（化学工程专业论文）新型浮阀塔板水力学性能的研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 新型浮阀塔板水力学性能的研究 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，结 构多种多样，其中浮阀塔板的应用最为广泛。为了考察新型浮阀塔板的结构设计 是否合理，生产过程中能否正常操作，本文选择了两种结构优良的新型浮阀：梯 形导向浮阀塔板及斜孔梯形浮阀塔板，利用塔板负荷性能图对其水力学性能展开 了研究。 本文首先对水力学性能指标塔板压降、雾沫夹带、漏液进行了研究，根据 它们随阀孔动能因子、堰高和液流强度变化的规律，选用梯形导向浮阀塔板及斜 孔梯形浮阀塔板的工业和实验数据进行最小二乘法拟合，得到了较为可靠的塔板 压降、雾沫夹带、漏液的经验关联式，保证了梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀 塔板水力学研究模型的正确性。 应用苯一甲苯体统，采用f 1 浮阀对塔进行设计，在相同的操作条件和塔结 构改动不大的情况下，将f 1 浮阀替换为梯形导向浮阀塔板及斜孔梯形浮阀塔板， 开孔率由原先的2 5 6 变为9 8 ，进行水力学核算，绘制出各浮阀塔板的负荷性 能图。通过梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板与传统f 1 浮阀塔板的负荷性 能图的比较，发现梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板的雾沫夹带、漏液均比 f l 浮阀塔板小，操作弹性也有了明显地提高，但塔板压降降低不明显，主要因为 梯形导向浮阀塔板及斜孔梯形浮阀塔板的开孔率过小。研究结果表明新型浮阀塔 板较传统浮阀塔板的水力学性能有了明显地改善。 某氯碱厂氯乙烯生产装置中的脱低沸物塔存在着严重的漏液现象，利用新型 浮阀塔板在水力学性能方面的优势，选用梯形导向浮阀塔板及斜孔梯形浮阀塔板 对其进行改进研究。研究结果表明改进后脱低沸物塔的操作状态得到了很大地改 善，完全可以消除漏液问题，并且处理量也有了很大地提高。本文的研究为新型 浮阀塔板在工业上的应用提供了重要的依据。 关键词：新型浮阀水力学负荷性能图塔板压降雾沫夹带漏液 青岛科技大学研究生学位论文 s t u d yo nh y d r a u l i cp e r f o r m a n c eo fn e w 、厂a i v e t r a y a bs 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 ya n dh a sv a r i o u sk i n d so f s t r u c t u r e s i no r d e rt oo b s e r v et h er a t i o n a l i t yo fs t r u c t u r e sa n dt h ea v a i l a b i l i t yo ft h e t r a y si nt h ep r o c e s s ，t h i sp a p e rc h o s et w ow e l l - s t r u c t u r e df l o a t i n gv a l v et r a y s o n ew a s t r a p e z o i d a ld i r e c t e dv a l v et r a y , t h e o t h e rw a sg r a d i e n tr i n g e n tt r a p e z o i d a lv a l v e t r a y r e s e a r c ho nh y d r a u l i cp e r f o r m a c eo fn e wv a l v et r a y s 、糯c a r r i e do u t 、i 吐ll o a d c a p a b i l i t yd i a g r a mo ft r a yi nt h ep a p e r 1 1 1 e h y d r a u l i cp e r f o r m a n c e w a s i n v e s t i g a t e d b a s e do ni n d e xo f p l a t e p r e s s u r e - d r o p ，e n t r a i n m e n t , w e e p i n g n e c o r r e l a t i o no f p l a t ep r e s s u r e - d r o p ， e n t r a i n m e n t ，w e e p i n g 讥t hw e i rh e i g h t ，l i q u i df l o wi n t e n s i t ya n dt h ev a l v eh o l e f f a c t o r ( k i n e t i ce n e r g yf a c t o r ) w e r eo b t a i n e du s i n gl e a s ts q u a r em e t h o d t h ed a t a su s e d c a m ef r o mi n d u s t r ya n de x p e r i m e n tw h i c he n s u r e dh y d r a u l i cm o d e l so ft r a p e z o i d a l d i r e c t e dv a l v et r a ya n dg r a d i e n tr i n g e n tt r a p e z o i d a lv a l v et r a yw e r ec o r r e c t t h eh y d r a u l i cb e h a v i o ro ft r a p e z o i d a ld i r e c t e dv a l v et r a ya n dg r a d i e n tr i n g e n t t r a p e z o i d a lv a l v et r a yw e r ec o m p a r e d 、历mf 1f l o a t i n gt r a yu s i n gb e n z e n e t o l u e n e s y s t e m t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eh y d r a u l i c so fn e w v a l v et r a y sw i t l lo p e n i n gr a t e 9 8 w e r eb e t t e rt h a nf 1 t r a y 埘t 1 1o p e n i n gr a t e 2 5 6 a tt h es a m eo p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，o p e r a t i o nf l e x i b i l i t yo ft r a p e z o i d a ld i r e c t e dv a l v et r a ya n dg r a d i e n tr i n g e n t t r a p e z o i d a lv a l v et r a yw e r em o r ee x c e l l e n tt h a nt h a to ff 1 f l o a t i n gv a l v e ，b o t h e n t r a i n m e n ta n d w e e p i n g w e r el o w e rt h a nt h a to ff1f l o a t i n gv a l v e t h e r ew a ss e r i o u s w e e p i n gp r o b l e m i n d e - l o w b o i l i n g s u b s t a n c e s t o w e ro f c h l o r o e t h y l e n ep l a n to fc h l o r - a l k a l ic o m p l e x 1 1 1 et r a p e z o i d a ld i r e c t e dv a l v et r a ya n d g r a d i e n tr i n g e n tt r a p e z o i d a lv a l v ew a yo fb e t t e rh y d r a u l i cp e r f o r m a n c ew e r ec h o s e dt o r e c o n s t r u c tt h e o l dp l a t e s 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tl i q u i dl e a k a g eo ft o w e rw a s c o m p l e t e l ye l i m i n a t e d ，t h e s t a t eo fo p e r a t i o nw a si m p r o v e da n dp r o c e s s i n gc a p a c i t y w a sg r e a ti n c r e a s e d 1 1 1 er e s e a r c hp r o v i d e di m p o r t a n tt h e o r e t i c a le v i d e n c ef o rn e w t r a y si ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n i 新型浮阀塔板水力学性能的研究 k e yw o r d s ：n e w f l o a t i n gv a l v e ；h y d r a u l i c s ；l o a dc a p a b l i t yd i a g r a m ；p r e s s u r ed r o po f t r a y ；e n t r a i n m e n t ；w e e p i n g i v 青岛科技大学研究生学位论文 符号说明 英文字母意义及单位 塔截面积，i n 2 降液管的面积，n 1 2 筛孔流量系数，无因次 物系表面张力为2 0 m n m 的负荷系数，m s 筛孔直径，m 塔径，m 雾沫夹带量，k g k g 气 液流收缩系数，无因次 以鼓泡面积计算的动能因子，m s ( k g m 3 ) 1 尼 气相孔动能因子，( m s ) ( k g m 3 ) 1 尼 重力加速度，m s 2 板上充气液层阻力，m 与液体流过降液管的压强降相当的液柱高度，m 堰高，m 堰上液层高度，m 鼓泡层高度，m 板上清液层高度，m 降液管底隙高度，m 降液管内的清液层高度，m 4 4 q 巴 巩 d q e c r g 岛 k k b 吃 z 新型浮阀塔板水力学性能的研究 英文字母意义及单位 h t 0 丘 岛 陋p 叱 鹋 啦 材o “ “ 甜m 瓤 甜0 k 希腊字母 万 占 s o p g , o l 塔板间距，m 堰长，m 塔内液体流量，m 3 s 液流强度，m 3 ( m h ) 气体通过一层浮阀塔板的压强降，p a 气体克服干板阻力所产生的压强降，p a 气体克服板上充气液层的静压强所产生的压强降，p a 气体克服液体表面张力所产生的压强降，p a 孔气速，m s 上限气速，m s 基于( 4 - 4 ) 的气速，m s 空塔气速，m s 极限空塔气速，m s 液体通过降液管底隙时的流速，m s 塔内气体流量，m 3 s 降液管宽度，m 意义及单位 板厚，m 漏液量，姚液 充气系数，无因次 气相密度，k g m 3 液相密度，k g m 3 2 青岛科技大学研究生学位论文 希腊字母意义及单位 仃 f 9 操作物系的液体表面张力，m n l m 液体在降液管内停留时间，s 开孔率，无因次 自由面积分率，无因次 青岛科技大学研究生学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其它人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其它学位申请的论文或成果。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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文 或成果时，署名单位仍然为青岛科技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 本人签名： 导师签名： 日期：年月日 日期： 青岛科技大学研究生学位论文 静- = b 月i j肓 目前，尽管出现了多种新的分离技术，如：吸附、超临界萃取、膜分离等分 离方法，但是在实际生产的过程中，精馏操作在分离技术中仍占据着很重要的作 用，其中最普遍的是应用板式塔进行精馏。虽然近十几年来高效规整填料发展迅 速，但是板式塔以其设备造价低廉，操作范围广，对各种物系适应性强，易于清 理和检修等特点，在精馏操作中占有不可取代的地位，特别是近几年来填料的发 展己经到了穷途末路的地步，如果不出现高效的填料，其可提供的发展空间己经 十分有限，因此，人们又把研究的目光投向了板式塔。尤其近年来对于高压，高 粘度，大液量等特殊的工况条件，更显示了板式塔精馏的优越性。据统计，塔设 备投资约占全厂总投资的1 0 之o ，其性能对于整个装置和企业的生产能力、产 品质量、消耗定额及三废和环保等方面均有重要影响，对它的任何改进和完善都 会带来巨大的经济效益，因此科技工作者对塔设备的研究一直在不间断地进行 着。 近代炼油和石油化学工业对塔设备总的要求是：压力降低，保证能耗低；分 离能力高，能分离组成复杂的物料，并能保证产品质量优良；生产能力大，能适 应大型和超大型规模的需要；运行可靠，保证长周期运行。为了满足这些要求， 塔设备应具有下列性能： ( 1 ) 操作弹性大，即当塔的负荷变动较大时，塔的操作仍然稳定，效率变化不 大； ( 2 ) 流体流动的阻力小，即压力降小； ( 3 ) 汽液处理量大； ( 4 ) 气液两相能充分接触，分离效率高； ( 5 ) 结构简单可靠，制造成本低； ( 6 ) 易于操作，调节及检修。 当用新型高性能塔板改造现有的传统塔板时，一般无需对原有塔体的焊接内 件作改动，在短期检修期间即可完成，技术改造的工作量和所需的费用都比较低， 从而显示出广阔的应用前景。 查阅文献得知，在各种新型塔板的开发中，对塔板结构方面进行了很多改进， 但在塔板结构尺寸合理性方面的研究还不充分，尤其对新型塔板的结构尺寸的确 定还很盲目，这就需要对设计的塔的水力学性能进行研究，考察其结构设计是否 合理，因此塔板的水力学性能研究的重要性不言而喻。本文通过对文献中几种新 新型浮阀塔板水力学性能的研究 型塔板的流体力学数据进行关联，得到流体力学经验公式，建立流体力学数学模 型。从操作条件下的气、液相流量出发进行塔板结构尺寸设计，绘制负荷性能图， 通过与传统塔板f 1 型浮阀比较，对新型塔板稳定操作时的水力学性能进行研究， 保证设计出的塔板在气、液相操作范围中任一点均符合工艺要求的液泛和其他水 力学性能，为新型塔板的设计和工业上的推广应用提供了理论依据。 6 青岛科技大学研究生学位论文 1 文献综述 塔设备是重要的气液和液液传质设备，广泛应用于炼油、化工、化肥、制药、 环保等行业的物质分离，通常分为板式塔和填料塔。一般认为，在某些场合下， 填料塔有压力降降低的突出优点，但有些填料的造价较高，且对初始分布敏感， 在高压下分离效率和处理量比在常、减压下的低得多，而板式塔结构较为简单， 易于放大，造价较低，对于常压与加压物系，特别是大塔径、多侧线气液传质设 备板式塔有较大的优势。因此，对板式塔的开发研究在塔器技术中占有举足轻重 的地位，下面介绍一下塔板的发展概况。 1 1 塔板发展状况概述【1 8 】 近些年来，塔板技术有了明显进步，国内外相继推出了一系列结构新颖、性 能优良的新板型。国外的如：k o c h g i l i t s e h 公司的s u p e r f r a e 型塔板【5 j 、b i f r a c 型 塔板【9 】、n y e 型塔板【1 0 , 1 1 , 1 2 ，n o r t o n 公司的t r i t o n 型塔板【5 1 ，u o p 公司的e c m d 塔板，v g m d 塔板【1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 】和m d 型塔板，英国诺丁汉大学开发的f l o wc o n t r a l 型塔板，j a e g e r 公司的c o f l o 型塔板，此外，德国开发了一种带金属片传质元件 的复合塔板，前苏联开发了新型高速旋转塔板、带纵横挡板的喷射导向塔板、带 旋转接触元件的旋流塔板和新型气相分流式塔板掣5 1 。国内的如：河北工业大学 的立体传质塔板( c t s t ) 、浙江工业大学的d j 系列塔板、华东理工大学的导向浮 阀塔板和组合导向浮阀塔板、南京大学的新9 5 型塔板和混合箱塔板等。这些都 显示出板式塔在工业应用和未来发展中的强劲势头。 1 1 1 筛子l 型新型塔板 筛孔型塔板是历史最悠久的板型之一，工业上应用非常广泛，经过许多年的 研究也形成了一系列优良板型，如导向筛板、泡罩筛孔塔板、m d 筛板、新型垂 直筛板、带挡板的筛板以及网状塔板等。下面简要介绍当今工业上应用较广泛的 新型筛孔塔板。 1 1 1 1 高效导向筛板 高效导向筛板【1 7 1 与普通筛板的主要差异为：( 1 ) 在液流进口区设置鼓泡促进 7 新型浮阀塔板水力学性能的研究 器，即将进口段的筛板加工成凸起的斜台，以减薄液层，促进鼓泡，使液体一进 入塔盘就进入鼓泡状态，同时也改善了进口区的漏液现象；( 2 ) 在塔盘上开有一定 数量的导向孔，利用导向孔中喷出的气流推动液体，减小液面梯度并使板上液体 的流动接近于活塞流。由于采取了这些改进措施，使高效导向筛板上液层鼓泡均 匀，液面梯度小，塔板压降小，处理能力增强，传质效率增大。另外，高效导向 筛板还具有较强的抗堵能力。高效导向筛板的工作原理及结构图见图1 1 。 静向乱 图1 1 高效导向筛板的结构示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f f l o w - g u i d e ds i e v et r a yw i t hh i g h 伍c i e n c y 1 1 1 2m d 筛板和国内开发的d j 系列塔板 美国联合碳化物公司( u c c ) 6 0 年代开发的m d 塔板【1 8 , 1 9 2 0 近年来颇受重视。 其结构见图1 2 ，它的结构特点为：( 1 ) 塔板上设有多根降液管，溢流周边比一般 塔板增加2 5 倍；( 2 ) 降液管悬挂在气相空间，塔板上受液区仍然开孔；( 3 ) 每相邻 两板的降液管互成9 0 度排列；( 4 ) 板间距较小，仅为一般塔板的5 0 - 7 0 ，以 m d 塔板代替常规塔板，取消了受液盘后，处理量可提高1 5 左右。 1 9 9 2 年国际精馏与吸收会议上，u o p 公司又提出了一种更大通量的m d 板， 其通量又提高1 5 以上，针对m d 板在液流分布和传质效率方面存在的不足，浙 江工业大学在上世纪8 0 年代末开发了d j 系列塔板【2 1 2 2 ，2 3 埘】。d j 塔板继承了m d 塔板降液管的特色，并在结构形式、通量和效率等方面有所创新。目前d j 塔板 有3 种型号：d j 1 型塔板是为了适应大气液比的吸收操作而开发的，主要结构特 点是：采用宽型降液管，并对降液管的根数和排列作了改进和优化；d j 2 型在板 上设置了导流装置，在相应位置上开设导流孔和安装导流板，这些都可以改善液 流的初始分布，使得塔板上液流接近活塞流；d j 3 型塔板的下方复合了一薄层规 整填料，填料层处于气相上空间，起到了抑制雾沫夹带作用，使通量较f 1 型浮 阀提高1 5 2 0 ，板效率提高1 0 1 5 。d j 塔板能胜任大液量和加压操作，1 9 9 9 8 青岛科技大学研究生学位论文 年针对d j 系列塔板存在的冲击漏液缺点，研究开发了诱导型的防冲击漏液装置， 使d j 系列塔板的性能有了进一步地提高。d j 塔板的结构如图1 3 所示。 图1 - 2m d 塔板的结构示意图 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fm dt r a y 1 1 1 39 5 型大通量塔板和混合箱塔板 图1 - 3d j 塔板的结构示意图 f i g 1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f d jt r a y 9 5 塔板【2 5 2 6 1 是南京大学通过对降液管结构和板面设计进行改进，从而提高塔 板的有效传质区面积而开发的一种新型大通量塔板。其结构特点如图1 - 4 所示： ( 1 ) 采用月牙型溢流堰，其上部面积仅占塔截面积的5 左右，下部仅为3 左右， 并取消了入口堰前的安定区，使其有效传质区面积约占全部塔板面积的9 5 ，一 般比传统塔板通量增加1 0 之5 ；( 2 ) 采用管尾向塔壁开口的降液管，使液体直 接从塔壁降下，延长塔板上液体的平均停留时间，从而提高板效率，一般比传统 塔板要高5 1 0 ；( 3 ) 采用全塔板液体均分导流，使板上液体呈活塞流状态，该 塔板与美国最新型的n y e 塔板相比，通量要高1 0 0 o 1 5 ，效率要高5 以上。 混合箱塔板【27 】是南京大学的又一个专利，是特别设计的一种用于强化传递与 分离效果的传质元件，基本可以保证高通量下的高效率，混合箱塔板结构示意图 见图1 5 。它是一个罩在塔板孔簇( 舌形孔、筛孔或斜孔) 上的结构特殊的小箱子， 当气流穿过孔簇上升时，由于其有一定的速度和动能，便带动孔簇周围的液体一 起离开塔板，形成气、液混合流股，此流股在混合箱空间内经充分搅动混合，实 现气液间的充分接触、传质与传热，并沿塔板上液流的宏观方向斜向喷出，其中 的液体由于喷射动能和重力的作用而落入板面，归入液流主体之中，而其气相则 自动与液相分离而上升至上一块塔板。当气液两相实现分离时，已基本上接近于 热力学汽液平衡状态，此种结果将意味着气液传质效果的大幅度提高，即板效率 的大幅度提高。 9 新型浮阀塔板水力学性能的研究 图l - 49 5 型大通量塔板结构示意图 f i g 1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f 9 5t y p et r a y 图1 - 5 混合箱塔板结构示意图 f i g 1 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fm i x i n gb o xt r a y 1 1 2 浮阀型新型塔板 浮阀塔板是应用最为广泛的塔板之一，由于其具有能上下浮动的阀片，使气 体流通截面积能随气体负荷变动而自由调节：另外由于气体从水平方向吹出，气 液接触时间长，雾沫夹带量少，因而具有较大的操作弹性和较高的塔板效率。传 统浮阀的代表是美国g l i t s c h 公司推出的v 1 型浮阀，国内称之为f 1 型浮阀，但 随着塔器技术的不断进步，这种浮阀逐渐暴露出以下缺点：( 1 ) 浮阀是圆形的，从 阀孔出来的气体向四周吹出，液体返混程度大；( 2 ) 阀盖上方无鼓泡区，其上方气 液接触较差，降低了塔板的传质效率；( 3 ) 液面梯度大，使气体在液流方向上分布 不均；( 4 ) 浮阀易磨损、脱落。针对f 1 型浮阀的上述缺点，国内外学者对浮阀塔 板进行了大量研究，相继推出了许多新型浮阀塔板。 1 1 2 1 导向浮阀塔板和组合导向浮阀塔板 导向浮阀塔板口8 ，2 9 3 0 是华东理工大学1 9 9 1 年开发的新型塔板，其主要特征 是：( 1 ) 导向浮阀为矩形，两端有阀腿，操作时，气体从浮阀的两侧流出，垂直于 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 液流方向，可叭减少返混：( 2 ) 在导向浮阀上设有适当大小的导向孔，开口方向与 液流方向一致，可消除液面梯度；f 3 ) 借助导向浮阀的适当排布，可以消除液体滞 留区：( 4 1 阀腿固定，不易磨损。导向浮阀目前有4 种形式：矩形导向浮阀、梯形 导向浮阀、组合导向浮阀口”和b 型导向浮阀，见图1 - 6 。在第二章会对梯形导向 浮阀和斜孔梯形浮阀详细介绍，斜孔梯形浮阀是华东理工大学在梯形导向浮阀的 基础上新开发的，和传统浮阀相比有很多方面的优势。一般讲，当液流强度大时， 用梯形导向浮阀较好；液流强度小时，矩形导向浮阀就能满足要求；为了防1 e 在 小液流强度下塔板上出现负的液面梯度，适当调整梯形导向浮阀和矩形导向浮阀 的排布比例( 即组合导向浮阀) ，【三i 适应消除塔板上的液面梯度的需要。b 型导向 浮阀则可以代替梯形导向浮阔和矩形导向浮阀进行组合，并且在加工时较方便。 实验证明：与f 1 型浮阀相比，导向浮阀的板压降降低了2 0 左右，处理能力可 提高3 0 以上，板效率提高约1 0 以上，针对f l 浮阀缺点开发的新型浮阎还有 洛阳石化工程公司研制开发的条形浮阀塔板和石油大学开发的h t 、r 船型浮阀等。 i 二 l ( a 】矩形导向浮阀 广三1 l 型 ( b ) 梯形导向浮阀 困l - 6 导向浮阀塔板结构示意图 f i g1 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f d i r e c t e dv a l v et r a y 1 _ i2 2 高弹性浮阀塔板f v v 1 v a r i o f l e x - v a l v et r a y ，简称v - v 浮阀塔板阢3 3 川，是8 0 年代朱德国推出的 一种高弹性的浮阀塔扳，其操作弹性可达1 2 ：1 。其结构示意图见图1 7 ：v v 浮 阀塔扳的主要结构是由三根立撑杆、一个顶板、一个可以自由上下滑动而不会发 n 新型浮阎塔板水力学性能的研究 生转动的开孔阀片以及一个固定圈组成，活动阀片上开有直径为2 0 r a m 的孔。在 低气速流率下，气体通过阀片上的孔进入液层，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，由于定位架上盖板的强制作用而水平进入液层，而高气速流率下，全部气 体由阀片和塔板的间隙进入液层，其支撑杆起均布和破碎气流的作用。在很宽的 气相负荷范围内，其压降和效率基本保持不变，由于阀片上无阀腿而采用特殊的 支撑杆设计，操作安全可靠。 攀婺遵誉避簿 ( a ) 低气速流率 中气速流率( c ) 高气速流率 囤1 7 u v 浮闻蟮板结构示意图 f i 9 1 7s c h e m a t i c d i a g r a mo f v a r i o f l e x - v a l v e t r a y 1 1 2 3a d v 微分浮阀塔板 a d v 微分浮阀塔板1 3 5 , 3 6 是清华大学在9 0 年代末开发的新型塔板，在对常压 或加压下操作的塔的改造中获得成功应用。其结构如图1 - 8 所示，主要设计思想 是：( 1 ) 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，消除了塔板上液体 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，操作时浮阀不 易旋转不会脱落。与f 1 型浮阀相比，微分浮阀的塔板压降降低l o ，塔板处 理能力提高3 0 以上，塔板效率提高了2 0 ，塔板操作弹性大幅度提高。工业应 用表明：对于常压塔或加压气液传质设备中，a d v 微分浮阀塔板代替筛扳或f 1 型浮阀塔板可获得明显的经济效益。 蕾一1 图1 - 8 a d v 撤分浮问塔板结构示意图 f i g i - 8s c h e m a t i c d l a g a mo f a d v d i 位r e r l 6 v m v c t r a y 青岛科技大学研究生学位论文 1 2 4 b 丁v 浮阀 b t v 中国石油大学( 华东) 化学化工学院开发研制，该塔板已先后在原油常压 塔、脱乙烷塔、催化吸收塔、催化分馏塔、催化解吸塔、汽油稳定塔、脱丙烷塔、 丙烯塔等四十余座工业塔中得到应用。结果表明，该塔扳具有良好的流体力学性 能及传质性能，能有效提高单塔的负荷能力和传质效果，同时该塔板在实际应用 中安装方便，操作灵活，在保持产品质量合格的基础上，增大了处理量，油品分 割效果和轻油收率得到提高，取得了较好的经济效益和社会效益p ”。 b v t 浮阀结构示意图见图卜9 ，具有如下特点：( i ) b v t 浮闻保留h t v 船型 浮阀管式长条形的优点，又吸取浮舌塔板、导向浮阀、偏心n u t t e r 浮阀的长处； f 2 ) b v t 浮阀采用了前端小，后端大的半锥形结构，使得从闹孔中吹出的气体对 液体具有向前的推动力，以减小液面梯度和返混程度，降低塔板压降：( 3 ) 在阀面 后端冲压出一个或两个方向朝前的舌孔，该舌孔的舌片与塔板的平面成一定角 度，这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而气体分布均匀，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小；( 4 ) b v t 浮阀重心偏后，操作中浮阀前端( 小端) 先开启，这半启状态类似于浮舌开启，全 启状态又如同于h t v 船型浮阀口”的操作状态，这样使得b v t 浮阀的开关更加灵 活。 雩气 一一：二_ 图1 - 9 b t v 浮闷塔板结构示意图 f i g i - 9s c h e m a t i cd i a g r a mo f b t v v a l v e t t r a y 新型浮阀塔板水力学性能的研究 1 1 3 立体喷射型塔板 近年来，在诸多形式的新型塔板中，以液相为分散相的喷射型塔板己受到普 遍重视。喷射型塔板在液相为分散相、气相为连续相状态下进行操作，传质面积 扩大了许多，同时气体不再由板上液层通过，因而压力降大大降低。这类塔板一 般又具有气体分离的结构，可保证在很高的气速和液体充分分散的情况下，很好 地进行气液分离，以减少雾沫夹带，并提供新的传质面积。近期研究表明，喷射 型塔板的优点是很明显的，可以认为液体分散型塔板是以后新型塔板的重要发展 方向。 1 1 3 1 新型垂直筛板( n e wv s 3 3 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1 9 8 0 年始河北工业大学等几家单位对其性能与结构进行了研究，并加以推广使用 4 0 4 引。n e wv s t 是以气相为连续相，液相为分散相的新型喷射型塔板，其结构见 图1 - 1 0 ，主要结构特点是：在塔盘上布置有若干圆柱形帽罩，帽罩有顶盖，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圆形孔，为气体通道操作时，从下层塔板上升的气 体，经板孔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。该塔板具有操作范围宽、气体处理量大、效率高等 优良性能，一经问世就受到国内外化工界的重视，在工业应用方面取得很大成就。 1 4 青岛科技大学研究生学位论文 图1 1 0 n e w v s t 结构示意图 f i g 1 1 0s c h e m a t i cd i a g r a mo f n e wv s t 1 1 3 2 立体传质塔板( c t s t ) 立体传质塔板( c t s t ) m 舶】是河北工业大学化学工程研究所在对n e wv s t 进行深入研究的基础上开发创新的结果，结构如图1 1 1 所示：塔盘由矩形开孔的 塔板、设有筛孔的梯形喷射罩和分离板组成。喷射罩底部与塔板间有一定的缝隙， 为液体进入罩体的通道。气体白板孔进入喷射罩中，液体由喷射罩底部的缝隙进 入喷射罩内。在整个塔板上，气液经历拉膜、破碎、碰顶折返、喷射、对喷、分 离6 个接触过程。在整个接触过程中，气液两相处于湍流状态，相间的传热、传 质包括了塔板至喷射罩及分离板的整个空间，大大提高了空间利用率，塔板间 的空间利用率达到2 0 巧0 。 图1 - 1 1c t s t 塔板结构示意图 f i g 1 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f c t s tt r a y 新型浮阀塔板水力学性能的研究 1 2 板式塔的流体力学性能 板式塔的流体力掣4 7 - 4 9 参数主要包括塔板压降、雾沫夹带、漏液，下面分别 予以介绍。 1 2 1 塔板压降 塔板压降是塔板的重要流体力学参数，塔底至塔顶的压差，塔的降液管设计 以及塔的能耗等都与塔板压降有关，塔内压降的大小直接关系到物系的气液平衡 和热平衡，即影响到分离过程的塔板数和回流比等操作参数，主要与塔板结构、 液流强度以及气相动能因子有关。 1 2 1 1 湿板压降 湿板压降是指塔板上有液体存在时气流通过塔板开孔构件以及气流和液体 接触而相互作用的压力损失之总和，是塔板的操作性能之一。计算模型有加和模 型法与经验关联法两大类。 ( 1 ) j j i l 和模型法 一般认为塔板压降叱由干板压降叱、清液层压头损失鹋与克服液体表面 张力压头损失啦三部分组成 5 0 , 5 1 】，区别只在于各组成部分的计算不同，用公式 表示如下： a p , = 嵋+ 鹋+ 叱 ( 1 1 ) 其中清液层压头损失必由清液层高度红决定： 鹋= p , g h ,( 1 - 2 ) 清液层高度的计算公式较多，工程上常以f r a n c i s 方程为基础来计算清液层高 度，如f a i r 引入充气系数岛的计算式： = e o ( 。+ k ) ( 1 - 3 ) 岛= o 5 8 + 0 4 2 e x p ( - 1 6 2 c ) ( 1 _ 4 ) k = 焉e c 秒2 一o 6 6 7 时 m 5 ， 式中帔气体通过一层塔板的压强降，p a ； 叱气体克服干板阻力所产生的压强降，p a ； 北气体克服板上充气液层的静压强所产生的压强降，p a ； 1 6 青岛科技大学研究生学位论文 啦气体克服液体表面张力所产生的压强降，p a ： 历一板上充气液层阻力，m ； h 。堰高，m ； 。一塔内液体流量，一，s ； k 堰上液层高度，m ； 晶一充气系数； e 一液流收缩系数，一般情况下取1 ； c 一以鼓泡面积计算的动能因子，m s ( k g m 3 ) 沈。 ( 2 ) 经验关联法 经验关联法中不出现干板压降，而直接将塔板总压降与有关影响因素关联影 响因素由人为判断，具有一定的经验性。常见的经验关联式有【5 2 】： 啦= a 吸口p k 彰吃( 1 - 6 ) 0 = 口q 呀2 9 k + b l + + 西i + p 盯+ ( 1 - 7 ) 式中 欧、三、h 。、r o 、r 工塔板的结构参数和性能参数； a 、a 、b 、c 一系数和指数，由实验求得。 在固定板间距和固定物系条件下，塔板压降主要受气相孔动能因子，液流强 度和堰高的影响，因此有如下的简便关联式： 叱= 群昂砖 ( 1 8 ) 式中l w 一液流强度，m 3 ( m h ) 。 1 2 1 2 干板压降 干板压降系指塔板上没有液体时，气流通过塔板开孔构件的压力损失，反映 的是塔板的结构性能。在利用加和模型计算湿板压降时，干板压降是其重要组成 部分。其计算公式主要有基于孔板模型和阻力系数模型两种。 ( 1 ) 孔板模型的关联式 基于孔板模型的关联式认为干板压降是气流流过一定通道所受到的阻力，这 种阻力的共同规律是阻力与动能成正比。此类关联式较多，其中应用最多的是 z u i d e r w e g 关联式【5 3 】： 叱= a o ( u o c o ) 2 2 ( 1 9 ) 1 - o 4 ( 甓门 m 聊 式中p o 气相密度，k g m 3 ； 1 7 新型浮阀塔板水力学性能的研究 见一液相密度，k g m 3 ； g 一为重力加速度，m s 2 ； u o 孔气速，m s ： c 0 一筛孔流量系数。 ( 2 ) 阻力系数模型的关联式 基于阻力系数的经典关联式由s t i c h l m a i r 和m e r s m 锄【5 4 1 提出： 叱= c f 0 2 2 = 乒；戊2( 1 - 1 1 ) r o = 店(1-12)1o1 2 )2 、店【l 。 式中 届一为气相孔动能因子，( m s ) ( k g m 3 ) 帽。 f 为孔系数，与板厚孔径之比和孔雷诺数有关，其值可由图查得【5 5 】，但还需 根据开孔率作校正，计算公式如下： 对万反 2善= fo + 矿2 2 矽( 1 1 3 ) 式中矽一自由面积分率，： 矾一筛孔直径，m ； 万一板厚，m 。 国内通用的f l 浮阀塔板的干板压降可按下式计算【5 6 1 ： 叱= 9 7 5 1 u 2 0 p o 2 ( 阀片全开前) 叱= 5 3 4 u 2 p o 2 ( 阀片全开后)( 1 1 4 ) 从以上各式可以看出，筛板和浮阀塔板的干板压降计算公式只是系数有所不 同。若以孔动能因子代替孔速，并考虑到不同塔板的差别，则干板压降可写为如 下通用形式： 叱= o f ；( 1 - 1 5 ) 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。 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0 1 k g 液k g 气以下， 1 8 青岛科技大学研究生学位论文 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 7 , 5 8 ： 铲眈2 f 7 3 1 怫, u g 习 3 2 ( 1 1 6 ) 对于d o 1 2 r a m 以上的塔板，雾沫夹带量目前尚无较好的计算方法，可采用 如下式子估算上限气速【5 9 】。 。= 2 1 60 3 1 2 旧r 一矗r ) ( 1 1 7 ) 式中气一雾沫夹带量，k g k g 气： 材伽一上限气速，毗； 矿一操作物系的液体表面张力，r a n m ： ，一鼓泡层高度，m ； “。基于( 4 一彳r ) 的气速，m s ： 彳，一塔截面积，m 2 ； 彳，一降液管的面积，i n 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孔上的液层，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。严重的漏液会使塔板不能积液而无法操 作。为保证塔的正常操作，漏液量s 应不大于液体流量的1 0 。 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。 1 2 4 液泛 塔内气体靠压差自下而上逐板流动，液体靠重力自上而下通过降液管而逐板 流动。显然，液体是自低压空间流至高压空间，因此，塔板正常工作时，降液管 中的液面必须有足够的高度，以克服两板间的压降而流动。若气、液两相中之一 的流量增大，使降液管液体不能顺利下流，管内液体必然积累，当管内液体增高 到越过溢流堰顶部，于是两板间液体相连，该层塔板产生积液，并依次上升，这 种现象称为液泛。 此外，对一定的液体流量，气速过大，气体穿过板上液层时，造成两板间压 1 9 新型浮阀塔板水力学性能的研究 降增大，使降液管内液体不能下流而造成液泛。液泛时的气速为塔操作的极限速 度。从传质角度考虑，气速增高，气液间形成湍动的泡沫层使传质效率增高，但 应控制在液泛速度以下，以进行正常操作。 当液体流量过大时，降液管的截面不足以使液体通过，管内液面升高，也会 发生液泛现象。影响液泛速度的因素除气、液流量和流体物性外，塔板结构，特 别是塔板间距也是重要的参数，设计中采用较大的板间距，可提高液泛速度。 为了防止液泛，应保证降液管中泡沫液体总高不能超过上层塔板的出口堰， 为此： h d 【日7 + h w ) ( 1 1 8 ) i t d = h 。+ 吃+ h d ( 1 - 1 9 ) 式中凰一降液管内的清液层高度，m ； 一与液体流过降液管的压强降相当的液柱高度，m ； 塔板上不设进口堰 r h a