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  北京化工大学学报(自然科学版)  2018, Vol. 45 Issue (1): 21-29  DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2018.01.004
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张保勇, 李家兴, 杨硕, 郭鑫宇, 刘兴勃, 李群生, 刘辉. 导向梯形立体喷射填料复合塔板的流体力学与传质性能[J]. 北京化工大学学报(自然科学版), 2018, 45(1): 21-29. DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2018.01.004.
ZHANG BaoYong, LI JiaXing, YANG Shuo, GUO XinYu, LIU XingBo, LI QunSheng, LIU Hui. Hydrodynamics and mass transfer performance of a flow-guided trapezoid jet combined tray[J]. Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science), 2018, 45(1): 21-29. DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2018.01.004.

第一作者

张保勇, 男, 1991年生, 硕士生

通讯联系人

李群生, E-mail:liqs@mail.buct.edu.cn

文章历史

收稿日期:2017-09-13
导向梯形立体喷射填料复合塔板的流体力学与传质性能
张保勇 1, 李家兴 1, 杨硕 1, 郭鑫宇 1, 刘兴勃 2, 李群生 1, 刘辉 1     
1. 北京化工大学 化学工程学院, 北京 100029;
2. 华夏汉华化工装备有限公司, 长沙 410015
摘要:设计了一种具有低压降、大通量和高传质效率特点的立体复合塔板(FTCT),以空气-水-氧气为实验介质,在直径500mm,板间距450mm的有机玻璃塔中进行冷模实验。对3种开孔形态不同的FTCT塔板进行流体力学和传质效率的测试,测定了不同气液负荷下的板压降、板上液层高度、漏液、雾沫夹带和传质效率,回归得到了FTCT塔板的干板压降经验公式。实验结果表明:板孔动能因子在7~19(m/s)·(kg/m30.5范围内干板压降比开孔率相同的New VST塔板低10%~20%;3种FTCT的漏液、雾沫夹带和塔板传质效率都有相似的规律,但正向梯形开孔TH1型FTCT的流体力学性能和传质效率要明显好于另外两种。
关键词导向梯形填料复合塔板    流体力学    传质    塔器    帽罩    导向孔    
Hydrodynamics and mass transfer performance of a flow-guided trapezoid jet combined tray
ZHANG BaoYong 1, LI JiaXing 1, YANG Shuo 1, GUO XinYu 1, LIU XingBo 2, LI QunSheng 1, LIU Hui 1     
1. College of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029;
2. Huaxia Chemical Engineering Equipment Co., Ltd., Changsha 410015, China
Abstract: A new flow-guided trapezoid jet combined tray (FTCT) with lower pressure drop, higher flux and efficiency has been designed and tested in a Φ500mm plexiglass column using cold-flow model experiments in an air-water-oxygen system. Three trays with different hole shapes were studied. Hydromechanical parameters such as tray pressure drop, clear liquid height, weeping and entrainment and tray efficiency were measured for different gas and liquid loads. Regression models of the dry plate pressure drops were obtained for the different trays. According to the results, the dry plate pressure drop of the experimental tray was lower than that of New VST with the same hole area ratio with F0 in the range 7-19(m/s)·(kg/m3)0.5. The three trays with different hole shapes show similar variations in weeping, entrainment and tray efficiency. The hydromechanical and tray efficiency of the TH1 tray were significantly better than the corresponding parameters for TH2 and RH.
Key words: flow-guided trapezoid jet combined tray    fluid mechanics    mass transfer    column    cap    flow-guided hole    
引言

塔设备是生产中用于传质分离的主要设备,在化工、医药、环保、化肥等行业中都有重要应用。塔设备的性能在生产中会对企业的生产能力、投资成本、产品质量和环境污染等方面产生直接或间接的影响,故对塔设备的改进具有重要价值[1-2]。板式塔具有结构简单、便于安装、容易放大、成本低、易于进行常加压操作等优点,使得对板式塔的开发研究持续发展。早期塔板包括泡罩塔板、筛孔塔板和浮阀塔板等一些平面式塔板,近年来针对新型塔板的研究开发侧重在提高效率和通量、降低能耗等方面[3-5]。日本三井造船公司研发的新型立体喷射塔板(New VST)利用板间空间进行传质,具有效率高、通量大和压降低的优点,但该种塔板容易出现憋压和返混现象,且板上液层分布不均匀[6]。针对该种塔板的缺点,国内开发出了多种新型塔板,如喷射式并流填料塔板(JCPT)[7]、梯形立体喷射板(CTST)[6]、EJP喷射塔板[8]、矩形垂直筛板塔板(RVST)[9]、宝塔罩型塔板(BTC-Tray)[10]等。但国内这些立体塔板存在处理量小、传质效率低的缺点,没有将塔板和填料较好地结合。

本文结合板式塔与填料塔的优点以及以往塔板的缺陷,开发出新型导向梯形立体喷射填料复合塔板(FTCT),并对其流体力学与传质性能进行测试与研究。

1 实验部分 1.1 导向梯形立体喷射填料复合塔板结构参数

新型导向梯形立体喷射型填料复合塔的结构如图 1所示。塔板上开有78个导向孔和3个立体帽罩,在液体进口处装有鼓泡促进器,开孔率为19.72%。为区分3类塔板,分别对其进行命名:(1)TH1,板上开有梯形升气孔,梯形短边安装在液体进口端(正方向),如图 1(a);(2)TH2,板上开有梯形升气孔,梯形长边安装在液体进口端(反方向),如图 1(b);(3)RH,板上开有矩形升气孔,帽罩为矩形,构造与TH1、TH2相同,如图 1(c)图 1(d)为塔板上导向孔的结构图,图 1(e)为帽罩结构图。

图 1 FTCT塔板及帽罩结构图 Fig.1 Structure of the FTCT and cap

FTCT塔板特点如下。

(1) 导向孔方向与板上液流方向相同并设置在液流易堵塞区。从导向孔吹出的气体推动塔板上液体的流动,在塔板圆弧区开设导向孔推进液体流动和克服板上液层梯度[11]

(2) 立体帽罩为半开放结构,安装Mellapak高效填料。半开放结构解决了憋压问题,降低了塔板压降, 板上高效填料增加气液接触面积,提高塔板传质效率。

(3) 板上立体帽罩为梯形。梯形帽罩之间在塔板上形成了平滑的过渡,板上液流的形体阻力和渐缩阻力较之矩形帽罩较小[12]

(4) 塔板进口处装有鼓泡促进器。液体进入塔板后快速进行气液接触,改善进液处液层太厚气体难以突破的状况,消除了传统塔板的“非活化区”,提高塔板传质效率。

本文通过改变梯形开孔方向与矩形开孔塔板进行比较,对3类塔板流体力学和传质性能进行测试,探究梯形开孔对FTCT的影响。FTCT的结构参数如表 1所示。

下载CSV 表 1 实验塔板相关结构参数 Tab.1 Structure parameters of the experimental trays
1.2 塔设备参数及实验流程

本文采用水-空气-氧气为实验体系,在常温常压下于有机玻璃塔中进行冷模实验,塔设备的参数如表 2所示。

下载CSV 表 2 塔设备参数表 Tab.2 Parameters of the experimental column

实验塔内装有3块塔板,从上到下依次为雾沫补集板、实验塔板和气体分布板,实验流程图如图 2所示。由风机鼓入空气经过空气分布板均匀分布,水从水槽经过流量计和氧气吸收塔形成饱和含氧水后进入塔内,二者在实验塔板上进行传质。通过装置3(U型压差计)测量出实验塔板上下的压差即为塔板压降;装置4(液位连通管)采用连通器原理测定塔板上液层高度[12];装置8(夹带收集)和装置13(漏液采集)分别收集单位时间内雾沫补集板和塔釜中的雾沫夹带和漏液量。塔板的传质性能采用氧解析法测量。为保证数据的可靠性均进行了3次重复实验。

图 2 实验装置流程图 Fig.2 Schematic of the experimental setup to measure the hydrodynamics of FTCT 1—风机;2—孔板流量计;3—U型压差计;4—液位测量连通管;5—塔体;6—进料取样口;7—雾沫补集板;8—夹带采集;9—实验塔板;10—出料采集口;11—空气分布板;12—液封装置;13—漏液采集;14—泵;15—水槽;16—转子流量计;17—小型氧气吸收塔;18—氧气缓冲罐;19—氧气减压阀;20—氧气钢瓶。
2 结果与讨论 2.1 塔板压降

塔板压降是塔板的重要流体力学参数,是设计塔板时需要考虑的重要因素之一[13],决定了塔设备的生产能力和传质效果。

2.1.1 干板压降

干板压降由气体通过板孔时的缩流、膨胀和通过填料层时的能量损失组成[7]。由于塔板结构的复杂性,板孔气速较难求出,故采用空塔动能因子FT表示,如式(1)所示

$ {F_{\rm{T}}} = {u_{\rm{T}}}\sqrt {{\rho _{\rm{g}}}} $ (1)

赖文衡[14]给出了流体阻力的计算公式

$ \Delta {p_{\rm{d}}} = \xi F_0^2 $ (2)

根据伯努利方程,气体通过FTCT区和导向孔区的压降相等,即

$ \Delta {p_{\rm{d}}} = \Delta {p_{{\rm{d,FTCT}}}} = \Delta {p_{{\rm{d,FG}}}} $ (3)

由进气量的质量守恒,得到如下关系

$ \left( {\frac{{{F_{\rm{T}}}}}{\phi }} \right)A = {F_{0,{\rm{FTCT}}}}{A_{{\rm{FTCT}}}} + {F_{{\rm{0,FG}}}}{A_{{\rm{FG}}}} $ (4)

定义面积比$N = \frac{{{A_{{\rm{FTCT}}}}}}{{{A_{{\rm{FG}}}}}}$,将其带入式(4),可以得到式(5)

$ \frac{{{F_{\rm{T}}}}}{\phi } = \frac{N}{{1 + N}}{F_{0,{\rm{FTCT}}}} + \frac{1}{{1 + N}}{F_{{\rm{0,FG}}}} $ (5)

由式(2)可得出两个区域的干板压降的计算式

$ \Delta {p_{{\rm{d,FTCT}}}} = {\xi _{{\rm{FTCT}}}}F_{0,{\rm{FTCT}}}^2 $ (6)
$ \Delta {p_{{\rm{d,FG}}}} = {\xi _{{\rm{FG}}}}F_{0,{\rm{FG}}}^2 $ (7)

通过式(2)~(6)可以得到

$ \Delta {p_{\rm{d}}} = K{\left( {\frac{{{F_{\rm{T}}}}}{\phi }} \right)^2} $ (8)

图 3为实验塔板TH1的干板压降与${\left( {\frac{{{F_{\rm{T}}}}}{\phi }} \right)^2}$关系图,用关联式(8)进行拟合,得到TH1塔板干板压降的经验公式

$ \Delta {p_{\rm{d}}} = 1.0136{\left( {\frac{{{F_{\rm{T}}}}}{\phi }} \right)^2} $ (9)
图 3 TH1干板压降实验值拟合图 Fig.3 Schematic of the correlation for the dry-plate pressure drop

其相关性系数R2=0.999。计算值与实验值的相对误差在5%以内,表明用该经验公式拟合效果较好。

New VST为性能优良的并流式立体塔板,该类塔板由于气液经过帽罩水平喷出降低了液沫夹带量,可以提高空塔气速,其气速可以达到普通塔板的1.5~2.0倍,故负荷能力大;与普通塔板如筛孔塔板相比,立体塔板开孔率要大30%~40%并且压降较低;另外,由于帽罩内高液气比的气液两相良好混合,传质效率比浮阀塔板高出10%~20%;当该类塔板的孔动能因子F0较大时,也不易出现降液管液泛和过量液沫夹带等不正常现象。可以看出,New VST在流体力学和传质性能上相较普通平面塔板要好。

杜佩衡等[15]拟合出New VST塔板的干板压降经验式,将实验塔板TH1的干板压降与New VST进行对比,如图 4所示。

图 4 TH1与New VST干板压降对比图 Fig.4 Comparison of dry plate pressure drops for TH1 and New VST

图 4可以看出,FTCT的干板压降与New VST的变化趋势相同,均随板孔动能因子增大而增大,但FTCT塔板的干板压降始终低于New VST,且随F0的增大相差越来越大。FTCT的帽罩为半开放结构,不易出现憋压。

图 5所示为3类实验塔板干板压降的对比。干板压降均随着空塔动能因子的增大而增大,TH1与TH2基本相等,而RH在三者中最大,并且随FT的增大差距增大。这是由于TH1与TH2塔板帽罩上的填料开放区域比RH塔板大,在高气速下不易造成憋压现象,在高气速下该种因素影响效果变大。

图 5 3种实验塔板干板压降对比 Fig.5 Comparison of dry plate pressure drops for tested trays
2.1.2 湿板压降

湿板压降是塔板上存在液层时,气相通过塔板孔道和板上液层产生的阻力损失,是塔板操作性能的重要参数[16]。实验塔板TH1在不同气液负荷下,湿板压降随空塔动能因子的变化关系如图 6所示。这里用液流强度L表示液相负荷,即单位溢流堰长度下的液体流量。

图 6 TH1塔板湿板压降与气液负荷关系图 Fig.6 Wet plate pressure drops of TH1 for different FT and flow intensities

图 6看出,在FT一定时,湿板压降随液流强度的增大而增大;在L<17.14 m3/(m·h)时,湿板压降随FT的增大先增加后又小幅度降低继而增大;在L>17.14 m3/(m·h)时无降低阶段,但该阶段压降增加趋势缓慢。这是由于在L<17.14 m3/(m·h)时,当FT增大时帽罩的提液量增大使板上清液层高度降低,产生的液层阻力降低,虽然干板压降增加,但与干板压降共同作用的结果表现出湿板压降有小幅度降低;在液流强度增大时(L>17.14 m3/(m·h)),板上的液流量较大,板上清液层高度降低较少,液层阻力的降低量也会减少,总体表现出压力增长缓慢。

对于FTCT塔板,气液接触在帽罩内和塔板上。在底隙处罩内外压强达到平衡,故塔板的湿板压降等于气体通过板孔的压降与罩外液层的静压之和。

$ \Delta {p_{\rm{w}}} = \Delta {p_{\rm{d}}} + \varepsilon {h_1} $ (10)

根据TH1的实验数据和式(9)拟合得到湿板压降数学关联式

$ \Delta {p_{\rm{w}}} = 1.0136{\left( {\frac{{{F_{\rm{T}}}}}{\phi }} \right)^2} + 116.5{h_1} $ (11)

其中2 cm<hl<6 cm,相关性R2=0.997,计算值与实验值误差在1%以内,拟合准确。图 7L=11.43 m3/(m·h)时湿板压降的实验值与计算值比较。

图 7 TH1塔板Δpwexp与Δpwcal比较 Fig.7 Comparison of Δpwexp and Δpwcal for TH1

将3类实验塔板的湿板压降进行对比,选取L=11.43 m3/(m·h)时三者的湿板压降,如图 8所示。在较低气速下3种塔板的湿板压降相差不大,随气速的增加RH塔板的湿板压降增加迅速而TH1与TH2塔板湿板压降随气速先增大后减小继而增大。这是由于TH1塔板的梯形帽罩结构减小了板上液体流动的形体阻力,在高气速下有利于发挥导向孔的导向作用,板上清液层高度较小;TH2塔板在低气速下由于梯形帽罩的阻挡作用导致漏液较大,所以当气速增大时塔板上液层厚度迅速增加,出现了湿板压降先增大后减小的现象。

图 8 3类塔板湿板压降对比 Fig.8 Comparison of wet pressure drops for tested trays
2.2 清液层高度

清液层高度不仅决定了进入降液管的液量,而且对塔板的湿板压降和塔板的传质性能有很大影响[17]。如图 9所示,在FT一定时,清液层高度随液流强度增加而增加;在液流不变时,清液层高度随FT均是先增加后减小。由于气速增加时塔板漏液减少,板上液层厚度增加。选取L=11.43 m3/(m·h)时三者的清液层高度,如图 10所示。TH1与RH塔板清液层高度均随FT的增大而减小,且TH1塔板液层高度最低;TH2塔板随FT先增大后减小,且均高于另外两者。由于TH1塔板的梯形帽罩结构会减少板上的形体阻力,液体易于流动与分布;TH2的反向梯形帽罩结构对板上液层流动产生一定的阻力,FT较小时漏液严重,而随FT增加漏液减少,液层高度出现上升段。在高气速下3类塔板的提液量增加,板上液层降低。

图 9 TH1塔板清液层高度随气液负荷关系图 Fig.9 Clear liquid heights of TH1 for different FT and flow intensities
图 10 3类塔板清液层高度对比 Fig.10 Comparison of clear liquid heights for tested trays
2.3 漏液

当操作气速较小时,气体通过升气孔道的动压不足以阻止板上液体自身的重力,板上液体就会从板上的缝隙中进入下一层塔板,形成漏液现象。为保证塔的正常操作,工业上将漏液率w≥10%作为操作下限[18]

图 11所示为TH1塔板在不同气液负荷下的漏液率。在液流强度一定时,低气速下漏液率较大,随气速的增大漏液率迅速减小到10%以下,此时处在正常的操作状态;在FT一定时,随液流强度的增大漏液率减小,这是由漏液率的定义决定的。在液流强度L=11.43 m3/(m·h)时3类塔板漏液率对比如图 12所示。3类塔板的漏液率随着气速的增加迅速降低到10%以下,说明三者随气速增加均能迅速到达正常操作状态。TH2漏液率下降较快,这也是TH2板上液层迅速上升的原因所在。

图 11 TH1塔板漏液率随气液负荷变化关系图 Fig.11 Weeping of TH1 for different FT and flow intensities
图 12 3类塔板漏液率对比 Fig.12 Comparison of weeping for tested trays
2.4 雾沫夹带

在气速较大时上升气流穿过塔板上的液层,板上液体会被带入上层塔板,形成雾沫夹带。工业上规定每kg上升气体所夹带的液体量不超过0.1 kg[18],即雾沫夹带率ev≤10%。

TH1塔板在不同气液负荷下的雾沫夹带率ev与空塔动能因子FT的变化关系如图 13所示。当液流强度一定时,雾沫夹带率随FT增大而增大,且增长速率逐渐升高;当气速一定时,雾沫夹带随液流强度增大而增大。FTCT塔板为复合塔板,帽罩上的半开放区域装有规整填料和分隔板,抑制了液滴的喷射高度,故该种塔板有较小的雾沫夹带率。在L=11.43 m3/(m·h)时,3类塔板的雾沫夹带率随FT变化对比如图 14所示。3类塔板的雾沫夹带率均随空塔动能因子的增大而增大;三者中RH塔板雾沫夹带率较高,这是由于TH1塔板的立体帽罩的形体阻力较小,在导向孔的作用下,板上的液层分布更均匀,并且TH1与TH2塔板帽罩间的对喷效应较小,减小了微小液滴的喷射高度。

图 13 TH1塔板雾沫夹带率随气液负荷变化关系图 Fig.13 Entrainment of TH1 for different FT and flow intensities
图 14 3类塔板雾沫夹带率对比 Fig.14 Comparison of entrainment for tested trays
2.5 塔板传质效率

塔板效率又称默弗板效率,是指气相或液相经过一层塔板前后的实际组成变化与经过该层塔板前后的理论组成变化的比值[19],如式(12)。

$ {E_{{\rm{ML}}}} = \frac{{{X_{\rm{i}}} - {X_{\rm{0}}}}}{{{X_{\rm{i}}} - X_{\rm{i}}^ * }} $ (12)

塔板传质效率反映了板上气液接触程度,较高的板效率可以减少设备投资成本[20-21]。因此,塔板传质效率EML是评价塔板性能的核心指标之一。浮阀塔板传质效率在70%左右[22],而浮阀塔板具有高传质效率是公认的。

在液流强度L=11.43 m3/(m·h)时3类塔板传质情况如图 15所示。FTCT的塔板效率均在75%以上,效率较高;3类塔板的传质效率均随气速的增加先增加后略有减少;在FT一定时,TH1塔板效率略大于RH塔板。这是由于当气速较大时板上液体容易形成返混和帽罩间的对喷,降低了塔板的传质效率。一方面TH1塔板帽罩的形体阻力明显小于RH塔板,在导向孔的作用下有助于板上液层的均匀分布;另一方面,TH1塔板上端填料体积大于RH塔板,液体更容易形成微小液滴,增大气液接触面积。

图 15 3类塔板传质效率对比 Fig.15 Comparison of tray efficiency for tested trays
2.6 FTCT与F1浮阀塔板对比

为了评价FTCT-TH1塔板性能,将其与F1型塔板进行比较。其中,FTCT-TH1塔板开孔率为19.72%,F1浮阀塔板开孔率为19.15%。图 16为FTCT-TH1塔板与F1浮阀塔板湿板压降和传质效率的对比,可以发现FTCT塔板有较小的湿板压降和较高的传质效率。

图 16 TH1与F1浮阀塔板对比 Fig.16 Comparison of TH1 and F1 valve trays
3 结论

(1) 基于多种塔板的特点将填料、导向孔和梯形立体帽罩结合设计开发出了新型导向梯形立体喷射型填料复合塔。该塔板采用梯形开孔和梯形帽罩的结构设计,很好地降低了板上液体流动的形体阻力,使得板上液层更加均匀。

(2) 利用实验数据拟合得到了FTCT的干板压降以及湿板压降的关联式,与开孔率相同的New VST相比干板压降低了10%~20%,同时湿板压降降低了约10%。另外,FTCT塔板与开孔率相同的F1浮阀塔板相比具有压降低和传质效率高的优点。

(3) FTCT的塔板压降、清液层高度、漏液、雾沫夹带和塔板传质效率与板上开孔和帽罩的形状有关。在保持开孔率不变时采用梯形开孔有利于降低压降、减少漏液和雾沫夹带、提高塔板传质效率;通过比较塔板流体力学性能发现采用TH1型梯形方向即正向,可以改善塔板的性能。FTCT塔板的大通量、低压降和高传质效率的特点使其在未来的应用中具有很好的前景。

符号说明

A—复合塔板的开孔面积,m2
AFTCT—帽罩区开孔面积,m2
AFG—导向孔区开孔面积,m2
EML—塔板传质效率,%
F0—板孔动能因子,(m/s)·(kg/m3)0.5
FT—空塔动能因子,(m/s)·(kg/m3)0.5
K—总阻力系数
L—液流强度,m3/(m·h)
Δpd—干板压降,Pa
Δpw—湿板压降,Pa
Xi—塔入口取样水中溶氧值,mg/L
X0—塔出口取样水中溶氧值,mg/L
Xi*—取样温度下的平衡溶氧值,mg/L
ev—雾沫夹带率,%
hl—清液层高度,cm
w—漏液率,%
ξ—阻力系数
ρg—气相密度,kg/m3
Φ—开孔率
ε—液层阻力系数
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