穿流塔板上兩相競爭性流動特性

張家佳， 王亦飛， 毛霞君， 章岳峰， 于廣鎖（華東理工大學煤氣化與能源化工教育部重點實驗室，上海市煤氣化工程技術研究中心，上海 200237）

穿流塔板上兩相競爭性流動特性

張家佳， 王亦飛， 毛霞君， 章岳峰， 于廣鎖
（華東理工大學煤氣化與能源化工教育部重點實驗室，上海市煤氣化工程技術研究中心，上海 200237）

對一種穿流式固閥塔板進行了流體力學冷態實驗考察。采用常溫、常壓下的空氣和水作為實驗介質，測試了不同操作條件下塔板的干板壓降、全板壓降和清液層高度，比較了不同的塔板結構參數對流體力學性能參數的影響。實驗結果表明，塔板壓降和清液層高度均隨著孔中心距和開孔率的減小而增大，而隨著孔徑的增大而增大。氣液兩相在穿流塔板上為逆流流動，且隨著氣液流量的變化呈現出4種不同的流動形態。建立了清液層高度的經驗式，且計算值與實驗測量值吻合良好。推導了描述穿流塔板獨特的流動形態的參數即氣體流通分率的數學表達式，計算結果表明，該分率隨著孔中心距的減小而減小，并隨著孔徑和開孔率的增大而減小。

穿流塔板；流體力學；多相流；固閥塔板

在分離設備中，板式塔由于造價低、應用范圍廣而具有較大的優勢［1］。在溢流式塔板上，出口安定區兩相的相間接觸減少，對于氣相夾帶飛灰的洗滌過程，固體易于在此沉積。近年來學者們將關注的重點轉移到穿流塔板上。穿流塔板是一種沒有降液管的多孔塔板，氣液兩相交替流過塔板開孔區的獨特流動形式為穿流塔板提供了“自清潔”特性［2］，在含有固相的結晶和洗滌等過程中，穿流塔板表現出良好的抗堵性能。

在前期的研究中，人們對穿流塔板的研究主要集中于傳質效率，鮮有對塔板上的流體力學特性研究。Xu等［3］在穿流塔板上對甲醇-水和甲醇-異丙醇精餾系統的塔板效率進行了實驗研究。Hutchinson等［4］研究了不同負荷和回流比對甲醇-水體系的分離效率的影響。Furzer等［5］研究了不同塔板數的穿流篩孔板的傳質效率。Miyahara等［6］研究了穿流塔板上泡沫區和轉變區的液相傳質系數和氣液相界面積。Garcia等［7］提出了穿流塔板用于精餾過程的設計和分析的理論方法。Domingues等［8］提出了新方法嵌套Aspen Plus 12.1模擬軟件，對溢流浮閥塔板和穿流塔板的全塔效率進行了預測。Kister等［9］將穿流塔板與溢流式篩孔、浮閥和泡罩塔板進行了傳質性能的比較。雖然也有一些研究［10-13］對穿流塔板和其他一系列塔板進行比較，但是所研究的穿流塔板的鼓泡元件為篩孔，對固閥的研究較為少見。

本文測量了穿流固閥塔板的塔板壓降、清液層高度等塔板流體力學參數，并對清液層高度提出關聯式。描述了穿流塔板上兩相逆流接觸的4種不同流動形態。定義了描述穿流塔板獨特流動形態的特征參數即塔板開孔區氣體流通分率，并推導了該氣體流通分率的計算模型。研究了氣液兩相流量、塔板孔徑、孔中心距和開孔率等結構參數對塔板的流體力學性能的影響。

1　研究方法

本文在內徑500 mm的有機玻璃塔內對穿流固閥塔板進行了流體力學特性研究。塔板上兩相流動形式如圖1所示，實驗裝置圖如圖2所示，塔板結構參數見表1，其中dh為孔徑，th為孔中心距，n為孔數，AO為開孔率。采用常溫常壓的空氣和水為測試流體。空氣由鼓風機經氣體均布器進入塔底，向上經過塔板后從塔頂氣體出口排出。水由儲罐經過液體均布器進入塔頂，向下經過塔板后從塔底返回儲罐以供循環。

調節空氣和水的流量以保證塔板處于正常的操作狀態，塔板壓降由壓差傳感器采集，清液層高度由U型液位計測量。塔板上圓形固閥呈正三角形排列，實驗中分別對4塊塔板進行測試，以考察孔徑、孔中心距離和開孔率等結構參數對塔板流體力學性能的影響。

圖1　穿流固閥塔板的流動形態Fig.1 Flow pattern of dual-flow fixed valve tray

圖2　實驗流程圖Fig.2 Experiment flow chart

表1　穿流塔板結構參數Table 1 Dual-flow trays specifications

2　結果與討論

2.1兩相流型

氣液兩相在穿流塔板上逆流流動，液體穿過閥孔流入下一級塔板，與下一塔板的泡沫區和噴射區接觸，為兩相提供了更大的相接觸面積，其有效傳遞空間更大。穿流塔板上的兩相競爭性地流過同一開孔區域的特征，表現為塔板上兩相混合的動態變化過程，即在某一閥孔中的不同時間內氣液兩相交替流過，在某一瞬間，一部分閥孔為液體占據，另一部分為氣體流動通道。

在本實驗中，對于不同的氣液流量，塔板上有4種不同的流動狀態，如圖3和圖4所示。在低氣速和清液層高度較小時，氣體通過一部分閥孔無規則地鼓泡，而且鼓泡是間斷的，即塔板上液體間斷地阻塞氣體流動。在低氣速和清液層高度略大時，出現蜂窩狀泡沫，這是塔板上充滿一層很薄的、湍動程度很低的蜂窩狀泡沫層，氣液兩相無規則地通過塔板。在氣速和清液層高度適中時，塔板上出現均勻泡沫層，此時泡沫層開始湍動，在其中形成無規則的波并使液體從某些孔中滴漏下去。在高氣速和清液層高度較大情況下形成循環泡沫區，這時泡沫激烈湍動，在泡沫層中形成循環（中心處向上，壁面附近向下），液體主要在塔壁附近滴漏。

圖3　穿流塔板上氣液接觸狀態Fig.3 Gas-liquid flow pattern on the dual-flow tray

圖4　泡沫層周期振動的類型Fig.4 Type of periodic vibration on the froth layer

在清液層高度較大且氣速較高的情況下，充氣液體在整個塔板上呈現擺動狀態，此時可以分為兩種振動方式：第1種方式在清液層中等高度時出現，它有一個波節直徑，這時液體在塔板上從一側向另一側來回擺動，同時還伴隨著圍繞塔板中心的旋轉運動，液體在波峰處周期性地滴漏；第2種方式在清液層高度較小時出現，它有一個波節圓，這種波對塔體中心線是對稱的，而且有連續的波峰和波谷。這兩種振動方式的振幅均隨氣速和持液量的增加而增加。

2.2壓降

塔板壓降是影響氣體分布性能的主要因素，在低壓條件下尤為顯著［14］。本實驗中塔板的干板壓降（pd）如圖5所示。結果表明，干板壓降隨著孔中心距、孔徑和開孔率的減少而增大，且隨著氣體表觀流速（G）的增大而增大。

圖5　塔板的干板壓降Fig.5 Dry-plate pressure drop of trays

穿流塔板上的壓力平衡方程可寫為

其中：ht為塔板的總壓降，以液層高度表示；hdG為氣體通過x分率的閥孔的壓降；hL為氣體穿過泡沫層的壓降；hLd為液體通過1－x分率閥孔的壓降；h′L為推動液體穿過1－x分率閥孔的液體靜壓力。

hdG一般形式為［15］：

其中：ρL為水密度；ρG為蒸汽密度；g為重力加速度；u2x為穿過x分率的閥孔的氣體線性速度；Cv為孔流系數。

孔流系數Cv的計算模型存在很多的不同形式。對于穿流塔板上的穿孔流動，Leibson［16］最早以關聯圖的形式提出了孔流系數的函數表達，歸納為關聯式如下：

其中：tt為塔板的板厚；dh為閥孔孔徑；Ah為開孔面積。

穿流塔板上的流體動力學特征表現為液體的動量轉化為克服靜壓梯度，以使液體向下流動的靜壓頭。塔板上兩相的振蕩是由液體重力與氣體壓降和表面張力總和的動態競爭所導致。相比篩孔塔板，固閥塔板一般采用較大的孔徑，故閥孔處的表面張力可忽略不計，固閥上的力的競爭為液體重力和氣體慣性。對于此復雜過程，本文關注氣體流動部分：

圖6～圖8給出了在相同的實驗條件下，不同塔板的壓降隨著氣體和液體流量（L）的變化規律。由圖可知，塔板壓降隨著液體流量的增加而增加，其隨氣體流量的變化亦有相同的趨勢。由塔板的比較可得，塔板壓降隨著孔中心距和開孔率的減小而增大，隨著孔徑的增大而增大。特別地，如圖7所示，孔徑對于塔板壓降的影響并不顯著。

圖6　不同孔中心距的塔板（Tray 1#，2#）下，氣液兩相流量對塔板壓降的影響Fig.6 Effect of gas and liquid flow on total pressure drop of tray 1#and tray 2#

圖7　不同孔徑的塔板（Tray 2#，3#）下，氣液兩相流量對塔板壓降的影響Fig.7 Effect of gas and liquid flow on total pressure drop of tray 2#and tray 3#

2.3清液層高度

Kotschering等［17］提出了穿流塔板上的當量清液層高度的關聯式，Xu等［3］對該關聯式做了修正，該修正方程如下所示：

然而，該關聯式并沒有包含孔中心距的影響，根據實驗結果，對該關聯式修正如下：

其中：L為液體流量；Us為表觀氣速；ML為液相摩爾質量；指數n由式（7）計算。

圖8　不同開孔率塔板（Tray 1#，4#）下，氣液兩相流量對塔板壓降的影響Fig.8 Effect of gas and liquid flow on total pressure drop of tray 1#and tray 4#

由式（6）所得的計算值與實驗測量值的對照如圖9所示，該關聯式的標準偏差為14.3%。

圖9　清液層高度的實驗值與計算值的對照Fig.9 Parity plot for the experimental and calculated clear liquid height

清液層高度隨著氣體和液體流量的變化趨勢如圖10～圖12所示。清液層高度隨著氣體流量的增大而增大，并對液體流量的增大呈現出近似線性增大的規律。由不同塔板間的比較可得，清液層高度隨著孔中心距和開孔率的減小而增大，而隨著孔徑的增大而增大。在低負荷條件下，泡沫層高度顯著減少，只有較少的孔內存在兩相的接觸，氣液兩相接觸時間縮短，此時不同塔板的清液層高度幾乎沒有區別。

圖10　不同孔中心距塔板（Tray 1#，2#）下，氣液兩相流量對清液層高度的影響Fig.10 Effect of gas and liquid flow on the clear liquid height of tray 1#and tray 2#

圖11　不同孔中心距塔板（Tray 2#，3#）下，氣液兩相流量對清液層高度的影響Fig.11 Effect of gas and liquid flow on the clear liquid height of tray 2#and tray 3#

圖12　不同孔中心距塔板（Tray 1#，4#）下，氣液兩相流量對清液層高度的影響Fig.12 Effect of gas and liquid flow on the clear liquid height of tray 1#and tray 4#

2.4開孔區的氣體流通分率

穿流塔板上的“漏液”是產生于塔板上的湍流波和液體表面的振蕩，液體以連續水柱而非簡單的水滴形式穿過閥孔。在某一時刻，氣液兩相可能通過同一孔流動或者分別穿過不同的孔流動。

氣體和液體流動的自由通道面積總和等于塔板的開孔面積，即

其中：AFG為氣體流通面積；AFL為液體流通面積。

自由通道面積對于每一塔板是固定值，其值等于一段時間（ts）內氣體和液體流通面積的平均值，其中ts為一段充足的時間以保證以下積分收斂：

氣液兩相穿過自由面積主要有兩相同時通過某一孔或者分別在不同的孔內流動，所有孔內振蕩性的交替流過氣體和液體，或兩者的組合形式。

由此，塔板上開孔區的氣體流通分率定義如下：

由于沒有直接的測量方法用于該參數的測量，故其必須由塔板壓降等其他參數推導得出。由實驗測量得到塔板壓降和清液層高度后，式（4）可寫為：

可得出

氣體流通分率受各參數影響的結果如圖13～15所示。由圖可知，該氣體流通分率隨著氣體流量的增大而增大，隨著液體流量的增大而減小。由不同塔板間的比較可知，塔板上開孔區的氣體流通分率隨著孔中心距的增大而增大，而隨著孔徑和開孔率的減小而增大。但孔徑對于該分率的影響并不顯著（圖14）。如圖15所示，當塔板的開孔率已足夠大時，氣體流通分率將不再隨液體流量的變化而變化。

3　結 論

本文通過對孔徑、孔中心距和開孔率等結構參數對穿流式固閥塔板的流體力學性能的影響進行研究，得出塔板壓降和清液層高度對于塔板結構參數的變化規律，即隨著孔中心距和開孔率的減小而增大，而隨著孔徑的增大而增大。對清液層高度與塔板結構參數和操作變量進行了關聯，擬合值與實驗測量值吻合良好。對穿流塔板的特征參數即氣體流通分率進行了定義并推導計算式，計算結果表明，塔板上氣體流通分率隨著孔中心距的減小而減小，并隨著孔徑和開孔率的增大而減小。且在各個塔板結構變量中，孔徑對氣體流通分率的影響最不顯著。

圖13　孔中心距對氣體流通分率的影響Fig.13 Effect of center distance on the fraction of holes passing gas

圖14　孔徑對氣體流通分率的影響Fig.14 Effect of hole’s diameter on the fraction of holes passing gas

圖15　開孔率對氣體流通分率的影響Fig.15 Effect of open area on the fraction of holes passing gas

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Competitive Characteristics of Two Phase Flow on the Dual-Flow Tray

ZH ANG Jia-jia， WANG Yi-fei， MAO Xia-jun， ZHANG Yue-feng， YU Guang-suo
（Key Laboratory of Coal Gasification and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education，
Shanghai Engineering Research Center of Coal Gasification，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

This paper addresses an experimental investigation in the hydrodynamic behavior of a new type of dual-flow fixed valve tray.Water/air system was used at atmospheric pressure and ambient temperature.The dry pressure drop，total pressure drop and clear liquid height were measured and the comparisons between different tray geometries were made.The results show that the total pressure drop and clear liquid height have the same trend，which is increased with the decreased center distance of holes，increased hole’s diameter and decreased open area.Correlation for clear liquid height is proposed，and the agreement of the experimental and calculated data is demonstrated.The results show that gas and liquid flow counter-currently through the tray holes and four main hydrodynamic regimes are distinguished at different gas/liquid loads.A characteristic parameter named the fraction of holes passing gas is defined and deduced.The calculated results show that the fraction of holes passing gas is reduced by the decreased center distance of holes，while the increased hole’s diameter and open area leads to the less fraction.

dual-flow tray；hydrodynamics；multiphase flow；fixed valve tray

TQ546

A

1006-3080（2016）01-0009-06 DOI：10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.01.002

2015-06-28

國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2012AA053101）

張家佳（1986-），女，安徽蚌埠人，主要研究氣液兩相流傳熱強化。

王亦飛，E-mail：wangyf@ecust.edu.cn