Y 型固定閥塔板流體力學性能的研究

秦曉榮，趙 培，孫 浩

（華東理工大學 化工學院，上海 200237）

石油化工產品的分離提純離不開塔設備［1］。塔設備是最核心也是耗能最高的設備之一［2］。通過對塔內件進行簡單改造（如塔板的改造、降液管改造，出口堰的改造等），從而提高全塔效率，既可以解決現有裝置所要求的處理量大和節能改造的難題，也滿足國家綠色生產發展的政策［3-6］。傳統篩孔型塔板由于本身并沒有氣液分離裝置，如果氣速過高則會在氣相中夾帶一些液滴，從而使霧沫夾帶嚴重；氣速過低又會出現漏液［7］，影響塔板的正常操作［8］。還有一些浮閥塔板因浮閥會隨著氣相負荷的改變而上下浮動，尤其在處理黏稠、易堵塞物系時，會造成嚴重磨損、堵塞甚至脫落，從而使塔板操作不穩定、不可控因素增多，分離效率大大降低，同時停工保養維修所帶來的經濟損失太大［9］。傳統的塔設備已經不能滿足生產要求，為了提高處理量而單純的擴大板式塔體積，不僅空間利用率低，且投資高，不可取［10-11］。因此，通過簡單的對固定閥塔板的閥型進行改造，從而開發一種高性能、高效率的固定閥塔板，解決工業生產上存在的問題，是當下應該努力研究的方向。本課題組在篩孔型塔板和浮閥型塔板的基礎上，對一種固定閥塔板進行流體力學的分析。該固定閥由塔板直接沖壓而成，避免了浮閥上下浮動而脫落的缺點。該固定閥上方的圓形閥蓋，對液相有一定的支撐作用，因此也不像篩孔型塔板那樣存在嚴重的漏液。通過冷模實驗，研究了該塔板的流體力學性能。皮耀等［12］對不同開孔率的導向固定閥塔板進行研究，實驗結果表明，大開孔率時，塔板效率在90%以上；王良華等［13］對非均勻開孔率的復合塔板也進行了研究，實驗結果表明，開孔率對流體力學性能也有較大影響。

本工作研究了三種開孔率的Y型固定閥塔板，并對塔板性能進行比較，對板上液體的流動和傳質狀況進行研究，可以更深入的了解該固定閥塔板的性能。通過在企業冷模塔中進行中試，具有工程放大的意義，同時也為今后固定閥塔板的結構優化和設計提供思路和參考。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置與流程

所用冷模塔的直徑1.2 m、板間距450 mm，內置五層塔板。最上面一層為霧沫捕集板，與之連接的是霧沫夾帶收集桶。下面四層塔板均為實驗塔板，且在第3 塊（自上而下依次為第1，2，3，4，5 塊塔板）塔板上下裝有壓力傳感器，通過儀表盤可直接讀取壓力降。漏液由漏液收集桶進行收集。

該實驗物系為空氣-水，液相通過離心泵傳輸到第2 塊塔板上方，并從塔板溢流堰流入降液管，再流經下一層塔板，最后流入塔釜的液相通過循環進入儲液槽。液流強度可通過調節水泵變頻器來實現，空氣是由風機直接在大氣中吸入，通過塔釜的升氣管將氣體均布，從閥孔吹入上層塔板，最終從塔頂部放空，風量大小可通過調節風機頻率來實現。在進氣管道某一位置處固定有畢托管，通過讀取與之連接的U 型管壓差計讀數，再通過Bernoulli 方程來計算管內風速。實驗參數及各塔板參數見表1。

表1 流體力學實驗主要參數Table 1 Main parameters of hydrodynamics experiment

1.2 塔板結構

圖1 為三種開孔率的Y 型固定閥塔板。圖2為Y 型固定閥的結構。

圖1 Y 型固定閥塔板Fig.1 Y-type fixed valve tray.

圖2 Y 型固定閥結構Fig.2 Structure of Y-type fixed valve.

2 結果與討論

2.1 開孔率對干板壓降的影響

干板壓降是指在無液相的條件下氣體流經塔板時所產生的阻力損失。圖3 為不同塔板的干板壓降隨閥孔動能因子（F0）的變化曲線。由圖3 可知，三種不同開孔率的塔板的干板壓降由大到小順序為：9.40%Y 型固定閥塔板＞8.07%Y 型固定閥塔板＞5.30%Y 型固定閥塔板。三種塔板的干板壓降與F0成正比，都隨F0的增加而增大。當開孔率較小時，干板壓降也小。由于氣體通過Y 型固定閥塔板時，每個閥孔上方有圓形閥蓋，當氣體經過升氣孔時先接觸上方的圓形閥蓋，氣體受閥蓋阻擋而產生能量損失，部分氣體垂直于升氣孔噴出，相鄰固定閥間存在對吹現象。在F0一定時，對于小開孔率的塔板，固定閥數量較少，孔間距較大，氣體經過閥蓋造成的閥間對沖現象也會減弱，因此干板壓降較低。

圖3 三種開孔率塔板的干板壓降Fig.3 Dry tray pressure drop under three opening rates.

2.2 開孔率對濕板壓降的影響

濕板壓降是指當塔板存在液相負荷時，氣相通過塔板產生的能量損失。濕板壓降主要由干板壓降、液層阻力及液相表面張力構成。圖4 為三種開孔率下的濕板壓降。由圖4 可知，在液流強度及堰高一定的情況下，三種塔板的濕板壓降與F0成正比，當F0增加時，氣相通過閥孔的干板壓降值增大，相應的濕板壓降也會增加。不同開孔率的Y型固定閥塔板的濕板壓降由大到小順序為：9.4%Y型固定閥塔板＞8.07%Y 型固定閥塔板＞5.3%Y 型固定閥塔板，即開孔率越大，濕板壓降越大；原因在于開孔率較大的Y 型固定閥塔板，閥間距較小，在有液相存在時，相鄰閥孔間的對沖更明顯，造成更多的能量損失，因此9.4%Y 型固定閥塔板表現出最大的濕板壓降。當其他條件一定時，隨著液流強度的增加，單位時間流過塔板單位體積的液相流量增加，板上液層高度增加，氣相在穿過液層時的阻力損失也會增加，從而導致濕板壓降的增加；當堰高增大時，板上液層厚度增加，液相在板上的停留時間也延長，氣相穿過液層時阻力增加，濕板壓降增加。

圖4 三種開孔率下的濕板壓降Fig.4 Wet tray pressure drop under three opening rates.

2.3 不同塔板結構對霧沫夾帶和漏液的影響

圖5 為三種開孔率下的霧沫夾帶率。

由圖5 可知，三種不同開孔率的塔板，霧沫夾帶率均隨F0的增加而增加。在液流強度和堰高等條件一定時，開孔率較大的Y 型固定閥塔板，霧沫夾帶率較大。原因在于當F0一樣時，開孔率較大的塔板上方氣相有足夠的動能挾帶更多的霧沫夾帶量，且部分回落的大液滴又被氣相重新吹到上一層塔板的量也相應增加，總體使得大開孔率下的霧沫夾帶量更多。當堰高不變時，氣速在較小的工況下，液流強度在40 m3/（h·m）的霧沫夾帶率比液流強度20 m3/（h·m）的要低一點，因為液流強度較低時，板上液層較薄，氣相更容易被裹挾到上層塔板，當氣相增大后，由于板上流過的液相流量有限，因此表現為液流強度20 m3/（h·m）時霧沫夾帶率減小，小于40 m3/（h·m）時的霧沫夾帶率。當液流強度一定時，隨著堰高的增加，板上的液層厚度增加，且停留時間延長，氣相可以裹挾更多的液相進入上層塔板，另一方面，由于板間距固定不變，堰高增加后，在氣相流量比較大時，更容易因為彈濺而到上層塔板，所有因素使得該塔板在堰高較高時，表現出高的霧沫夾帶率。

圖5 三種開孔率下的霧沫夾帶率Fig.5 Entrainment rate(ev) under three opening rates.

圖6 為不同塔板的漏液率。由圖6 可知，三種塔板的漏液率均隨F0的增加而降低，且開孔率較大的Y 型固定閥塔板，漏液率較高。在F0達到某一值時，在雙對數坐標系下，三種開孔率塔板的漏液率基本趨于一致。這是因為在該氣速下，塔板上方的液體已完全被氣體推動，基本呈直線下降趨勢。當堰高一定時，隨著液流強度的增加，漏液率應該也相應增加，但實驗結果表明，液流強度60 m3/（h·m）下的漏液率比40 m3/（h·m）的時候稍低一些，這是由于漏液量和進液量比值的變化引起的，漏液率與兩者的變化有關。當液流強度一定時，隨著堰高的增加，板上液層變厚，持液量增加使得所有孔的受液量增加，從而導致漏液率增加。

圖6 不同塔板的漏液率Fig.6 Leakage rate(w) of different trays.

3 實驗數據的關聯式擬合

3.1 塔板干板壓降關聯式擬合

當液流強度為0 時，氣體經過篩孔或板上各部件時所造成的能量損失稱為干板壓降。干板壓降的大小反應了整個塔的結構是否合理，數值的大小主要和氣相F0有關，本工作通過經驗式對干板壓降的數據進行了關聯，相關參數見表2。

表2 干板壓降關聯式系數Table 2 Coefficient of dry plate pressure drop correlation

3.2 塔板濕板壓降關聯式擬合

上文已經指出，濕板壓降主要由三部分組成，其中干板壓降前面已經擬合，表面張力在實際過程中造成的能量損失較小（忽略）。因此，只需將液層壓降中的充氣因子進行擬合即可，相關參數見表3。

表3 濕板壓降關聯式系數及實驗誤差Table 3 Coefficient of wet plate pressure drop correlation and experimental error

3.3 塔板霧沫夾帶關聯式擬合

霧沫夾帶指當氣速達到某一特定值時，氣相會將部分液體夾帶到上面一層塔板，霧沫夾帶率的大小會對塔板效率產生影響。霧沫夾帶量的大小與閥孔氣速、堰高、液流強度等因素有關。表4 為霧沫夾帶率擬合式的相關參數。

表4 霧沫夾帶關聯式系數Table 4 Coefficient of entrainment correlation

3.4 塔板漏液關聯式擬合

在正常操作時，若氣速過小難以支撐液體而使部分液體從上層塔板漏到下層塔板的現象稱為漏液。漏液量的多少決定了塔板的操作下限，主要與閥孔氣速、堰高和閥的高度等因素有關。漏液點孔速擬合式中相關參數見表5。

表5 漏液關聯式系數Table 5 Coefficient of leakage correlation

4 結論

1）5.30%開孔率Y 型固定閥塔板的干板壓降、濕板壓降均比8.07%，9.4%開孔率的Y 型固定閥塔板小。

2）5.30%開孔率Y 型固定閥塔板的霧沫夾帶率要比8.07%和9.40%開孔率的Y 型固定閥塔板小很多，小開孔率有利于減小霧沫夾帶的產生。

3）5.30%開孔率Y 型固定閥塔板的漏液率要小于其他兩種開孔率的Y 型固定閥塔板，開孔率較大，正常操作范圍減小。

4）由此得出Y 型固定閥塔板符合一般固定閥塔板的流體力學規律，由于具有特殊的閥體結構，在減少霧沫夾帶方面起到了很大的作用，對液流產生的推動和導流作用使得漏液率也明顯降低。將該結構與實驗數據進行擬合，為今后石油化工領域對物系的分離提供思路和參考。