閥片側(cè)開新型浮閥塔板水力學(xué)試驗研究

盧寶花，王逸文,3，雷潔瓊，褚易興，馬曉迅，穆 航，黃 帆，王悅邁

(1.西北大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安 710069；2.西安道特石化工程有限公司，陜西 西安 710077；3.上海鍋爐廠有限公司，上海 200245)

板式塔是重要的傳質(zhì)與分離設(shè)備，在煉油、化工、醫(yī)藥和環(huán)保等技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。板式塔浮閥是塔內(nèi)氣相自下而上通過塔板的通道，其結(jié)構(gòu)形式對塔內(nèi)流體流動狀態(tài)和傳質(zhì)的影響一直是塔板技術(shù)研發(fā)和改進(jìn)的熱點(diǎn)[4-15]。針對傳統(tǒng)上下開啟式浮閥的不足，設(shè)計了從兩側(cè)開啟的新型浮閥，在實驗室水力學(xué)性能試驗裝置上進(jìn)行了新型浮閥塔板的水力學(xué)性能試驗研究。

1 新型浮閥結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)

1.1 基本組成

新型浮閥基本組成包括閥片（2個）、基座以及軸承，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。閥片為中間帶凹槽的平板，忽略板材的厚度和凹槽的深度，閥片外形呈長方形，其一條長邊連接軸承并且沿軸向固定，另一條長邊可在一定范圍內(nèi)繞軸轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)從兩側(cè)開啟功能。

圖1 新型浮閥結(jié)構(gòu)示圖

1.2 閥片類型

閥片的可動長邊形狀有2種設(shè)計，其外形示意見圖2。

圖2 新型浮閥閥片外形示圖

圖2a為直線形狀可動長邊，將此種閥片對應(yīng)的浮閥簡稱為T1閥，將T1閥制成的試驗塔板簡稱T1塔板。圖2b為矩形齒狀可動長邊，將此種閥片對應(yīng)的浮閥簡稱為T2閥，將T2閥制成的試驗塔板簡稱T2塔板。

1.3 改進(jìn)要點(diǎn)

與上下開啟的傳統(tǒng)浮閥相比，新型浮閥在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)主要包括，①通過合頁式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)浮閥的雙向側(cè)面開啟。②側(cè)開浮閥不含閥腿，成本較低，便于加工。

2 塔板水力學(xué)性能試驗

2.1 試驗裝置及流程

塔板水力學(xué)性能測定實驗室試驗裝置由塔、水箱、風(fēng)機(jī)及離心泵等主要設(shè)備組成，根據(jù)試驗需要配置了轉(zhuǎn)子流量計、U型壓差計、托管測速儀等測量儀器儀表以及必要的管線和管件，試驗裝置及流程見圖3。圖3中，塔體為2段結(jié)構(gòu)，上段直徑450 mm，下段直徑800 mm。下段塔體內(nèi)部裝有氣體分布器，上段塔體內(nèi)部裝有試驗塔板，塔頂裝有絲網(wǎng)除沫器。

圖3 新型浮閥水力學(xué)性能測試試驗裝置流程示圖

2.2 試驗操作要點(diǎn)

以水-空氣為試驗介質(zhì)，以T1塔板、T2塔板、F1 塔板[16-17]、3D 塔板[18]為試驗塔板進(jìn)行塔板水力學(xué)性能測定試驗[11-22]，記錄不同氣速 vg及液體體積流量qV下試驗塔板的干板壓降Δp、總板壓降Δp′、漏液點(diǎn)氣速v、泛點(diǎn)氣速v′、氣速上限vmax及氣速下限vmin。試驗時氣相流程為，空氣從風(fēng)機(jī)進(jìn)，從塔頂放空。液相流程為，水從水箱出，經(jīng)過塔體返回水箱，形成一個循環(huán)。 氣相和水相在塔體內(nèi)逆向流動，在試驗塔板區(qū)域進(jìn)行氣液兩相的接觸、傳質(zhì)及分離。氣相在塔體下段通過氣體分布器完成氣相的均勻分布，在塔體上方通過絲網(wǎng)除沫器脫除攜帶的細(xì)小液滴。試驗過程中，vg用皮托管風(fēng)速儀測量，qV用轉(zhuǎn)子流量計測控，Δp和Δp′用U型管壓差計測量。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

用測定數(shù)據(jù)計算空塔動能因子 F[18-24]，用計算的 F 和測定的 Δp、Δp′、 v、v′、 vmax及 vmin繪制關(guān)系曲線，將同類關(guān)系曲線放在同一坐標(biāo)系中比較，結(jié)合塔板浮閥結(jié)構(gòu)及塔內(nèi)流體流動阻力特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析。

3 塔板水力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 壓降

3.1.1 干板壓降Δp

T1塔板、T2塔板、F1塔板及3D塔板的Δp-F變化曲線對比見圖4。

圖4 4種試驗塔板Δp-F變化曲線對比

由圖4可知：

（1）T1 塔板、T2塔板、F1 塔板、3D 塔板對應(yīng)的Δp-F曲線總體規(guī)律相似，即Δp隨著F的增大而增大。結(jié)合塔板阻力分析理論進(jìn)行綜合分析后認(rèn)為，此現(xiàn)象系氣流通過塔板時的上升阻力損失隨著氣相推動力的增大而增大所致。

（2）對應(yīng)相同的 F，F(xiàn)1塔板 Δp最大，3D塔板Δp次之，新型浮閥塔板（T1塔板和T2塔板）的Δp最小。結(jié)合塔板阻力分析理論進(jìn)行綜合分析后認(rèn)為，此現(xiàn)象系新型浮閥的開啟空間較大、無閥腿、氣相通過閥片時的阻力損失較小所致。

（3）Δp在F取值區(qū)間的總體增長幅度不同，F(xiàn)1塔板Δp總增幅最大，3D塔板的次之，新型浮閥塔板的最小。結(jié)合塔板阻力分析理論進(jìn)行綜合分析后認(rèn)為，此現(xiàn)象系新型浮閥結(jié)構(gòu)中無閥腿和閥腳、不易產(chǎn)生浮閥卡位所致。

（4）F 取值對 Δp排序有影響。0.5＜F＜2.5時，T1塔板 Δp小于 T2塔板的；2.5＜F＜3時，T1塔板Δp大于T2塔板的。結(jié)合塔板阻力分析理論進(jìn)行綜合分析后認(rèn)為，0.5＜F＜2.5 時，T1、T2 塔板上的浮閥已處于未全開狀態(tài)，T2塔板的浮閥矩形齒起到了導(dǎo)流、分散氣體以及減小上升氣相對閥片的推動力的作用，造成閥片開度較小、壓降較大。當(dāng)2.5＜F＜3 時，T1、T2 塔板上的浮閥已處于全開狀態(tài)，此時側(cè)開浮閥的導(dǎo)流齒槽起到了分散氣流、減小阻力損失的作用[25]。

3.1.2 總板壓降Δp′

T1塔板、T2塔板、F1塔板、3D塔板的Δp′-F變化曲線對比見圖5。

圖5 4種試驗塔板Δp′-F變化曲線對比

由圖5可知：

（1）T1塔板、T2塔板、F1塔板及 3D塔板對應(yīng)的 F-Δp′總體規(guī)律相似，即Δp′隨著 F的增大而增大。結(jié)合塔板阻力分析理論進(jìn)行綜合分析后認(rèn)為，此現(xiàn)象系氣流通過塔板和塔板上液層時的阻力隨著氣相推動力的增大而增大所致。

（2）F1 塔板的 Δp′增幅為 71%，3D 塔板的Δp′增幅為 58%，T1塔板 Δp′增幅為 31%，T2塔板Δp′增幅為24%，相比之下新型浮閥性能更佳，操作更穩(wěn)定。

（3）在低氣速下，T1塔板Δp′分別比F1塔板的高6%~13%，比3D塔板高6%~9%，結(jié)合塔板阻力分析理論進(jìn)行綜合分析后認(rèn)為，這是因為T1閥尺寸比F1閥和3D閥的都大，密封性更好，漏液率更低。在高氣速下，隨著氣相動能的增大，Δp′主要來源是氣相通過閥孔和液相時的阻力降，而T1閥的合頁式結(jié)構(gòu)很容易打開，T1塔板的Δp′分別比F1塔板和3D塔板的低5%~12%和1%~7%。

（4）T2 塔板 Δp′比 F1 塔板的低 4%～28%，比3D塔板的低8%～25%。結(jié)合塔板阻力分析理論進(jìn)行綜合分析后認(rèn)為，因為T2閥結(jié)構(gòu)中含有導(dǎo)流齒，漏液率較大，所以T2塔板總板壓降低于F1塔板和3D塔板的。

3.2 漏液點(diǎn)氣速v

T1塔板、T2塔板的v-qV變化曲線對比情況見圖6。

圖6 2種新型浮閥塔板v-qV曲線對比

由圖6可知：

（1）T1塔板和T2塔板的v-qV變化曲線總體規(guī)律相似，即v隨qV的增大而增大。結(jié)合塔板阻力分析理論進(jìn)行綜合分析后認(rèn)為，這是qV增大時塔板上液層厚度隨之增大，氣相需要克服更大的液層自重和表面張力所致。

（2）在整個qV取值范圍內(nèi)，T1塔板的v比 T2塔板的低8%～10%。結(jié)合塔板阻力分析理論進(jìn)行綜合分析后認(rèn)為，這是T2閥含有導(dǎo)流齒，密封性較差，漏液率較高所致，也說明T1塔板的操作穩(wěn)定性更佳。

3.3 液泛點(diǎn)氣速v′

T1塔板、T2塔板的v′-qV變化曲線對比情況見圖7。

圖7 2種新型浮閥塔板v′-qV變化曲線對比

由圖7可知：

（1）T1塔板和 T2塔板的 v′-qV變化曲線總體規(guī)律相似，即v′隨qV的增大而減小。結(jié)合塔板阻力分析理論進(jìn)行綜合分析后認(rèn)為，這是因為隨著qV的增大，塔盤上的液層厚度增大，氣液兩相的分離空間減少，霧沫夾帶變得嚴(yán)重所致。

（2）隨著 qV的增大，T1塔板的 v′比 T2塔板的高1%～6%。結(jié)合塔板阻力分析理論進(jìn)行綜合分析后認(rèn)為，主要是T1閥的自重較T2閥的大，當(dāng)氣體垂直穿過閥孔時,氣流受閥片重量的影響發(fā)生了流動方向的改變,隨之與板上水平流動的液體發(fā)生多角度碰撞,氣流穿越T1閥閥孔時的阻力比T2閥的大,氣液碰撞產(chǎn)生的作用力將塔板上的液體隨機(jī)切割成的液滴尺寸也比T2閥的大[26]。此外，T2閥有導(dǎo)流齒，能將流通過的氣體分割成很多細(xì)小的流股，從齒形縫中吹出的氣體對液體具有較大的沖力[11]，正常運(yùn)行時，較小的風(fēng)速就可以產(chǎn)生霧沫夾帶。

3.4 操作彈性

T1塔板、T2塔板的vg與qV變化關(guān)系曲線見圖8。

圖8 2種新型塔板液泛點(diǎn)操作彈性曲線對比

基于圖8討論T1塔板、T2塔板的操作彈性如下：

（1）T1 塔板和 T2 塔板的操作彈性[27]總體規(guī)律相似，即隨著液相體積流量的增大均有所降低。結(jié)合塔內(nèi)液體流動特點(diǎn)綜合分析后認(rèn)為，這是由于液層厚度隨著液相體積流量的增大而增大，液泛現(xiàn)象嚴(yán)重，泛點(diǎn)氣速減小，氣相穿過液層的阻力也隨之增大，漏液點(diǎn)氣速增大，操作彈性減小。此外，這也說明這2種新型浮閥在小流量下使用更穩(wěn)定。

（2）隨著液相體積流量的增加，T1塔板的操作彈性比T2塔板高9%～15%。因此，正常操作時，T1塔板比T2塔板操作更穩(wěn)定，流量較大時2種新型浮閥的穩(wěn)定性差距持續(xù)變大。

4 結(jié)語

設(shè)計了閥片側(cè)開的新型浮閥，進(jìn)行了2種新型浮閥塔板（T1、T2塔板）與2種上下開啟傳統(tǒng)浮閥塔板（F1塔板與3D塔板）的水力學(xué)性能測定試驗，結(jié)合浮閥結(jié)構(gòu)和塔內(nèi)流體流動特點(diǎn)進(jìn)行了測定數(shù)據(jù)的綜合分析。結(jié)果表明，在文中的試驗裝置流程和試驗條件下，新型浮閥塔板干板壓降低于傳統(tǒng)浮閥塔板的。塔板總板壓降的相對大小不能一概而論，與F1塔板相比，低氣速下T1塔板的較高，高氣速下情況相反；與3D塔板相比，T1塔板的低；與F1塔板和3D塔板相比，T2塔板的低。與上下開啟傳統(tǒng)浮閥塔板相比，新型浮閥塔板的干板壓降和總板壓降優(yōu)勢隨塔內(nèi)氣速的增大而增大。本研究為工業(yè)應(yīng)用提供了初步設(shè)計依據(jù)。