立體連續(xù)傳質(zhì)復(fù)合塔板流體力學(xué)特性

作者/來源:天津衡創(chuàng)工大現(xiàn)代塔器技術(shù)有限公司    日期:2012-05-21    點(diǎn)擊量:704

關(guān)鍵詞：復(fù)合塔板； 梯矩形立體連續(xù)傳質(zhì)塔板；流體力學(xué)；壓降；操作彈性
分類號(hào)：TQ053.5　 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0438-1157(2006)06-1314-05

引言
板式塔結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、成本低廉，廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合，但霧沫夾帶大、操作彈性小等原因限制其進(jìn)一步應(yīng)用；填料塔壓降低、傳質(zhì)效率高，因此有人將兩者結(jié)合起來形成一種新的高效復(fù)合塔板。復(fù)合塔板有以下特點(diǎn)：（1）整個(gè)塔板空間全部具有傳質(zhì)作用； （2）填料層起到氣體均布器的作用，使氣體分布均勻，氣體接觸更好；（3）填料層能夠捕捉由氣相夾帶的霧沫（包括小液滴），基本上消除了塔板間的霧沫夾帶。從目前報(bào)道來看，復(fù)合塔板的實(shí)際應(yīng)用效果良好——傳質(zhì)效率高、霧沫夾帶小、操作彈性大， 因此有必要對(duì)復(fù)合塔板進(jìn)行開發(fā)研究。
作者在梯矩形立體傳質(zhì)塔板（LLC-Tray）基礎(chǔ)上，通過在塔板下面增加一薄層規(guī)整絲網(wǎng)填料，使其既具有板式塔的優(yōu)點(diǎn)既擁有板式塔的優(yōu)點(diǎn)又有填料塔的特點(diǎn)，同時(shí)，避免了以前復(fù)合塔板的板間空間幾乎全部被填料層占用的缺點(diǎn)，使設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、安裝（拆卸）方便、費(fèi)用降低。本文通過實(shí)驗(yàn)初步測(cè)定了該復(fù)合塔板的基本流體力學(xué)性能，以期對(duì)今后的研究及工程應(yīng)用有所幫助。

1 實(shí)驗(yàn)
1.1實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)在800㎜×600㎜的矩形多罩冷模裝置中進(jìn)行，如圖1所示。該裝置由4塊塔板組成：頂層為霧沫夾帶測(cè)試板，中間兩層為實(shí)驗(yàn)板，底層為氣體分布及漏液測(cè)試板。實(shí)驗(yàn)板上安裝有11只高度不同的帽罩，實(shí)驗(yàn)孔為平板孔型。
Fig.1 Sketch map of experimental equipment
1-Entrying liquid valve;2-water pump;3-leaving liquid valve;4-flowmeter;5-tower body;6-pack;7-experimental cover;8-experimental plate;9-gas distributing plate;10-pilot tube;11-manometer; 12-water tank;13-air blower;14-air adjusting valve
復(fù)合塔板結(jié)構(gòu)
1.2.1帽罩結(jié)構(gòu) 實(shí)驗(yàn)帽罩結(jié)構(gòu)及開空率見表1。帽罩結(jié)構(gòu)在塔板上采用高低錯(cuò)落排布（A-B-A 或B-A-B），帽罩形狀及塔板上的安裝形式見圖2 .[（a）為主視圖，（b）為俯視圖]。
Fig.2 Sketch map of cup and installation in compound tray
Table 1 configuration of cap
No. length ×breadth
×height/mm3 configuration opening rate ofspray broad /% Dia.of spray
hole/㎜ Number of
spray hole configuration of
clerestory/mm3 Height of
bottom/㎜
A 140×60×170
140×60×185 flat with hem 13-18.5 8-15 3×7×2 103×107×20
100×115×23 15-23
B 140×60×170
140×60×185 flat with hem 20-27.3 8-15 3×7×2 113×117×20
100×115×23 15-23
Note: rate of trays in experiment is 12.94%.
1.2.2 規(guī)整填料參數(shù) 2~3層不銹鋼絲網(wǎng)填料按平鋪方式放入塔板下方，其特性參數(shù)為：比表面125㎡.m-3,空隙率96%~98.5%。
1.3 測(cè)試方法
（1）空氣流量用標(biāo)準(zhǔn)畢托管+微壓差計(jì)測(cè)量；
（2） 液體流量用智能渦輪數(shù)字流量計(jì)測(cè)量；
（3） 干、濕板壓降采用U形管壓差計(jì)測(cè)量；
（4） 板上清液層高度用液面計(jì)測(cè)量；
（5） 霧沫夾帶及漏液經(jīng)收集后用臺(tái)秤稱量；

2 結(jié)果與討論
2.1 干板壓降
實(shí)驗(yàn)測(cè)定了相同條件（開孔形式、孔徑和開孔率）時(shí)復(fù)合塔板的板孔壓降和干板壓降，結(jié)果匯于圖3。由圖3可知，復(fù)合塔板的板孔壓降和干板壓降并沒有因增加一層填料而引起明顯的差別，復(fù)合塔板與LLC-Tray的壓降（包括板孔壓降和干板壓降）變化規(guī)律基本相同，只是復(fù)合塔板的壓降比LLC-Tray的壓降稍大一些。這是由于板孔下的那層規(guī)整絲網(wǎng)填料，使得氣體在通過復(fù)合塔板時(shí)壓降值增大，但是又由于填料對(duì)上升氣體由均布的作用，使得上升氣體分布均勻，從而消除了氣體速度局部過大以及局部渦流現(xiàn)象，減小了氣體能量損失，綜合以上兩各方面的因素，使得復(fù)合塔板的壓降值比LLC-Tray壓降大的不是很多。
Fig.3 Dry-pressure-drop of compound tray（1mmH2O=9.80665Pa）
由于復(fù)合塔板壓降變化規(guī)律與LLC-Tray干板壓降的變化規(guī)律相似，所以同樣利用模型
(1)對(duì)復(fù)合塔板的干板壓降進(jìn)行擬合，式（2）是利用實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果
2.2 濕板壓降
濕板壓降濕板壓降與氣液兩相流動(dòng)狀況的關(guān)系比較復(fù)雜，一般認(rèn)為影響濕板壓降的主要因素是板孔氣速和板上清液層高度。本文通過實(shí)驗(yàn)研究了上述兩個(gè)參數(shù)對(duì)濕板壓降的影響。
圖4說明在其他條件不變的情況下，復(fù)合塔板的濕板壓降隨著板孔氣速的增大而增大，其變化趨勢(shì)與LLC-Tray的相似，差值隨氣速的變化而變化：氣速較低時(shí)兩者差值較小；而氣速較大時(shí)比較大。這可能是由于隨著氣速的增大，由于液沫占據(jù)填料的空隙，使得氣體消耗在規(guī)整填料細(xì)小空隙處的能耗變大的緣故，從而復(fù)合塔板總壓降增大的幅度較大。
圖5說明在板孔氣速和溢流堰高度不變條件下，復(fù)合塔板的濕板壓降隨著液流強(qiáng)度的增大而增大；而溢流堰高度對(duì)于濕板壓降的影響基本上相同，即隨堰高的增高而增大。
Fig.4 Comparison of wet-pressure-drop between compound tray and LLC-Tray
Lw=22.5m ·（h·m）
Fig.5 Effect of weir height od wet-pressure-drop of compound tray
(Fo=25.36m.s-1.(kg.m-3)-1/2)
由于液流強(qiáng)度和溢流堰高度是通過影響板上液層高度來影響濕板壓降，所以利用加和模型式（3）
(3)
關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)，得到以下關(guān)聯(lián)式
(4)
2.3 霧沫夾帶
本文測(cè)定了板孔氣速、液流強(qiáng)度、溢流堰高、噴射板開孔率以及罩體底隙等因素對(duì)復(fù)合塔板霧沫夾帶的影響，結(jié)果表明，影響霧沫夾帶的主要因素是板孔氣速uo（這里沒有考慮板間距對(duì)塔板霧沫夾帶的影響），結(jié)果示于圖6。
對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到以下公式
ev=9.5×10 u (5)
由圖6可以看出，復(fù)合塔板的霧沫夾帶非常小，尤其在高氣速時(shí)，其夾帶量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于LLC-Tray的夾帶量（低80%左右），這是由于塔板下面的規(guī)整填料將氣體夾帶上來的細(xì)小液滴“攔截”下來，小液滴又逐漸合并成大液滴，從而落回到下一層塔板上，規(guī)整填料不但“攔截”了氣體夾帶的細(xì)小液滴， 而且還通過液滴的合并更新氣液接觸表面積，從而提高復(fù)合塔板傳質(zhì)效率。
Fig.6 Comparison of entrainment between compound tray and LLC-Tray
（Lw=19.3m ·（h·m） ，HT=500mm）
2.4 漏液
在一定溢流堰高的條件下，通過實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了板孔氣速、液流強(qiáng)度、噴射板開孔率以及罩體底隙對(duì)復(fù)合塔板漏液量的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，影響復(fù)合塔板漏液量的主要因素是板孔氣速uo結(jié)果示于圖7。
Fig.7 Comparison of weeping liquid
（ Lw=19.3m ·（h·m） ）
對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到以下公式
el=8.31×105u (5 )
由圖7可知，復(fù)合塔板的漏液量遠(yuǎn)小于LLC-Tray和New-VST塔板俄的漏液量。實(shí)驗(yàn)過程中，將復(fù)合塔板與LLC-Tray上下放置，對(duì)二者的漏液情況進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)LLC-Tray漏液非常嚴(yán)重的時(shí)候，復(fù)合塔板還沒出現(xiàn)漏液，在相同條件下，復(fù)合塔板的漏液量比LLC-Tray減小40%左右，這也證明了圖7中二者的關(guān)系。 分析其中的原因，可能由于規(guī)整填料的空隙很小，從而液體在其界面上的表面張力變大，這樣即使板孔氣速變小，液體表面張力仍可以將塔板上的液體“托住”使其漏不下去，從而降低了塔板的負(fù)荷下限 。

3 結(jié)論
本文是在梯矩形立體連續(xù)傳質(zhì)塔板（LLC-Tray）的基礎(chǔ)上，增加幾層絲網(wǎng)填料，初步設(shè)計(jì)了一種新型復(fù)合塔板，通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)該復(fù)合塔板在噴射狀態(tài)下的壓降、霧沫夾帶、漏液等基本流體力學(xué)性能作了系統(tǒng)測(cè)試，并進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明：與LLC-Tray相比，該復(fù)合塔板在相同的操作條件下具有更大通量（提高80%以上）、更大操作彈性（提高40%左右）、更小霧沫夾帶（降低80%左右）、更低漏液量（減小40%左右）等優(yōu)點(diǎn)。該復(fù)合塔板適合對(duì)能耗要求不大、通量大，同時(shí)對(duì)操作彈性有嚴(yán)格要求的生產(chǎn)

符 號(hào) 說 明
et ——漏夜量，kg液.(100 kg液)-1
ev ——霧沫夾帶量，kg液.(kg氣)-1
F0 ——板孔動(dòng)能因子，（m.s）-1.(kg.m-3)1/2
g —— 重力加速度，m.s-2
H T —— 板間距，mm
hd —— 干板壓降，mm H2O（1 mm H2O=9.80665 pa）
hol —— 板上液層高度，mm
how ——堰高，mm
hw ——濕板壓降，mm H2O（1 mm H2O=9.80665 pa）
Lw —— 液體強(qiáng)度，m3 .（h.m）-1
uo —— 板上氣速，m.s-1
ρg ，ρl —— 氣相密度、 液相密度， kg.m-3
β —— 液層阻力系數(shù)
ζ ——阻力系數(shù)
ε——板孔阻力系數(shù)
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