) _ 7 n a m i c so fs e r r a t e dv a l v et r a yw e r ee x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d w i t ha na i r - w a t e rs y s t e mi naq b 6 0 0 m mc o l u m n b o t ht h ev e l o c i t yf i e l da n d p r e s s u r ef i e l do nt h es e r r a t e dv a l v et r a yw e r ec o n d u c t e ds i m u l a t i o n a l l yw i t h c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s o f t w a r ef l u e n t 6 1 t h ep r e s s u r ed r o p ，w e e p i n ga n de n t r a i n m e n to ft h es e r r a t e dv a l v et r a y w e r em e a s u r e da n dc o m p a r e dw i t hf1 一v a l v et r a y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a tt h ef - f a c t o r ( k i n e t i c e n e r g yf a c t o r ) t h r o u g ht h eh o l e so f s e r r a t e dv a l v et r a yw a sl o w e rb y2 2 t h a nt h a tt h r o u g hh o l e so ff 1 - v a l v e t r a ya tv a l v ec l o s e db a l a n c ep o i n t ，a n dh i g h e rb y16 t h a nt h a tt h r o u g h h o l e so ff1 一v a l v et r a ya tt h ev a l v eo p e n e db a l a n c ep o i n t p r e s s u r ed r o po f s e r r a t e dv a l v et r a yw a ss i m i l a rt ot h a to ff1 一v a l v et r a yw h e nf f a c t o r t h r o u g ht h eh o l e sw a sb e t w e e nl o w e rc l o s e db a l a n c ep o i n ta n dh i g h e r o p e n e db a l a n c ep o i n t w h e nf f a c t o rt h r o u g ht h eh o l e se x c e e d e dv a l v e o p e n e db a l a n c ep o i n t ，p r e s s u r ed r o po fs e r r a t e dv a l v et r a yw a sl o w e rb y 2 0 - - 30 t h a nt h a to ff1 一v a l v et r a y w e e p i n go fs e r r a t e dv a l v et r a yw a s s i m i l a rt of1 - v a l v et r a y t h ee x p e r i m e n t a ld a t ah a db e e nc o r r e l a t e d a n dt h ec o r r e l a t i o n f o r m u l a so fp r e s s u r ed r o p ，w e e p i n g p o i n t ，e n t r a i m e n th a db e e ne s t a b l i s h e d t h ec o r r e l a t i o nf o r m u l a sc o u l df o r e c a s t p r e s s u r ed r o p ，w e e p i n ga n d e n t r a i n a e n tr e l i a b l y , w h i c hw a su s e f u lf o rd e s i g no fs e r r a t e dv a l v et r a y w i t hc f ds o f t w a r ef l u e n t 6 1 ，t h r e ed i m e n s i o n sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ft u r b u l e n tf l u i df o rs e r r a t e dv a l v et r a ya n df1 一v a l v et r a yw a sc o n d u c t e d b ym e a n so fs t a n d a r dk 一t u r b u l e n c em o d e l t h ef l o wf i e l do fg a s t h r o u g hv a l v es h o w e dt h a tt h e r ew a si n t e n s et u r b u l e n c ea r o u n dt h ev a l v e a n de d d ya r e ab e t w e e nv a l v e s t h e r ew e r ef o u re d d i e so nt h et r a ya r o u n d s e r r a t e dv a l v ea n ds i xe d d i e sa r o u n df1 一v a l v e t h ed r yp r e s s u r ed r o po f s e r r a t e dv a l v et r a ya n df1 一v a l v et r a yw a sa l s o c o m p u t e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dc o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t ar e s p e c t i v e l y t h er e s u l t sw i l lb eh e l p f u lt od e s i g n i n ga n do p e r a t i n go fs e r r a t e dv a l v e t r a ya n de s t a b l i s hb a s e sf o rf u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：t r a y , s e r r a t e dv a l v et r a y , h y d r o d y n a m i c s ，c f d 浙江工业大学硕士论文 4 a f c nc 。、c c 2 e 蠕 h t k z p s t u y 圪 矽 d q g 符号说明 全塔截面，m 2 弓形面积，m 2 k - 模型参数 液流收缩系数 阀孔动能因子，m s ( k g m 3 ) 1 肛 板间距，m 湍流动能，m zs 吨 液流强度，m 3 ( m 2o h ) 液流强度，m 3 m h 压力，n 盯2 源项 x 方向平均速度，m s 进口速度，m s y 方向平均速度，m s 空塔气体流量，m 3 s z 方向平均速度，m s 孔径，m m 雾沫夹带量，k g k g 气 重力加速度，m s 2 千板压降，m 液柱 堰上液高，m ， 浙江工业大学硕士论文 丸 魂 0 u o n f m 甜o w g l 屹，峨：，峨， 以 ，| f p p v ，p l 矽 仃 o k o e 泡沫层高度，m 湿板压降，m 液柱 堰高，i l l 清液层高度，m 堰长，m 漏液点孔速，m s 阀孔气速，m s 按有效截面计算的液层上部气体速度，m s 湍流扩散系数，m 2s 1 干板压降，p a 充气系数 有效粘度，p a j _ 湍流粘度，p a 。s 。 湍流能耗散率，m 2 s _ 3 分子粘度，p a s 一 流体密度，姆肌4 气、液相密度，k g m 3 求解变量 液相表面张力，d y n c m k e 模型参数 6 7 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名： 彳采彦，日期：珂年f 月乡pe t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密囱，在兰年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： b 期：们年r 月岁口e 1 日期：沙妙年厂月；口e l 浙江工业大学硕士论文 第一章前言 板式塔作为重要的分离设备，在石油化工、炼油、精细化工、环保等领域广 泛使用。板式塔按鼓泡元件分主要有泡罩塔、筛板塔、浮阀塔等，其中浮阀塔由 于塔板上设有浮动部件，具有良好的操作性能，在工业生产中占有重要地位。 浮阀塔板自2 0 世纪5 0 年代初期开发以来，证明具有操作弹性大，效率高等 许多优点，很快得到大量应用。这类塔板的开孔部分，设置有在适当范围内上下 浮动的阀片，其形状有圆形、条形及其它等。由于浮阀的流通面积能随气相负荷 的变化而自动调节，在气相负荷较宽的范围内，均能保持稳定操作；气体在塔板 上以水平方向吹出，液面梯度小，气液接触时间长，雾沫夹带量少，并能减小塔 壁边缘死区，因此处理能力大，压降低，塔板效率高。 在国内应用最为广泛的浮阀塔板是我国参照国外v 1 型浮阀塔板进行系统研究 而自行开发的f l 型浮阀塔板，f 1 型浮阀塔板由于具有浮动部件，可在一定范围内 自动调节气体通道，具有良好的操作性能，气液接触状况好、传质效率高。然而 随着塔器技术的不断进步，发现f 1 型浮阀塔板存在以下问题：( 1 ) 塔板上的液面 梯度较大；( 2 ) 塔板上液体返混较大；( 3 ) 塔板上存在液体滞止区；( 4 ) 浮阀易 磨损、易脱落，不仅影响塔板性能，而且增加检修工作量。近年来，针对f l 型 浮阀塔板的以上缺点，国内开发了许多新型浮阀塔板乜1 ，齿边浮阀塔板是其中一种 最近开发的新型浮阀塔板。 计算流体力学( c f d ) 是近代流体动力学、数值数学和计算机科学相结合的产 物，以计算机为工具，应用各种离散化的数值方法，对流体力学的各类问题进行 数值实验、计算机模拟和分析研究，解决实际流动问题。 目前，c f d 的应用已经非常广泛，在航天航空、汽车设计、生物医学工业等各 个领域，发挥了巨大的作用。在化学工程中的应用也很广泛，如化学反应过程、 填料塔、干燥过程、板式塔等。 本文对齿边浮阀塔板的流体力学性能进行了实验研究，并与f 1 型浮阀塔板进 行了比较。同时用计算流体力学软件模拟研究了气体通过该浮阀的流场和干板压 降，为优化改进齿边浮阀塔板奠定基础。 浙江工业大擎硕士论文 第二章文献综述 2 1 浮阀塔板研究进展 板式塔按鼓泡元件主要分为泡罩塔、筛板塔和浮阀塔等基本型式，其中，浮阀 塔自2 0 世纪5 0 年代初期开发以来，由于其操作弹性大，效率高等优点，很快在 工业中得到广泛应用。浮阀塔在塔板的开孔上方，设置有上下浮动的浮阀，其形 状有圆形、条形及其它等。由于浮阀的流通面积能随气相负荷的变化而自动调节， 在气相负荷较宽的范围内，均能保持稳定操作；气体在塔板上以水平方向吹出， 液面梯度小，气液接触时间长，雾沫夹带量少，并能减小塔壁边缘死区。因此处 理能力大，压降低，塔板效率高。但较早出现的浮阀还存在着一些缺点，如浮阀 阀脚容易跳断、板上液面梯度与筛孔塔板相比仍较大、抗堵性能差等，不能进行 长周期运行。针对浮阀塔板存在的一些缺陷以及进一步提高塔板传质效率、处理 能力、操作弹性，出现了大量改进型浮阀塔板。下面按浮阀结构介绍几种主要浮 阀塔板。 2 1 1 圆盘形浮阀 因盘形浮阀塔板的阀孔和浮阀都是圆形的，为加工带来方便。它的种类很多， 目前习惯上仍按当初各种浮阀的开发厂家的专利命名，一类是g l i t s c ha n ds o n s 公司开发的重盘式浮阀塔板( b a l l a s tv a l v et r a y ) ，另一类是k o c he n g i n e e r i n g 公司开发的弹性塔板( f l e x i t r a y ) ，因其是圆盘形的，所以称它为盘式浮阀。 2 1 1 1 卜1 型浮阀 g 1 i t s h 公司所开发的重盘式浮阀的最初结构是a - 1 型，二十世纪五十年代末， 出现了一批从a 型改进而来的v 型重盘式浮阀，它们的结构比a 型大为简化，根 据它们在结构上的微小差别，又大致可分为七种：f l 型浮阀( v l 型) ，v - 2 型， v 一3 型，v 一4 型，v 一6 型，y - o 型，v - 5 型等，其中f - 1 型浮阀是国内外用得最多的 一种。f - 1 型浮阀如图2 - 1 所示，其阀面、阀腿和阀脚是整体冲压的，在阀的周边 上有三个起始定距片，当阀关闭时，使阀片和塔板间仍保留有一个约为2 5 毫米 的间隙，使在蒸汽量很小时，阀虽不浮起，气体仍能通过这个间隙，在液层中鼓 泡，避免了当气量小时，浮阀与塔板相贴合情况下的阀件启闭不稳而产生脉动现 象，扩展了浮阀塔操作的下限。并且阀片与塔板呈点接触，可避免两者的粘结， 使气量增大时，浮阀能平稳地升起。浮阀的周边是向下倾斜的，迫使气流以略向 下的方向吹入液层，周边具有锐利的边棱，在气液接触中起加强湍动的作用，以 2 不断更新气液界面，提高传质效果 圈2 if 1 掣浮阀结构 21 12 锥心浮阀塔板 罐心浮阀足英围h y d r o n y l 公司及西德ma5 公司共同研制的，1 9 6 7 年在 a c h e ! d a 上胜出。在英国称为h yc o n l 舭tv a lv e ( 高度气、液接触) ，在德国称为 k e g e i v e n l ；1 1 ( 锥形浮阀) 。同本h 曾工程( 株) 白英国引入了陔种浮阀的 利， 用作为石油炼制、石油化工及精细化工等的精馏和啦收设备。锥心浮阀结构如罔 2 2 ，其外形v1 型相盘式a 型很相似，也阻三条阀腿作为导向定垃，咀三个小 凸部保持初始开启高度，阀边也略向f 倾。其独特z 处在于浮阀的中心有一向f 凹陷的圆锥，设置这种锥心的出发点足：一般浮阀在蒸气负荷小时，由于气流通 道的截面发q 二几次突变和流目的急转，当处于浮动位置叫呈不稳定怕振动状忐 而锥心浮阀的通道截面突变较少，使气流呈流线型，增加了操作的稳定肚，并使 压力损失减少。 21 13t 型浮阀 1 9 5 3 年k o c h 工程公司开发了a 犁和t 型盘形浮阀，其中又以t 耙浮阀( 国内 称为十字架浮阀) 应用更为广泛些。它是由无阀腿的圆弧形阀片及具有四只脚 的十字形档架所组成，档架的脚是固定在塔板上的，对阀片起定位和导向的作用。 t 型浮阀塔板具有压力降小、漏液少、抗污能力强等特点。 上斟土 f 鏖= 垒fi 遵廷云寻= 二固擎 邕2 - 3t 型浮阀 煎 浙江工业大学硕士论文 2 1 1 4w 塔板 2 0 世纪8 0 年代末德国s t a h l 公司推出了一种高弹性浮阀塔板 v a r i o f l e x - v a l v et r a y ，简称v v 塔板h ，据介绍，其操作弹性可达1 2 ：i ，又确 保阀片不会卡死或脱落，其结构如图2 4 所示。阀片中央开有2 0 m m 的圆孔，阀 片升起之前，塔板开孔率由2 0 m m 的圆孔决定( 图2 - 4 一a ) ；当气量增大时，阀片 开始升起，开孔率增加( 图2 4 一b ) ，一直到阀片达到盖板。w 塔板因有上述特点， 故在低气速下效率仍较高，这是其最大优点，并且随着通量的增加，效率曲线变 化平缓。在结构上则比f - i 型浮阀塔板稍为复杂。 垫墼型t 置曩 冀咎罐 = 霹霹瓮 ( 氧) 低气遮。阀片来升起b ) 巾气遮，闻盼半升起 图2 - 4w 塔板结构图 囊 2 1 1 ，5a d v 微分浮阀塔板 a d v 微分浮阀塔板畸1 由清华大学泽华化学工程有限公司设计开发，其结构如图 2 - 5 所示，主要设计思想如下：( 1 ) 微分浮阀在阀顶开小阀孔，充分利用浮阀上 部的传质空间，使气体分散更加细密均匀，气液接触更充分。( 2 ) 局部采用带有 导向作用的微分浮阀，消除塔板上液体滞留现象，提高气液分布的均匀度。( 3 ) 采用鼓泡促进器使整个塔板鼓泡均匀，同时使气体分布也趋于均匀，从而增加了 塔板的处理能力和提高了传质效率。( 4 ) 适当改进降液管，增加鼓泡区的面积。( 5 ) 阀脚采用新的结构设计，使浮阀安装快捷方便，操作时浮阀不易旋转，不会脱落。 图2 - 5a d v 微分浮阀结构示意图 2 1 1 6 导向圆浮阀啪 这种新型浮阀将f l 型浮阀和导向筛板的优点有机地结合起来，如图2 - 6 所示。 它在阀盖上开设导向孔，增大了气体通道的有效面积，气体分布较为均匀，有效 4 浙江工业大学硕士论文 地降低了气速，减少了雾沫夹带量，同时降低了液面梯度和塔板压力降，提高了 传质效果。另外，它同时在阀孔内设置槽孔，避免了阀体的旋转、磨损、脱落。 与f 1 型浮阀相比，塔板压降降低了l o o p a 2 0 0 p a ，处理能力提高1 5 3 5 ，塔 板效率提高10 2 0 。 图2 - 6 导向圆浮阀 2 1 1 7 环形浮阀塔板 环形浮阀哺3 是在塔板上开以环形的孔，环孔上覆以呈环形的浮阀所组成。环形 浮阀的下侧有三个阀腿，使浮阀升降平稳，并起限位作用。环形阀面的外周边上， 有以1 2 0 0 为间隔的三个垂下部分，使阀与塔板之间呈点接触，并留下一个缝隙， 供小气量时的气流通过。在操作时，每个环形浮阀可形成内外两层鼓泡，减小了 缝隙气速，使压降减小。又由于内外两层鼓泡，使气体的负荷增大，扩展了塔的 操作上限，故特别适用于负荷变化较大的场合。 图2 7 环形浮阀 随着塔器技术不断进步，发现圆形浮阀塔板存在着不足之处：( i ) 塔板上液 面梯度较大，气体在液体流动方向上分布不均匀；( 2 ) 从阀孔出来的气体向四面 八方吹出，导致塔板上液体返混程度较大；( 3 ) 在操作中，浮阀和阀孔易被磨损， 浮阀易脱落。 2 1 2 条形浮阀 相比于圆形浮阀，条形浮阀不会旋转，因而不易磨损，阀片不会卡死、脱落； 由于条形浮阀的气体从两侧喷出，不像圆形浮阀从四周喷出，所以塔板上的液体 返混小于圆形浮阀塔板，效率相对较高；可以排出较圆孔更大的开孔率，从而提 高处理能力1 。经工业实践证明，条形结构的浮阀塔板操作性能较圆形浮阀略为优 秀， 2 1 2 1 奈特浮阀 与圆盘形浮阀相对应，2 0 世纪5 0 年代初，i e n u t t e r 提出的条形浮阀经过 改进后，证明性能优良，在石油和化学工业中大量采用，被命名为奈特浮阀( n u t t e r v a l v e ) ，有p 型、d 型、l 型、d l 型、f 型、b d p 型等。 浙江工业大学硕士论文 2 1 2 2l 1 条形浮阀 洛阳石油化工工程公司等根据我国炼油厂原油供应不平衡，生产波动较大的现 状，开发了l 1 条形浮阀n ，结构如图2 8 所示。该浮阀塔板：( 1 ) 保留了浮动的 阀体结构，以便使气体通道面积可以随气相负荷的大小而调节，提高塔板的操作弹 性。( 2 ) 采用长条形顺排排列形式的塔板，以避免气流的逆向反冲现象，减小液 体流动的液面落差，提高处理能力。( 3 ) 气体从阀体两侧水平吹出，以使塔板上的 液体分布均匀，改善气液接触，提高塔板效率。( 4 ) 简化阀体结构，采用适宜尺 寸，以减少阀体个数，便于安装、检修。 图2 8l 1 条形浮阀结构示意图 2 1 2 3 矩形微分浮阀塔板 清华大学的泽华化学工程有限公司开发了矩形微分浮阀塔板n 2 1 ( 见图2 - 9 ) ， 其设计思想如下：( 1 ) 矩形微分浮阀在阀顶开小阀孔，而且各个小阀孔的开口方 向不同，以便充分利用浮阀上部的传质空间，使气体分散更加细密均匀，气液接 触更充分；( 2 ) 通过改变浮阀上面小阀孔的方向和数量，并对浮阀进行适当排布， 以消除塔板上的液体滞止区；( 3 ) 由于浮阀上面有一部分小阀孔的开口方向与塔 板上的液流方向一致，从这些小阀孔中喷出的少量气体推动塔板上的液体流动， 从而可明显减小甚至完全消除塔板上的液面梯度；( 4 ) 矩形微分浮阀由于是矩形， 在操作中，气体从浮阀的两侧吹出，气体吹出的方向垂直于塔板上的液体流动方 向。因此矩形微分浮阀塔板上的液体返混很小；( 5 ) 由于矩形微分浮阀在操作中 不转动，浮阀无磨损，不脱落。 图2 - 9 矩形微分浮阀结构示意图 2 1 2 4 导向浮阀塔板 导向浮阀塔板n 3 1 的结构如图2 - 1 0 所示。其构思具有明确的指导思想，试图保 6 浙江工业大学硕士论文 留一股浮阀塔板的优点，克服一般浮阀塔板所存在的缺点。( 1 ) 导向浮阀塔板上 配有导向浮阀，导向浮阀上设有适当大小的导向孔，其开口方向与塔板上的液体 流动方向一致。在操作中，借助导向孔吹出的少量气体的动能推动塔板上的液体 流动，以减小甚至消除塔板上的液面梯度。( 2 ) 导向浮阀为矩形，两端设有阀腿， 在操作中，气体不是向四面八方吹出，而是从两侧吹出，气流方向与塔板上的液 流方向相互垂直，可减小塔板上的液体返混程度。( 3 ) 导向浮阀上设有一个或二 个导向孔，由导向孔喷出的水平气流推动液体向前流动，在塔板两侧的弓形区域 内，安装具有两个导向孔的导向浮阀以加速液体流动，从而消除塔板上的液体滞 止区。( 4 ) 导向浮阀具有两只阀腿，操作时，不会出现f1 型浮阀那种旋转现象， 故导向浮阀塔板在结构上十分可靠，不易磨损，不会脱落，操作安全可靠。 图2 - 1 0 导向浮阀结构图 2 1 2 5r c h 型喷射浮阀塔板 r c h 型喷射浮阀塔板n 铂( 见图2 - 1 1 ) 是在条形浮阀塔板的基础上进行结构改进、 研制开发的一种新型塔板。它是在条形浮阀一端的阀腿上增开喷射导向舌孔，舌 孔的上方设有引导气相流动的舌形整流帽，喷射导向舌孔指向塔板上液体主流方 向。在操作过程中，气相的绝大部分从浮阀两侧的缝隙中呈水平方向吹出，只有 很少一部分从喷射导向舌孔吹出。后者可以促进液体流动，对液体具有导流作用。 r ch 型喷射浮阀除具有条形浮阀的性能优点外，还因它具有导流作用，能使塔 板上的液体均匀分布，消除塔板上液体的滞流和返混，减小液体流动的液面落差， 从而改善了塔板的流体力学性能与传质性能。 图2 - 1 1r c h 喷射浮阀塔板结构 2 1 2 6 导流浮阀塔板 导流浮阀塔板n 钉是洛阳石油化工工程公司设备研究所开发，如图2 一1 2 所示。 7 浙江工业大学硕士论文 该导流浮阀在条形浮阀的前阀腿上开一矩形孔，气流在水平通过阀体两侧的同时， 增加一个向前吹出的气流动力，导引液体向前流动。它不但可以改善阀与阀间的 鼓泡状态，还有利于克服液体滞流与返混现象，减小液面落差，这对于降低塔板 压降和提高塔板的效率都有积极作用。该导流浮阀的塔板压降较f 1 浮阀平均降低 约2 0 0 2 5 0 p a ，塔板泄漏约低1 0 ，塔板效率约高1 0 。 图2 1 2 导流浮阀塔板 2 1 2 7j f 复合浮阀塔板 j f 复合浮阀塔板n 町是大庆石油化工设计院和江苏省无锡东新石油化工设备厂 联合开发的。j f 复合浮阀在结构上吸取f 1 型浮阀、条形浮阀及舌形塔板的优点， 巧妙地将条形浮阀与舌形塔板有机地结合起来，形成一种复合式浮阀，其外形类 似于条阀，但阀片上开有小国舌或小浮舌。开有小固舌的j f 复合浮阀如图2 - 1 3 所示。这种塔板在结构尺寸上注意尽可能降低阀片的最小开度，以减少塔板的漏 液，设计的最小开度为f 1 型浮阀的6 0 ，最大升举高度约为f l 型浮阀的1 5 倍， 以保证在最大升举高度时有较低的阀片下环隙气速，这将有利于降低雾沫夹带量， 根据精馏塔所处理物料的不同性质以及具体的操作工况和目的，j f 复合浮阀塔板 可分别采取顺排或错排两种不同的排列型式，其中以错排型式应用较为广泛。 图2 - 1 3j f 复合浮阀结构示意图 2 1 2 8 梯形浮阀塔板 梯形浮阀塔板n 力( 见图2 - 1 4 ) 是由美国n u t t e r 工程公司开发的v 型栅板加上 阀腿演变而成，它利用简单的阀形改变，即将条形改为梯形，使气流沿垂直于阀 片边缘水平吹出时，对液体的作用力可分解为两个分力。一个分力垂直于液体流 向，起着分散均布液体的作用；另一个分力则平行于液体流向，具有导流作用， 有利于克服液体滞流与返混现象，减小液面落差。梯形浮阀的流动力学分析示于 图2 - 1 4 - b 。因此梯形浮阀除兼有条形浮阀的特性外，还具有一个新特性，即有效 的导流作用，其流体力学与传质性能将随之有新的改变。 8 浙江工业大学硕士论文 导巍力 鼋 i 董 隶 卜一一一一 图2 1 4 一a 梯形浮阀塔板示意图图2 - 1 4 - b 梯形浮阀流动分析示意图 2 1 2 9 梯形导向浮阀塔板 梯形导向浮阀塔板n 踟是在导向浮阀塔板的基础上开发研究的。塔板如图2 - 1 5 所示。其结构特点为：( 1 ) 塔板上配有导向浮阀，浮阀上设有导向孔，导向孔的开 口方向与塔板上的液流方向一致。在操作中，从导向孔喷出的少量气体以及从浮 阀两侧吹出的具有向前分速度的气体推动塔板上液体流动，从而可明显减小甚至 完全消除塔板上的液面梯度。( 2 ) 导向浮阀为梯形，两端设有阀腿，在操作过程 中气体不是从四面八方流出，而是从浮阀的两侧流出，气体具有向前的分速度和 垂直于塔板上液流方向的分速度。因此，梯形导向浮阀塔板上的液体返混是很小 的。( 3 ) 塔板两侧的弓形区内，梯形导向浮阀可以加速该区域的液体流动，从而 可消除塔板上的液体滞止区。( 4 ) 由于梯形导向浮阀塔板在操作过程中不转动， 浮阀无磨损，不脱落。 图2 - 1 5 梯形导向浮阀结构 2 1 3 其它形状浮阀 2 1 3 1 浮动栅条塔板 浮动栅条塔板亦称t f t 塔板( t u r b of l e x it r a y ) n 们，是二十世纪七十年代 初日本开发的一种塔板。它由多条角钢形的栅条所组成，栅条可在一定角度范围 内翻动。另外，t f t 塔板的降液管开口是可调的，采用了一种液封调节装置，当液 体流量大时，液体流出口的开度增大，流量小时，流出口自动关小。这种塔板除 了气流通道可随气体流量变化，降液管的液流通道可随液体流量变化，因而具有 大的操作弹性外，它的板上气、液互呈错流，且气流的方向对液流有助推作用， 使塔板上的液面梯度小，液体返混亦少，因而在较广的操作范围内，都能保持较 高的塔板效率。 9 浙江工业大学硕士论文 2 1 ，3 。2 百叶窗式浮阀塔板 百叶窗式浮阀塔板是苏联1 9 7 4 年开始报道的呦1 ，由乌克兰化工机械研究所在 奥姆斯克合成橡胶厂进行了工业性试验，是一种操作弹性宽，效率较高的塔板。 2 1 3 3 管式和长条式浮阀塔板 日本三菱重工株式会社于二十世纪六十年代末期，开始研制一种管式浮阀塔 板犯“2 朝，于二十世纪七十年代投入生产应用。这种塔板以薄壁钢管安放在塔板上 开出的长方形阀孔上作为浮阀，浮阀的升程和定位是靠板上阀孔的两端所留出两 个短条，并将其扳转成z 字形，插入管子浮阀的两端，当浮阀升起并为z 形短条 所勾住时，即为其最大升程。 捷克研制了一种与管式浮阀相似的长条形浮阀塔板乜钉。它是在塔板上开以长 条形的阀孔，其长宽比约为1 0 3 0 ，在孔上覆以长条形的浮阀，其长、宽均比阀 孔略大。个长条形浮阀可代替8 - 1 0 个圆形浮阀。浮阀的断面呈圆弧形( 或波 纹形或三角形等) 以增大长条形浮阀的刚度。阀两端的下方有两呈倒t 形的定距 板，起限制浮阀的最大升程之用。阀的边缘上开有四条小缝，使缝边略向下扳， 形成四个小突起，使浮阀与塔板之间呈点接触，以免两者粘结，当气量小时，阀 不浮起，气体仅从此起始开缝中逸出。长条形浮阀的缺点是会发生一端先随气流 升起的现象，使气体成片喷出，并易发生板上液体短路和塔板漏液，形成气液接 触不良。 此外，匈牙利v f f 工厂提出一种管阀，是将长管截成小段，并用一根棍子穿 过作固定，结构较为简单。每段小管阀可以自由运动，其操作性能与许多小浮阀 相近，并可使全塔截面均匀地鼓泡。 j ! ! o _ _ _ 期 1e。囊 图2 1 6 管式浮阀 2 1 3 4 链网式浮阀塔板旧副 为了改进单个浮阀在低气体负荷时的启闭不稳，f r i e dk r u p pg e s e l l s h a f f 公 司提出了一种链网式浮阀塔板( g r i dv a l v et r a y ) 。它是由一些小的圆弧形阀片， 互相用金属环联成一个整体浮阀网，而将网的边缘固定在塔板的边缘上。安装时 每个阀片都分别覆盖在阀孔上，甚为方便。操作时所有阀片随气流的大小而同时 动作，开闭动作稳定，漏液现象大为减少，与一般浮阀塔板相比，它在更宽的范 围内具有较高的板效，且当操作条件变化时，对它的敏感性较小。 与链网式浮阀相似，另一种整体浮阀组的结构是金属网架浮阀，它是用塔板 l o 冲孔时冲下的圆片作阀片，另外做一个金属架，从上面伸下一些脚束，插入阀 片上所丌的孔内，起阀片的导向和定位作用。为了防止阀片落入阀孔，在阀片冲 压成形时，让阀片的边缘带三个小的凸出部分( 或凹进部分) ，将阀片从塔板上冲 下的方位旋转6 0 。后，再用金属网架崮定，就不会再落八阀孔了。 2 135 单侧浮动整流浮阀” 如图2i7 所示，改新型浮阀的特点：在阀盖上设置单侧浮动阀，并在其酊阀 腿上开整流孔。据称该浮阀可显著减少塔扳上的液面梯度，减少液体返混，消除 了塔扳上的液体滞止区，传质效率较f l 浮阀提高1 0 3 0 ，处理能力提高3 0 以上。 与单测浮动整流浮阀类似的还有天津大学开发的双处喷射导向梯形浮阀，这种 浮捌是在梯形浮阀的阀盖上”设通气窗，时阀腿”通气孔，将梯形浮阀、导向浮 阀和导流行阀的诸多优点有机地结合扯起。 幽2 一1 7 单侧浮动整流浮蚓 2146 导向筛f l 浮阀“。 2 0 0 2 年，天律大学丌发了如幽21 8 所示的廿向筛孔浮阀，馥新型污闷主要山 导向孔浮阀盖；f r 【导向筛孔侧扳组成。当气流穿过孩浮阀时，一部分气体从导向舌 孔流出推动液体定向流动，减小液删落差：男部分气体从阀体侧板曲解孔流 m 被圆形筛孔或条形筛j l 分割成小股气体，使气液接触而积增大，因此政浮搁 具有筛孔和浮阀双重结构，同时又具有导t 结构，所以该浮叫且有筛f l 塔板流股 小、气相分布均匀的特点，又具肯浮阀塔姑操作范围大的特点，还具有导向功能， 效率商、弹性大 国2 一1 8 导向筛孔浮阀 2137 塔用斜喷浮阀“” 塔用斜喷浮阀如图21 9 所示。该阀体两侧有挡气片，两挡气片之间为气流喷 口，挡气片与气流喷口相间排列，使气流方向交替变化，防止相邻浮阀气流对冲。 在阀盖l 自侧吹舌孔，开口方向与液流方向垂直，前阀腿上丌导流孔。塔用斜喷 浮阀可以减少液沫夹带及液面梯度，改善了气液分布。它的操作上限较f l 浮阀提 高了2 5 ，塔板压降降低1 5 - 3 0 ，塔板效率提高了】01 5 。同样在浮阀阀片e 开 、 浙江工业大学硕士论文 侧吹斜孔的还有上海惠生化工工程有限公司开发的斜孔条形浮阀，如图2 2 0 所 不。 图2 1 9 塔用斜喷浮阀 图2 - 2 0 斜孔条形浮阀 2 1 3 8 方形浮阀( s p e i c h i r a ) 塔板1 方形浮阀在1 9 6 7 及1 9 7 0 年在a c h e m a 上连续展出过，它的阀呈方形，周边有 波纹，在孔内不会转动。因其在低气速下的泄漏较少，而具有低的操作下限。它 的鼓泡面积大，可减少单位塔板面积上的阀数，使成本下降。 图2 2 1 方形浮阀 2 1 3 9 带叶片的浮阀( s p ir a iv a i v e ) 塔板 带叶片的浮阀是k r u p p 公司提出的，其阀盘下方带有水涡轮式的叶片，使气 流穿过浮阀时能与液体发生强烈的搅拌混合，提高了传质效果。这种浮阀在很低 气速下就能浮动，并且非常稳定。它的边缘做成波纹形，有助于气流分散。 2 1 3 1 0 错流式浮阀塔板m 1 j u l i u sm o n t z 公司提出了一种长条形的浮阀，它在塔板上的排布方式比较别 致，每一个浮阀的气流喷出口，与它周围的那些阀的气流喷出口都互相垂直，因 此喷出的气流之间不会对冲，可以减少雾沫夹带。 2 1 3 11t 。浮阀塔板 t 。浮阀塔板船2 1 是在t 型浮阀塔板的基础上改进而成的，其结构如图2 2 2 所示， 它保留了t 型浮阀塔板的十字架支架，从而保证了阀片在阀架内能够随着气相负 荷的变化而运动自如。此外，在原来上凸的阀片中央冲了一个向下的凹槽，使气 相通过阀时的流动流线化，以达到减小塔板压力降和保证阀片平稳的目的。 1 2 浙江工业大学硕士论文 图2 2 2t 0 浮阀阀片和阀架示意图 2 1 3 12 高效锥型浮阀塔板 中石化洛阳石化总厂将f 1 型浮阀结构进行改进，命名为高效锥型浮阀d 3 1 。阀 体结构如图2 2 3 所示，其特点为( 1 ) 保留原f 1 浮阀的整体结构不变，气体通道 面积依然随气相负荷的大小而调节，依然具有f 1 浮阀的所有优点；( 2 ) 在原f l 浮阀的平板中心冲出一个合适尺寸的导流锥，避免气流直接冲向平板导致的逆向 反冲现象，加速气液接触，提高塔板效率；( 3 ) 在锥体的正底部和腰部钻四个合 适尺寸的小孔，运行中气流沿小孔均匀喷出，一方面给阀体一个向上的提升力， 减少塔板的压力降，另一方面改善气液接触，消除f 1 浮阀的顶部液体滞留区，优 化传质作用；( 4 ) 导流锥和小孔的共同作用，使气流均匀顺畅地沿阀体四周流出， 避免了浮阀的磨损、脱落、卡死等现象的发生；( 5 ) 由于保留了f 1 浮阀的外形尺 寸，改造时不象其它浮阀那样要改变整个塔板的结构，因而可大大减少投资费用， 节省改造时间。 ! 图2 2 3 高效锥型浮阀结构示意 2 1 3 13h t v 船型浮阀塔板 h t v 船型浮阀塔板瞰3 是石油大学发明的一种具有高效、大操作弹性的常加压型 浮阀塔板，浮阀为长条、半管式结构。对其研究结果表明：在相同的条件下与通 用的v - 1 型浮阀塔板相比，h t v 船型浮阀塔板的塔板间的返混较低，雾沫夹带和泄 漏均约低3 0 左右，冷膜效率( 氧气解吸和氨气吸收) 约高5 ；压降( 如干板 压降、湿板压降和清液高度等) 相当。 3 14b v t 蝶型浮阀塔板 石油大学在成功研制了h t v 船型浮阀塔板的基础上又开发了b v t ( b u t t e r f l y 1 3 浙江工业大学硕士论文 v a l v et r a y ) 蝶型浮阀塔板啪3 ( 见图2 - 2 4 ) 。起初b v t 浮阀是在h t v 浮阀塔板基础 上，保留h t v 浮阀长条形、底部为半圆形、阀体上部两侧带有翻边的结构特点， 为增加气体对液体的向前推动力，将h t v 半管形结构改为前端小，后端大的半锥 形结构，塔板上阀孔尺寸不变。通过对比实验发现，经过改进后的浮阀塔板上液 面梯度减小，塔板压降也有所降低，但其总体性能改进还不够突出。为此，在阀 面后端冲压出一个方向朝前的舌孔，该舌孔的舌片与塔板的平面成一定角度，使 得舌孔和阀孔中吹出的气体对液体具有双重的向前推动力，相当程度上减小了液 面梯度，也使板面上的积液减少，气体分布均匀，液体返混减少，在不同程度上 消除了液体滞流区，从而提高了传质效率，塔板压降也相应减少。 通过冷模试验发现，b v t ( 1 ) 浮阀塔板上液面梯度减小，塔板压降也有所降低， 但雾沫夹带增加，而且由于浮阀单体尺寸过大，不利于大开孔率塔板上浮阀的布 置。在保持b v t ( 1 ) 基本形式的基础上，将浮阀单体的长度缩小，塔板上的阀孔 由矩形变为梯形，并将舌孔的舌片与塔板平面的角度降低，此即为b v t ( 2 ) ，b v t ( 2 ) 浮阀单体及其排列方式见图2 2 4 。在b v t ( 2 ) 的基础上，将舌孔的数量由 一个变为两个，塔板上的阀孔尺寸不变，此浮阀塔板称为b v t ( 3 ) 。浮阀单体上舌 孔的设置明显强化了鼓泡面积上的操作，扩大了操作弹性，提高了塔板效率。 图2 - 2 4b v t 浮阀单体及其排列方式 2 1 3 15 织板振动浮阀塔板 振动浮阀塔板上有齿形的浮阀，这些齿形浮阀随着气速的变化来回振动，在较 高的气速时，5 0 m m 长的塑料浮阀在3 - - - 5 h z 频率下升起至距离塔板l o - - 一1 5 m m 高， 振幅为3 m m 。 织板振动浮阀塔板汹3 7 蚓利用和氟化乙丙烯橡胶( f e p ) 类似的机织织物( 型号 s k i m ) 作为浮阀材料，既有较好的弹性又有较好的防腐性能，可以耐温至8 0 0 。c ， 而f e p 上限温度只为8 0 。 实验结果表明织板振动浮阀塔板在适度地改变板压降( 或能量损耗) 下有较高 的传质效率；由于浮阀相互不接触，所以没有摩擦阻力；所用的高机械性能材料 既节省了投资费用和操作费用；其良好的耐热性也为其应用于热分离过程中增添 了魅力。织板振动浮阀已经成功应用于工业。 1 4 浙江工业大学硕士论文 图2 - 2 5 振动浮阀塔板示意图 2 1 3 1 6 新型椭圆形浮阀口钉 这种椭圆浮阀综合了条形浮阀和圆形浮阀的优点，在增加了机械强度的同时 提高了传质效率，如图2 2 6 所示。其特点在于：该浮阀的阀盖由两个短轴相等、 长轴不等的半椭圆组合而成，因此其重心向一端偏移，造成浮阀开启后阀体有一 定的前后倾斜度，使得从阀孔中吹出的气体能推动塔板上的液体作定向流动；阀 盖边缘的锯齿增加了气液接触的表面，同时减少了雾沫夹带，并使阀体的开启阻 力大大减小。该浮阀继承了条形浮阀塔板开孔率高及条形浮阀机械强度高的特点， 同时又继承了圆形浮阀塔板机械强度较高的特点，保证了塔板的机械强度。 图2 - 2 6 椭圆浮阀阀盖示意图 2 1 3 17 双层浮阀塔板 国内董易良等人在2 0 0 1 年开发了一种双层条形浮阀塔板呻1 ，如图2 2 7 所示。 该浮阀的特点在于第一层条形浮阀阀盖上设置有较小尺寸的第二层条形浮阀，操 作气量小时，质量较小的第二