齒邊導向浮閥塔板局部氣含率的研究

劉　靜，王世忠，齊　亮，姚克儉（浙江工業大學化學工程學院，浙江　杭州　310014）

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齒邊導向浮閥塔板局部氣含率的研究

劉靜，王世忠，齊亮，姚克儉
（浙江工業大學化學工程學院，浙江杭州310014）

摘要：自制雙探頭電導探針，并用該電導探針在內徑300 mm×400 mm的矩形有機玻璃塔內，以空氣-水為物系，對塔板的局部氣含率進行了測試，研究齒邊導向浮閥的結構對塔板局部氣含率的影響。結果表明：齒邊導向浮閥塔板的導向孔對增大塔板底部的氣含率有著重要作用；齒邊導向浮閥周邊齒形的結構使得浮閥周邊氣含率的分布呈現齒形狀；齒邊導向浮閥的齒邊結構使得浮閥閥面上的氣含率增大。

關鍵詞：齒邊導向浮閥塔板；雙探頭電導探針；局部氣含率

浮閥塔板因具有效率高、操作彈性大及生產能力大等優點，在化工生產中得到較為廣泛的應用。國內廣泛應用的F1型浮閥屬于圓盤形浮閥，長期的生產實踐發現：圓盤形浮閥在操作工況中易出現閥片磨損、卡死、脫落等現象；而且該類型浮閥對液體不具有導向作用，液體返混較嚴重，液面梯度大[1]。

基于圓盤形浮閥的不足，條形導向浮閥引起研究者的關注，國內相繼出現不同類型的條形導向浮閥[2-6]。塔板上液相為連續相，氣相為分散相，氣相經過浮閥以氣泡形式進入液層中，將大氣泡轉變為小氣泡，可以增加氣液兩相的接觸面積[7-8]。結合條形導向浮閥的優點，改善氣相的分散狀況，浙江工業大學開發了齒邊導向浮閥塔板[9]。局部氣含率是描述塔內氣液兩相傳遞特性的一個重要參數，關系到塔板結構的優化設計。因此研究局部氣含率的分布對于齒邊導向浮閥塔板的性能研究、結構改善具有重要的理論指導作用。

目前，關于塔板上氣含率分布的測量方法主要有干涉法、毛細管光電法、攝像法和電導法等[10]。電導法響應速度快，便于與計算機連接；并且由于電導探針體積較小，幾乎不影響流場[11]。因此，用電導探針測量氣含率分布是一種比較可靠的方法[12-13]。本文自制雙探頭電導探針，并以空氣-水為介質，測定了齒邊導向浮閥塔板的局部氣含率，探討齒邊導向浮閥的結構對塔板上局部氣含率的影響。

1　實驗部分

1.1齒邊導向浮閥的結構與特點

齒邊導向浮閥的結構如圖1所示。齒邊導向浮閥采用條形浮閥的樣式，齒邊向下折，與浮閥的閥面的角度大概成30度，浮閥的閥面上設有箭形凹槽，在浮閥的背液閥腿上開有導向孔。

圖1　齒邊導向浮閥的結構Fig.1 Structure of flow-guided serrated valve

閥面周邊的齒形向下彎曲，會形成立體狀浮閥側孔，從下層塔板來的氣體被分割成若干股，使得塔板上的鼓泡均勻細化，提高了氣液兩相的接觸面積。閥面上的箭形凹槽可以引導氣體折轉進入上層塔板的液層，減小氣體通過浮閥的阻力。閥腿導向孔吹出的氣體，能夠推動塔板面上的液體向前流動，減小了塔板的液面梯度。

1.2局部氣含率實驗裝置

實驗裝置如圖2所示，實驗在內徑為300 mm ×400 mm，板間距為400 mm的矩形有機玻璃塔中進行，以空氣-水為物系，塔內安裝2層塔板，上層為測試板，下層是氣體分布板。空氣由離心式風機產生，經轉子流量計計量后從塔底進入塔內，水由實驗塔的上部加入，塔內不設降液管，實驗測量一定清液層高度下的齒邊導向浮閥局部氣含率，塔板上的清液層高度由與塔板相連的液位計監測。

圖2　局部氣含率實驗裝置圖Fig.2 Experimental set-up of local gas holdup

實驗主要對齒邊導向浮閥的背液閥腿上導向孔的作用以及浮閥邊緣齒邊對氣相的分割作用進行研究。因此，實驗測試了三種浮閥塔板上局部氣含率的分布，三種浮閥為：齒邊導向浮閥（圖1）、無導向孔的齒邊浮閥（圖3（a））、將齒邊改為折邊的導向浮閥（圖3（b））。實驗中只改變導向孔及折邊的設計，其他均保持不變，塔板上浮閥的排布方式也不改變。

圖3　實驗所用浮閥結構Fig.3 Structure of experimental valves

1.3測試方法

參照文獻14自制雙探頭電導探針。實驗中選用電源電壓為8 V的直流電源，數據采集卡采集頻率為500 Hz，每次采樣時間t=120 s，共采集N=61000個數據，輸出信號示意如圖4所示。對信號進行處理，選擇一個電壓閾值ΔE，大于該值的電壓信號可以認為是探針處于氣相中。統計任一點信號值中高電平信號的個數N1，則該點的時均氣含率ε為:

圖4　實驗得到的輸出信號示意Fig.4 The output signals from the experiment

1.4局部氣含率測試

為了考察導向孔的作用，實驗測量了板上清液層高度為30 mm，閥孔動能因子F0分別7.14 （m/s）（kg/m3）0.5和8.34（m/s）（kg/m3）0.5時，圖1與圖3（a）兩種結構浮閥的局部氣含率。測試點分布如圖5（a）所示。導向孔測試A區域共有45個測試點，分布在以導向孔為中線的兩側，測試點左右及上下間距均為5 mm，測試位置距塔板軸向高度H為5 mm。

為研究不同塔板軸向高度下，齒邊結構對局部氣含率的影響，實驗測量了板上清液層高度為30 mm，F0為8.34（m/s）（kg/m3）0.5時，軸向高度H分別為20、30、40、50、60和70 mm的局部氣含率。圖5（b）表示的是齒邊導向浮閥齒邊附近局部氣含率的測試點分布圖，測試點上下間距10 mm、左右間距5 mm，測試區域B共有35個測試點。另外，在相同清液層高度與閥孔動能因子下，軸向高度H為20 mm時，對圖3（b）中折邊導向浮閥的局部氣含率進行了實驗測試，測試區域和圖5（b）相同。

圖5　局部氣含率測試點示意圖Fig.5 Measuring points of local gas holdup

2　結果與討論

2.1導向孔對局部氣含率分布的影響

圖6表示的是不同F0下，板上清液層高度30 mm、H=5 mm時，無導向孔的齒邊浮閥閥腿附近局部氣含率分布的等高線圖。從圖6中可以發現，無導向孔時，不同閥孔動能因子下閥腿附近的氣含率均很低，該區域的氣液流動較平緩，存在傳質死區，不利于氣液兩相的接觸傳質。對比圖6中（a）、（b）發現，增大氣相速度并不能明顯改善背液閥腿區域氣液兩相的分布狀況。增大氣相速度雖然可以提高塔板上氣液的湍流強度，但是對于條形浮閥，由于閥腿具有一定寬度，使氣體不能向四周噴出，閥腿附近區域并不能通過提高氣相的速度來改善氣液兩相的流動狀況。

圖6　無導向孔時局部氣含率分布圖Fig.6 The distribution of local gas holdup without the guide hole

閥腿上開設導向孔，氣相從導向孔噴出，與液相流動方向一致，可以避免因氣液流動方向相反而產生大量的霧沫夾帶，同時從導向孔流出的氣體對液相有一定的推動作用，有效減少塔板上的返混現象，增大塔板底部的局部氣含率。圖7表示的是H=5 mm、清液層高度為30 mm、F0為7.14（m/s）（kg/m3）0.5時，齒邊導向浮閥閥腿附近局部氣含率分布的等高線圖。對比圖6（a）可見，有導向孔時閥腿附近的局部氣含率明顯增大，導向孔對塔板底部氣含率的分布有了很大的改善。

圖7　有導向孔時局部氣含率分布圖（H=5 mm）Fig.7 The distribution of local gas holdup with the guide hole（H=5 mm）

2.2齒邊結構對局部氣含率分布的影響

圖8表示的是清液層高度30 mm、F0為8.34 （m/s）（kg/m3）0.5時，不同塔板軸向高度H的齒邊導向浮閥B區域氣含率分布的等高線圖。由圖8可知，浮閥邊緣氣含率的分布類似于齒邊的形狀。測試點中d行位于閥面的邊線，局部氣含率分布存在明顯的差異，位于齒邊上的氣含率比較低，位于兩齒之間的齒縫時氣含率較高。e行位于閥面的中心線上，其局部氣含率的分布也類似于d行，這是因為齒縫噴出的氣體有一部分流向了浮閥的閥面上，增大了浮閥閥面上的氣含率，使得閥面不再與普通條形浮閥相同。

圖8　不同軸向高度齒邊導向浮閥的局部氣含率分布圖Fig.8 The distribution of local gas holdup of flow-guided serrated valve

圖8中等高線間距均為0.06，對比兩圖可以發現，隨著塔板軸向高度H的增加，齒邊導向浮閥的齒形結構對氣含率分布的影響越來越小。這是因為隨著H的增加，氣相流動行為受浮閥的影響越來越小；而且此時測試點已位于泡沫層中，氣體在泡沫層中的分布已趨于均勻，塔板面上的氣含率都比較接近。

基于上述實驗結果，對相同清液層高度及閥孔動能因子下，軸向高度H為20 mm時，無齒邊的折邊導向浮閥（圖3（b））局部氣含率進行測定。圖9表示折邊導向浮閥局部氣含率分布的等高線圖。由圖9可知，橫向上氣含率的分布與齒邊導向浮閥的不同，橫向上氣含率分布比較均勻，縱向上氣含率差值較大，分布不均勻；閥面上方的氣含率較低，氣液接觸狀況較差，可能會有傳質死區。這是因為齒形邊對氣體有分割作用，且齒邊與齒縫的結合可以形成立體的浮閥側孔，增大液層的氣含率。

圖9　無齒邊時局部氣含率分布圖Fig.9 The distribution of local gas holdup without serrated edge

3　結論

（1）齒邊導向浮閥的導向孔對塔板底部氣含率的分布有重要影響，增大了底部氣含率，能夠有效地改善閥腿附近的傳質死區；

（2）齒邊導向浮閥的齒邊結構對浮閥周邊的氣含率有較大影響，齒邊結構能夠增大閥面上的氣含率，增加塔板面上氣含率分布的均勻性。同時齒邊也使得浮閥附近區域的氣含率分布類似于齒形分布。

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澳大利亞擬批準住友化學的殺菌劑Prolectus

澳大利亞農藥和獸藥管理局（APVMA）近日建議批準登記住友化學的殺菌劑Prolectus（活性成分：胺苯吡菌酮）。該殺菌劑將登記用于防治食用及釀酒葡萄上的灰霉病（Botrytis cinerea）。公眾評議期為2016年1月12日至2016年2月9日。胺苯吡菌酮由住友化學研發，對葡萄孢屬病菌、菌核病和鏈核盤菌屬病有高效防治作用。胺苯吡菌酮于2012年獲歐盟批準，并于年底推出Prolectus產品。

(來源：http://cn.agropages.com/News/NewsDetail——11135.htm)

分析測試

Experimental Research on Local Gas Holdup in Flow-guided Serrated Valve Tray

LIU Jing，WANG Shi-zhong，QI Liang，YAO Ke-jian （College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014，China）

Abstract:Local gas holdup was measured by the self-made double-sensor conductivity probe in order to investigate the influence of the structure of flow-guided serrated valve on local gas holdup distributions on a tray. The experiment was carried out with an air-water in a rectangular organic glass column with an inner diameter of 300 mm×400 mm. Research shows that the guide hole play an important role in improving the distribution of local gas holdup at the bottom of the tray，the characteristic of local gas holdup distribution near the flow-guided serrated valve was the tooth shape due to the structure of valve. Moreover，the serrate structure can also increase the local gas holdup on the top of valve.

Keywords:flow-guided serrated valve tray; double-sensor conductivity probe; local gas holdup

作者簡介：劉靜（1988—），男，碩士生，主要研究方向為傳質與分離。E-mail:liujzj2012@163.com。

收稿日期：2015-05-13

文章編號：1006-4184（2016）1-0040-05