分流式降液管的筛孔塔板流体力学性能研究

董永平 刘 燕 王 领 颜 欢 褚雅志

1.西北大学化工学院 2.西安道特石化工程有限公司 3.天原集团

分流式降液管的筛孔塔板流体力学性能研究

董永平1刘 燕2王 领2颜 欢3褚雅志1

1.西北大学化工学院 2.西安道特石化工程有限公司 3.天原集团

将分流器设置在降液管上，采用筛孔塔板，以空气-水为介质进行冷模实验，对其流体力学性能进行了系统的研究，并在相同的实验条件下与无分流式降液管筛孔塔板进行对比。结果表明，分流式降液管筛孔塔板总板压降平均降低了14.3%，板上清液层高度平均降低了12.1%，操作弹性平均提高了15.3%，分流器的设置提高了塔板液泛上限和液相处理能力。

降液管 分流式 冷模实验 流体力学性能

板式塔的应用较普遍[1]。长期以来，人们的研究主要集中在气液接触元件上，而对降液管研究较少[2-3]。本文提出了一种在降液管上设置分流器的筛孔塔板，分流器上开设有一定数量的分流孔(结构如图2所示)，不仅导流了板上的液体，同时还增加了溢流堰长，使塔板溢流强度和降液管的持液量降低，提高了塔板的液相处理能力和操作弹性。

实验A1型塔板(无分流式降液管筛孔塔板，见图1)只加长了溢流堰，A2型塔板(分流式降液管筛孔塔板，见图2)的降液管上设置一个分流器，分流器不仅分流了板上液量，还加长了溢流堰。

1 实验装置及原理

本次实验是在Φ450 mm ×1 500 mm的有机玻璃塔节中进行，以空气-水为介质通过冷漠实验对实验塔板进行流体力学性能测试。实验装置分为3段，依次为雾沫夹带收集装置、测试塔板和气体分布器，板间距300 mm，塔板开孔率4.6%，如图3所示。

实验中，首先气相经9-26-11(4.5A)离心式鼓风机输送，经过皮托管流量计测量气速后，经过一段弯折的缓冲管道进入塔底，气体通过塔底的气体分布器后进入实验塔板的气相通道。水箱中的液体通过IH100-50-160A离心泵的增压作用经过LZB-100玻璃转子流量计后，由塔顶通过液相分配器进入实验塔板的受液盘上，随后气液两相在塔板的传质区充分传质后，气体继续上升至塔顶除雾放空，液相则经溢流堰进入降液管，最终从塔底进入原料水箱中循环使用。

2 实验方法

同一实验装置上，与A1型无分流式塔板进行对比。实验通过改变F因子(空塔动能因子)和液相负荷，测得塔板压降，板上清液层高度以及操作弹性等性能。板压降用U型压差计测量。

3 结果与分析

3.1总板压降

总板压降是由于气体穿过板孔构件以及板上液层所引起的压强差[4]，在保证塔板一定液层厚度下，降低压降有利于节能。其影响因素有板上开孔率、F因子、液相负荷以及物系的黏度和密度等。实验选取了Ⅰ=28.21 m3/(m2·h)，Ⅱ=35.26 m3/(m2·h)，Ⅲ=42.32 m3/(m2·h)3个液相负荷，观察在不同液相负荷下，F因子对两种不同结构塔板的总板压降的影响，如图4所示。

由图4可知，同一液相负荷下，A2型塔板的总板压降小于A1型塔板的总板压降，平均降低了14.3%。这是因为A2型塔板降液管具有分流作用，降低了板上液层厚度，减小了气相损失，使得塔板压降减小。

3.2板上清液层高度

板上清液层高度是用来描述板上实际持液量大小的参数，同时也是溢流强度大小的体现。本次实验目的就是降低塔板溢流强度，提高塔板的液相处理能力。实验选取Ⅰ=28.21 m3/(m2·h)，Ⅱ=35.26 m3/(m2·h)，Ⅲ=42.32 m3/(m2·h)3个液相负荷，观察不同液相负荷下，F因子对两种不同结构塔板板上清液层高度的影响，如图5所示。

由图5可以看出，同一液相负荷下，A2型塔板上的清液层高度比A1型塔板的板上清液层高度低，平均降低了12.1%。这是因为A1型塔板降液管无分流作用，导致板上液层积聚增多，板上液层高度增加。这说明A2型塔板的降液管上的分流器的设置能有效降低塔板的溢流强度，提高塔板的液相处理能力。

3.3板上平均泡沫层高度

随着F因子的增大，板上气泡数量不断增多，形成了不断更新的液膜表面，为气液两相提供了良好的传质条件。实验选取Ⅰ=28.21 m3/(m2·h)，Ⅱ=35.26 m3/(m2·h)，Ⅲ=42.32 m3/(m2·h)3个液相负荷，观察不同液相负荷下，F因子对两种不同结构塔板的板上平均泡沫层高度的影响，如图6所示。

由图6可以看出，同一液相负荷下，A2型塔板的平均泡沫层高度比A1型塔板的平均泡沫层低，平均降低了12.8%。这是由于A1型塔板上的液层积聚多，溢流强度大，导致气液两相在板上接触剧烈而产生大量泡沫。当F因子在0.9～1.10时，分流式与无分流式两种情形下，塔板上的平均泡沫层高度增加的速率都增大；当F因子在1.1左右时，A1型塔板上的泡沫层高度快接近上层塔板，而A2型塔板上的泡沫层高度虽然较高，但离上层塔板还有一定距离。这说明A2型塔板的降液管上的分流器的设置能有效降低该塔板的板上泡沫层高度，提高了塔板的液泛点。

3.4降液管平均泡沫层

降液管泡沫层高度的大小决定了降液管是否发生液泛。通常降液管液泛时，塔板上开始积液，传质效率急剧下降。实验选取了Ⅰ=28.21 m3/(m2·h)，Ⅱ=35.26 m3/(m2·h)，Ⅲ=42.32 m3/(m2·h)3个液相负荷，观察在不同液相负荷下，F因子对两种不同结构塔板的降液管平均泡沫层高度的影响，如图7所示。

由图7可以看出，同一液相负荷下，A2型塔板的降液管中平均泡沫层高度比A1型塔板的降液管平均泡沫层高度要低，平均降低了12.4%。这是由于A1型塔板降液管无分流，板上的液体积聚多，导致塔板的溢流强度增大，同时气液接触剧烈，产生的泡沫层增多，因而进入降液管的泡沫层增多，引起降液管中平均泡沫层高度增大。这说明了A2型塔板的降液管上的分流器的设置，能有效降低降液管中的平均泡沫层高度，提高降液管液泛的上限。

3.5塔板操作弹性

塔板操作弹性是指塔板液泛时雾沫夹带不超过10%的气相负荷上限与漏液不超过10%时的气相负荷下限的速度比值。塔板的操作弹性是判断塔板灵活性的重要指标[5]。实验测定了多个液相负荷下两种塔板的操作弹性，如表1所示。

表1 塔板的操作弹性Table1 Operationflexibilityoftray编号特性喷淋密度/(m3·(m2·h)-1)7．0514．121．228．235．342．349．456．463．570．5F因子/((m·s-1)(kg·m-3)0．5)A1型塔板上限1．261．261．131．131．011．010．880．750．630．50下限0．380．380．500．500．500．500．500．500．500．50操作弹性比3．323．322．262．262．022．021．761．511．261．00A2型塔板上限1．381．381．381．261．131．131．010．880．760．63下限0．380．380．500．500．500．500．500．500．500．50操作弹性比3．633．632．762．522．262．262．021．761．511．26

由表1可以看出，在实验室所能测得的气液负荷范围内，具有分流式降液管的A2型塔板的操作弹性比无分流式降液管的A1型塔板的操作弹性平均增大了15.3%，这是因为分流器的设置使A2型塔板的液泛上限提高，进而使得塔板操作弹性增大。这就说明分流器的设置的确能提高塔板的液相处理能力和操作弹性。

4 结 论

(1) 同一喷淋密度下，A1型塔板和A2型塔板的总板压降、板上平均泡沫层高度和降液管平均泡沫层高度随F因子的增大而增大；板上清液层高度随F因子的增大而减小。

(2) 同一喷淋密度下，A2型塔板比A1型塔板总板压降平均降低了14.3%，塔板清液层高度平均降低了12.1%，塔板平均泡沫层高度平均降低了12.8%，降液管中平均泡沫层高度降低了12.4%。

(3) 在实验室所能测得的气液负荷范围内，A2型分流式塔板的操作弹性比A1型无分流式塔板的操作弹性平均增大了15.3%。

综上所述，分流式降液管的筛孔塔板具有的特征为：塔板溢流强度更小，塔板总板压降更小，液泛上限更高，以及塔板处理量更大。

[1] 褚雅志, 向小凤, 付亚玮, 等. 塔器技术新进展[J]. 化工进展, 2007, 26(增刊1): 1-7.

[2] 王抚华. 塔器的工程设计及应用[M]. 西安: 陕西人民出版社, 2009: 7-11.

[3] 周海龙, 徐世民. 降液管结构优化进展[J]. 石油化工设备, 2004, 33(6): 45-48.

[4] 陈敏恒, 丛德滋, 方图南, 等. 化工原理(下册)[M]. 3版. 北京: 化学工业出版社, 2006: 106-107.

[5] 曹婉婉, 郭建全, 樊轩, 等. 筛孔型润德塔盘的流体力学性能[J]. 过程工程学报, 2015, 15(3): 381-385.

Studyonthehydrodynamicperformanceofthesievetraywithshunttypedowncomer

DongYongping1,LiuYan2,WangLing2,YanHuan3,ChuYazhi1

1.CollegeofChemicalEngineering,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi,China; 2.Xi’anChemdoctorPetrochemicalEngineeringCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi,China; 3.TianyuanGroup,Yibin,Sichuan,China

In this paper, the sieve tray with shunt type downcomer was studied and then the cold model experiment was conducted in air-water system. Hydrodynamic performance of the sieve tray with shunt type downcomer was systematically studied. Under the same operating conditions, compared by the sieve trays with no shunt type downcomer, the total pressure drop of tray is reduced on average by 14.3%, the clear liquid height of tray is reduced on average by 12.1%, the operating flexibility of tray is increased on average by 15.3%, and then the high limit of liquid flooding and the processing capacity of tray was improved effectively.

downcomer， shunt type， cold model experiment， hydrodynamic performance

TQ 053.530

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.05.009

2017-04-15；编辑康莉

董永平(1990-)，女，硕士，研究方向为化工分离与工艺研究。

褚雅志(1961-)，男，高级工程师，主要从事化工分离与塔器技术开发研究工作。E-mail：yzchu@nwu.edu.cn