（化学工程专业论文）斜孔梯形浮阀的塔板流体力学及传质性能实验研究.pdf

中文摘要 板式塔是一种重要的炼油、化工气液传质设备，在与填料塔的新 一轮竞争中显示出强劲的发展势头。本文在此背景下，在对导向梯形 浮阀的流体力学和传质性能充分研究的基础上，开发了斜孔梯形浮 阀。并对不同重量的斜孔梯形浮阀，在一个5 0 0 x 5 0 0 m m 有机玻璃塔 内用空气一水系统测定了其流体力学性能指标塔板压降、漏液和 雾沫夹带，研究了它们随阀孔动能因子、堰高和液流强度变化的规律， 并根据实验数据得到压降、漏液和雾沫夹带关联式。 本文在冷漠条件下，采用二氧化碳解析的方法，实验测得了不同 重量的斜孔梯形浮阀塔板的传质效率。二氧化碳的液相浓度用酸碱滴 定法测得，气相浓度用气相色谱法测定。实验结果表明，重量不同的 斜孔梯形浮阀的传质效率相差较大。 本文还进行了两项比较实验：一、对四种不同横向排列间距的斜 孔梯形浮阀塔板的流体力学和传质性能进行了对比实验研究，实验结 果表明，不同排列的横向间距对塔板的流体力学和传质性能有较大影 响；二、对f 1 浮阀、导向梯形浮阀和斜孔梯形浮阀三种不同浮阀塔板 的流体力学和传质性能进行了对比实验研究，实验结果显示，斜孔梯 形浮阀的塔板流体力学和传质性能较好。希望通过本文的这些实验研 究来指导工业实际应用。 关键词：气液传质、斜孔梯形浮阀塔板、流体力学性能、塔板压降、 漏液、雾沫夹带、传质效率 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 n t h ec h e m i c a la n dp e t r o l e u mi n d u s t r y , a n di th a sr e c e n t l ys h o w ns t r o n g g r o w t ht e n d e n c yi nan e wc o m p e t i t i o nw i t hp a c e dc o l u m n t h eg r a d i e n t r i n g e n tt r a p e z o i d a lv a l v et r a y so f f o u rd i f f e r e n tw r i g h tw e r ed e v e l o p e di n t h i s p a p e r t h eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e o ft h e s e p l a t e s w a s i n v e s t i g a t e db yu s i n ga i r - w a t e rs y s t e mi nac o l u m nw i t hs i d el e n g t ho f 5 0 0 m m x 5 0 0 m m ，a n dt h ec o r r e l a t i o n so fp l a t ep r e s s u r e - d r o p ，w e e p i n ga n d e n t r a i n m e n tw i t hw e i rh e i g h t ，l i q u i ds t r e n g t ha n dk i n e t i ce n e r g yf a c t o r b a s e do nv a l v eh o l e sw e r eo b t a i n e d t h em a s st r a n s f e re f f i c i e n c yo fg 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 s o fd i f f e r e n tw e i g h tw a sd e t e r m i n e db ye x p e r i m e n to fc o ， d e s o r p t i o n i ts h o w e dt h en l a s st r a n s f e re f f i c i e n c yo fg 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 y so f d i f f e r e n tw e i g h t sw a sq u i t ed e f f e r e n t i nt h i sp a p e r ，t h eg 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 y so ff o u r d i f f e r e n tt r a n s v e r s es p a c eb e t w e e nt h ev a l v e sa r ee x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d o ni t sh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dm a s st r a n s f e re f f i c i e n c y , t h er e s u l t o ft h ee x p e d m e n ts h o w st h a tt h et r a n s v e r s es p a c eb e t w e e nt h ev a l v e sh a s o b v i o u se f f e c to n h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e a n dm a s st r a n s f e r e 街c i e n c y t h e r ea l s oh a dt h et h r e ev a l v et r a y sf iv a l v et r a y , d i r e c t e d t r a p e z o i d a l v a l v et r a y ，g r a d i e n tf i n g e n tt r a p e z o i d a lv a l v et r a yb e e n c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t a ls t u d i e d , t h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n ts h o w s t h a t t h eg 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 y sh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e a n dm a s st r a n s f e re f f i c i e n c yi sb e t t e rt h a nt h eo t h e r w i s ht h i sp a p e r s s t u d yc o u l db eu s e dc o n v e n i e n t l yi ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：g a s - l i q u i dm a s st r a n s f e r ，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 e t r a y ，h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，p l a t ep r e s s u r e d r o p ，w e e p i n g ， e n t r a i n m e n t ，m a s st r a n s f e re f f i c i e n c y 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，也不包含为获得墨洼盘堂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：舌司毒 签字日期：扩g 年，月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘注盘堂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) 学位敝作者繇素司去 签字日期：涉一f 年f 月，护日 目 聊虢张 签字日期：歹年f 月胆塥 刖吾 在炼油、化工、轻工等行业的工业生产中，有大量的气一液或液一液之间 直接接触进行传质和传热的过程，如蒸馏、吸收、解吸、汽提、萃取等化工单 元操作都属此类。这些过程大多是在塔设备内进行的，塔设备为传质过程创造 了适宜的外界条件，除了维持一定的压强、温度、规定的气液流量等工艺条件 外，还从结构上保证上升的蒸汽与下降的液体有充分的接触时间、接触空间和 接触面积，以达到比较理想的传热、传质效果。据统计，塔设备投资约占全厂 总投资的1 0 2 0 ，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：生产能力大，能适应大型 和超大型规模的需要；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；压力降低，保证能耗低；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 ) 气液两相能充分接触，分离效率高； 2 ) 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； 3 ) 流体流动的阻力小，即压力降小； 4 ) 气液处理量大； 5 ) 结构简单可靠，制造成本低： 6 ) 易于操作、调节及检修。 塔设备主要分为板式塔和填料塔两大类。作为塔内主要构件的塔板和填料 在过去几十年中的发展速度各有快慢，竞争能力时有强弱。7 0 年代以前，塔板 的开发、研究和应用均处于优势；7 0 年代，由于i n t o l o x 金属矩鞍环散堆填料和 金属孔板波纹规整填料的开发应用，使填料和塔板处于平行发展的阶段；进入 8 0 年代后，随着各种新型波纹填料和塔内件的开发成功，工程放大效应已可消 除，适应了对大型塔器节省能耗、提高效率的要求，因此达到了填料发展的高 峰期。 一般而言，板式塔结构较为简单，易于放大，造价较低；但板式塔普遍存 在效率较低、压力降较高、持液量大等缺点。填料塔的显著优点是效率高、压 力降低、处理能力大、操作弹性大，且能处理含固体的物料和起泡物系；但是 采用新型填科的造价较高，取热不便、侧线抽出较困难，且对初始分布敏感， 每隔定高度要安装收集分布器装置，另外中高压操作条件下传质性能较差， 且在有腐蚀、结焦、结垢等生产环境下，其应用也受到限制。所以进入9 0 年代 后，人们又开始以新的兴趣寻求板式塔的突破，以适应日益增多的大直径塔器 的大通量、高效率的要求。 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，使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。 在各种新型塔板的开发中，浮阀塔板占有很重要的地位，但在对浮阀结构 尺寸合理性方面的研究还不充分，尤其对新型浮阀的结构尺寸的确定还很盲目。 本文针对新开发的斜孔梯形浮阀塔板结构尺寸的复杂性，对不同结构尺寸的斜 孔梯形浮阀塔板进行了对比实验研究，为斜孔梯形浮阀的设计和应用提供了依 据。 2 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 板式塔的研究进展 板式塔按塔板上气液流向的不同分为气液呈错流的塔板、气液呈逆流的塔 板和气液呈并流的塔板三种。每一种流向的塔板，又可按气液接触元件的不同 分为多种塔板，基本的板型有泡罩型塔板、筛孔型塔板、浮阀型塔板、喷射型 塔板和穿流塔板【1 叫。 随着炼油和石油化工的发展以及节能的需要，使得能耗巨大的蒸馏过程与 设备的研究开发工作不断发展，新的塔板不断出现，尤其是那些大通量、低压 降的塔板，更受到人们的重视，其中引起人们广泛兴趣的塔板主要有如下几种： 1 ) 新型垂直筛板塔板( 即n e w v s t ) 【4 1 。该种塔板是日本三井造船工程公 司于1 9 7 1 年开发的，结构形状如图1 1 所示。操作时塔板上帽罩外面的液体经 过帽罩底边的开孔流入帽罩内部，被从下层塔板上升的气体提升，气液两相在 帽罩内形成环状喷流，在到了上部后就形成雾状气液两相流，接着从雾沫分离 段的小孔喷出，使气液分离。在此过程中气体为连续相，液体成为分散相，使 得其处理气体量大，塔板压降低、效率高、操作范围宽，因此一问世就受到人 们的普遍重视，至今国内不少单位仍在研究改进【删。尔后三井公司又在此基础 上推出了更高负荷的h v t 塔板( 即高气速塔板，见图i - 2 ) 4 1 ，性能比n e w v s t 更胜一畴，缺点是结构较复杂。 图1 - 1n e w v s t 塔板结构 f i g 1 1t h es t r u c t u r eo f n e w v e r t i c a ls i e v et r a y 3 图1 - 2h v t 塔板结构 f i g 1 - 2 t h es u l l c t u r co f h i 曲v e l o c i t y t r a y 第一章文献综述 2 ) m d ( 即多降液管) 塔板 9 , 1 0 l 。m d 塔板由美国联合碳化物( u c c ) 公司 于二十世纪六十年代开发成功。其主要特点是采用多根悬挂式降液管，相邻两 板问的降液管互成9 0 度排列，塔板上受液区仍然开孔( 无受液盘) ，从而通量 增大，溢流周边增长，压降减小。浙江工业大学在m d 塔板基础上改进开发了 d j 塔板【1 1 ”】，( 降液管为矩形，见图1 - 3 ) ，在结构形式，通量和效率方面都有 所创新和突破，已成功应用于工业上。其特点是板间距小、压降低、通量大、 操作稳定，气液分布好，尤其适合高液气比操作和加压操作的场合。 图l - 5 高弹性浮阀塔板 f i g 1 5v e r i o f l e xv a l v et r a y 图l _ 4 导向梯形浮阀塔板 r i g 1 - 4 l e a d i n g l a d d e r - s h a p e d v a l v e t r a y 。新型浮阀塔板的代表有导向浮阀( 矩 4 图l - 6 微分浮阀塔板 f i g i 6d i f f e r e n t i a lv a l v et r a y 第一章文献综述 形、梯形两种) ，高弹性浮阀( v a r i o f l e xv a l v e ) 和微分浮阀塔板。分别见图1 扣1 - 6 。 导向浮阀吸取了条阀和导向筛板导向孔的特点，在条阀阀面上开l 2 个导向孔， 以发挥气流推液作用，提高分离效率和处理量，降低塔板压降，导向梯形浮阀 性能更佳。 高弹性浮阀塔板浮阀单元由盖板、支撑杆和固定圈构成的固定架以及可自由 平稳上下浮动而不旋转的活动阀片构成，活动阀片上开有由2 0 m m 的孔。在低 气相流率下，气体通过阀片上的孔进入液层，而高气相流率下全部气体由阀片 和塔板的间隙进入液层，其间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。微分浮阀塔板是在阀顶开3 个小阀孔，采用鼓泡促 进器使整个塔板鼓泡均匀，阀脚采用新的结构设计，安装方便，操作时浮阀不 易旋转和脱落。 4 ) 网孔塔板( p - k t r a y ，见图1 - 7 ) 嘲。该种塔板具有较大的开孔面积，是 一种高通量塔板。蒸汽从塔板上具有一定角度的缝隙中喷出后不直接向上运动， 而有较大的水平速度分量，可减少雾沫夹带，因而提高塔板的操作上限，同时 促进塔板上液体的横向混合，使流速分布更为均匀，而且可扫清塔板表面，防 止固体颗粒沉积和结垢，因此特别适用于物料中含较多固体颗粒的情况。 图i 7 网孔塔板 f i g 1 - 7 p - k j e t t r a y 5 ) 穿流式角钢塔板口7 1 。该种塔板是将角钢的直角朝下( 即v 型) 按一定的 间距( 缝宽2 1 0t a m ) 排列固定起来，气液逆流接触传质。这种塔板压力降小， 处理能力大，效率较高且结构简单，制造成本低。 第一章文献综述 6 ) 复合塔板为充分利用两塔板问气相空间，可在塔板上或下部加一层填料 来提高传质效率。有人在格栅塔板的盲台上放上丝网填料，结果早期的气泡形 成被抑制，气相被均匀地分散成非常小的气泡，同时使塔板上的液体接近于活 塞流动。从而强化了传质效率而仍能保持高的处理能力嘲。浙江工业大学徐崇 嗣等【剐l 】在穿流筛板下加一层高5 0 1 0 0 r a m 的规整填料制成复合塔板，对于每 一层塔板，气液接触有3 个区域：板上为泡沫区，在填料内液相以液膜状沿填 料表面流下为液膜区，在填料层下面，液滴均匀下降与上升的气体接触为淋降 区；此种塔板具有通量大、压降低、雾洙夹带少、传质效率高等优点。复合塔 在一定程度上发挥了板式塔和填料塔各自的优势，克服了各自的缺点，为塔器 的发展开辟了新的道路。 7 ) n y e 塔板 3 2 3 3 1 。n y e 塔板的降液管下端的弓形区内设置一个进气平台， 充分利用了降液管底下的面积；在降液管底部的垂直面上，气流水平方向吹入 中心区，较垂直吹出有利；由降液管进入塔板的液体可立即“活化”，因而传质 的有效液流长度增加，雾沫夹带亦可降低。此类强化入口面积的塔板还有 m a x - f r a ct r a y 、t r i t o nt r a y 和v o r t e xt r a y 等5 1 。 8 ) s u p c r f r a c 塔板p ”。该种塔板是将降液管下面的弓形区域抬高为液体推进 台并在其上布置微型浮阀，既能扩大塔板的有效面积，又可推动液体流动，防 止其在塔板上滞留。它是既利用其鼓泡面积强化，又利用其入口面积强化的高 性能塔板，可以同时提高处理能力和效率，特别适用于高压力和高液相负荷下 的蒸馏操作。 当前塔板的开发研究主要有两个侧重点，一是针对提高效率，一是针对某 些特定要求，如满足低压降、大通量等要求。传质元件也有小型化的趋势，如 b i f r a ct r a y 、s u p e r f r a c m i n i v a l v et r a y 和n y e y m i n i v a l v ct r a y 等塔板【3 ”。”，采用微 型的特殊固定阀和浮动阀件，其直径为普通浮阀单元一半，使开孔面积增大， 强化了鼓泡面积。新板型的另一发展趋势是加强了并流塔板的研究，如气液并 流塔板有f l o wc o n t r o lt r a y 、c o f l o wt r a y 等【3 4 1 ；气气并流塔板有u l t r a t a ct r a y 高速塔板网；液液并流塔板有p l u r a lt r a y 、s l i tt r a y 掣蚓，这一切都显示出板式 塔在新一轮发展中的强劲势头。 尽管各种新型板式塔层出不穷，但从工业应用的广泛性和性能的稳定性上 来看，浮阀塔板以其优良的性能在板式塔发展的竞争中越来越显示出其优势地 位，下面对浮阀塔板的发展改进加以详述。 6 第一章文献综述 1 2 浮阀塔板的研究进展 自五十年代起，浮阀塔板就已大量应用于工业生产，以完成精馏、吸收、 脱吸等传质过程。在长期的应用过程中，浮阀塔板不断得到改进，其改进主要 体现在阀体结构上。 1 2 1 圆形浮阀塔板的进展 最早出现的浮阀塔板是圆盘型浮阀塔板，在5 0 年代前后就已得到了开发和 应用，其中以美国g l i t s c h 公司推出的v - 1 型浮阀塔板应用最为广泛，国内称之 为f 1 型浮阀。美国g l i t s c h 公司同时还推出了v 4 型浮阀，它与v - l 型浮阀塔 板的不同之处在于其阀孔采用文丘里结构，可以降低塔板阻力【3 9 1 。由于圆盘型 浮阀塔板具有浮动部件，可在一定范围内自动调节气体通道，因而具有生产能 力大、操作弹性大、气液接触状况好、传质效率较高等许多优点，对化工、石 油等工业发展起了积极的促进作用。但在工业应用中也表现出某些缺点：1 ) 塔板压降较大，液面梯度较大，易泄漏；2 ) 板上返混程度较大，使塔板效率 降低； 3 ) 在塔板两侧弓形区内存在流体停滞区；4 ) 浮阀易磨损、脱落，有 待于进一步完善。 8 0 年代末，德国s t a h l 公司推出了一种高弹性浮阀v a r i o f l e x - v a l v et r a y ，简 称w 塔板阱删。w 浮阀的阀体单元由盖板、支撑杆和固定圈构成的固定架以 及可自由平稳上下浮动而不旋转的活动阀片构成。在低气相流率下，活动阀片 依靠三个外伸支爪平置于阀孔上，气体通过阀片上的开孔进入液层，操作如同 开孔率较小的大孔筛板，而且支撑杆和盖板还可使气流碰撞分散，水平吹入液 层，因此漏液很少。随着气体流率的增加，阀片被抬起，上升的气体被分为两 部分，分别从阀片上、下方水平进入液层。在高气相流率下阀片上抬到固定架 项部，全部气体由阀片和塔板间隙进入液层，完全如同一般的圆形浮阀，但支 撑杆仍起到均布和破碎气流的作用。在很宽的气相负荷范围内，高弹性浮阀的 压降和效率保持不变，另一方面由于阀片上没有阀腿以及特殊的支撑杆设计， 使阀片不易卡死、磨损或吹落，因而操作也十分安全可靠。 在w 浮阀基础上，我国洛阳石化工程公司又开发研制了f s v 浮动筛片塔 板。这是一种具有大负荷比、高效率、低压降等特点的新型塔板，它可使分馏 塔在较大的气相负荷变化范围内仍保持较高的分离效率。f s v 阀件为长条形， 由条形阀盖、格栅式阀件和浮片组成，阀盖上设有一个导流孔，与水平方向呈 3 0 0 夹角，阀体由格栅围成长条形，两端为半圆形，固定在塔板上，浮片上开孔 有长条形和双圆形两种形式。浮片角耳由阀体侧面窗口伸出，架在塔板上，浮 第一章文献综述 片可相应成未开、半开、全开三种状态。当浮片未开启时，塔板开孔率仅为浮 片的开孔率。浮片浮起后，塔板开孔率变为阀件升气孔面积，所以阀件的开孔 率可由浮片自动调节，调节范围约为5 倍左右。因此，该阀在较大的气速范围 内可保持较高的传质效率。f s v 阀体采用长轴顺液流方向排列，迎液流方向的 格栅不开孔，且盖板上设有导流孔，浮片不易锈蚀磨损，大大减少了安装和维 修的工作量。 1 2 2 条形浮阀塔板的研究进展 与圆形浮阀相对应，i e a r l n u t t e r 在1 9 5 4 年开发了条型浮阀，也称为n u t t 盯 f l o a tv a l v et r a y i 。在操作过程中，气体从条型浮阀两侧喷出，与圆形浮阀相 比可以减少液体返混，提高传质效率，且条形浮阀不会旋转，因而不易磨损， 阀片不易卡死、脱落。国外对条形浮阀的研究较多，n u t t e x ，b r a m b i l l a ，k m n ， d h u l e s i a 等对其流体力学性能进行了详细的研究。研究表明，条形浮阀的效率、 弹性、通量均高于f 1 型浮阀，而且压降也比较小。条形浮阀在国内一直没得到 广泛地应用，直到8 0 年代才引起重视。近年来，我国在条形浮阀上已经有了一 些创新，自行开发了多种形式的条形浮阀，例如：l 1 型条阀、导向浮阀、梯形 浮阀、导向梯形浮阀、j f 复合浮阀等，下面分别予以介绍。 1 2 2 1l 1 型条阀塔板”“1 l 1 型条阀塔板是由洛阳石化工程公司于1 9 8 5 年研制开发的一种高能力、高 效率的一种优秀塔板，它的活动部件长方形浮阀，两边设阀腿，长边为气体通 道。此种条阀塔板的阀体采用错排形式，气液流动互相垂直，返混程度明显减 小。 1 2 2 2 梯形浮阔塔板 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 缘水平溢出时，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， 起到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向作用，有利 于克服液体滞流与返混现象，减小液面落差。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有 新的改变。 另外还有了一种介于浮阀与筛板之间的塔板，称为固定阀塔板或称梯形盖式 8 第一章文献综述 塔板，固定阀略成梯形状，直接在板上冲压而成，与塔板是一个整体。塔板操 作时，气体从固定阀两侧水平喷出，并有一个向前的分速度，有利于减少雾沫 夹带盆和降低塔板上液面梯度。从其结构看，固定阀的漏液下限气速应低于筛 板固定阀塔板的流体力学性能优于大孔径筛板。固定阀具有气体从水平喷出的 优点，又没有可动部分而降低了制造和维修费用，且可靠性大，雾沫夹带和漏 液较筛板小。操作弹性较高，是一种值得进一步研究和推广的塔板【1 4 】【1 5 1 6 】。 1 2 2 3 导向浮阀塔板【伯捌 导向浮阀塔板是华东理工大学针对现有塔板的缺点开发研制的一种新型高 效塔板，并已于1 9 9 1 年获得实用新型专利。导向浮阀为矩形，两端设有阀腿， 结构可靠，不易磨损、脱落。在操作过程中，气体从浮阀两侧流出，其流出方 向与塔板上液流的方向垂直，从而减小塔板上液体的返混程度。由于在导向浮 阀上设有1 - - 2 个导向孔，导向孔的开孔方向与塔板上液流方向一致，在操作中， 从导向孔喷出的少量气体推动塔板上液体流动，基本上可以消除塔板上的液面 梯度。若在塔板两侧的弓形区内适当排布具有2 个导向孔的导向浮阀，还可以 消除塔板上的液体滞留区。 1 2 2 4 导向梯形浮阀塔板 2 3 1 导向梯形浮阀塔板是由天津大学国家重点实验室开发研制的一种新型塔 板，该塔板吸取了v 型栅板、条形浮阀塔板、导向筛板和固舌塔板的优点，并 已获得了国家实用新型专利。它采用梯形阀片，两端设有阀腿。在操作过程中， 气体从浮阀两侧流出，具有向前的分速度和垂直塔板上液流方向的分速度，对 塔板上的液体起一定的导向推动作用。浮阀上设有导向孔，导向孔的开孔方向 与板上液流方向一致。实验测定的流体力学性能表明：它的塔板压降、漏液量、 雾沫夹带量等性能均优于f 1 型浮阀塔板。当阀孔动能因子f 0 较高时，导向梯形 浮阀塔板总压降比f l 型浮阀塔板低1 5 2 0 9 6 ；气相负荷上限可提高1 5 札2 0 9 6 ， 下限可降低1 3 左右，操作稳定区比后者提高2 3 - - 3 0 ；在通常操作范围内， 该塔板的c 0 z 解吸效率约为8 0 - - - 9 0 ，具有良好的传质性能。 1 2 2 5j f 复合浮阀【1 研 j f 复合浮阀塔板是由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。它在结构上吸取了f 1 型浮阀、条形浮阀和舌形塔板的优点，巧 妙的将条形浮阀和舌形塔板结合起来，形成一种复合是浮阀，其外形类似于条 9 第一章文献综述 形浮阀，但在阀面上设有1 2 个固舌或浮舌，利用其发挥推液作用。 j f 复合浮阀阀片上舌孔的特有设计使得开工响应快，而舌孔喷出的气体有 利于降低塔板上的液面梯度，抑制雾沫夹带和不均匀漏液。 1 2 3a d v 微分浮阀塔板随州 a d v 微分浮阀塔板是清华大学在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，微分浮阀的塔板效率提高了1 5 ，塔板处理能力提高4 0 以上。塔板压降 降低1 0 ，塔板操作弹性大幅度提高。 1 2 4t r i t o n t r a y t r i t o nt r a y 是n o r t o n 公司推出的新一代大处理能力塔板，外形结构与国内 通用的f l 型浮阀塔板大致相同。其特点是：塔板上的浮阀按一定的规则排列，在 同一塔板上安装两种不同质量的浮阀；阀套固定在塔板上，其形状不受限于开孔， 并配合特殊设计的斜截降液管。这种塔板能改善气相分布，抑制喷射液泛；可使 得在低气速下塔板上的气液接触更为充分合理。操作弹性范围更大，操作性能更 好。 k o c he n g i n e e r i n g 公司的b i - f r a ct r a y 采用t 排固定阀。通过强化鼓泡面积使 生产能力比筛板的提高3 0 9 6 ，m a x - f r a ct r a y 贝u 是通过改进降液管设计，强化入口 面积来提高塔板性能，类似的新型浮阀塔板还有：德国s t a b l 公司在8 0 年代末推 出的高弹性浮阀塔板( v a r i o f l c x - v a l v e t r a y ) ，苏联的新型并流式浮阀一筛孔塔 板、补偿并流浮阀塔板、流体动力学分段式喷射浮阀塔板等嘲嘲。 1 3 目前新开发的和处在研究阶段的新型浮阀塔板 目前典型的新型浮阀主要有导向浮阀塔板、微分浮阀、新型垂直筛板( n e w v s t ) 、立体传质塔板( c t s t ) 、复合塔板、n y et r a y 、m d 、菱形浮阀塔板以及 i o 第一章文献综述 由浙江工业大学开发的大通量高效d j 系列塔板和河北工业大学研究开发的 立体传质塔c t s t 系列塔板删。 在2 0 0 5 年全国塔器及塔内件技术研讨会上，华东理工大学赵培教授在其 新型浮阀塔板的研究一文中提出了两种新开发的浮阀塔板：十字旋阀塔板 和波纹导向浮阀塔板。南京大学张志炳教授研究开发了字母菱形浮阀塔板。 中国石油大学研究开发了双层导向浮阀塔板。 1 4 本文研究的主要内容和意义 在浮阀塔板的发展进程中，各种新型浮阀不断涌现，传统的浮阀也得到了 充分的发展和改进，但是，从工业应用来看，条形浮阀的操作性能最为优良， 尤其是导向梯形浮阀，其独特的阀型结构使其具有操作效率高、操作弹性大、 操作稳定性强等优点。本文是在对导向梯形浮阀的充分研究的基础上，开发了 斜孔梯形浮阀，并对它的各项塔板流体力学和传质性能进行了较全面的实验研 究，斜孔梯形浮阀几乎继承了导向梯形浮阀的全部优点，并对梯形导向浮阀的 不良方面进行了改进。 斜孔梯形浮阀的优良操作性能取决于其合理的阀型和结构尺寸。目前斜孔 梯形浮阀还处在实验研究阶段，还没有在工业中应用，对它的设计还没有成熟 的经验。在设计中浮阀开孔比、梯形角度大小、浮阀升举高度、塔板液气工作 状态以及气液间的动量传递效率等问题还缺少具体深入的研究，使得斜孔梯形 浮阀应用于工业生产缺少设计依据。本文主要是对重量和横向排列间距不同的 一系列斜孔梯形浮阀塔板进行实验研究，得出浮阀重量和横向排列间距与塔板 压降、雾沫夹带、漏液等流体力学性能及c 0 2 解吸效率之间的关系，从而确定 斜孔梯形浮阀的最佳重量和横向排列间距，为浮阀设计提供依据。同时为了验 证斜孔梯形浮阀的塔板流体力学和传质性能优越性，本文还将f 1 浮阀、导向梯 形浮阀和斜孔梯形浮阀做了对比试验研究。 第二章实验内容及条件 第二章实验内容及条件 2 1 斜孔梯形浮阀的设计特点 在长期的工业应用中，导向梯形浮阀以其操作效率高、操作弹性大、操作 稳定性强等优点在浮阀塔板的发展中越来越显示出其优势地位，本文研究的斜 孔梯形浮阀是在其基础上开发的改进浮阀，它具有浮阀的一些优点，如：操作 弹性大、加工简单、操作负荷大等外，还有自己的特点： 1 ) 浮阀前端设有导向孔。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 ) 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，斜孔梯形浮阀塔板上的液体返混是很小的。 3 ) 斜孔梯形浮阀可以加速塔板两侧弓形区域的液体流动，从而可消除塔板 上的液体滞止区。 。 4 ) 由于斜孔梯形浮阀塔板在操作过程中不转动，浮阀无磨损，不易脱落。 5 ) 它的最大特点是在梯形浮阀的顶部开两个相背小角度斜孔，斜孔方向向着 浮阀的两侧，斜孔的舌片前端向下弯曲，使得从斜孔中出来的气体不能直接向上 方吹出，而是先向下，再向上的曲线流路，这种结构可以增加气体与液体的接触 时间，同时还可以抑制从浮阀侧孔吹出的气流所形成的雾沫夹带；既保留了导向 梯形浮阀的推液作用，又可有效抑制导向梯形浮阀塔板泡沫层高和雾沫夹带量大 的缺点，提高传质效率。 尽管斜孔梯形浮阀具有优良的操作性能，但目前还处于研究阶段，很多方 面还不够完善，如浮阀开孔比、梯形角度大小、浮阀举升高度、塔板液气工作 状态以及气液间的动量传递效率等问题还缺少具体深入的研究。 本文以设计开发的斜孔梯形浮阀作为实验元件，对其流体力学性能和传质 性能进行实验研究。 2 2 塔板结构参数和实验参数嘲 本文用三章的内容分别对不同重量的和不同排列间距的斜孔梯形浮阀进行 研究，为便于对比研究，在这三章中除浮阀重量和排列问距分别不同外，其他 第二章实验内容及条件 结构尺寸均相同。浮阀孔面积均为1 7 4 2 衄2 。实验参数如表2 - 1 所示。 表2 - 1 实验参数 t a b l e2 - 1e x p 喇m 僦s p e c i f i c a t i o n s 2 3 实验装置与流程 本文的全部实验工作是在一个5 0 0 m m x 5 0 0 m m 的方形有机玻璃实验塔内进 二x 通 1 瓢_ j i 一1 。 _ 回 li 甘由 l 住l 炙一 拿 ll 。：【 首。 。薹陬 丑 图2 - 1 实验装置与流程图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 1 风机2 均速暂流量传感器3 塔体4 气体分布器兼漏液收集扳5 - 试验板6 雾沫捕集板 7 - 丝网除沫器8 - u 形压差计9 _ 储水池1 0 - 水泵1 1 调节阀1 2 转子流量计1 3 雾沫捕集器 1 4 - 漏液收集器1 5 出水口( 去9 ) 行的，塔的高度为2 4 m ，测量塔板流体力学性能的实验流程如图2 1 所示。塔 内装有两块实验塔板；实验塔板下面装有一块气体分布板，其开孔率为1 4 ， 气体分布板的作用是保证进入塔板的气体分布均匀并作为漏液收集板收集漏 液；实验塔板上面装有一块斜板式雾沫捕集板，板上装有高l o o m m 的丝网以收 集气体夹带上来的液沫。 第二章实验内容及条件 实验所采用的物系：流体力学实验研究部分为空气一水系统；传质性能研 究部分为空气一水一二氧化碳系统，实验条件下的物性参数见表2 - 2 。实验时水 由水泵送入塔内，可循环使用，其流量由l z b 8 0 型玻璃转子流量计测量；空 气由高压离心通风机送入塔内，其流量用l g z d l 型均速管流量传感器测量； 压力降用水介质u 形管压差计测量，取两块塔板压力降的平均值；漏液和雾沫 夹带均采用称重法测量。 表2 - 2 实验条件下的物性参数 t a b l e2 - 2s y s t e ms p e c i f i c a t i o n si ne x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s 2 4 实验内容和步骤 本文实验主要是针对不同重量和不同排列间距的斜孔梯形浮阀流体力学性 能( 包括塔板的干板压降和湿板压降、漏液量和雾沫夹带量) 和传质性能进行 实验研究，并对f l 浮阀、导向梯形浮阀和斜孔梯形浮阀的塔板流体力学和传质 性能进行了对比实验研究。具体步骤如下： 1 ) 打开风机，通过风机上的调节阀调节空气流量，稳定后通过u 型管压差计 测量每块塔板在不同气速下的干板压降。 2 ) 打开循环水泵，固定某一水流量，调节空气流量，稳定后通过u 型管压差 计测量每块塔板在不同气速下的湿板压降；改变水流量，测量不同水流量下 每块塔板在不同气速下的湿板压降。 3 ) 用量筒取出漏液收集板上单位时间的漏液，放置天平上称量。 4 ) 用量筒取出雾沫夹带收集器中单位时间的雾沫夹带量，放置天平上称量。 5 ) 断开循环水，连接c 0 2 气体钢瓶和静态混合器，稳定后取塔板进出口液体 样品，用酸碱滴定法测量c 0 2 浓度，计算塔板效率。 1 4 第三章浮阀重量对斜孔梯形浮阀塔板流体力学性能的影响 第三章浮阀重量对斜孔梯形浮阀塔板流体力学性能的影响 3 1 塔板压降的实验研究 塔板压降是评判塔扳是否优良的一个重要因素，它直接影响到物系的汽一 液平衡和热平衡，即影响到分离过程的塔板数和回流比等，是板式塔的重要流 体力学性能参数。塔内压降分干板压降和湿板压降，下面分别予以研究讨论。 3 1 1 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。 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 c g 关联式： p d = p o ( u o c o ) 2 2 ( 3 - i ) 式中：p d 为干板压降，p a ：po 为气相密度，k g ，m 3 ；pl 为液相密度，k g m 3 , g 为重力加速度，m s 2 ；u o 为孔气速，m s ； c o 为筛孔流量系数，用下式 计算： 叫j 侧”l 。 基于阻力系数的经典关联式由蛳c h l m a i r 和m e r s m a n n 提出： p a = ；f 0 。2 = l 舻po 2 ( 3 3 ) 式中：f o 为气相孔动能因子，( m s ) 0 c g m 3 ) 忱；e 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【删，但还需根据开孔率作校正，计算公式如 下： 对6 ，d o 2毛= 毛o + 由2 2 由( 3 - 4 ) 式中：由为自由面积分率，：d o 为筛孔直径，m ；6 为板厚，i n 。 国内通用的f 1 浮阀塔板的干板压降可按下式计算： p d 一9 7 5 1pg u 0 2 2 ( 阀片全开前) 第三章浮阀重量对斜孔梯形浮阀塔板流体力学性能的影响 a p a = 5 3 4 pg u 0 2 2 ( 阀片全开后) ( 3 5 ) 目前导向梯形浮阀的干板压降关联式还没有统一的形式，华东理工大学李 玉安等给出的导向梯形浮阀干板压降关联式为： 浮阀全开前 ap d = 3 9 2 3 f o o 姗2 5 2 9 pl(3-6) 浮阀全开后a p o l o 7 2 f o i 7 现g pl。(3-7) 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f 0 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： p d = f 铲 ( 3 8 ) 阀孔动能因子f 0 的定义式为： fo=甜。风(3-9) 式中：1 】。为阀孔气速，p ，为气体密度；f o 单位为m s ( k g m 3 ) o 一，在下文中将 略去其单位。 本章及下一章的四种浮阀的参数如表3 1 所示： 表3 - 1 浮阀参数 t a b l e3 - 1s p e c i f i c a t i o n so f v a l v e 注；表中阀间距在垂直液流方向上为8 0 m m ，在平行业流方向上为l o o m m 。 四种不同重量的浮阀塔板干板压降随阀孔动能因子f 0 的变化关系如图3 1 所示。由图3 - 1 的实验结果可以看出：斜孔梯形浮阀塔板的干板压降曲线明显 分为两个阶段。在气相负荷即阀孔动能因子f o 较小时，由于导向梯形浮阀的浮 动特点，浮阀随气相负荷的增加而逐渐升起，阀缝中气体速度保持不变，因而 塔板的干板压降主要由气流托起浮阀消耗能量造成的，其大小决定于浮阀单位 面积的重量，而阀孔的气相动能因子f 0 对干板压降的影响甚微。当气量增加时， 浮阀全部开启，气体通道不再改变，塔板的干板压降随气相阀孔动能因子f 0 的 增加显著增大，此时，单位面积阀重对干板压降的影响很小。 由于四种浮阀的重量不同，由实验结果可以看出它们的干板压降是随重量 1 6 第三章浮阀重量对斜孔梯形浮阀塔板流体力学性能的影响 阿孔动能因子f o 图3 - 1 四种浮阀干板压降比较 f 岫a - 1t h e c o m p 椭o f t h e d r y p l a t a p r e s s u r e d r o p 的增大而增加的。但其在较小的阀孔动能因子f 0 下，它们的差值大于较大的阀 孔动能因子f o 下的差值。在阀孔动能因子f 0 较小时，它们之间的差值在8 0 p a 左右，当阀孔动能因子f 0 较大时，其差值减小到5 0 6 0 p a 。 浮阀刚好全部开启时的气速称为临界气速，通常浮阀塔板最佳操作点就是 操作气速稍大于临界气速。由图3