2. 中国寰球工程公司, 北京 100012
2. China Huanqiu Contracting & Engineering Co., Beijing 100012, China
板式塔作为重要的传质与分离设备，在化工、炼油、制药、化肥、环保等行业中应用广泛[1]。随着石油炼制、煤化工等高能耗行业规模的不断扩大，对高效率、大通量、低能耗的塔板需求相应地不断增加，经过多年的发展，泡罩塔板、浮阀塔板与立体塔板相继问世。由日本三井造船公司研发的新型立体喷射塔板(New VST)利用塔板立体空间，以气相为连续相、液相为分散相，在塔板上方进行充分接触传质，具有处理能力大、效率高、压降低的特点。在此基础上，国内外研究者们研究开发的喷射式并流填料塔板(JCPT)[2]、梯形立体喷射塔板(CTST)[3]、加强喷射塔板(EJT)[4]等立体塔板相继出现。它们中有些是针对原来塔板的不足进行的局部改进，如漏液、雾沫夹带等问题；有些是针对气液两相流动而设计出的塔板，如并流喷射筛孔塔板。与平面板式塔相比，立体传质塔板突破了传统塔板平面传质的局限，气液两相传质区域发展到罩内、喷孔和板面的范围，在板式塔板间的空间形成了立体传质，增大了气液传质面积，提高了传质效率[5-7]。针对立体塔板目前存在的处理量与传质效率不足的缺点，本文结合板式塔与填料塔的不同优势，将立体传质塔板与填料塔进行复合，以空气-氧气-水为介质，对塔板进行了流体力学性能和传质性能的测定。通过合理布置板导向孔的位置和数量，实现全塔板范围的活塞流，进一步提高塔板传质效率；并在帽罩底隙上方增设不同高度的条缝，强化了本实验室前期研发的Novel FVPT[8]的操作弹性和处理能力。
1 实验部分 1.1 立体复合喷射塔板的结构和特点复合喷射塔板的结构主体为在带有鼓泡促进器的导向筛板上开有3个60 mm×180 mm的矩形孔，矩形开孔上方设置矩形帽罩[3, 9]，帽罩下部与塔板之间有一定的底隙，在底隙上方20 mm处开一条缝, 并在罩体上布置一定数量的分离孔[9]作为气液接触传质后的液滴通道；帽罩上方布置有高度100 mm的Mellapeak高效填料，在增加传质效果的同时降低塔板雾沫夹带率。本文所用塔板的结构如图 1所示，参数如表 1所示。为表述方便，将条缝高度3 mm、5 mm、7 mm的塔板分别命名为SF-3、SF-5、SF-7。
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图 1 复合立体塔板结构 Fig.1 Structure of S-FGPT |
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下载CSV 表 1 实验塔板结构参数 Table 1 Experimental tray structure parameters |
常温常压下，在直径500 mm的透明有机玻璃塔内对本文塔板进行流体力学性能及传质效率的测定，其中流体力学性能测定包括干/湿板压降、清液层高度、雾沫夹带率、漏液率等。塔的设备参数见表 2。
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下载CSV 表 2 塔设备参数 Table 2 Tower equipment specifications |
实验装置流程如图 2所示。本文所用塔实验设备主要包括3块板，上方为雾沫捕集板，中间为实验安装塔板，下方为漏液收集板。空气压缩机通过气管将空气输送到玻璃塔底，水塔中的水经过转子流量计计量后再通过氧气吸收塔从玻璃塔顶进入塔内，两者在实验塔板上进行错流接触传质。通过图 2中的压差计、孔板流量计、雾沫捕集板及漏液收集板对各种流体力学数据进行测定。塔板的传质性能通过氧解析法测定，使用YSI-550A溶氧仪(美国维赛)测定水中的氧含量。
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1—风机；2—孔板流量计；3—调节阀；4—U型压差计；5—带刻度的连通管；6—液体分布器；7—塔体；8—雾沫捕集器；9—雾沫夹带收集板；10—实验塔板；11—出口取样口；12—气相分布器；13—液封；14—漏液收集板；15—回流泵；16—水槽；17—进口取样口；18—转子流量计；19—小型吸收塔；20—缓冲罐；21—氧气压力调节阀；22—氧气钢瓶。 图 2 实验装置图 Fig.2 Experimental setup |
干板压降指的是当塔内无液体流动时，气体从塔底经过实验塔板的阻力损失。垂直筛板塔的干板压降计算公式为[10]
| $ \Delta {P_{\rm{d}}} = \xi {\rho _{\rm{v}}}\frac{{u_0^2}}{2} $ | (1) |
式中，ΔPd为干板压降，Pa；ξ为塔板阻力系数；ρv为空气密度，kg/m3；u0为板孔气速，m/s。用平均孔气速代替板孔气速，可得
| $ \Delta {P_{\rm{d}}} = \frac{\xi }{2}{\left( {\frac{{{F_{\rm{T}}}}}{\phi }} \right)^2} $ | (2) |
式中，FT为空塔动能因子，(m/s)·(kg/m3)0.5；ϕ为开孔率，%。
塔板干板压降与
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图 3 SF-5塔板干板压降实验值与理论值对比 Fig.3 Comparison of experimental values and theoretical values for the SF-5 tray dry plate pressure drop |
| $ \Delta {P_{\rm{d}}} = 1.168\;6{\left( {\frac{{{F_{\rm{T}}}}}{\phi }} \right)^2} $ | (3) |
式(3)的线性相关系数为0.997 6, 实验值与理论值相对误差在5%以内，表明拟合结果准确。
将SF-5塔板的干板压降与传统的F1浮阀塔板以及赖文衡[11]拟合的New VST塔板干板压降进行对比，如图 4所示，其中F0为阀孔动能因子。
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图 4 SF-5塔板与传统塔板的干板压降对比 Fig.4 Comparison of pressure drops for the SF-5 tray and a traditional tray dry plate |
从图 4可知，SF-5塔板、F1浮阀塔板及New VST的干板压降都随阀孔动能因子的增大而增大，且随着F0的增大，3种塔板干板压降的差距更加显著。F1浮阀塔板由于要克服浮阀自身重力，其干板压降最大；而SF-5塔板干板压降最低, 是因为SF-5塔板上具有很大的开孔面积，帽罩上方的分离孔和疏松的填料都为气体流通提供了充足的空间。
2.1.2 湿板压降板式塔的湿板压降是指气体流经塔板及塔板上一定高度的清液层时所产生的阻力损失之和，因此立体传质塔板的湿板压降与塔板结构和板上清液层高度都有关系。图 5为SF-5塔板在不同液流强度下的湿板压降随空塔动能因子F0的变化关系，其中QL/LW表示液流强度，m3/(m·h)。
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图 5 不同液流强度下SF-5塔板湿板压降随空塔动能因子的变化关系 Fig.5 Relationship between the pressure drop of the SF-5 tray wet plate and the kinetic energy factor of an empty tower for different liquid flow intensities |
从图 5可知，在同一液流强度下，塔板的湿板压降均随F0的增大而增大；在同一F0下，湿板压降随着液流强度的增大而增大。
湿板压降增大过程可分为两个阶段：(1)第一阶段，板上清液层开始形成时，气体上升不仅需要经过塔板，而且要经过一定高度的清液层，因此湿板压降随着F0的增加而迅速增大；(2)第二阶段，塔板上清液层高度与溢流堰高度接近时，板上清液层高度逐渐稳定，湿板压降随着F0的增加趋于平缓甚至减小。从图 5得知，在液流强度较低、F0值在1.75~3.00(m/s)·(kg/m3)0.5时，塔板湿板压降随着F0的增加而有小幅度的降低然后增大。这是因为在F0增大过程中，气液接触由鼓泡状变为喷射状，使塔板上真实的清液层高度有一定程度的降低，从而湿板压降稍有降低。
目前计算湿板压降主要采用加和法，即干板压降与清液层压降的加和。加和关联式为[12]
| $ \Delta {P_{\rm{W}}} = \Delta {P_{\rm{d}}} + \beta {h_1} $ | (4) |
式中，ΔPW为湿板压降，Pa；hl为清液层高度，mm；β为液层阻力系数。
根据SF-5塔板在液流强度为14.29 m3/(m·h)时的实验数据以及式(4)，可拟合得到相关数学关联式
| $ \Delta {P_{\rm{d}}} = 1.168\;6{\left( {\frac{{{F_{\rm{T}}}}}{\phi }} \right)^2} + 9.988\;1{h_1} $ | (5) |
式中，30 mm < h1 < 50 mm，线性相关系数R2=0.982 6。理论值与实验值误差在5%以内，拟合结果准确。
根据文献中New VST塔板以及F1浮阀塔板的湿板压降拟合关联式[11]，在液流强度为14.29 m3/(m·h)时，将SF-5塔板与F1浮阀塔板及New VST塔板进行对比，结果如图 6所示。
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图 6 SF-5塔板与传统塔板湿板压降对比 Fig.6 Comparison of pressure drops in the SF-5 tray and a traditional tray wet plate |
从图 6可以看出，SF-5塔板湿板压降明显低于F1浮阀塔板和New VST塔板，这是由于该塔板特殊的立体结构打破了传统塔板的气液接触状态，操作状态从鼓泡态变为SF-5塔板喷射态，大大降低了塔板上的清液层高度，从而表现出湿板压降低的巨大优势。
2.2 清液层高度塔板上清液层高度用于描述塔板上的实际持液量，是塔板流体力学性能的重要参数之一[13-14]。本文采用连通管法，在液流强度为14.29 m3/(m·h)时测定SF系列塔板的清液层高度。从图 7可以看出，随着空塔动能因子F0的增大，清液层高度减小，因为随气速增大，同样高度的液体中的气含率增加，导致液量减少；SF系列塔板的清液层高度随着底隙上方条缝高度的增加而减小，且底隙上方条缝的高度越大，清液层高度越低，越有利于液体流入罩体内，从而增加气液传质效果。
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图 7 SF系列塔板清液层高度对比 Fig.7 Comparison of the height of the clear liquid layer in different SF trays |
测量塔板湿板压降时同时对塔板上雾沫夹带进行测量，雾沫夹带量即气体通过塔板时带到上方塔板上的液体量。本文在实验塔板上方设置雾沫捕集板，并在上方放置大量丝网填料用于捕集雾沫，通过单位时间内雾沫夹带量的大小计算出一定气液流量下的雾沫夹带率[15]。
雾沫夹带率是塔板气相负荷的重要参数，其值主要取决于气液相流量。在液流强度为14.29 m3/(m·h)时测定SF系列塔板的雾沫夹带率，结果如图 8所示。SF系列塔板的雾沫夹带率均随空塔动能因子的增大而增大，并且底隙上方条缝的高度越大，进入帽罩的液体就越多，从而被气体抬升的液体越多，导致雾沫夹带率的增大。
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图 8 SF系列塔板的雾沫夹带率对比 Fig.8 Comparison of the amount of mist entrainment for SF trays |
在塔板操作过程中，当气相流量较小而液相流量较大，上升气体不足以抬升板上液层时，板上的液体会沿着导向孔向下流动落入下层塔板，这种不正常的操作现象称为漏液。这种状况下，上升气体与下降的液体不能充分地接触传质，会严重影响塔板的传质分离效果[16-17]。在液流强度为14.29 m3/(m·h)时测定SF系列塔板的漏液率，从图 9可以看出，SF系列塔板的漏液率随空塔动能因子的增大而减小，其中SF-3塔板的漏液率最低，SF-7塔板的漏液率最高，这是因为随着底隙上方条缝高度的增加，进入帽罩内的液体增加，从而导致漏液率升高。
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图 9 SF系列塔板的漏液率对比 Fig.9 Comparison of liquid leakage rates for SF trays |
本文通过氧解析法测定进出塔板液体中的氧浓度来表征实验塔板的传质效率，其默弗里板效率表达式为
| $ {E_{{\rm{ML}}}} = \frac{{{X_{\rm{i}}} - {X_0}}}{{{X_{\rm{i}}} - X_0^*}} $ | (6) |
式中，Xi为塔板入口处水中的溶氧值；X0为塔中取样处水中溶氧值；X0*为塔中取样温度下的平衡溶氧值。在液流强度为14.29 m3/(m·h)时测定SF系列塔板的板效率，由图 10可知，SF系列塔板板效率均在0.75以上，且均比F1浮阀塔板高5%以上，表明立体喷射塔板具有优良的传质性能；与没有开缝的SF塔板对比，有缝的SF系列塔板传质效率均比无缝的有所提高。对于3种不同条缝高度的SF塔板，SF-7塔板的传质效率最高，SF-3塔板的传质效率最低，这是因为SF-7塔板的开缝高度最大，能够使得板上更多的液体流入立体帽罩内，在足够的立体传质空间内有效地提高了气液传质效果。
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图 10 SF系列塔板板效率对比 Fig.10 Comparison of the slabs for SF trays |
(1) 本文所采用的立体喷射型板填复合塔板的独特立体结构可以显著降低塔板的干板压降与湿板压降，通过实验数据拟合得到干板压降与湿板压降的准确关联式，理论值与实验值误差在5%以内。
(2) 3种不同高度条缝塔板的清液层高度、雾沫夹带率及漏液率均符合塔板流体力学性能的基本规律，即随着条缝高度的增加，罩体内被气体抬升的液量增加，塔板上的清液层高度略有降低，而雾沫夹带率和漏液率略微增加。
(3) 本文塔板的立体结构为气液接触提供了充分的传质接触空间，SF系列塔板的板效率均在0.75以上，其中SF-7板的板效率最高；SF系列塔板的传质效率均比F1浮阀塔板高5%以上，有缝的SF塔板效率比无缝的效率略高，表明在罩体上开缝可提升气液传质效果。
SF塔板具有压降小、处理量大、传质效率高的特点，这使其在大通量塔板的工业应用方面拥有很好的前景。今后可以结合计算流体力学(CFD)软件进一步对其结构进行优化设计，以提高塔板性能，尤其是对于气液相负荷比较大的分离情况，积极推动该塔板的工业应用。
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