（化学工程专业论文）两种新型浮阀塔板流体力学性能的研究.pdf

中文摘要 板式塔是重要的化工气液传质设备，近几年来，不断有新型的塔板出现，本 文研究了两种结构新颖的浮阀塔板：全周向通气条形导向浮阀塔板及箭形浮阀塔 板。应用空气一水系统，在直径巾1 2 0 0 m m 的冷模塔内对两种新型浮阀塔板进行了 流体力学性能测量，对实验所测得的实验数据进行了关联，并与f 1 浮阀进行了 对比。实验表明，新型浮阀塔板的流体力学性能有了明显的改善，相同条件下全 周向通气条形导向浮阀塔板的板压降比f l 浮阀低2 0 左右，雾沫夹带较f 1 型浮 阀小1 0 左右，漏液量较f 1 型浮阀稍大；箭形浮阀的板压降比f 1 浮阀低5 0 p a 左右，雾沫夹带和漏液均较f l 浮阀小。 关键词：新型浮阀塔板流体力学塔板压降雾沫夹带 a b s t r a c t t r a yc o l u m ni sat y p eo fi m p o r t a n tg a s l i q u i dc o n t a c te q u i p m e n ti nt h ec h e m i c a l i n d u s t r y , i nt h er e c e n ty e a r s ，t h en o v e lt r a ya p p e a r sf r e q u e n t l y t h i sp a p e r i n t r o d u c e d t w of l o a t i n gv a l v et r a y s o n ew a sn o v e lr e c t a n g u l a rf l o w d i r e c t e df l o a t i n gv a l v et r a y , t h eo t h e rw a sa r r o w 1 i k ef l o a t i n gv a l v et r a y h y d r o d y n a m i cb e h a v i o r so fn o v e l r e c t a n g u l a rf l o w - d i r e c t e df l o a t i n gv a l v et r a ya n da r r o w - l i k ef l o a t i n gv a l v et r a yw e r e e x p e r i m e n t a l l ys t u d i e dw i t ha i r - w a t e rs y s t e mi n a1 2 0 0 m md i a m e t e rc o l u m na n d c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lf1t y p et r a y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e h y d r o d y n a m i c so ft h en e wf l o a t i n gv a l v et r a yw e r eb e t t e rt h a nt h a to f f 1t r a y a tt h e s a m eo p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，t h ep r e s s u r ed r o po fn o v e lr e c t a n g u l a rf l o w d i r e c t e d f l o a t i n gv a l v et r a yw a sd e c r e a s e da b o u t2 0 ，e m r a i u m e n tr a t ew a sa b o u t1 0 l o w e r t h a nf 1 t r a y , w h i l et h ew e e p i n gr a t e w a ss l i g h t l yh i g h e r t h ep r e s s u r ed r o po f a r r o w - l i k ef l o a t i n gw a sa b o u t5 0 p al o w e rt h a nf 1t r a y , b o t he n t r a i n m e n tr a t ea n d w e e p i n gr a t ew e r el e s st h a nf 1 t r a y k e yw o r d s ：n o v e lf l o a t i n gv a l v ef l a y , h y d r o d y n a m i c s ，p r e s s u r ed r o po ft r a y e n t r a i n m e n tr a t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：态砖缉签字日期：。1 r 年1 月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤生盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权主垦生盘翌可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：走e 诤矿 签字日期：d 并7 月讪日 导师签名： 签字日期： 天津大学硕士学位论文 前言 塔设各是化工、炼油、医药等行业的核心设备，广泛应用于精馏、吸收、解 吸、萃取等过程中。塔设备分为板式塔和填料塔两大类。近年来由于新型填料的 出现，填料塔的应用逐渐增多，但对于常压或加压操作物系，特别是大塔径、多 侧线的气液传质设备，目前仍以板式塔为主，因此开发研究新的塔板仍具有实际 意义。 为了满足工业生产及其提高经济效益的需要，塔设备必须考虑以下几点： 1 相际传质面积大和气液两相充分接触； 2 生产能力大： 3 操作稳定，操作弹性大： 4 能耗小； 5 结构简单，耗材少，加工安装方便： 6 操作简单，易维修和检修。 围绕这些要求，各种新型塔板不断出现，其中f l 型浮阀塔板是目前工业中 应用较广的一类塔板，随着塔器技术的不断发展，发现f l 浮阀塔板也存在某些 缺点，如液面梯度大，塔板上液体返混较大，塔板两侧的弓形区内存在滞流区， 浮阀易磨损、易脱落等。针对这些缺点，人们开发了许多新型浮阀塔板，例如河 北工业大学的大通量高效塔板立体传质塔板( c t s t ) d 3 1 3 4 l 、华东理工大学的 导向浮阀塔板n q 【1 7 1 、浙江工业大学的d j 系列塔板删【4 5 】 4 6 1 、南京大学的新9 5 型 塔板【1 】【2 】和混合箱塔板【3 以及天津大学开发的导向梯形浮阀塔板【1 9 】和j c p t 塔板 5 2 1 5 3 1 1 5 4 1 等。全周向通气条形浮阀以及箭形浮阀是最近开发的两种具有液体导流 作用的新型浮阀塔板，本文主要对其流体力学性能( 板压降、漏液量和雾沫夹带 量) 进行了实验测试，并与f l 浮阀塔板进行了对比，为工业应用提供了依据。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 塔设备是化工，炼油，农药，医药，环保等行业中的核心设备之一。涉及精 馏，吸收，解吸，汽提，萃取等化工单元操作。它的主要功能是使气( 或汽) 液 或液液两相之间通过接触达到相际传质及传热的目的，因此，塔器的研究是国内 外学者普遍关注的重要议题1 4 1 塔设备按其结构可分为板式塔( 逐级接触型) 和填料塔( 连续接触型) ，近 年来，填料塔随着规整填料的发展及薪型塔内件的开发，进展很快，与板式塔的 竞争日趋激烈。但填料塔存在以下缺点：( 1 ) 有些填料造价较高，且对初始分布 敏感，每厢一定高度要安装收集分布器装置；( 2 ) 中高压和大液气比操作传质性 能较差，尤其在高压下其分离效率与通量比在常、减压下要低得多；( 3 ) 在有腐 蚀、结焦、结垢等生产环境下，考虑到堵塞、材质、寿命等因素，其应用也受到 限制；( 4 ) 对于粘度较大的物系，分离效率大幅下降。因此新型板式塔的研究开 发、推广应用仍具有实际意义。 1 1 板式塔的发展状况5 1 6 1 7 1 8 】【9 】 1 0 】 从1 8 1 3 年c e l l i e r 首次提出泡罩塔到现在近2 0 0 年的不断研究和发展，人们 围绕高效率，大通量，宽弹性，低压降的宗旨开发了不少于8 0 种的各种结构的 塔板 1 l 】。这里我们将着重介绍浮阀塔板、喷射型塔板、悬挂式降液管塔板以及复 合塔板。 1 1 1 新型浮阀塔板 园盘形浮阀自从1 9 5 3 年开发后，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，其中以美国g l i t s t c h 公司推出的v 1 型( 国内称之为f 1 浮 阀) 浮阀应用最为广泛。美国g l i t s t c h 公司同时还推出了v _ 4 型浮阀，它与v _ 1 型浮阀不同的是阀孔采用文丘里结构，以降低塔板阻力【1 ”。圆盘型浮阀自2 0 世 纪5 0 年代以来，尽管仍在工业生产上广泛应用，但存在阀片易卡死或脱落的问 题，影响塔的正常操作，在接下来的半个多世纪里，国内外先后开发了不同型号 的浮阀塔板。 天律大学硕士学位论文 第一章文献综述 一、v _ v 浮阀塔板| ：1 3 】1 1 4 j v a r i o f l e x v a l v et r a y ，简称v - v 浮阀塔板，是8 0 年代末德国推出的一种高 弹性的浮阀塔板，据介绍，其操作弹性可达1 2 ：1 ，结构示意图如图1 1 所示，在 由5 0 m m 的圆形平板阀片中间开有中2 0 m m 的圆孔，在气速较小时，阀片停靠在 塔板上，使整块塔板的开孔率大为减小，气体直接通过阀片上巾2 0 m m 的圆孔进 入液层，如图1 - l ( a ) 所示；随着气量的增加，阀片慢慢升起，这时，气体一部分 从阀片升起的间隙直接进入液层，另一部分则通过阀片上的小圆孔后由于定位架 上盖板的强制作用而水平进入液层，如图1 一l ( b ) 所示；当气速继续增大时，阀片 继续上升直到定位架的顶部，这时气体全部通过阀片升起的间隙进入液层，如图 1 - 1 ( c ) 所示，这样通过阀片的升降保证塔板具有较大的操作弹性。从结构上看， v - v 塔板较f 1 浮阀复杂，但它具有很高的操作弹性，不易被吹落和卡死，是一 种性能优良的浮阀塔板。 拳婺满舜、津 ( a ) 低气速流率( b ) 中气速流率( c ) 高气速流率 图1 1v _ v 浮阀塔板结构图 f i g u r e1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f v a r i o f l e x - v a l v et r a y 二、l 1 条型浮阀塔板【1 5 l 1 条形浮阀是由洛阳石化公司研制而成，其结构特点如下：1 、保留了浮 动的阎体结构，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 、采用长条形顺排错位排列的塔板，以便避免气流的逆向反冲现象， 减小液体流动液面落差，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，l 1 条型浮阀结构如图1 2 所示。 图1 2l i 条型浮阀结构示意图 f i g u r e1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f l lf l o a tt r a y 3 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 三、导向浮阀塔板【1 6 】【1 7 导向浮阀塔板是由华东化工学院所研制，其结构如图1 3 所示，导向浮阀塔 板与f 1 浮阀塔板相比，具有如下特点： 第一、浮阀上设有适当大小的导向孔，导向孔的开口方向与塔板上的液流 方向一致。在操作中；借助从导向孑l 流出的少量汽体推动塔板上的液体前进，从 而消除液面梯度。 第二、f 1 型浮阀为圆形，汽体向四面八方流出，造成塔板上的液体显著返 混，塔板上液体返混将降低塔板效率。导向浮阀是长方形，这样气体不是从四周 流出，而是从两侧流出，气体流出的方向与塔板上的液流方向互相垂直，可使塔 板上液体的返混程度明显减小。 第三、借助导向浮阀的适当排布，可以消除液体滞留区。 一。霉鼙 2 具有】个导向孔具有2 个导向孔 图j 一3 导向浮阀结构示意图 f i g u r e1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f d i r e c t e df l o a t i n gv a l v et r a y 四、梯形浮阀1 1 8 j 梯形浮阀塔板是在总结条形浮阀塔板运行经验的基础上，改进而成的一种新 型塔扳。它利用简单的阎形改变即将条形改为梯形，使气流沿垂直于阀片边缘 水乎吹出时，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1 4 。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 i i ，b 图1 4 梯形浮阀流动分析示意图 f i g u r e1 - 4f l o ws c h e m a t i cd i a g r a mo f t r a p e z o i df l o a tt r a y 五、导向梯形浮阀l j 圳 导向梯形浮阀是天津大学在国内外v 型栅板 2 0 】叫研究和应用的基础之上， 开发的一种新型塔板，它吸收v 型栅板的结构优点与其它的导向浮阀塔板的优 点，将矩形阀片改为梯形阀片，使气流的推液作用得到了加强，进一步改善了液 流状态，减小液相返混，它又采用可上下浮动的阀片结构，故有比较高的操作弹 性。导向梯形浮阀的结构示意图如图1 5 所示。 图卜5 导向梯形浮阀结构示意图 f i g u r e 】- 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f n o v e lg u i d et r a p e z o i df l o a tt r a y 六、微分浮阀【2 2 】 2 3 微分浮阀是清华大学泽华公司在9 0 年代末推出的一种浮阀，它主要针对f 1 浮阀在操作过程中存在的一些问题，譬如，浮阀上方没有鼓泡区，塔板局部存在 滞流，研制而成。其结构示意图如1 ，6 所示： 微分浮阀分为圆形和矩形两种，其共同特点是在阀项开有小阀孔，充分利用 浮阀顶部的传质空间，使气体分散更加细密均匀，气液接触更加充分。实验表明 2 2 1 2 3 l 无论是圆形微分浮阀还是矩形微分浮阀，都比f 1 浮阀有较好的流体力学和 传质性能。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 图1 6 微分浮阀结构不意图 f i g u r e1 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f d i f f e r e n t i a lv a l v et r a y 此外，h t v 浮阀2 4 等也是国内有创新的塔板浮阀，在工业上也有一定的应 用，这里不再详述，通过对近几年来新型浮阀的分析可以看出，新型浮阀在阀型、 气流推力和塔板压降方面有了很大的改进【9 】，它们在流体力学与传质方面较f 1 浮阀有了明显的改善。 1 1 2 喷射型塔板 喷射型塔板的共同特点是在喷射条件下操作：液体被气体撕裂、成为分散相， 气体为连续相，带动液滴前进。这种塔板气相负荷高，塔板上液层薄而压降低。 一、新型垂直筛板( n e wv s t ) 新型垂直筛板是由日本三井造船株式会社于1 9 6 8 年前后开发成功的，自问 世以来，国内学者对其做了大量的研究口5 【2 6 2 7 1 1 2 8 1 1 2 9 1 。n e w v s t 是以气相为连续 相，液相为分散相的新型喷射型塔板，其结构形状如图1 7 所示，主要特点是： 在塔盘上布置有若干圆柱形帽罩，帽罩顶部有盖板，可有效抑制雾沫夹带，其圆 筒壁上部开有许多小圆孔或缝隙，气液混合物从这里喷出在圆筒底与塔板板面 之间留有一定高度的缝隙，液体则经过这个缝隙由罩外流入罩内罩子下方的板 面上开有直径为d 的圆形孔，为气体通道操作时，从下层塔板上升的气体， 经板孑l 与从罩底隙进入的液体相遇，经过拉膜、提升、破膜、混合、喷射分离等 过程完成气液接触传质该塔板具有气体处理量大、效率高、操作范围宽等优良 陛能。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 罔1 6 微分浮阀结构示意图 f i g u r e l 6s c h e m a t i c d i a g r a mo f d i f f e r e n t i a l v a l v e t r a y 此外，h t v 浮阀2 1 等也是国内有创新的塔板浮阀，在工业上也有一定的应 用这里不再详述，通过对近几年来新型浮阀的分析可以看出，新型浮阀在阀型、 气流推力和塔板压降方面有了很大的改进嗍，它们在流体力学与传质方面较f 1 浮阀有了明显的改善。 1 1 2 喷射型塔板 喷射型塔板的共同特点是在喷射条件下操作：液体被气体撕裂、成为分散相， 气体为连续相，带动液滴前进。这种塔板气相负荷高，塔板上液层薄而压降低。 一、新型垂直筛板( n “rv s t ) 新型垂直筛板是由日本三并造船株式会社于1 9 6 8 年前后开发成功的，自问 世以来，国内学者对其做了大量的研究”5 埘】 2 1 口q f 2 9 1 。n e w v s t 是以气相为连续 相，液相为分散相的新型喷射型塔板，其结构形状如图1 7 所示，主要特点是： 在塔盘上布置有若干圆柱形帽罩，帽罩顶部有盖板，可有教抑制雾沫夹带，其圆 筒壁上部开有许多小圆孔或缝隙气液混合物从这里喷出在圆筒底与塔板板面 之间留有一定高度的缝隙，液体则经过这个缝隙由罩外流入罩内罩子下方的板 面上开有直径为d 的圆形孔，为气体通道操作时，从下层塔板t 升的气体， 经板孔与从罩底隙进八的液体相遇，经过拉膜、提升、破膜、混合、喷射分离等 过程完成气液接触传质该塔板具有气体处理量大、效率高、操作范围宽等优窿 过程完成气灌接触传质该塔板具有气体处理量大、效率高、操作范围宽等优窿 性能。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 曩 图1 7 n e w v s t 结构不意图 f i g u r e1 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f n e wv s t 二、舌型塔板 舌形塔扳是早期的喷射塔板【3 0 】，其结构如图1 8 所示，舌形按一定方式排列， 舌片由冲压成型，切口为孔1 ：3 ，舌形塔板具有结构简单、塔板压降低、通量大的 特点。其主要缺点是，塔板上的液体被舌孔气流不断加速，停留时间短；气液喷 流在塔壁遏阻形成了在溢流i ：l 上方的液滴浓集区，使雾沫夹带增大并妨碍降液管 中气液分离；气量较小时易于漏液这些都将导致塔板效率下降。 g 2 7 0 时，口= o 5 4 5 对于浮阀塔板，v 。值很小，一般可以忽略。 1 2 2 雾沫夹带 上升气流穿过塔板上的液层时，将板上液体带入上层塔板的现象称为雾沫夹 带。雾沫夹带是塔板设计的一个重要流体力学参数，其值的大小限制精馏塔操作 气体负荷上限，在塔板设计开发和改进过程中，雾沫夹带测定几乎都是一个必不 可少的项目。塔板实际操作中，雾沫夹带作用的结果使气体将下一层塔板的一部 分重组分含量较高的液体带至上层塔板，造成板间轴向返混，板上液体浓度结构 变化，传质推动力减小，塔板效率下降。 早在三十年代，人们已经注意到雾沫夹带对塔板传质效率的不利影响， c o l b u m 从理论上推出雾沫夹带对板效率的影响，关系式如下： 天律大学硕士学位论文第一章文献综述 乜= 1 + e m r l 吖 式中：e 有雾沫夹带影响的板效率( 湿板效率) e m 。无雾沫夹带的气相板效率( 干板效率) e 雾沫夹带量，k m o l h k 液相流率，k m o l h 为了保证板式塔能维持正常的操作效果，规定每千克上升干气体中夹带到上 层塔板的液体量不超过0 1 k g ，即设计时将雾沫夹带量控制在o 1 k g 液k g 气以下， 这样，板效率的降低一般不会超过1 0 。 一般采用h u n t 等的公式来计算雾沫夹带量 5 2 】 铲毗z 学，c ) 3 2 盯 液体表面张力，m n m h i 一鼓泡层高度，m “一基于( a s a d ) 的气速，m s a s 一一塔截面积，m 2 a d - - 一个降液管的面积，m 2 1 2 3 漏液 当通过阀孔的气速过低时，由此产生的压降不足以支持塔板孑l 上的液层，液 体会由阀孔流下，形成塔板漏液，这时液体未经与气体充分接触和传质而形成短 路，这对传质不利，严重降低塔板效率。 漏液量是随着阀重的增加、孔速的增加、开度减小、板上清液层高度的降低 而减小。 天津大学硕士学位论文第二章实验装置、浮阀结构及实验方法 第二章实验装置、浮阀结构及实验方法 浮阎塔板的类型有多种，f 1 型( 国外称v 1 型) 塔板是工业上最常用的浮阀 塔板，该塔板自上世纪五十年代问世以来，在炼油和化学工业中迅速推广。随着 应用范围的扩大及研究的深入，发现f 1 型浮阀塔板也存在一些缺点【1 7 j ： 1 ) 塔板上的液面梯度较大，使气体在液体流动方向上分布不均匀。在塔板 的进口端易产生过量泄漏，在塔板的出口端易产生喷溅，两者均使板效率降低。 2 ) f 1 型浮阀为圆形，从阀孔出来的气体向四面八方流出，使塔板上的液体 返混程度较大，塔板上的液体返混降低塔板效率。 3 ) 在塔板两侧的弓形部位存在液体滞止区。在滞止区内，液体无主体流动， 通过滞止区的气体几乎无组成交化，这使塔板效率明显降低。 4 ) 在操作过程中，f 1 浮阀不停的转动，浮阀的阀腿与阀孔容易被磨损，浮 阀易脱落。 针对这些缺点，国内的一些研究者推出了多种新型浮阀。本论文主要研究了 我们与上海唐华公司合作开发的全周向通气条形导向浮阀以及洛阳石化设计院 开发的箭形浮阀这两种新型条形浮阀的流体力学性能。 2 1 实验所测两种浮阀的结构特点 2 1 1 全周向通气条形导向浮阀的结构特点 全周向通气条形导向浮阀塔板的浮阀结构如图2 1 、图2 2 所示，浮阀长 6 2 r a m 、宽2 2 m m ，重4 0 9 。从图2 - 1 可以看出，阀片的主体在一端的支撑下向上 倾斜与塔板成一定的角度，当气体穿过塔板吹向阀片时，一方面，阀腿开在条阀 的长边且较细，实现了全周向通气，显著降低压降，另一方面，沿着阀片倾斜方 向气体对液体有一定韵推动作用，从而减小了塔板上液体的返混，提高了塔板效 率。 天津大学硕士学位论文 第二章实验装置、浮阀结构及实验方法 图2 - 1 条形导向阀片结构 f i g u r e2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f r e c t a n g u l a rf l o w - d i r e c t e df l o a t i n gv a l v e 图2 - 2 条形导向浮阀塔板 f i g u r e2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f r e c t a n g u l a rf l o w - d i r e c t e df l o a t i n gv a l v et r a y 2 1 2 箭形浮阀的结构特点 箭形浮阀的浮阀结构图如图2 - - 3 所示，浮阀长1 0 5 m m 、宽3 3 m m 、重6 0 9 。 它是条形浮阀和梯形浮阀的组合体，即箭形浮阀的阀盖前段为梯形、后段为矩形。 天津大学硕士学位论文第二章实验装置、浮阀结构及实验方法 箭形浮阀的矩形段保留了条形浮阀气液接触周边长，气液接触密切，以获取尽量 高的传质效率；而梯形段则保留了梯形浮阀内吹出气体对液体有导向作用，可以 降低塔盘液面梯度、改善塔盘弓形死区流动状况，优化气液接触，减少雾沫夹带， 减少返混的积极作用。 图2 3 箭形浮阀结构示意图 f i g u r e2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f a r r o w - l i k ef l o a t i n gv a l v e 2 2 实验装置、仪器及流程 本实验对全周向通气条形导向浮阀塔板和箭形浮阀塔板进行了流体力学性 能的测试，实验是在中1 2 0 0 m m 的冷模塔内进行，实验设备图如图2 - 4 ，该塔共 设四块塔板，从下往上分别为：气体分布板( i ) 、气体分布板( i i ) 兼漏液收 集板、待测塔板、雾沫夹带捕集板，孔动能因子f r o ) 的变化范围在5 2 5 ( r r d s ) ( k g m 3 ) o5 之间。实验塔和浮阀的数据见表1 ；实验流程如图2 - - 4 所示。 表1 实验操作参数： 项目箭形浮阀f 1 浮阀条形导向浮阀 塔径m m 1 2 0 01 2 0 01 2 0 0 板间距m m 5 2 05 2 05 2 0 堰长m m7 9 07 9 07 9 0 2 52 52 5 堰高m m 4 04 04 0 6 06 06 0 流程数 111 降液管面积比 0 0 9 60 0 9 60 0 9 6 阀孔面积m 2 0 1 1 7 30 1 3 8 5o 1 3 3 7 开孔率 1 1 51 3 51 3 1 2 02 02 0 液流强度m 2 h 4 04 04 0 6 06 06 0 8 08 08 0 浮阀质量但 6 02 54 0 18 天津大学硕士学位论文第二章实验装置、浮阔结构及实验方泣 图2 一d 实验设备图 卜泵2 一气体分布器( i )3 - 气体分布器( i i ) 兼镉液收集扳 4 一待测塔板5 一风机6 一储水槽7 一漏液测量点8 一均速管流量计9 - - 涡轮流量计1 0 一雾 沫夹带测量点1 1 一雾沫夹带捕集板 f i g u r e2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fe x p e r i m e n t a ls e t - u p 2 3 精馏塔冷膜实验装置操作步骤及注意事项 2 3 i 操作步骤 1 进实验室要穿上实验服，带上口罩，同时打开门窗，以保持室内空气的畅 通； 2 将实验所用的物品放到指定的位置，然后台上总闸； 3 向储水罐内注水到某一合适位置； 4 开风机前，检查风机出口阀是否关闭，如果风机出口阀没有关闭，要将其 关闭； 5 盘车，然后按下仪表柜上风机的绿色按钮，启动风机，半分钟左右，将其 关闭，过半分钟，在将其启动，反复进行3 - 4 次，直到风机完全启动； 6 开泵前，同样需要检查泵的出口阔是否关闭，如果没有关闭，要将其关闭： 7 盘车，然后，按下泵的绿色按钮，启动泵； 8 调节泵的出口阀门，使测量水的流量的仪表读数在合适的位置： 9 调节风机的出口阀门，使风机的流量差值保持在5 0 0 m 3 h 左右，测得相应 流量下塔板的舅沫夹带，漏液，塔板压降等参数； 1 0 实验完毕后，先关闭泵和风机的出口阀门，再关闭泵和风机； 天滓大学硕士学位论文 第二章实验装置、浮阀结构及实验方法 1 1 打扫实验室的卫生，将实验所用的物品整理好 1 2 将储水罐内的水放完，关闭总电闸； 1 3 将门窗关好后，方可离开实验室。 2 3 2 注意事项 l 在开风机和泵之前，要盘车； 2 储水罐中的水位要有专人盯防，不要过高，也不要过低： 3 实验过程中精馏塔底部的出水阀要始终打开，并注意液位管中水的液位， 不要过高，以免水顺着风机管路流入风机中； 4 在读风机的流量时，要注意两块表的切换，当流量小于6 0 0 0 m 3 h 时，读 右边表的读数，当流量大于6 0 0 0 m 3 h 时，读左边表的读数： 5 在装塔，换堰高的过程中，注意不要将手套，钳子等物品掉到降液管中； 6 塔板换好后，要用玻璃胶或者其它密封胶将塔板与塔圈间的缝隙进行密 封，防止液体额外泄露，使测得的漏液不准； 7 实验过程中，要时刻注意风机的温度，如果出现异常现象，要及时关掉风 机； 8 冬天做完试验，要将储水罐中的水放干，以免结冰； 9 实验过程中，要穿工作服，戴口罩： 1 0 做完实验，要关水关电。 2 4 实验数据的测试方法 1 板压降的测量 由于气体通过一层塔板的压降不会很大，因此实验中采用内部充水的u 型 管压差计来测量气体通过塔板的干板压降和湿板压降，对每次实验，读取至少三 次，以保证数据的准确性。 2 气体流量的测量 气体的流量是通过匀速管流量传感器测得的，可以直接从仪表上读数。 3 液体流量的测量 液体的流量通过涡轮流量传感器测得，可以直接从仪表上读数。 4 雾沫夹带的测量 这里测量雾沫夹带采用旋流板即雾沫夹带捕集板，它的单板效率可达 0 9 - 0 9 5 ，它能除掉气体中带有的大部分液体，液体被收集起来并用管子引到塔 外的水桶里进行测量，为了确保数据的准确性，每次实验测量三次。 天津大学硕士学位论文 第二章实验装置、浮阀结构及实验方法 5 漏液的测量 为了准确地测量漏液，实验中将漏液收集板( 即气体分布器i i ) 中间的缝隙 及其与塔体周围的缝隙用玻璃胶密封，这样塔板上漏下的液体全部通过连在漏液 收集板上的管子引到塔外的水桶进行测量，为了确保数据的准确性，每次实验测 量三次。 天滓大学硕士学位论文第三章全周向通气条形导向浮阀塔板流体力学性能的研究 第三章全周向通气条形导向浮阀塔板流体力学性能的研究 本章主要讨论全周向通气导向浮阀塔板流体力学性能，包括塔板压降、漏液 以及雾沫夹带，并且与f 1 浮阀的实验数据做了对比，总结了全周向通气条形导 向浮阀流体力学性能的一些规律。 3 1 塔板压降的研究 板压降是衡量塔板优越性的重要性能指标。它直接关系到操作过程的能耗及 操作条件的稳定等问题。 3 1 1 干板压降 干板压降是指在正常情况下，气体通过干塔板的气体通道时所遇到的流体阻 力。图3 1 是条形导向浮阀与f 1 浮阀塔板干板压降的比较。 q _ 一 凸_ f o ( n y s ( k g m 3 ) 。 图3 1 条形导向浮阀与f 1 浮阀干板压降的比较 f i g u r e3 - 1c o m p a r i s o no f d r yt r a yp r e s s u r ed r o pw i t hf 1f l o a t i n gv a l v e 由图3 1 可以看出，在低气速时，干板压降随板孔动能因子的增大而缓慢增 大，因为此时浮阀并没有完全升起；随着气速的增大，浮阀完全升起干板压降随 板i l 动能因子的增大而急剧上升。在实验所测气速范围内新型条形浮阀塔板的干 板压降在浮阀没有完全升起时，比f 1 型浮阀塔板的干板压降低2 0 p a 左右；在浮 天津大学硕士学位论文第三章全周向通气条形导向浮阀塔板流体力学性能的研究 阀完全升起后，比f l 型浮阀塔板的干板压降低1 0 0 2 0 0 p a 。 对图中的数据进行拟合关联，得到新型条形浮阀塔板的干板压降随f o 因子 变化的关联式： a p d = 2 7 1 f 0 1 8 2 3 1 , 2 湿板压降 湿板压降是气体在正常操作条件下通过一层塔板的阻力降，它直接决定着板 间距的大小，所以塔板的压力降是设计中的一个重要指标。 3 1 2 1 条形导向浮阀塔板湿板压降实验数据分析 通常情况下，塔板的湿板压降包括塔盘本身对气体的阻力和板上充气液层的 静压强对气体产生的阻力( 气体克服液体表面张力的压降可忽略) 。当塔板的结 构一定时，其本身对气体的阻力也一定，这时，湿板压降只与板上的液层高度有 关。因此，对于同一块塔板来说，其湿板压降与操作条件有密切的关系。本次实 验测得了湿板压降随板孔动能因子、液流强度、堰高的改变而发生变化的情况。 一、同一堰高、不同液流强度下的湿板压降 下面是对条形浮阀塔板在同一堰高不同液流强度下湿板压降随孔动能因子 f o 的变化情况，如图3 2 、图3 3 、图3 - 4 所示。 图3 - 2 条形浮阀湿板压降( h w = 2 5 m m ) f i g u r e3 - 2p r e s s u r ed r o po fn o v e lr e c t a n g u l a r f l o a t i n gv a l v et r a y ( 1 w _ 2 5 m m ) 图3 - 3 条形浮阀湿板压降( h 。= 4 0 m m ) f i g u r e3 - 3 p r e s s u r ed r o po fn o v e l r e c t a n g u l a r f l o a t i n gv a l v et r a y ( h w = 4 0 m m ) 天津大学硕士学位论文 第三章全周向通气条形导向浮阀塔板流体力学性能的研究 图3 - 4 条形导向浮阀湿板压降( h 。= 6 0 m m ) f i g u r e3 - 4p r e s s u r ed r o po f n o v e lr e c t a n g u l a rf l o a t i n gv a l v et r a y ( h w = 6 0 m m ) 从图3 2 、图3 3 、图3 - 4 中，我们可以清楚的看到，条形导向浮阀塔板的湿 板压降随孔动能因子f 0 的增大而逐渐增大，在气速较低时，这种变化比较缓慢。 在堰高定的情况下，它的湿板压降随液流强度的增大而增大。 二、 同一液流强度、不同堰高下的湿板压降 图3 - 5 至3 8 是相同液流强度下不同堰高条形浮阀塔板湿板压降随f o 变化情 况。 矗时 图3 - 5 条形浮阀湿板压降l 。= 2 0 m 3 ( h m ) f i g u r e3 - 5p r e s s u r ed r o po f n o v e lr e c t a n g u l a r f l o a t i n gv a l v et r a yl w = 2 0 m s ( h m ) f d ( 州眄m 3 灼 图3 - 6 条形浮阀湿板压降l 。= 4 0 m 3 ( h m ) f i g u r e3 - 6p r e s s u r ed r o po f ，n o v e lr e c t a n g u l a r f l o a t i n gv a l v et r a yi = 4 0 m 3 ( h m ) 天津大学硕士学位论文第三章全周向通气条形导向浮阀塔板流体力学性能的研究 f 0 目呵耐 图3 - 7 条形浮阀湿板压降l 。= 6 0 m 3 ( h m ) f 0 图3 - 8 条形浮阀湿板压将l 。= 8 0 m 3 ( h m ) f i g u r e3 - 7p r e s s u r ed r o po f n o v e lr e c t a n g u l a r f i g u r e3 - 8p r e s s u r ed r o po f n o v e lr e c t a n g u l a r f l o a t i n gv a l v et r a yl 。= 6 0 m 。( h m )f l o a t i n gv a l v et r a yl 。= 8 0 m 。( h m ) 由图3 5 至图3 - 8 可以看到，在液流强度一定的情况下，塔板的湿板压降随 堰高的增加而增大，这主要是在液流强度一定的情况下，堰高的增加导致塔板上 清液层高度的增加，致使气体穿过液层时的阻力增大，故塔板的湿板压降增大。 湿板压降反映的是气体通过塔板时所需克服各项阻力而消耗的能量。当板孔 动能因子一定时，板上清液层高度增加，气体托举板上液体并使之成膜、破碎成 液滴所需的动能也相应增大，而堰高和液流强度都会直接影响到板上的液层高 度，因此，随堰高及液流强度的增大湿板压降增大。 当堰高及液流强度一定时，板上的液层高度一定，孔动能因子增大时，气体 具有的能量也增大，气体能将液体托举得更高、液滴破碎得更小，气液两相通过 阀孔的涡流程度增大，因而气体为此损失的能量增大。另外，气体通过阀孔缩流 扩流时消耗的能量增大，这些因素共同使得塔板的湿板压降增大。 由以上的分析可知：条形浮阀的湿板压降受孔动能因子、液流强度、堰高的 影响很大。对实验数据进行拟合，得到如下经验关联式： 纰= 1 0 1 6 r o “l t m h 。o ” 3 1 2 2 条形浮阀与f 1 浮阀湿板压降的对比 图3 9 至3 1 6 给出了条形浮阀与f 1 浮阀湿板压降的对比情况，由图可以 看出，条形浮阀的湿板压降比f 1 浮阀的湿板压降要低。 天津大学硕士学位论文第三章全周向通气条形导向浮阀塔板流体力学性能的研究 图3 - 9 条形浮阀与f 1 浮阀湿板压降对 比h w = 2 5 m m l w = 2 0 m 3 ( h m ) f i g u r e3 - 9c o m p a r i s o no ft r a yp r e s s u r ed r o p w i t hf 1 f l o a t i n g v a l v e 1 1 = 2 5 m m ， l 。= 2 0 m 3 ( h m ) 图3 - 11 条形浮阀与1 1 浮阀湿板压降对 比h w = 2 5 m m l 。= 6 0 m 3 ( h m ) f i g u r e3 - 11c o m p a r i s o no ft r a yp r e s s u r ed r o p w i t hf i f l o a t i n g v a l v e h w = 2 5 m m ， l 。= 6 0 m ( h m ) 正 正 司 2 6 4681 01 2 1 41 6 侣扣笠甜 图3 1 0 条形浮阀与f 1 浮阀湿板压降对 比h w = 2 5 m m ，l 。= 4 0 m s ( h m ) f i g u r e3 - 1 0c o m p a r i s o no f t r a yp r e s s u r ed r o p w i 也f 1 f l o a t i n g v a l v e h 。= 2 5 m m ， l 。= 4 0 m 。( t u n ) 4681 0 1 2 1 41 6 侣2 0 笠2 4 f 0 ( | 嗍耐 图3 1 2 条形浮阀与f 1 浮阀湿板压降对 比h = 2 5 m m l 。= 8 0 m 3 ( h m ) f i g u r e3 - 1 2c o m p a r i s o no f t r a yp r e s s u r ed r o p w i t h f 1 f l o a t i n g v a l v e h w = 2 5 m m ， l w = 8 0 m 3 ( h m ) 天津大学硕士学位论文第三章全周向通气条形导向浮阀塔板流体力学性能的研究 f 州删 图3 1 3 条形浮阎与f 1 浮阀湿板压降的 对比h w = 4 0 m m ，l 。= 2 0 m 3 o m a ) f i g u r e3 - 1 3c o m p a r i s o no f t r a yp r e s s u r ed r o p w i t hf i f l o a t i n g v a l v e h w = 4 0 m m ， l w = 2 0 m 3 ( h m ) 图3 - 1 5 条形浮阀与f 1 浮阀湿板压降的对比 h w = 4 0 m m ，l 。= 6 0 m 3 ( r m o f i g u r e3 - 1 5c o m p a r i s o no ft r a yp r e s s u r e d r o p w i t h，f1 f o a t i n g v a l v e h w = 4 0 m m l 。= 6 0 m 。f f h m ) 3 2 雾沫夹带的研究 叩脚们 图3 1 4 条形浮阀与f 1 浮阀湿板压降的对比 h w = 4 0 m m ，l 。= 4 0 m 3 ( h m ) f i g u r e3 - 1 4c o m p a r i s o no f t r a yp r e s s u r ed r o p w i t hf i f l o a t i n g v a l v e h w - 4 0 m m ， l 。= 4 0 m 3 r h m ) 图3 - 1 6 条形浮阀与f i 浮阀湿板压降的对比 h w = 4 0 r a m ，l 。= 8 0 m ( h m ) f i g u r e 3 - 1 6c o m p a r i s o no ft r a yp r e s s u r e d r o p w i t hf 1 f l o m i n g v a l v eh w = 4 0 r a m ， l w = 8 0 m 3 ( h m ) 影响雾沫夹带量的因素很多，如液相表面张力等物理性质、塔板结构( 如浮 阀结构、阀重、开孔形式、开孔率等) 、板间距、操作状况、堰高、液流强度、 塔动能因子等，但由于只对塔板进行了冷模实验，无法研究物性对其的影响，故 2 7 天津大学硕士学位论文 第三章全周向通气条形导向浮阀塔板流体力学性能的研究 把重点放在堰高、液流强度以及塔动能因子对雾沫夹带的影响上。 3 2 1 条形导向浮阀塔板雾沫夹带实验结果分析 一、 相同堰高、不同液流强度下条形浮阀雾沫夹带的比较 图3 - 1 7 至3 1 9 是雾沫夹带在不同的液流强度l w 、堰高一定的情况下随f 。