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浙江工业大学硕士学位论文摘要 锥形筛孔塔板流体力学性能研究 摘要 本文研究了普通筛板、下锥形筛板和上锥形筛板的干板压降情 况，考察了孔径、板厚、孔间距、锥形斜角等因素对孔流系数的影响， 提出对于大孔径筛板，在用孔流系数关联干板压降时，并不是都要引 入修正系数1 1 5 。通过对各类型筛板进行比较发现，在同等条件下， 上锥形筛板的干板压降比普通筛板低2 0 3 0 ，上锥形筛板的孔流系 数比普通筛板的孔流系数大。通过对h u g h m a r k 一0 、c o n n e l l 关联式进 行修正，得到上锥形筛板的干板压降修正式和修正系数。在同等条 件下，上锥形筛板的修正系数卢与锥形斜角的关系为一条抛物线曲线 的关系。并提出对实际应用中的一些筛板，可加以利用，使形成类似 上锥形筛板，进而能达到降低塔板干板压降作用。 通过对各种类型筛孔的单相和双相穿孔流动的比较、研究。得出 流柬缩脉的直径明显小于各流束穿孔时的孔口直径。在同等测试条件 下，经过上锥形筛孔的缩脉最大，其次是经普通筛孔的缩脉，最小的 缩脉为经下锥形筛孔的缩脉。气体穿过同等条件下的各类型筛孔时， 由于通过上锥形筛孔的流束缩脉最大，因此通过这种类型筛孔的压降 最小。 在同一测试条件下对普通筛孔和上锥形筛孔的气泡直径测试，得 出筛孔结构的变化，并没有带来气泡直径的较大变化，也没改变气、 液接触界面的大小。最后得出上锥形筛板可以在实际中取代普通筛 t 浙江工业大学硕士学位论文摘要 板，在不影响其他传质的情况下，可大大降低塔板压降。 关键词：筛板，锥形筛板，干板压降，孔流系数，缩脉 i i 浙江工业大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c h0 nt h eh y d r o d y n a m lcp e r f o r m a n c e 0 ft a p e rs i e v et r a y s a b s t r a c t t h e d r yp l a t ep r e s s u r ed r o po f c o m m o ns i e v e t r a y s 、1 0 w e rt a p e rs i e v e t r a y s a n du p p e rt a p e rs i e v et r a y sa r es t l l d i e di nt 1 1 i s p a p e r ，a st ob i g p e r f o r a t i o n s i e v e ， m em o d m e d c o e f j f i c i e n t ( 1 15 ) i s n ti n t r o d u c e d n e c e s s a r i l y a r e rc o m p a r i n gw i mm r e ek i n d so fs i e v et r a y su n d e rt 1 e s a m ec o n d i t i o n s ，t h er e s u l t ss h o wt h a td i yp l a t ep r e s s u r ed m po f u p p e r t a p e rs i e v e 位【y si s1 e s s 2 0 3 0 t h a l lt 1 1 a to fc o m m o ns i e v et r a y s ，a n d d i s c h a 玛e c o e f ! f i c i e n to fu p p e rt a p e rs i e v e t r a y s i s l a 唱e r m a nt 1 1 a to f c o m m o ns i e v et r a y s t h em o d i f i e de q u a t i o no fd 可p l a t ep r e s s u r ed m p a n dc o m p e n s a t i o nf a c t o r o f u p p e rt 印e rs i e v et r a y sc a nb eo b t a i n e d b yu s i n g t l l e h u g h m a r k 一0 c o n n e l lm o d i f i e df o 啪u l a u n d e rt h es 锄e c o n d i t i o n s ，t h er e l a t i o n o fc o m p e n s a t i o nf a c t o r 7a n dt a p e r a n g i ei s p a r a b 0 1 i c c o m p 撕n gw 曲t 1 1 es h m l l l ( s t r e a | 1 1 d i a m e t e ro fd i f f e r e n tk i n d so f s i e v e s t h er e s u l ts h o wt h a tm es h n j n ks t r e a l nd i 啪e t e ri ss m a l l e r d i s t i n c t l y t h a n p e r f o r a t i o n d i a m e t e r u n d e rm es a m e e x p e r i m e n t c o n d i t i o n s ，t h e s h m n ks t r e a md i a m e t e ro fu p p e rt a p e rs i e v e t r a y s i s m a x i m u m ，c o m m o n s i e v et r a y s i ss e c o n d ，a n dl o w e r t a p e rs i e v et r a y s i s m i n i m u m d 巧p l a t ep r e s s u r ed r 叩o f t 1 1 eu p p e rt 印e rs i e v e 打a y si st h e i i i 浙江工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 0 w e s t a r e rm e a s u r i n gm eb u b b l ed i a m e t e r so fc o m m o ns i e v et r a y sa n d u p p e rt a p e rs i e v et r a y s ，i t i sf o u n dt h a tp e r f o r a t i o ns t r u c t u r eh a sl i t t l e e f 艳c to nm e g a sb u b b l ed i 锄e t e ra n dg a s l i q u i dc o n t a c t i n ga r e a i fu p p e r t a p e rs i e v et r a y sr e p l a c ec o m m o ns i e v et r a y s i np r a c t i c e ，p l a t ep r e s s u r e d r o p w i l lb ed e c r e a s e de v i d e n t l y k e yw o r d s ：s i e v et r a y s ，t 印e rs i e v et r a y s ，d i yp l a t ep r e s s u r ed r o p ， d i s c h a r g ec o e f h c i e n t ，s h r u n ks t r e a m i v 浙江工业大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言 气体通过塔板的压降是塔板的重要流体力学参数。它不仅影响板上的流体 操作，还决定了沿塔高的压力分布和全塔的压降。另外塔板压降还与塔的能耗 有关，对于减压操作的塔来说，压降应尽量的小。塔板的压降包括干板压降和 湿板压降，特别在大塔径情况下，干板压降对总压降影响尤为明显。 国内外在筛板塔干板压降方面进行的工作较多，大多采用孔流系数进行关 联。如h u g h m a r k o 、c o l l i l e l l 的关联式。研究发现，孔流系数c o 是影响干板压降 的主要因素。于鸿寿等【1 0 j 认为孔流系数c o 除了和孔径与板厚之比( 爵万) 有 关以外，还和孔间距及筛孔处的雷诺数r e 等参数有关。而w i n “e 3 】认为在常用 的孔速范围内r e 对孔流系数的影响相对较小。 针对于气体穿过塔板时气体穿孔的流动情况研究，国内外的研究非常少。 根据流体力学，气体通过塔板时，必然会形成一股缩脉。即它的流束发生改变， 而随流束的不同，穿孔的压降也就不同。因此，对于气体穿孔流动的流束研究， 会有利于了解气体穿过不同鼓泡元件时的压降。 迄今为止，国内外对新型低压降筛孔塔板进行研究和开发较少。以寻求低 压降的新型塔板为目的，浙江工业大学化工设计研究所最近开发出了新一代筛 孔塔板锥形筛孔塔板。本文在前人干板压降研究的基础上对锥形筛板进行 流体力学研究。主要考察了影响孔流系数的各种因素。结合普通筛孔塔板，从 孔径与板厚之比( 瓦万) 、气体通过筛板的雷诺数r e 及孔间距这三方面入手， 对不同规格的锥形筛板的孔流系数进行研究，并且还对气体穿过这些鼓泡元件 的流动状况作初步描述研究。因为根据流体力学理论，流体流动时，流线不能 突然转折，它必然会形成一股缩脉。而操作条件和鼓泡元件的不同，根据流体 力学，气体通过这些鼓泡元件的缩流系数也不同，这样造成气体通过各鼓泡元 件时的缩脉情况也不同，当然流体通过时的压降也不同，孔流系数也必然不同。 根据实验结果得出各鼓泡元件的孔流系数的变化规律。 浙江工业大学硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 筛板干板压降研究情况 筛板是塔设备中最早出现的结构型式之，至今有一百多年的历史。随着 石油、化工工业的发展，人们对筛板塔的理论研究越来越趋于成熟。在筛板的 流体力学性能方面，气体通过塔板的压降是塔板的重要流体力学参数之一。塔 板的( 总) 压降可分解为气相通过干筛孑l 的压降( 干板压降) 和气相通过液层 的阻力之和【2 1 。在板压降的构成中，干板压降占相当大的部分【4 ，起主导作用， 因此，干板压降的大小对总压降影响比较大。干板压降是指塔板上没有液体时， 气流通过塔板各种鼓泡元件的压力损失。它主要由塔板的结构性能决定。前人 对塔板的干板压降也作了一些研究，他们绝大多数通过筛孔的孔流系数来关联 塔板的干板压降郾一叭，这些研究为筛板塔的设计提供了一定的依据。 在讨论筛板塔的干板压降时绝大多数要提到孔流系数这一概念。孔流系 数又称为流量系数。现今，涉及到孔流系数来关联干板压降的方法很多。干板 压降关联式主要基于孔板模型和阻力模型。基于孔板模型的关联式认为干板压 降由气体通过筛孔时突然收缩又突然扩大时局部阻力引起。此类关联式比较 多，如著名的h u g l 珊a r k o c o l l l l e ”关联式、蹦n c e 关联式以及l e i b s o n 关联式。 其中，基于孑l 板模型的关联式就是以孔流系数来关联干板压降的。文献报道 卜1 3 】，孔流系数c o 主要与孔径及塔板厚度的比d o 6 、气体通过筛孔的雷诺 数r e 及塔板的开孔率等因素有关。在这方面的研究，国内外的学者都作了一 些研究。 2 2 基于孔板模型关联干板压降的研究 在实际应用中，筛板塔分小孔径筛板塔和大孔径筛板塔。目前还出现了其 他孔型的改良筛板塔，如导向筛板等。 2 2 1 小孔径筛板塔干板压降关联研究 h u g h m a r k 、o c o n n e l l 经过多年对筛板塔的干板压降多次的实验研究发 浙江工业大学硕士学位论文第二章文献综述 现，影响筛板塔干板压降的主要影响因素有：孔径d o 、板厚6 、雷诺数r e 等， 其中孔径d o 和板厚6 对它的影响优为明显，根据实验研究，他们最终得出经典 的基于孔板模型的h u g h m a r k 一0 ，c o n n e l l 关联式4 】： = o 由5 1 c 拳2c 詈m c “ 。：m 式中：h d 为筛板塔的干板压降； w o 为筛孔气速； p ”p 广为气体和液体的密度； c o 为孔流系数，与孔径d o 与板厚6 有关，可从图2 1 【6 - 7 - 1 6 】 查得： a o 为塔板的开孔面积； a 。为塔板面积。 0 9 0 垫0 8 0 1 6 妻o c 0 0 6 0 、， h u 2 h m a r k o c o 衄e i i 关联式的得出，对于筛板塔更好的设计提供很大的帮 助。同时，为适应不同的计算，人们对h u g h m a r k o c o n n e i i 关联式作了一些变 换，其中直接用孔动能因子f o 和开孔率中作相似变换式为( 6 】： ”o o s ( 1 ) 去 z ， 式中：f 0 = w 。p ，一一为孔动能因子； 中为开孔率，等于a o a 。； 浙江工业大学硕士学位论文第二章文献综述 后来，p r i n c e 对h u g h m a r k - o c o 皿e u 关联式作了进一步的研究，他认为： 孔径d o 、板厚6 、雷诺数r e 及开孔率中是孔流系数c o 主要的影响因素，不同 于h u g h m a r k o c o n n e i i 关联式中孔流系数c o 的求法，他把开孔率由对干板压 降的影响直接归在孔流系数c o 中，因此，他得出相似h u g h m a r k - o c o n n e l l 的 关联式： ”o o s ( 等 s ， 他提出上式中的孔流系数c o 不同于原有的求法，他认为可通过与开孔率 巾相关的自由面积分率 1 0 0 4 ( 1 一妒) 进行求算。通过实验研究，他发现( 必；) 与1 0 9 ( 1 0 0 + ( 1 一) ) 的关系几乎直线关系，进而得出孔流系数c o 的求值关系图， 见图2 2 【5 1 。 25 地5 2 l5 1 1 、 、 、 - 1 。蜘 自由面积， c 。与自由面积的关系 h e r r o n c h a r l e sc 曾对式( 2 3 ) 作了研究，他认为把式( 2 3 ) 前面的系 数0 0 5 1 换成0 ，0 5 0 8 比较准确。 v a nw i l l k i e f 3 1 曾对筛板塔的干板压降影响因素研究发现，当气流通过筛孔 时的雷诺数r e 大于3 0 0 0 4 0 0 0 时，雷诺数r e 对千板压降的影响较小，而在一 般的研究范围内气体通过筛孔的雷诺数r e 大多超过上面的值，因此他得出在 计算干板压降时可以忽略雷诺数r e 对它的影响。同时他还发现，在测试的范 围内，开孔率对于板压降的影响也很小，认为可忽略开孔率的影响。在使用 h u g 1 1 1 1 a r k 一0 c o n n e l l 的关联式时，流量系数c o 只作为孔径和板厚之比( d o 6 ) 的函数。 于鸿寿等1 2 】通过实验，得出干板压降直接与孔速有关，并随孔速的增加而 渐江工业大学硕士学位论文第二章文献综述 增加，干板压降随气速变化的曲线在双对数坐标上呈2 次方的关系。不同孔径 的干板压降在图中为一组平行线，对应同一孔速，干板压降随孔径增加而增加。 他们还测试了不同开孔率( = 3 、6 ) 对干板压降的影响，结果表明，对 于同种孔径，开孔率对干板压降随气速变化的曲线影响不大，因此他认为， 在关联干板压降时开孔率可以忽略。他认为，这种考虑也可以满足工程上的精 确要求。同时他也认同v 曲w i n k i e 的观点在般的研究范围内气体通过筛 孔的雷诺数r e 对干板压降的影响很小，因此在关联干板压降的式子时可忽略 雷诺数r e 的影响。因而，于鸿寿针对h u g h m a r k - o c o n n e l l 的关联式，作了一 些修改，指出由于实际筛板的开孔率较小，一般在0 1 左右，因此式( 2 1 ) 中 的因子l1 一( 钐。) 2 非常接近于1 ，故可简化为m 2 1 4 ，1 8 】 = c o = 嘲( ) 2 ( ) 厂) ( 2 4 ) ( 2 。5 ) 对于式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) ，看起来是一样的，但是它们的流量系数c o 求 法却不同，式( 2 3 ) 是通过自由面积率求得，而式( 2 4 ) 中的流量系数c o 求 算同h u g h m a r k o c o l l l l e l l 关联式，通过图( 2 1 ) 求得。( 2 3 ) 式考虑了开孔 率的影响，只不过该式把开孔率的影响纳入了孔流系数中，而式( 2 4 ) 则完全 忽略了开孔率对干板压降的影响。两者区别在于考虑对流量系数的影响因素不 同。 s c o t t d b a m i c k i 和j a m e sf d a v i s 1 印根据干板压降h d 可采用通用的小孔阻力 方程求出干板压降，并对含有雾沫夹带因予的h u 曲m a r k - o c o n n e u 关联式作了 计算验证得出： ”( 0 1 ) ( 髟。) 2 ( ) 1 - ( ) 2 1 + ( y ) ( 2 6 ) 式中e 。雾沫夹带因子； c 。孔流系数，可由下式求得： 一塑里三些奎兰塑主堂壁笙茎苎三皇窒堕堡垄 c 。圳。卜s 坷，( ) n ，z ( ) _ 啷s ( ) 协， w a r r e nl m c c a b e 等人1 3 r 2 “2 2 】针对式( 2 4 ) 提出：如果压降采用英寸 表示时，式( 2 4 ) 前面的系数( o 0 5 1 ) 要变换成o 1 8 6 。 同时他们还提出新的孔流系数的取法，这种取法是根据板厚与孔径之比 和开孔率来取值的。如图2 3 m1 3 - 2 0 23 1 孔 流 系 数 c 0 = a o ，“ 图2 3 c o 与d 哌及开孔率的关系 d 邓思在筛板塔的设计中提到，当筛板塔的筛孔直径d 0 4 时才需要 引入修正系数b 。利用此法计算得到的干板压降与实测值的平均误差约为l o 。 2 2 3 各种筛板塔干板压降关联式误差分析研究 j d a v i dc h a s e 【5 1 在筛板塔的设计一文中推荐干板压降关联公式采用 ( 2 4 ) 。同时，他还对不同干板压降计算公式作了误差分析： 9 浙江工业大学硕士学位论文第二章文献综述 h u g h m a r k o 、c o n n e l l 公式的计算值与实测值的平均误差小于1 0 ，而对于 l e i b s o n 的方法，其数据归纳十分分散，计算值与实测值的误差比较大，有的 超过2 0 。 2 3 基于阻力系数关联干板压降的研究 基于阻力系数关联和基于孔板模型关联干板压降其意义基本是一样的，两 者一般可以通过相互转化。根据个人的观点不同，采用阻力系数法来关联筛板 塔的干板压降也比较多。通过研究筛孔的阻力系数来研究筛板塔的干板压降的 也比较多，但大多还是采用孔板模型法。 2 3 1 小孔径筛板塔阻力系数法关联研究 t a k a l l a s h i t e m o 等人在1 9 8 6 年的一篇论文中提出了筛板塔干板压降以 阻力系数关联的式子： 印。= 品 叫 2 像z 。， 其中i 。为阻力系数。乞= 【1 一( 1 一r ) 】2 + o 4 【1 2 5 一r ( 1 一r ) 】j 。 r 为通液所占筛孔面积的分率。 b i d d u l p h ，m i c h a e lw 等人 3 3 】在文章中提到的基于阻力系数的干板压降关联 式为： ”景( 笋 协z ， 另外李鑫钢等在文中提到s t i c h l m a i r 和m e r s m a n n 提出的经典的、基于阻力 系数的干板压降关联式： 舰= 蕲2 = 鲡鼠2 ( 2 2 2 ) 在( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 的式中，e 为孔阻力系数，与板厚孔径之比和雷诺数有 关，其值可由图2 6 【3 3 】查得，但还需根据开孔率作校正，计算公式如下： 当。 1 0 0 0 0 三2 黜s 飞 5 0 婴彤 、= ” 10 0 0 0 i i ilfii i1 0 10 20 40 61 2461 0 6 d o 图2 6i 。与6 d 。之间的关系 对于l 的计算需区别两种特殊情况，如图2 7 【6 1 所示。 。一o。舢 p 4 p ：孓u 岁厂“ 撕弧 。一6 卜- ， l ( b ) 图2 - 7 筛板的干板压降与j d 。的关系 第一种特殊的情况为当板厚与孑l 径之比占玩接近0 时，流动情况和压力 分布如图2 7 所示。永久压力损失可根据动量守恒得出： 只= 譬( w 。一w ) 2 ( 2 2 5 ) 式中：w 。为流束最窄断面处的流速； 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 3 2 2 2 2 2 l l l l l 巯 苎堕蔓燮兰堡主兰堡鲨窒 笙三皇窒堕堡鎏 w 为空管流速。 令a 2 哆和妒= 夕乞，其中w 。为孔气速，代入上式可得 嵋= b 一0 2 譬= 甸2 c z 粕， 则可知通过孔口的阻力系数为： 毒= ( 专一妒 2 弦z ， 收缩系数a 可从理论上导得为： d = 妥z o 6 1 ( 2 2 8 刀+ 2 当自由面积分率舻接近o 时 孝= ( 爿2 观s 。 协z 。， 第二种特殊情况为板厚与孔径之比占埘。 0 ，见图2 7 ( b ) ，阻力系数为： = ( 专一) 2 + ，= 。- c z 一。， 可见后者的阻力系数明显地小于第一种特殊情况。理由是第二种情况气流 分两次膨胀，损失比一次膨胀小。 r a m c a l l i s t e r 等【3 5 】在1 9 5 7 年的一篇文章中指出，当筛孔孔径减小( 板 厚与7 l 径之比艿舐增大) ，塔板的干板压降也减小，直到板厚与孔径之比 占d 。2 2 3 ；当板厚与孔径之比万磊 2 3 情况下，这时筛孔孔径减小，会引起 塔板的干板压降的增大。 他考虑了气体穿孔时由于缩小、扩张以及摩擦对压降带来的影响： 缩小影响： 趣一。州，筋一争善 s ， 扩张影响： 浙江工业大学硕士学位论文第二章文献综述 向。= f 1 摩擦影响： ( 2 3 2 ) ，! 盟( 2 3 3 ) 。 2 9 d 2 式中：f 为摩擦因子； 结合上面三方面对干板压降带来的影响，得到塔板的干板压降公式： = t h 。( ，筋一妻 + 。厂( 。) + ( ，一鲁) 2 ，善 c z 叫， 式中系数k 的值由图2 8 3 5 可得。 2 d 1 8 k 1 6 1 - 4 i - 2 1 0 0 8 。i 、 一 0 10 20 4 0 6 1 02 0 4 06 0 占，盔 图2 8 系数k 与万埘。的关系 w a l t e rj t h 。m a s 在筛板塔的流体力学研究一文中对几个不同的干板压 降计算公式作了分析，他认为：h u g h m a r k 一0 、c o n n e l l 公式、m c a l l i s t e r 公式 ( 2 3 4 ) 均考虑了孔径孔间距比d 。，、开孔率4 彳。、以及板厚与孔径比j “ 对压降的影响，但他认为，除了考虑上述这些几何尺寸不同带来干板压降的变 化以外，还要考虑塔型，即在我们研究过程中的塔是方塔还是圆塔，特别对于 公式( 2 3 4 ) ，如果是方塔则系数k 乘上1 0 7 2 ，如果是圆形塔则系数k 乘上 o 。9 2 2 4 。 2 3 2 导向筛板塔阻力系数法关联研究 浙江工业大学硕士学位论文第二章文献综述 对于导向筛板干板压降的研究，国内外多有过报道3 7 4 0 1 ，大多采用阻力 系数法来关联干板压降。一般认为，筛孔的阻力系数善，= 2 0 2 ；导向筛孔的阻 力系数孝，= 1 5 4 。显然，导向筛孔的阻力系数较筛孔小。按气流流过同一塔板 上的导向孔和筛孔压降相等的原理可推导出一修正公式【4 1 j _ 驴o o s 川2 等o ) 。s ， 式中修正系数七1 为： 七= 0 + o 1 4 5 矽) 一2 ( 2 3 6 ) 式( 2 3 6 ) 中的为导向孔开孔率。 2 3 3 大孔径筛板塔阻力系数法关联研究 对于大孔径导向筛板，为了体现孔径扩大后影响效果，他们在普通孔径 的导向筛板的计算式中，引进了孔流系数c o 的修正值p ，但是要指出的是，在 此的孔流系数修正值0 = 1 0 7 。然而，庄志军等并没有沿用式( 2 3 5 ) 的方法， 他们另外关联出导向筛板干板压降计算式： 卸，罢办 s ， 对于另外一种新型塔板斜孔塔板，它的干板压降一般采用下面的公式 计算f 4 2 4 3 ： 忙善筹 ( 2 _ 3 8 ) 但对于式中阻力系数i 的大小，却有不同意见，何建培的文章中认为 善= 2 6 9 ；但是在文章 4 3 中，却认为善= 2 1 。因此，对于这一点，还需进行 进一步的研究考证。 2 4 一些相关的单孔孔流研究 相关的对一些单孔的孔流系数研究也有不少，其中有一些我们可以得到利 用和借鉴。 浙江工业大学硕士学位论文第二章文献综述 2 4 1 单孔孔流系数实验研究 张剑慈 4 4 】在对液体分布器的孔流系数研究中发现：各种孔口的孔流系数 c o 随雷诺数r e 的变化规律，不仅具有各自特点，而且还存在共同的变化规律。 她根据r e 的大小，以r e = 1 0 0 0 0 为界，将其划分为两个区域：较小雷诺数区和 较大雷诺数区。在较小雷诺数区，对于不同的孔口，孔流系数c 。的波动范围大， 变化规律复杂。大致有两种情况：一种是起始阶段，孔流系数随雷诺数的增加 而急剧增大，超过某一最高点后，又出现逆向变化，雷诺数增大，孔流系数反 而减小。另种情况是孔流系数单调增大，而且变化相当平稳。 在较大雷诺数区，孔流系数几乎与雷诺数无关，趋于某一稳定的平均值。 同时，她还认为，在此区域，各种孔口的孔流系数的差别不小，大致范围在 0 6 1 o 9 6 。因此她提出，对于有的文献将孔流系数作为常数处理是不够合理 的。 另外，董谊仁【4 5 1 在1 9 9 4 年曾提出，孔流系数c o 的值还与孔口结构密切相 关。他们还对不同的孔口的孔流作了实验论证研究。 2 4 2 单孔孑l 流系c f d 数模拟研究 z h a i j i a i l l l u a 等人f 4 6 - 4 7 1 利用c f d 对孔流作了模拟测试，得到孔流系数c o 与雷诺数r e 的关系如图2 9 【4 6 】。 q8 o l6 c o q4 q2 0 ， j r 一 浙江工业大学硕士学位论文第二章文献综述 孔流系数c o 一般大于0 6 1 ，并且数值比较稳定。他认为影响孔流系数c 。 的因素有板厚孔径比、雷诺数r e 、孔形及孔的位置。在占吼= o 6 ，r e 2 0 0 0 的情况下，得到的孑l 流系数c o = o 6 7 3 。 2 5 相关水力学的孔流研究 由于流体穿过筛孔流动的流束研究比较少，因此想假借普通流体力学孔口 出流的理论来研究气体穿孔( 筛孔) 流动。文献m n 5 1 1 提到有关孔口流量系数的 参数有： 收缩系数c ：生； 。 4 式中：a 。收缩断面面积； a 孔口断面面积 漱融c v 5 志； 其中；为局部阻力系数。 流量系数g = c 。c ， 对于大孔径孔口，这些参数的计算又有不同 收缩系数c 。一o e ，+ o ，( 甜： 流速系数c 。= 再( 軎) 4 ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) 流量系数 c 。= c 。c 。 ( 2 4 4 ) 孔口越大，c 。、c ，、c 。均越大。 由此可见，其流量系数的值由局部阻力系数e 和收缩系数c 。决定。 另外，在文献【5 2 1 中提到，不同孔口直径和不同孔口斜角对缩流系数带来的 影响，见表2 1 【5 2 1 。 1 6 浙江工业大学硕士学位论文第二章文献综述 表2 1 斜角对缩流系数的影响 【 缩流系数 角度 4 5 o 9 0 o o oo 7 4 60 6 1 1 孔口 o 2o 7 4 7o6 1 6 面积 o40 7 4 9o 6 3 1 与截 06o 7 5 8o 6 6 2 面积 o 8o 7 8 90 7 2 2 之比 1 o1 o o o1 0 0 0 对于收缩角与孔流的关系，资料f 4 列只提供了渐缩管方面的情况。根据流体 力学中渐缩管缓和系数与收缩夹角的关系( 见图2 1 0 【4 卸) ，其中该缓和系数与 通过该孔时的阻力系数成正比。从中我们可知对于渐缩管，当收缩夹角在 2 0 。，5 0 。这范围时它的缓和系数最小，也就是说在这范围内孔的阻力系数最 低，孔流系数应该最高。 籁 幅 冥 螂 收缩斜角2 n 图2 1 0 收缩斜角与缓和系数关系图 浙江工业大学硕士学位论文第三章上锥形筛板压降比较分析研究 第三章上锥形筛板压降比较分析研究 本章是在普通筛板塔的干板压降和孔流系数研究的基础上，对新开发的上锥 形筛板进行流体力学的研究。着重讨论上锥形筛板相对普通筛板的低压降的优越 性，并对此作实验论证和理论研究分析。 3 1 上锥形筛板设计出发点 从国内外的普通筛板研究表明，孔流系数或干板压降主要与孔径与板厚之比 ( 如协) 孔结构有关。在流体力学中的孔口流动研究中，都提到了孔形( 或 孔结构) 也是孔流系数的主要影响因素。 当流体穿孔流动时，突然缩小，必然会形成一股缩脉。根据流体力学，当操 作条件和鼓泡元件不同，气体通过这些鼓泡元件的缩流系数也不同，也就是气体 通过各鼓泡元件时的缩脉大小不同，造成流体通过各鼓泡元件时的压降也不同， 孔流系数也必然不同。 根据渐缩管和渐扩管有利于减少流体在流动时截面突变时的阻力，本文设计 出了新型的筛孔塔板上锥形筛孔塔板和下锥形筛孔塔板，见图3 1 。 6 髟黝剜 剧1 l 广 r 6 黝彤物 剧j l r 叫， 6 彰杉刃以筋 i 垒虫一j 1 普通筛孔2 下锥形筛孔3 上锥形筛孔 图3 - 1 三种孔型的筛孔结构 3 2 普通筛板、下锥形筛板和上锥形筛板干板压降测定 干板压降是指塔板上没有液体时，气体通过塔板开孑l 构件的压力损失。实验 对三种筛孔孔型在相同板厚、孔径、开孔率和相同的操作条件情况下，对它们产 生的干板压降作基本比较，从而选出较低干板压降的塔板类型。 浙江工业大学硕士学位论文第三章上锥形筛板压降比较分析研究 3 2 1 实验装置 图3 2 实验装置流程简图 l 一测试塔板；2 型差压计；3 一温度计； 4 一孔板流量计；5 一离心风机 图3 2 是实验装置流程简图。其主体是冷模实验塔，塔内装有三块相同的塔 板，内径为5 0 0 m m ，板间距为4 0 0 m m ( 有降液管塔板) 。另一冷模塔为2 0 0 m m 3 0 0 m m ，板间距3 0 0 m m ( 无降液管塔板) 。中间的塔板为测试塔板，上下两块 用来消除端效应。实验时，封住降液管的底孔，以保证结果准确。实验在室温和 常压下进行，采用的物系为空气。 3 2 2 测试塔板结构参数 ( 1 ) 孔径、孔间距对普通筛孔孔流系数的影响 此实验从孔径、孔间距验证它们对孔流系数的影响，并了解它们对于孔流 表3 一l 实验一塔板测试参数 孔径( 啪) l 结构参数 481 2 筛板编号普4 3普4 4普8 3普8 4普1 2 3普1 2 4 孔间距( 谢o ) 343434 开孔率中术i o o 7 0 5 84 1 77 1 24 1 0 57 7 34 7 1 板厚( 6 m m )3 ，采用正三角形排列 浙江工业大学硕士学位论文第三章上锥形筛板压降比较分析研究 系数的影响程度( 实验在2 0 0 m m 3 0 0 m m 的冷模塔上进行实验) 。 ( 2 ) 普通筛板、上锥形筛板和下锥形筛板压降比较 通过本实验对三种塔板类型进行干板压降测试比较，以检验设计出的新型筛 孔塔板是否达到了降低干板压降的目的( 在塔径为5 0 0 m m 的冷模塔和2 0 0 m m 3 0 0 m m 的冷模塔中进行实验) 。 表3 2 实验二塔板测试参数 筛板编号孔径( m m )板厚( m m )开孔率中 1 0 0 普1 0 31 031 1 1 5 下锥1 0 一1 2上1 2 ，下1 031 1 1 5 上锥j o 一1 2上i o ，下1 231 i 1 5 普8 3837 、1 2 上锥8 1 4上8 ，下1 437 1 2 下锥8 1 4上1 4 ，下837 1 2 普1 2 31 237 7 3 上锥1 2 1 8上1 2 ，下1837 7 3 下锥1 2 1 8上1 8 ，下1 237 7 3 ( 3 ) 板厚、孔径对上锥形筛板孔流系数影响 在同一锥形角度( 斜角4 5 。) 下，研究孔径、板厚对上锥形筛板孔流系数 的影响( 实验在2 0 0 m m 3 0 0 m m 的冷模塔上进行实验) 。 表3 3 实验三塔板测试参数 筛板编号孔径( m m )板厚( m m )开孔率中 l o o 上锥8 1 4上8 ，下1 437 1 2 上锥8 1 8上8 ，下1 852 1 上锥1 2 18上1 2 ，下1 837 7 3 上锥1 2 2 2上1 2 ，下2 252 4 5 ( 4 ) 锥形角度对上锥形筛板孔流系数影响 2 0 浙江工业大学硕士学位论文第三章上锥形筛板压降比较分析研究 在相同板厚、孔径、开孔率下对含有不同锥形角度的锥形筛板孔流系数进行 研究( 实验在2 0 0 m m 3 0 0 m m 的冷模塔上进行实验) 。 表3 4 实验四塔板测试参数 l 筛板编号孔径( m m )角度( 。)板厚( m m )开孔率巾 1 0 0 普1 2 5 1 2o57 7 3 上锥1 2 1 6上1 2 ，下1 62 252 4 5 上锥1 2 1 9上1 2 ，下1 93 552 4 5 l 上锥1 2 2 2上1 2 ，下2 24 5 52 4 5 普8 5 8052 1 上锥8 1 2上8 ，下1 22 252 1 上锥8 1 5上8 ，下1 53 5 52 1 上锥8 1 8上8 ，下1 8 4 552 1 实验时，空塔动能因子f 的范围为0 2 4 o ( m s ) ( k g m 3 ) “2 。实验测试 的数据包括： 1 气体流量，由孔板流量计测定，精度1 o 级； 2 气体温度，由水银温度计测定，精度o 5 级； 3 塔板压降，采用u 型差压计测定，精度1 o 毫米。 3 2 3 实验测试步骤 1 检察测试设备，并搭好实验装置； 2 开启风机，检查有无漏气，以确保测试准确； 3 调节阀门，改变气速。每改变一个气速，待稳定后开始读取数据( 包括： 测气体流量的孔板流量计两端压差、气体温度、测压降的u 型差压计差 压数值) ； 4 继续步骤3 的操作，一直做到最大气量； 5 重复再做一次，要求两次测试的数据很接近； 6 关闭阀门，关上风机。 3 2 4 实验数据处理 浙江工业大学硕士学位论文第三章上锥形筛板压降比较分析研究 根据实验所得的气体流量和气体温度，计算得出测试时的空塔动能因子f ( 计算程序见附录2 ) ，然后根据塔板结构参数开孔率计算得到测试筛孔的 孔动能因子f o 。再根据h u g h m a r k 一0 、c o m e l l 关联式可得下式： 饥一o 啷g 2 p 。t ， 又由民= w o p 。得： 峨一吲g ( 鲁 2 z ， 对于( 3 2 ) 式进行变化可得： 令 饥= ( 可得：c o o 0 5 1 g cj 0 0 5 l g c i ：蹶 ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 。5 ) 由式( 3 3 ) 可知，孔动能因子f 0 的平方和于板压降值p 。是关于一条通 过原点的直线函数。因此，在求出孔动能因子f o 的情况下，对干板压降p 。和 孔动能因子平方f 。2 作图，求出直线趋势线，得到此直线的斜率m ，然后利用 公式( 3 5 ) 求出各种筛孔的孔流系数c o 。 通过对求出的孔流系数c o 进行分析，得出对孔流系数c o 的影响因素，并关 联出特定锥形角度下上锥形筛孔的干板压降关联式和孔流修正系数，然后得出最 佳锥形角度和孔流修正系数走势图。 另外，还从文献中四种已有的孔流系数求算方法中求出相应的计算值，进而 进行比较和误差分析，四个求算方法为： ( 1 ) 陈丽等人在筛板塔设计计算中推荐的孔流系数求法： 皓0 8 2 8 f 厂” ( 2 - 1 2 ) ( 2 ) s c o t t d b a m i c k i 和j a m e s f d a v i s 提出的孔流系数求算式： 浙江工业大学硕士学位论文第三章上锥形筛板压降比较分析研究 c 。瑚3 卜s 坷，( ) n ，z ( ) 2 地，s s ( ) 3 c z 们 ( 3 ) h u g h m a r k o c o 彻e u 关联式提供的孔流系数与孔径板厚比( d o 6 ) 关 系图r1 5 。1 6 ： 0 9 0 塾o 8 0 p l n 妻。朋 c 0 0 6 0 0 5 0 、 、 d o 6 图2 。1 c 。与哆否的关系 ( 4 ) w a r r e nl m c c a b e 等人提供的根据孔径板厚比( d o 6 ) 和开孔率来求 算孔流系数关系图【1 0 1 3 。2 0 2 3 】： 孔o 9 0 流 系 数o 8 0 l ，0 0 7 0 0 6 0 。毒孑遁 萝7 _ ，一二 。步 二 _ ， 剪一 ，。 n 2 一 j 砰墨一 = a o 烛 图2 3c 。与哆及开孔率的关系 3 3 实验结果与讨论 3 3 1 孔径、孔间距对普通筛孔孔流系数的影响 在孔径为4 m m 、8 m m 和1 2 m m ，孔间距( t ，d o ) 为3 和4 的条件下，分别对 浙江工业大学硕士学位论文第三章上锥形筛板压降比较分析研究 实验对孔径和孔间距对于筛板干板压降以及孔流系数c o 影响作出研究，如图 3 3 3 7 所示。 ( 1 ) 孔径对普通筛孔孔流系数的影响 由实验测得的干板压降数据( 图3 3 ，3 4 ) 可知，干板压降与2 次方的孔动 能因子( 砰) 基本上呈通过原点的线性关系。对应同一孔速，干板压降随孔径 的增加而有所增加。其中孔间距较大的一组( 图3 4 ，“d o = 4 ) 的三条直线间距较 孔间距较小的一组( 图3 3 ，“d o = 3 ) 要大，其干板压降随孔径增加而增加的程度 也较大。通过对实验求的孔流系数值和四种计算值的比较，发现误差均在1 0 以内( 见表3 5 ，表3 6 ) 。 表3 5 图3 3 孔流系数计算及误差比较 普4 3普8 3普1 2 3 斜率( m )0 8 7 2 3o 9 0 1 40 9 2 3 6 实验值 孔流系数( c o ) 0 7 5 7 3o 7 4 50 7 3 6 计算值 o 8 0 0 6o 7 3 8 2o 7 0 4 方法( 1 ) c o误差( ) 5 4 10 9 2 1 24 5 4 5 4 理计算值 o 8 0 2 5o 7 4 5 7o 7 0 5 3 方法( 2 ) 论误差( )5 6 3 2 4o 0 9 3 9 4 3 5 2 7 计计算值o 8 0 50 7 4 5o 7 0 5 方法( 3 ) 算误差( )5 9 2 5 5 o4 3 9 7 值 计算值 o 7 5o 7 10 7 0 方法( 4 ) 误差( ) 0 9 7 3 34 9 2 9 66 4 2 8 6 特别要指出的是，在各文献中，一般把孔径( d o ) 大于1 0 m m ( 有的指出为 1 2 m m ) 的筛板划分为大孔径筛板，在用孔流系数关联干板压降时，孔流系数需 乘上一个修正系数1 1 s 。但是在这实验中的两块大孔径筛板普1 2 3 和普1 2 4 ， 它们的孔流并不需要如文献所说的那样乘上修正系数1 1 5 。因此，对于这一点， 浙江工业大学硕士学位论文第三章上锥形筛板压降比较分析研究 表3 6 图3 4 孔流系数计算及误差比较 普4 、4普8 4普1 2 4 斜率( m )0 8 8 2 2o9 4 8 31 0 2 2 9 实验值 孔流系数( c o ) o 7 5 3 lo 7 2 6 40 6 9 9 4 计算值o ，8 0 0 6 o 7 3 8 2o 7 0 4 c 。 方法( 1 ) 误差( ) 5 9 3 31 5 9 8 5o 6 5 3 4 计算值 o 8 0 2 5o 7 4 5 70 7 0 5 3理 方法( 2 ) 误差( )6 1 5 5 8 2 5 8 8 2o 8 3 6 5 计算值 o 8 0 50 7 4 5o 7 0 5算 方法( 3 ) 算误差( )64 4 72 4 9 6 60 7 9 4 3 计算值 o 7 5o 7 1o 7 0 值 方法( 4 ) 误差( ) o 4 1 3 32 3