2. 山东省淄博市高青县经信局, 淄博 256300
2. Gaoqing County, Zibo City Commission by Letter, Zibo 256300, China
精馏作为一种重要的传质分离技术，广泛应用于制造工业中[1]。填料塔和板式塔作为精馏过程的两种主要设备，一直是人们研究开发的重点。板式塔由于结构简单、不易堵塞、操作弹性大、安装简单等优点，在塔设备中占据重要地位[2]。塔板作为板式塔的核心构件，其技术水平直接影响着分离系统的生产能力、生产成本、效率和能耗等[3]，因此开发出新型高效率、高弹性、兼具多种塔板优点的塔板技术具有重要意义。
新型垂直筛板(New VST)是立体喷射型塔板的早期代表，于1968年前后由日本三井造船公司开发[4]。New VST塔板具有传质效率高、压降小、操作弹性大、可以处理特殊物料等优点，但是其在气相负荷较大时帽罩内易出现憋压，帽罩上方存在传质死区，罩间回喷会导致返混。随后，我国一些科研单位对New VST的流体力学与传质性能进行了深入研究，并对其结构进行改进，研发出一系列新型立体塔板[5-6]。本文根据现有立体喷射式塔板的结构和性能，深入分析两相流动状况，开发出一种导向梯形喷射填料式塔板(flow-guided trapezoid spray-packing tray，FTS-PT)，并以空气-水-氧气为物系，通过冷模实验对4种角度的导向梯形喷射填料式塔板的流体力学和传质性能进行测定和分析，探究了梯形帽罩倾斜角度对塔板流体力学与传质性能的影响。
1 实验部分 1.1 导向梯形喷射填料式塔板的结构和特点FTS-PT塔板的结构如图 1所示，该塔板的主要结构特点如下。
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图 1 FTS-PT塔板结构 Fig.1 Structure of the FTS-PT |
(1) 塔板上设有78个开孔方向与液流方向一致的导向孔，由下而上的气体从导向孔梯形缝中水平吹出，与板上液体形成并流流动，推动液流前进，降低液面梯度，从而减小压降[7]。在塔板弓形区域，导向孔沿圆弧切向方向开口，有效避免弓形区域易出现的死区和返混现象。
(2) 液相进口处设有高度为6 mm向上凸成斜台状的鼓泡促进器[8]，能够降低液体入口和溢流堰之间的液面梯度，使液体一进入塔板便能与气体快速接触传质，消除上游非活化区。
(3) 帽罩的上半部分为开放结构，解决立体塔板憋压问题，减小压降。安装有Mellapak规整填料，可增大气液接触面积，提高塔板传质效率。
(4) 帽罩整体呈梯矩形，有效增加液体提升量，增大气液接触面积和对喷强度，大大减小漏液并提高塔板传质效率。
本文通过改变FTS-PT的梯形帽罩角度，对4种角度梯形帽罩塔板的流体力学和传质性能进行对比研究，探究梯形帽罩角度对塔板性能的影响，4种角度梯形帽罩塔板的结构参数如表 1所示。
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下载CSV 表 1 实验塔板结构参数 Table 1 Structure parameters of experimental trays |
本文实验在常温常压下采用空气-水-氧气物系进行塔板流体力学和传质性能的测定，在有机玻璃塔中进行，塔内由上而下分别安装有雾沫捕集板、实验板、气体分布板共3块塔板，塔设备参数见表 2。
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下载CSV 表 2 塔设备参数 Table 2 Parameters of the column |
实验流程如图 2所示。空气通过孔板流量计调节流量，由鼓风机送入塔底，经过气体分布板均匀分布到塔中；水通过转子流量计控制流量大小，由储水桶进入氧气吸收塔形成饱和含氧水后从塔顶进入，二者在实验塔板上并流接触传质。通过U型压差计测量实验板压降，利用带刻度的连通管测量板上清液层高度，分别通过夹带采集口和漏液采集口测量雾沫夹带量和漏液量。采用氧解析法，通过进料取样口和出料取样口装置测得水中氧含量并计算塔板传质效率。
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1—风机；2—孔板流量计；3—U型压差计；4—带刻度的连通管；5—塔体；6—雾沫捕集板；7—夹带采集口；8—实验塔板；9—出料取样口；10—气体分布板；11—液封装置；12—漏液采集口；13—进料取样口；14—泵；15—储水桶；16—转子流量计；17—氧气吸收塔；18—氧气缓冲罐；19—氧气压力调节阀；20—氧气钢瓶。 图 2 实验流程图 Fig.2 Experimental flow chart |
干板压降是指只有空气通过塔板时的压力损失[9]。赖文衡[10]提出垂直筛板塔干板压降的计算公式为
| $ \Delta {p_{\rm{d}}} = \zeta {\rho _{\rm{v}}}\frac{{u_0^2}}{2} $ | (1) |
式中，Δpd为干板压降，Pa；ζ为阻力系数；ρv为空气密度，kg/m3；u0为板孔气速，m/s。由于塔板上孔结构复杂，用平均孔气速近似替代板孔气速，得
| $ \Delta {p_{\rm{d}}} = \frac{\zeta }{2}{\left( {\frac{{{F_{\rm{T}}}}}{\mathit{\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，%。
3#塔板干板压降与
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图 3 干板压降实验值拟合 Fig.3 Fitting of experimental data for the dry plate pressure drop |
| $ \Delta {p_{\rm{d}}} = 1.7604{\left( {\frac{{{F_{\rm{T}}}}}{\mathit{\Phi }}} \right)^2} $ | (3) |
相关性系数R2=0.999 6，实验值与计算值相对误差在5%以内。
将3#实验塔板的干板压降与F1浮阀塔板干板压降和杜佩衡等[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，(m/s)·(kg/m3)0.5。
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图 4 3类塔板干板压降对比 Fig.4 Comparison of dry plate pressure drops for three kinds of trays |
从图 4可以看出，3类塔板的干板压降均随F0的增大而增大，但由于FTP-ST中的导向孔和半开放式帽罩结构，使得FTP-ST的干板压降要低于New VST和F1浮阀塔板。随着气速的增大，这种压降差距更加明显。
将4种梯形角度的FTS-PT塔板的干板压降随空塔动能因子FT变化的关系进行比较，结果如图 5所示。总体上，干板压降随梯形帽罩角度的增大而增大，且在气速较大时该现象更加明显。这是因为随着梯形角度的增大，罩内空间变小，形体阻力增大。当角度为6°和8°时(即2#和3#塔板)，塔板的干板压降大小接近。
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图 5 4种角度FTS-PT的干板压降对比 Fig.5 Comparison of dry plate pressure drops for FTS-PT with four angles |
在不同液流强度下，3#塔板的湿板压降Δpw随空塔动能因子FT的变化关系如图 6所示，其中L表示液流强度，m3/(m·h)。
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图 6 不同L下湿板压降随FT的变化关系 Fig.6 The relationship between the wet plate pressure drop and FT for different values of L |
由图 6可知，实验塔板的湿板压降随L的增大而增大，随FT的增大先迅速增大后缓慢增大，在液流强度较小时湿板压降中间段会出现平缓甚至下降趋势。这是因为湿板压降受塔板形体阻力和板上液层阻力的共同影响，气速增大时，板上导向孔使得气液接触从鼓泡状态变为泡沫状态，清液层高度迅速降低，导致板上液层阻力降低。当液流强度较小时，板上液层阻力降低幅度近似等于甚至小于形体阻力的增量；当气速增大到一定程度时，液层高度随气速增大而降低的趋势开始变得缓慢，从而使板上液层阻力降低幅度小于形体阻力的增量。
采用加和模型[11]对湿板压降进行关联，将湿板压降分解为干板阻力和液层阻力两部分。
| $ \Delta {p_{\rm{w}}} = \Delta {p_{\rm{d}}} + \beta {h_{\rm{l}}} $ | (4) |
式中，Δpw为湿板压降，Pa；β为液层阻力系数；hl为清液层高度，m。利用式(4)和液流强度为14.28 m3/(m·h)时3#塔板的湿板压降实验数据进行拟合，得到关联式
| $ \Delta {p_{\rm{w}}} = 1.7604 \times {\left( {\frac{{{F_{\rm{T}}}}}{\mathit{\Phi }}} \right)^2} + 6.9008{h_{\rm{l}}} $ | (5) |
式中35 mm < hl < 65 mm，相关性系数R2=0.996。计算值与实验值误差在5%以内。
在液流强度L=20 m3/(m·h)条件下比较FTS-PT塔板、F1浮阀塔板、New VST塔板三者的湿板压降，如图 7所示。可以看出，FTS-PT塔板湿板压降明显小于F1浮阀塔板和New VST塔板，说明FTS-PT塔板帽罩上部的半开放结构很好地起到了降低阻力的作用。
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图 7 3类塔板湿板压降对比 Fig.7 Comparison of wet plate pressure drops for three kinds of trays |
在L=14.28 m3/(m·h)时，比较4种角度FTS-PT塔板的湿板压降，如图 8所示。
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图 8 4种角度FTS-PT湿板压降对比 Fig.8 Comparison of wet plate pressure drops for FTS-PT with four different angles |
从图 8可以看出，1#、2#、3#塔板湿板压降均随FT的增大先迅速增大后缓慢增大，4#塔板湿板压降在中间部分出现降低段，之后迅速增大。这是因为湿板压降由形体阻力和液层阻力共同组成，4#塔板梯形立体帽罩角度较大，气速增大时板上清液层高度迅速下降，使得形体阻力的增加量不及液层阻力的降低量，导致湿板压降在中间部分减小。FT较小时，湿板压降大小顺序为4#>2#≈3#>1#；FT较大时，湿板压降大小顺序为4#>2#>1#>3#。
2.2 清液层高度清液层高度用来描述塔板上的实际持液量，对塔板的流体力学性能及结构设计都是十分重要的参数[12]。如图 9所示，随着FT的增大，清液层高度先增大后减小。当FT一定时，清液层高度随液流强度增大而增大。对比L=14.28 m3/(m·h)时4种不同角度实验塔板的清液层高度，如图 10所示。随着FT的增大，4种塔板的清液层高度均先增大后减小，其中，4#塔板清液层高度下降趋势最为明显，1#、2#、3#塔板清液层高度变化相对稳定。
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图 9 不同L下清液层高度随FT变化关系 Fig.9 The relationship between the clear liquid height and FT for different values of L |
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图 10 4种角度FTS-PT清液层高度对比 Fig.10 Comparison of clear liquid height for FTS-PT with four different angles |
气速较低时，气体通过板上升气孔的动压力不足以克服液相重力，致使液体从上一层塔板经孔道流入下一层塔板的现象为漏液。工业上，为保证塔的正常操作，规定漏液率w≥10%为塔的操作下限[12]。将不同液流强度下的漏液率随空塔动能因子的变化关系进行比较，如图 11所示。
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图 11 不同L下漏液率随FT的变化关系 Fig.11 The relationship between the weeping and FT for different values of L |
液流强度一定时，漏液率随FT的增大快速减小至10%以下并趋向于0。低气速时，漏液率随液流强度增大而减小；高气速时，漏液率基本不随液流强度变化，均接近于0。在L=14.28 m3/(m·h)时，比较4种不同角度梯形帽罩塔板的漏液率，如图 12所示。可以看出，4块实验塔板漏液率均随FT的增大快速减小到10%以下，3#塔板漏液率降低最快，4#塔板漏液率最低。
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图 12 4种角度FTS-PT漏液率对比 Fig.12 Comparison of weeping for FTS-PT with four different angles |
气速过大时，板上部分液滴会随着气体上升进入上一层塔板，形成雾沫夹带。工业上，规定雾沫夹带率ev≤10%为塔的操作上限[12]。
由图 13可知，雾沫夹带率分别随着L和FT的增大而增大，但整体雾沫夹带率较低。这是因为FTP-ST塔板上帽罩为半开放式结构，帽罩上半部分装有规整填料和分离板，填料的缓冲作用有效降低了液滴喷射高度和液滴喷射速率，同时改变了液滴的喷射方向，从而降低了塔板的雾沫夹带。对比4种角度实验塔板在L=14.28 m3/(m·h)时的雾沫夹带率，如图 14所示。低气速时，雾沫夹带率大小顺序为4#>3#>1#>2#，均在10%以下；高气速时雾沫夹带率大小顺序为4#>1#>2#>3#，且2#和3#塔板操作上限较大。
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图 13 不同L下雾沫夹带率随FT变化关系 Fig.13 The relationship between the entrainment and FT for different values of L |
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图 14 4种角度FTS-PT雾沫夹带率对比 Fig.14 Comparison of entrainment for FTS-PT with four different angles |
塔板传质效率即默弗里效率，反映了板上气液传质的完善程度[13]。本文采用氧解析法测定进出塔的液体含氧量来计算塔板传质效率，如式(6)所示。
| $ {E_{{\rm{ML}}}} = \frac{{{X_{\rm{i}}} - {X_{\rm{o}}}}}{{{X_{\rm{i}}} - X_{\rm{i}}^*}} \times 100\% $ | (6) |
式中，EML为塔板传质效率，%；Xi为进塔液体含氧量，mg/L；Xo为出塔液体含氧量，mg/L；Xi*为测量温度下液体饱和含氧量，mg/L。液体含氧量采用YSI 550A溶氧仪(成都锐新仪器仪表公司)进行测定，其含氧量测量范围为0~50 mg/L，温度测量范围为-5~45 ℃。
在L=14.28 m3/(m·h)时比较4种角度FTS-PT塔板的传质效率，如图 15所示。可以看出，4块实验塔板传质效率均在75%以上，其中1#、2#、3#塔板传质效率随FT变化较为稳定，整体传质效率1#>3#>2#，受气相负荷影响较小。4#塔板传质效率有明显上升段，低气速时传质效率较差，高气速时传质效率优势明显。出现这种现象的原因是，一方面随着梯形帽罩角度的增大，升气筒内横截面积由下往上逐渐变小，导致气相和液相向上的运动速率逐渐增大，罩内液体提升量增加，气液接触更加充分；另一方面，气液两相在进入梯形升气筒时，与筒壁接触面形成夹角，产生一定的通道阻力，梯形倾斜角度越大，阻力越大，导致罩内液体提升量有所降低。二者综合作用，使得4#塔板出现低气速下传质效率差，高气速下传质效率好的现象。
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图 15 4种角度FTS-PT传质效率对比 Fig.15 Comparison of mass efficiency for FTS-PT with four different angles |
(1) 导向梯形喷射填料式塔板的梯形帽罩结构可以有效降低塔板压降和漏液率并提高传质效率。帽罩上方的半开放式填料结构在提高传质效率的同时可以降低雾沫夹带，板上的导向孔及鼓泡促进器结构在降低塔板压降方面起到了显著作用。
(2) 通过实验数据拟合得到FTS-PT塔板的干板压降和湿板压降关联式，数据表明其干板压降和湿板压降均远低于F1浮阀塔板和New VST塔板。
(3) FTS-PT塔板的流体力学性能和传质效率均与梯形帽罩的倾斜角度有关。与1#(4°)实验塔板相比，3#(8°)实验塔板传质效率略有降低，但高气速时塔板压降较低，能量损失较少，可操作范围大。综合分析，对于文中实验装置而言，梯形帽罩倾斜角度为8°时塔板性能最佳。
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