梯形孔垂直篩板塔板上持液量不均勻分布性的研究

何 杰楊麥軍?張 燕丁 浩王 昕高騰飛韓少強

（1.天津大學化工學院，天津300072；2.天津市天大北洋化工設備有限公司，天津300072）

垂直篩板塔是由日本三井造船公司在1968年前后開發的一種新型并流噴射塔板，具有負荷能力大、傳質效率高、壓降小、操作彈性大，防自聚堵塞能力等優點，因此該塔板在煉油、甲醇、化肥等行業廣泛應用［1-2］。

新型垂直篩板的傳質過程不再是鼓泡狀態。如圖1所示，塔內上升氣體通過帽罩時形成低壓區，再加上塔盤清液層的靜壓，使塔盤液體在帽罩底隙處被上升氣體吸入，經過拉膜霧化，在帽罩內和塔板液層以上空間傳質，液層中氣泡很少，故塔板上的液層高度即為清液層高度［3-4］。由于垂直篩板的氣液傳質機理和鼓泡型塔板不同，故持液量的分布規律與傳統塔板區別很大。塔板上持液量的分布規律關系到塔板上壓降、漏液量、液體的停留時間、氣液接觸狀況，因此是影響塔板流體力學性能和結構設計的重要參數之一［5-6］。

圖1 VST氣液流動接觸狀況Fig.1 VST gas-liquid contact condition

如圖1所示，RH-VST清液層高度（沿液流方向）分布不均，液面高度存在數個波峰、波谷。造成RH-VST清液層高度不均勻分布的主要原因是帽罩形體阻力、流道的漸縮與漸擴以及帽罩對周圍液體的抽吸和提升作用。

針對以上問題，我們在RH-VST基礎上，將塔板上原來的矩形開孔改為梯形開孔，帽罩橫截面也由矩形相應改為梯形，從而開發了一種梯形孔垂直篩板TH-VST。其出色的導流性能使垂直篩板塔板的持液量分布不均問題顯著改善，提高了塔板的操作彈性。

由于清液層高度是塔板持液量的關鍵參數，故對不同頂角的TH-VST的清液層高度分布進行了實驗測量，并與相同結構參數的RH-VST進行了對比實驗，確定了具有良好導流性能的梯形頂角范圍，給出了持液量不均勻分布程度（參差度）的關聯式，為工業應用提供了設計依據。

1 結構特點

本次實驗的對象是RH-VST和TH-VST，其結構見圖2a）和圖2b）。

罩體上除了液體進口方向外，其他三面均開霧膜分離孔，以防止氣液混合物倒噴而產生返混。罩體下端除了液體出口方向外，其余三面均與塔板間有一定的間隙，以防止液體逆流吸入帽罩內而加劇液面波動。

TH-VST較RH-VST有以下3個特點：1）梯形帽罩由于其外壁結構的平滑過渡使得帽罩的形體阻力和流道的漸縮阻力較矩形帽罩減?。?）梯形帽罩

圖2 a）矩形孔垂直篩板和b）梯形孔垂直篩板Fig.2 a）RH-VST and b）TH-VST

體積的縮小而導致的抽吸和提升作用的減小，使得帽罩區的清液層高度回升；3）梯形帽罩在抽入液體時的推液作用。如圖3所示，VST上的液體在塔板底隙處被氣流吸入帽罩，RH-VST氣體對液體所產生的吸力與液流方向構成一垂角，對液流沒有向前的推動力。TH-VST氣體對液體所產生的吸力與液流方向構成1個銳角，從而產生推動液體向前流動的分力F2，加速液體流動，從而減小了參差度，改善塔盤的流體力學性能。

圖3 底隙處液體受力示意圖Fig.3 Schematic diagram of force at the bottom gap

本實驗對4種不同頂角的TH-VST和1種具有相同結構參數的RH-VST進行實驗，各塔板的結構參數見表1。

表1 實驗塔板結構參數Table 1 Structural parameters of experimental trays

2 實驗裝置及測試方法

實驗在1 500mm×400mm的矩形塔內進行，采用空氣-水系統，實驗塔分為2層，下層為800mm×400mm氣體分布板，上層為1塊實驗塔板，降液管低隙為65mm，堰長為400mm，板間距為600mm。

實驗工況范圍為：板孔動能因子Fo＝6～18 m/s（kg/m3）1/2，堰高hw＝ 40 ～60mm，液流強度Lw＝12.5 ～62.5 m3/（m·h）。

實驗流程如圖4所示?？諝獠捎?-19-4.5風機輸送，氣體流量由UG-1渦街流量計測定。水采用IRG-80管道泵輸送，液體流量由LZB-80轉子流量計測定，由實驗塔板流出的液體返回水槽循環使用。

圖4 實驗裝置及流程圖Fig.4 Experimental equipment and flowchart

實驗采用靜壓斜管測量板上清液層高度，該方法是將軟管的一端連在塔板上的測量點處，軟管另一端引出塔外與斜玻璃管液位計（液位計零點與塔板處于同一水平線）相連，構成液位連通器，故斜管內的液位高度就是塔板上清液層高度。

如圖5所示，液位計采用1支傾斜放置的玻璃管，其長度是垂直高度的10倍，這樣就將液位計的讀數放大了10倍，大大降低了視覺誤差。

測量點的位置與分布如圖6所示。沿液流方向，塔板上設置了6個不同位置處的清液層高度測量點。為了減小測量位置處液面波動帶來的誤差，每個測量位置設置了2個關于塔板縱向中心線對稱的測量點，取這2個對稱的測量點的清液層高度平均值得到該位置處的清液層高度hi（i＝1～6）。

3 結果與討論

圖5 清液層高度測量裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of measuring device of clear liquid height

圖6 測量點的位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of the measurement position

垂直篩板塔盤上的清液層高度分布與其結構設計和操作狀況密切相關，目前在這方面還沒有合適的數據和理論計算公式可以利用。傳統的梯度計算存在正負梯度抵消的情況，而各塔板持液量在分布圖上重疊交錯，不能清晰地區分各種塔板持液量的不均勻分布性能的優劣。為便于評價垂直篩板塔板上持液量的不均勻分布程度，我們用參差度Δ來表示，參差度越大，說明液面波動劇烈，分布效果越差；參差度越小，持液量分布越均勻，其計算公式為式（1）。

式（1）中：n為清液層高度測量點總數，n＝6；hi為塔板上第i個測量位置處的清液層高度；為整個塔板的平均清液層高度。

在同一冷模實驗裝置上，采用同樣的測試方法對TH-VST和RH-VST塔板進行了對比實驗，測得了塔板上6處不同位置處的清液層高度，從而得出不同操作狀況下的參差度。

3.1 梯形頂角的影響

由于篇幅的關系，僅給出在堰高40mm時的實驗結果，其他條件下的實驗結果走勢與之相同。圖7 是hw＝40mm，Fo＝12 m/s（kg/m3）1/2時，在不同的溢流強度下RH-VST和TH-VST塔板上的參差度和梯形頂角（RH-VST的頂角為0°）的關系。塔板參差度隨著梯形頂角的增大，先減小后增大。TH-VST在大流量下的參差度較RH-VST有明顯減小，故更適合在大流量的工況下使用。

圖7 參差度與梯形頂角的關系Fig.7 Relationship between non-uniform degree and the angle of Trapezoidal hole

根據動量守恒原理，對塔板上進口截面和出口截面間區域內的液體在單位時間內進行動量衡算（水平液流方向）。在一定工況下，可得動量衡算式：

式（2）中：QL為液體流量，m3/s；ρ為液體密度，kg/m3；h1和h2為塔板進口截面和出口截面處的清液層高度，m；w1和w2為塔板進口截面和出口截面處的流道寬度，m；α為動量傳遞效率；k為帽罩提升效率；v為底隙處被吸入帽罩內的液體流速，m/s；l為塔板液流長度，m；τ為塔板板面和壁面的摩擦應力，N/m2；fj為帽罩形體阻力，N。

在式（2）中，方程兩端第1項表示單位時間內流入塔板進口截面和流出塔板出口截面的液體所具有的動量；方程兩端第2項表示作用于兩截面上由液體靜壓所產生的水平力；方程左端第3項表示上升氣體對所吸入帽罩的液體所產生的沿液流方向的水平推動力；方程右端第3項表示塔板表面和壁面的摩擦阻力；方程右端第4項表示帽罩的形體阻力和流道的漸縮和漸擴等局部阻力。

RH-VST塔板底隙處液體的吸入方向為液流方向的垂向，對液流沒有向前的推動力作用。隨著梯形頂角θ的逐步增大，推動力沿液流方向的分量不斷增加，故參差度有所減小。

隨著頂角的進一步增加，塔板開孔率逐漸減小，梯形孔面積減小，導致帽罩體積減小，k值隨之減小，進而塔板的帽罩提升量也隨之減少，使推動力減弱。再者，隨著梯形頂角的增加，帽罩窄邊和寬邊的差距逐漸增加，使得流體在流動過程中漸縮和漸擴等局部阻力逐漸增加。故當阻力增加超過推動力增加的時候，清液層的參差度又開始增加。

當梯形頂角為4°時，梯形孔窄邊較矩形孔縮短了17.5%，開孔率為12.17%。開孔形狀能與矩形產生較明顯的差別。當梯形頂角為8°時，梯形孔窄邊較矩形孔縮短了35%，開孔率為11%，帽罩體積較RH-VST降低了17.5%。能夠保證塔板的開孔率與傳質效率。且在此范圍內，塔板的參差度較小。綜合塔板流體力學性能、帽罩形體差別、塔板開孔率和塔板傳質效率確定最佳頂角范圍為4°～8°。

3.2 液體流量的影響

圖8 是hw＝ 40mm，Fo為 9 m/s（kg/m3）1/2和12 m/s（kg/m3）1/2時，RH-VST 和 TH-VST-1 上參差度和溢流強度的關系。

圖8 參差度與溢流強度的關系Fig.8 Relationship between non-uniform degree and liquid weir load

2種塔板的參差度都隨著溢流強度的增大而增大，這是流量的增大使得帽罩的形體阻力和塔板的板面和壁面等摩擦阻力不斷增大的緣故。

當溢流強度Lw＜25 m3/（m·h）時，2 種塔板上參差度基本一致。當溢流強度Lw＞25 m3/（m·h）時，TH-VST的參差度小于RH-VST。在Fo＝12 m/s（kg/m3）1/2，Lw＝50 m3/（m·h）時，TH-VST-1 的參差度較RH-VST低17.34%。這是因為在液相負荷比較小時，清液層高度低，帽罩提升量較少，梯形孔塔板的推動力很小，加之參差度很小，故對參差度的降低作用不是很明顯。隨著液相負荷的增加，帽罩提升量也增加，帽罩的抽吸作用使推動力逐步增加，使得參差度較RH-VST也有明顯的降低。實驗數據也證明了這一點，TH-VST-1進口區域測量點1和2的液位差明顯小于RH-VST，導流作用明顯。

3.3 氣速的影響

圖9是hw＝40mm，液流強度Lw＝50 m3/（m·h）和62.5 m3/（m·h）時，RH-VST 和 TH-VST-1 上參差度和板孔動能因子的關系。2種塔板的參差度都隨著板孔動能因子的增大，先減小后增大。

圖9 參差度與板孔動能因子的關系Fig.9 Relationship between non-uniform degree and Fo

根據物料守恒原理，在穩態下，進入塔板空間的液體流量等于離開塔板的液體流量。故塔板入口流量＝塔板出口流量+帽罩提升流量+漏液流量+霧沫夾帶流量。而塔板出口流量＝塔板面積（扣除帽罩）×清液層高度×液體流速。在穩態下，塔板面積和液體流速是一定的，故塔板出口流量則是清液層高度分布的關鍵參數。霧沫夾帶流量很小，可以忽略不計，所以帽罩提升量與漏液流量便是影響清液層高度及分布的重要參數。

隨著板孔動能因子的增大，帽罩提升量隨之增大，而漏液流量隨之減小，二者的綜合作用使得板上平均清液層高度先增加后減小。當Fo＝6 m/s（kg/m3）1/2時，由于氣速較小，漏液流量較大，塔的操作狀況不穩定，所以造成清液層高度波動較大。隨著氣速增大，漏液流量迅速減小，而帽罩提升流量雖然略有增大，但變化不大，此時漏液流量起主導作用，故參差度有所減小。故在氣速適中時，參差度最小，操作狀態最佳。隨著氣速進一步增加，漏液量基本保持為0，但帽罩提升流量不斷增大，此時帽罩提升流量起主導作用，當Fo＝18 m/s（kg/m3）1/2時，帽罩區域和出口區域的清液層高度明顯降低，使清液層的分布發生較大變化，故而參差度有所回升。

從兩類塔板參差度的對比來看，TH-VST-1的導流性能明顯優于 RH-VST。在hw＝40mm，Lw＝62.5 m3/（m·h）時，TH-VST 在不同板孔動能因子下的平均參差度較RH-VST低26.63%。

3.4 參差度的關聯式

根據實驗數據，利用Origin軟件對影響參差度的有關參數進行回歸，得到了2種塔板參差度的關聯式。

RH-VST塔板

TH-VST塔板

式（3）和（4）中，Δ為參差度；θ為梯形頂角；Lw為溢流強度，m3/m·h；Fo為板孔動能因子，（m/s）（kg/m3）1/2；hw為溢流堰高，mm。

4 結論

1）TH-VST具有良好的導流性能，與傳統的RH-VST相比，在大流量的情況下能夠有效降低參差度，改善塔板持液量的不均勻分布。

2）參差度隨著溢流強度的增加而增加，隨著板孔動能因子和梯形頂角的增加，參差度先減小而后又有所回升。具有良好導流性能的梯形頂角范圍為4°～ 8°。

3）給出了塔板參差度的計算關聯式，為梯形孔塔板的設計開發提供了一定的依據。

［1］杜劍婷，杜佩衡.我國垂直篩板塔流體力學與傳質性能研究［J］. 石油化工設備，2002，31（5）：35-40 Du Jianting，Du Peiheng.Research on the fluid mechanics and mass transfer property of vertical sieve-tray tower in our country［J］.Petro-Chemical Equipment，2002，31 （5）：35-40（in Chinese）

［2］杜佩衡，杜劍婷，王榮良.垂直篩板塔流體力學與傳質研究狀況［J］. 化學工程，2003，31（4）：22-26 Du Peiheng，Du Jianting，Wang Rongliang.Research on the fluid mechanics and mass transfer property of vertical sieve-tray tower［J］.Chemical Engineering，2003，31（4）：22-26（in Chinese）

［3］彭軍，褚雅志，馬曉訊，等.泡罩垂直篩板性能研究［J］. 化學工程，2010，38（7）：5-8 Peng Jun，Chu Yazhi，Ma Xiaoxun，et al．Study on performance of bubble-cap vertical sieve trays［J］.Chemical Engineering，2010，38（7）：5-8（in Chinese）

［4］劉啟東，王志英，李春利，等.立體傳質塔板CTST板上清液層高度的研究［J］. 化工進展，2003，22（Z）：49-52 Liu Qidong，Wang Zhiying，Li Chunli，et al．Study on clear liquid height of the CTST trays［J］.Chemical Industry and Engineering Progress，2003，22（Z）：49-52（in Chinese）

［5］王樹卿.立體連續傳質塔板板上清液層高度實驗研究［J］. 化工時刊，2011，25（8）：36-38 Wang Shuqin.Review on the studies and application techniques of coker gasoline production［J］.Chemical Industry Times，2011，25（8）：36-38（in Chinese）

［6］范利颋，何劍波，袁希鋼，等.小孔篩板上清液層高度的測量與計算［J］. 現代化工，2008，28（z）：33-36 Fan Liting，He Jianbo，Yuan Xigang，et al．Measurement and calculation of clear liquid height on the smallperforated sieve tray［J］.Modern Chemical Industry，2008，28（Z）：33-36（in Chinese）

［7］Jacimovic B M，Genic S B.Froth porosity and clear liquid height in trayed columns［J］.Chem Eng Technol，2000，23（2）：171-176

［8］Fan L，Yuan X，Zeng A，et al．Measurement and correlation of clear liquid height on small hole distillation sieve tray［J］.Distillation Absorption，2010，14（7）：647-652

［9］王忠誠，姜斌，張雅芝，等.導向梯形浮閥塔板的特點及工業應用［J］. 石油化工，1998，4：43-47 Wang Zhongcheng，Jiang Bin，Zhang Yazhi，et al．Characteristics of guided trapezoid valve tray and its industrial applications［J］.Petrochemical Technology，1998，4：43-47（in Chinese）

［10］黃潔，梁繼平，王平.導向篩板上氣液動量傳遞的分析［J］. 化學工程，1988，5：8-14 Huang Jie，Liang Jiping，Wang Ping.Analysis for vapor-liquid momentum transfer on slotted sieve tray［J］.Chemical Engineering，1988，5：8-14（in Chinese）