旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的流體力學(xué)性能研究

張緒滿，姚克儉，何健烽，劉炳炎

（綠色化學(xué)合成技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地 浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院，浙江 杭州 310032）

旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的流體力學(xué)性能研究

張緒滿，姚克儉，何健烽，劉炳炎

（綠色化學(xué)合成技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地 浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院，浙江 杭州 310032）

在內(nèi)徑600 mm的有機(jī)玻璃塔內(nèi)，以空氣-水為物系，對(duì)旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的流體力學(xué)性能進(jìn)行研究。測(cè)定了塔板壓降、漏液量和霧沫夾帶等流體力學(xué)性能參數(shù)，并與F1型浮閥塔板進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的關(guān)閉平衡點(diǎn)的閥孔動(dòng)能因子（F0）比F1型浮閥塔板約高3.70%，開啟平衡點(diǎn)的F0比F1型浮閥塔板高3.54%；當(dāng)F0大于關(guān)閉平衡點(diǎn)而小于開啟平衡點(diǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的壓降和F1型浮閥塔板壓降基本相同；當(dāng)F0大于開啟平衡點(diǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的壓降比F1型浮閥塔板高3.79%～9.73%；旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的漏液分率比F1型浮閥塔板約低21.19%；旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的霧沫夾帶率比F1型浮閥塔板低50%以上；旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的操作彈性大于F1型浮閥塔板。

F1型浮閥塔板；旋轉(zhuǎn)浮閥塔板；流體力學(xué)性能；漏液；霧沫夾帶

板式塔作為重要的傳質(zhì)與分離設(shè)備，在煉油、化工、醫(yī)藥和環(huán)保等方面有著非常重要的應(yīng)用。近年來，板式塔應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬浮閥塔板。由于浮閥塔板的氣體流通面積能隨氣體負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，因而能在較寬的氣體負(fù)荷范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的操作；同時(shí)氣體以水平方向吹出，氣液接觸時(shí)間長，霧沫夾帶少，具有良好的操作彈性和較高的塔板效率，在工業(yè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用［1］。我國應(yīng)用最為廣泛的F1型浮閥塔板是參照美國Glitsh公司的V1型浮閥塔板研究開發(fā)而來的［2］。

F1型浮閥塔板具有較好的操作性能和較高的傳質(zhì)效率，但是隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)F1型浮閥塔板也存在一些缺點(diǎn)和不足［3-5］。近年來，針對(duì)F1型浮閥塔板存在的問題，開發(fā)出了許多新型浮閥塔板。有些新開發(fā)的浮閥仍然保留了F1型浮閥的圓盤形外觀結(jié)構(gòu)［6-9］，只是對(duì)閥腿及閥蓋進(jìn)行了改進(jìn)；也有很多新開發(fā)的浮閥完全摒棄了F1型浮閥的圓盤形外觀結(jié)構(gòu)［10-12］。新開發(fā)的各種浮閥基本都是從限制浮閥的旋轉(zhuǎn)以減小閥腿磨損導(dǎo)致浮閥脫落、減少檢修工作量以及降低設(shè)備投入等方面為切入點(diǎn)研究開發(fā)的。實(shí)驗(yàn)室精餾實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)浮閥的旋轉(zhuǎn)可以加快浮閥附近的氣液表面更新，對(duì)傳質(zhì)具有促進(jìn)作用，限制浮閥的旋轉(zhuǎn)可以解決F1型浮閥的一些不足，但是對(duì)傳質(zhì)卻不利。

本工作提出了一種新型的旋轉(zhuǎn)浮閥塔板，對(duì)旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的流體力學(xué)性能進(jìn)行研究，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與F1型浮閥塔板進(jìn)行比較。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 旋轉(zhuǎn)浮閥的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)浮閥的結(jié)構(gòu)見圖1。旋轉(zhuǎn)浮閥的閥蓋為圓盤形，閥蓋周圍均勻排布3條閥腿及3個(gè)條形翅片。當(dāng)氣相從塔板底部穿過閥孔沖擊旋轉(zhuǎn)浮閥時(shí)，由于閥蓋的阻擋，氣流由垂直運(yùn)動(dòng)折轉(zhuǎn)為水平運(yùn)動(dòng)。

圖1 旋轉(zhuǎn)浮閥的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of a rotary valve.

翅片可以改變氣體流出閥孔的方向，氣體從旋轉(zhuǎn)浮閥和塔板形成的側(cè)孔以螺旋旋轉(zhuǎn)方式流出，大幅提高氣液兩相的接觸面積，延長氣液接觸時(shí)間，而且具有很強(qiáng)的導(dǎo)向作用；可以避免鄰近閥孔吹出的氣體直接對(duì)沖，有效降低塔板漏液及霧沫夾帶，提高了塔板的操作彈性。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)浮閥開啟過程中不僅存在垂直方向上的位移還包括水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以加強(qiáng)浮閥附近液體的湍動(dòng)，加快氣液接觸表面的更新，促使氣液接觸更為均勻，提高塔板的傳質(zhì)效率。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

旋轉(zhuǎn)浮閥塔板流體力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。實(shí)驗(yàn)塔及塔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖2 流體力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Schematic diagram of hydrodynamic experimental apparatus.

表1 實(shí)驗(yàn)塔及塔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of the experimental column and trays

實(shí)驗(yàn)塔為有機(jī)玻璃塔，測(cè)試塔板壓降時(shí)，塔內(nèi)安裝3塊相同的塔板，中間層為測(cè)試塔板。測(cè)霧沫夾帶時(shí)頂層為霧沫夾帶收集板，中間層為測(cè)試塔板。為了準(zhǔn)確測(cè)量霧沫夾帶量，在塔的頂部安裝一層絲網(wǎng)填料除沫。測(cè)漏液量時(shí)，底層為漏液收集板兼做氣體分布板，中間層為測(cè)試塔板，塔板的降液管穿過漏液測(cè)試板。實(shí)驗(yàn)物系為空氣-水，空氣由離心式風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，經(jīng)孔板流量計(jì)計(jì)量后從塔底進(jìn)入塔內(nèi)，塔板壓降通過U型壓差計(jì)測(cè)量；水由離心泵輸送，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后，送至頂層塔板的降液管。

2 結(jié)果與討論

2.1 干板壓降

隨氣速的增加，浮閥的開啟過程分為3個(gè)階段：開啟前、開啟過程中和全開以后。由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，旋轉(zhuǎn)浮閥的宏觀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在旋轉(zhuǎn)浮閥的開啟過程中及剛好全開時(shí)。

旋轉(zhuǎn)浮閥塔板和F1型浮閥塔板的干板壓降（Δpd）與閥孔動(dòng)能因子（F0）的關(guān)系見圖3。由圖3可知，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的關(guān)閉平衡點(diǎn)（壓降曲線由逐漸升高轉(zhuǎn)變?yōu)樗降墓拯c(diǎn)，即所有浮閥處于關(guān)閉狀態(tài)且當(dāng)氣速增大時(shí)，第一個(gè)浮閥開始開啟的點(diǎn)）的F0較F1型浮閥塔板約高3.70%，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的開啟平衡點(diǎn)（壓降曲線由水平轉(zhuǎn)變?yōu)橹饾u升高的拐點(diǎn)，即所有浮閥處于打開狀態(tài)且當(dāng)氣速降低時(shí)，第一個(gè)浮閥開始關(guān)閉的點(diǎn)）F0較F1型浮閥塔板約高3.54%。

圖3 Δpd與F0的關(guān)系Fig.3 Relationship between dry pressure drop(Δpd) and valve hole F-factor(F0).

由圖3還可見，當(dāng)旋轉(zhuǎn)浮閥處于全關(guān)閉階段時(shí)，Δpd隨F0的增大而增加，此時(shí)由于旋轉(zhuǎn)浮閥翅片的存在增加了氣體穿過閥孔的阻力，因此旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的Δpd大于F1型浮閥塔板；當(dāng)浮閥處于開啟階段時(shí)，影響Δpd的主要因素是浮閥的質(zhì)量，旋轉(zhuǎn)浮閥的質(zhì)量略大于F1浮閥，所以此時(shí)旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的Δpd略大于F1型浮閥塔板；當(dāng)F1型浮閥達(dá)到開啟平衡點(diǎn)，而旋轉(zhuǎn)浮閥仍處于開啟過程中，由于F1型浮閥閥腳和塔板之間的摩擦阻力作用，致使F1型浮閥塔板的Δpd略大于旋轉(zhuǎn)浮閥塔板；當(dāng)浮閥全開以后，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的Δpd比F1型浮閥塔板高3.79%～9.73%，這是由于氣體穿過閥孔時(shí)撞擊浮閥翅片折轉(zhuǎn)方向時(shí)的動(dòng)能損失以及旋轉(zhuǎn)浮閥旋轉(zhuǎn)使閥腳和塔板之間產(chǎn)生的摩擦阻力的結(jié)果。

根據(jù)Prince關(guān)聯(lián)式［13］：

式中，ρG，ρL分別為氣相和液相的密度，kg/m3；u0為閥孔氣速，m/s；C0為孔流系數(shù)。對(duì)浮閥全開以后的Δpd進(jìn)行關(guān)聯(lián)，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的C0=0.420 4，決定系數(shù)R2=0.999；F1型浮閥塔板的C0=0.440 4，決定系數(shù)R2=0.997。

2.2 濕板壓降

旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的濕板壓降（Δpw）和F0的關(guān)系見圖4。由圖4可知，在相同的F0條件下，Δpw隨液流強(qiáng)度（L）的增加而增大，這是因?yàn)樗迳系囊簩痈叨仍黾樱瑲怏w通過液層的阻力也相應(yīng)增大；當(dāng)F0＞25（m/s）（kg/m3）0.5時(shí)，各液流強(qiáng)度下的Δpw趨于一致。這主要是由于氣速很大時(shí)，塔板上液體均被大量吹起，各液流強(qiáng)度的塔板清液層高度接近，此時(shí)的Δpw主要是由相當(dāng)干板壓降和氣體通過這部分厚度接近的液層產(chǎn)生的壓降組成的。結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，在L一定的條件下，浮閥開啟過程中，隨F0的增大，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的Δpw基本不變（見圖4中的壓降曲線水平段）；浮閥全開以后，隨F0的增大，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的Δpw逐漸增大（見圖4中的壓降曲線逐漸升高段）。

圖4 Δpw與F0的關(guān)系Fig.4 Relationship between wet pressure drop(Δpw) and F0.

當(dāng)L=60 m3/（m2·h）時(shí)，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板和F1型浮閥塔板的Δpw的比較見圖5。由圖5可見，當(dāng)浮閥處于開啟階段時(shí)，此時(shí)Δpw主要由氣體穿過塔板液層的壓降決定，由于塔板上液層厚度相近，所以在開啟階段兩種塔板壓降近乎相等；當(dāng)F0=7.5～13（m/s）（kg/m3）0.5時(shí)，F(xiàn)1型浮閥塔板壓降大于旋轉(zhuǎn)浮閥塔板壓降，原因類似于Δpd，主要是由于F1型浮閥塔板開啟平衡點(diǎn)小于旋轉(zhuǎn)浮閥塔板，F(xiàn)1浮閥塔板已經(jīng)出現(xiàn)閥腳和塔板的摩擦阻力；當(dāng)浮閥全開以后，一方面，由于存在閥腳和塔板的摩擦阻力，旋轉(zhuǎn)浮閥由開啟過程中的可見旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)槲⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在相同的F0情況下，由于氣體遇到浮閥翅片折轉(zhuǎn)方向，與旋轉(zhuǎn)浮閥開啟過程中相比動(dòng)能損失更大，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)浮閥塔板比F1型浮閥塔板的相當(dāng)干板壓降高；另一方面，由于旋轉(zhuǎn)浮閥翅片的存在，降低了相鄰閥孔流出氣體的對(duì)沖，這樣就減小了沖擊漏液量，因此L相同時(shí)旋轉(zhuǎn)浮閥塔板表面液層厚度略大于F1型浮閥塔板，所以旋轉(zhuǎn)浮閥塔板上氣體穿過塔板液層的阻力也比F1型浮閥塔板略大，因此導(dǎo)致Δpw略高。綜上所述，旋轉(zhuǎn)閥塔板的Δpw平均比F1型浮閥塔板約高4.5%。

圖5 旋轉(zhuǎn)浮閥塔板與F1型浮閥塔板的Δpw的比較（L=60 m3/（m2·h））Fig.5 Comparison between Δpws of rotary valve tray and F1 valve tray(L=60 m3/(m2·h)).

2.3 塔板漏液

旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的漏液分率與F0的關(guān)系見圖6。

圖6 漏液分率和F0的關(guān)系Fig.6 Relationship between weeping fraction and F0 for rotary valve tray.

由圖6可見，在相同的F0條件下，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的漏液分率隨L的增加而減小；在相同的L條件下，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的漏液分率隨F0的增大而減小，這一規(guī)律和其他浮閥塔板的漏液規(guī)律相一致［14］；當(dāng)F0＜4.9（m/s）（kg/m3）0.5時(shí)，不同的L下漏液分率降低速率接近，3條曲線基本平行；當(dāng)F0＞4.9（m/ s）（kg/m3）0.5時(shí)，L越大漏液分率減小的越快，3條漏液分率曲線出現(xiàn)分離；當(dāng)氣量足夠大，即F0＞6.75（m/s）（kg/m3）0.5時(shí)，不同的L下的漏液率趨于相同，這是因?yàn)楫?dāng)氣速很大時(shí)漏液很少或基本不漏，所以不同L下的漏液分率趨向接近。

當(dāng)L=60 m3/（m2·h）時(shí)，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板和F1型浮閥塔板的漏液分率的比較見圖7。由圖7可知，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板和F1型浮閥塔板的漏液分率都隨F0的增大而降低；在相同F(xiàn)0條件下，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的漏液分率遠(yuǎn)小于F1型浮閥塔板，平均約低21.19%。旋轉(zhuǎn)浮閥塔板氣體以螺旋方式流出，F(xiàn)1型浮閥塔板氣體沿閥徑方向流出，二者相比，F(xiàn)1型浮閥塔板相鄰閥孔流出的氣體相互對(duì)沖非常明顯，而旋轉(zhuǎn)浮閥塔板相鄰浮閥之間流出的氣體幾乎沒有對(duì)沖，所以使用旋轉(zhuǎn)浮閥塔板式時(shí)漏液較少。另外，由于漏液的測(cè)試范圍主要處于浮閥的開啟階段，這一階段旋轉(zhuǎn)浮閥不僅有垂直方向的位移還有水平方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。快速的旋轉(zhuǎn)可以保證浮閥附近的液層與遠(yuǎn)離浮閥區(qū)域相比時(shí)相對(duì)較薄，這樣就可以避免由于氣體動(dòng)能不足造成的液體沿閥孔流下，進(jìn)而減小了漏液量。

圖7 旋轉(zhuǎn)閥塔板與F1浮閥塔板的漏液分率的比較（L=60 m3/（m2·h））Fig.7 Comparison between the weeping fractions of rotary valve tray and F1 valve tray(L=60 m3/(m2·h)).

2.4 霧沫夾帶

旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的霧沫夾帶（ev）和F0的關(guān)系見圖8。由圖8可見，當(dāng)F0較小時(shí)，不同L下的ev均趨向于零；F0較大時(shí)，隨F0的增加，ev急劇增加；L越大，ev增加越快。

圖8 旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的ev和F0的關(guān)系Fig.8 Relationship between the entrainment(ev) and F0 of rotary valve tray.

當(dāng)L=40 m3·（m2·h）-1時(shí)，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板和F1型浮閥塔板的ev的比較見圖9。

圖9 旋轉(zhuǎn)浮閥塔板與F1浮閥塔板的ev的比較（L=40m3/（m2·h））Fig.9 Comparison between evs of rotary valve tray and F1 valve tray(L=40m3/(m2·h)).

由圖9可見，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板和F1型浮閥塔板的ev均隨F0的增大而增大。當(dāng)F0約為25（m/s）（kg/ m3）0.5時(shí)，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的ev仍不到0.05，而F1型浮閥塔板的ev已超過0.12。實(shí)驗(yàn)過程觀察到，在同樣的F0條件下，當(dāng)旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的ev達(dá)到0.1時(shí)，F(xiàn)1型浮閥塔已經(jīng)全塔液泛。ev的測(cè)試范圍主要處于浮閥全開以后，由于氣速較大，閥腳和塔板的摩擦力阻礙了旋轉(zhuǎn)浮閥的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)浮閥主要存在微旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這時(shí)浮閥的翅片結(jié)構(gòu)主要作用體現(xiàn)在對(duì)氣體的導(dǎo)流方面。在翅片的導(dǎo)流作用下，氣體穿過閥孔從浮閥和塔板間的側(cè)縫中以螺旋狀進(jìn)入液層。這樣就避免了相鄰閥孔間氣相的直接對(duì)沖，被氣體挾帶起來的液滴大幅減少，因此ev較低。另外，翅片與閥面相比有一個(gè)向下的傾角，這樣可保證流出閥孔的氣體斜向下吹到塔板上，與F1型浮閥塔板相比也能降低ev。

3 結(jié)論

（1） 旋轉(zhuǎn)浮閥塔板和F1浮閥塔板的壓降相近。旋轉(zhuǎn)浮閥塔板開啟平衡點(diǎn)的F0比F1型浮閥塔板約高3.54%，關(guān)閉平衡點(diǎn)的F0比F1型浮閥塔板高3.70%；浮閥全開以后，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的干板壓降比F1型浮閥塔板大3.79%～9.73%。旋轉(zhuǎn)浮閥塔板和F1浮閥塔板的濕板壓降基本相同。

（2）F0相同時(shí)，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的漏液分率比F1型浮閥塔板約低21.19%，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的氣相操作下限更低。

（3）F0相同時(shí)，旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的霧沫夾帶遠(yuǎn)小于F1型浮閥塔板，低50%以上，所以旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的氣相操作上限更高。

（4）旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的霧沫夾帶量和漏液量都明顯小于F1型浮閥塔板，所以旋轉(zhuǎn)浮閥塔板的操作彈性更大，性能更優(yōu)。

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Hydrodynamic Performance of Rotary Valve Trays

Zhang Xuman，Yao Kejian，He Jianfeng，Liu Bingyan
（State Key Laboratory Breeding Base of Green Chemistry-Synthesis Technology，College of Chemical Engineering and Materials Science，Zhejiang University of Technology，Hangzhou Zhejiang 310032，China）

The hydrodynamic performance of rotary valve trays was experimentally studied with an air-water system in an organic glass column with an inner diameter of 600 mm. The pressure drop，weeping and entrainment of the rotary valve trays were measured and compared with those of F1 valve trays. TheF-factors(kinetic energy factor) of the rotary valve tray holes are 3.70% and 3.54% larger than those of the F1 valve tray holes at valve-closed balance point and at valve-opened balance point，respectively. The pressure drop of the rotary valve trays is similar to that of F1 valve trays when theF-factors are between the closed balance point and opened balance point. When theF-factor exceeded the opened balance point，the pressure drop of the rotary valve trays is 3.79%-9.73% higher than that of the F1 valve trays. The weeping of the rotary valve trays is 21.19% lower than that of the F1 valve trays. The entrainment of the rotary valve trays is 50% less than that of the F1 valve trays. The operation performance of the rotary valve trays is much better than that of the F1 valve trays.

F1 valve tray；rotary valve tray；hydrodynamic performance；weeping；entrainment

1000 - 8144（2012）08 - 0916 - 05

TQ 053.5

A

2012 - 02 - 09；［修改稿日期］2012 - 05 - 10。

張緒滿（1985—），男，山東省棗莊市人，碩士生，電郵 zhangxuman2004@163.com。聯(lián)系人：姚克儉，電話 0571 -88320706，電郵 yaokj@zjut.edu.cn。

（編輯 李治泉）