马俊宏_新型浮阀塔板的流体力学性能_马俊宏
DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2006.08.020
化 工 进 展
·942·
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2006年第25卷第8期
新型浮阀塔板的流体力学性能
马俊宏1，华志明2，王建亮1，赵 培1
（1华东理工大学化工学院，上海 200237；2 新疆大学化工学院，新疆维吾尔族自治区 乌鲁木齐 830000）
摘 要：在φ1 000 mm的圆塔内，采用空气－水系统，对十字旋阀塔板、组合导向浮阀塔板、ADV 浮阀塔板和F 1浮阀塔板的阀孔临界气速和压降进行了对比试验。此外，还对前3种浮阀塔板的泄漏和雾沫夹带进行了对比试验。实验数据由计算机实时采集和处理，试验结果综合表明：十字旋阀塔板适用于低液流强度操作状况；组合导向浮阀塔板适用于大液流强度的操作状况；ADV 浮阀塔板则适用于中等液流强度操作状况。 关键词：塔板；临界阀孔气速；压降；漏液；雾沫夹带
中图分类号：TQ 051.8 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2006）08–0942–05
Hydrodynamic characteristics of new type valve trays
MA Junhong，HUA Zhiming，WANG Jianliang1，ZHAO Pei1
(1School of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China ；
2
12
School of Chemical Engineering，Xinjiang University，Wulumuqi 830000，Xinjiang ，China)
Abstract ：The valve hole critical gas-velocity and the pressure drop of the type-cross valve trays，combined pilot valve tray，ADV valve tray and F1 valve tray were investigated in a φ1 000 mm column by using air-water system. Besides，the weeping and entrainment of the preceding three kinds of valve trays were measured with the same experiment conditions. All data were gathered and processed by computer. The results show that the type-cross valve tray is suitable for low fluid-flow intensity，the combined pilot valve tray is suitable for high fluid-flow intensity，and the ADV valve tray is suitable for middle fluid-flow intensity. Key words：valve tray；valve hole critical gas-velocity；pressure drop；weeping ；entrainment
浮阀塔板[12]是20世纪50年代初期在工业上开始推广使用，并成为国内应用最广泛的板式塔型。研究者认为：根据不同的分离物系特性和气液负荷，应选用不同的浮阀塔板。为此，本文作者就目前国内应用较广的浮阀塔板的流体力学性能作了较充分的研究。
－
上的液体滞止区；组合导向浮阀塔板在操作过程中不转动，浮阀无磨损，不脱落，见图1。
1 新型浮阀塔板的特点
1.1 组合导向浮阀塔板
—
组合导向浮阀塔板[34]上配有不同的导向浮阀，浮阀上设有导向孔，导向孔的开口方向与塔板上的液流方向一致。在操作中，从导向孔喷出的具有向前分速度的气体推动塔板上液体流动，从而可明显减小甚至完全消除塔板上的液面梯度；导向浮阀为梯形和矩形，两端设有阀腿，在操作过程中气体不是从四面流出，而是从浮阀的两侧流出，因此，组合导向浮阀塔板上的液体返混较小；塔板两侧的弓形区内，梯形导向浮阀可以加速该区域的液体流动，从而可消除塔板
图1 组合导向浮阀塔板
收稿日期 2006–02–24；修改稿日期 2006–04–21。
第一作者简介 马俊宏（1977—），男，硕士研究生，主要从事塔设备研究。E –mail 64586116@163.com。
第8期 马俊宏等：新型浮阀塔板的流体力学性能 ·943·
1.2 ADV浮阀塔板
ADV 微分浮阀设计为一种新型浮阀。该浮阀顶面有切孔，部分气流由此喷出，形成细密的气泡，充分利用了浮阀上部的传质空间，气液接触更充分，提高了传质效率。ADV 微分浮阀顶面切孔的设计一方面改善了高负荷下的气流冲击，从而减少了雾沫夹带；另一方面还消除塔板上液体滞留现象，提高气液分布的均匀度；再一方面采用鼓泡促进器使整个塔板鼓泡均匀，增加鼓泡区的面积，从而增加了塔板的处理能力和提高了传质效率。同时，阀脚采用新的结构设计，使浮阀安装快捷方便。操作
－
时浮阀不易旋转，不会脱落[56]。见图2。
图3 十字旋阀塔板
50年代后期的石油化工生产中得到极为广泛的应用。但随着塔器技术不断进步，发现F1浮阀塔板存在着以下不足：塔板上液面梯度较大；塔板上液体返混程度较大；在塔板两侧弓形部位存在着液体滞止区，这三方面对塔板效率都有不利影响；在操作中，浮阀和网孔易被磨损，浮阀易脱落。
2 新型浮阀塔板的流体力学测试方法
图2 F1浮阀塔板或ADV 微分浮阀塔板
1.3 十字旋阀塔板
—
十字旋阀塔板[78]吸取了ADV 浮阀塔板和导向浮阀塔板的优点，其独特的“十”字形的结构和合理布置，使塔板上任意相邻四阀喷出的气流与板上液流呈多角度交错，且气流通道面积大，气流速度低而均匀，从而大大减小了雾沫夹带。同时，阀孔吹出的气体顺液体流动方向具有一定的导向作用，可以降低液面梯度，增加处理能力。从十字阀孔吹出的气流与塔板上的液流互相接触，产生旋流，使垂直向上的气速分速度减小，且浮阀侧部的气体通道截面积大，明显减小了气液两相的对冲，改善了塔板的流体力学性能。该新专利已在山东泰丰矿业集团有限公司12 kt丙二醇装置中应用，使塔板处理能力和分离效率比同类塔板提高近15％，见图3。
1.4 F1型浮阀塔板
F1型浮阀是美国Glitsch 公司率先开发推出的浮阀塔板。它由圆盘形阀片和三条阀腿组成，因其具有操作弹性大、效率高等诸多优点，在20世纪
2.1 实验装置
各种塔板的流体水力学对比实验是在新建的冷模实验塔上进行的。该塔直径1 000 mm，高6 000 mm 。冷模实验塔共有5层塔板，最上一层为开孔率是20.5％的十字旋阀塔板，用来收集雾沫夹带。其下分别装有开孔率为15.25％的十字旋阀塔板、组合导向浮阀塔板、ADV 浮阀塔板和F 1型浮阀塔板。 2.2 实验过程
采用空气–水系统测量塔板的阀孔临界气速、压降、泄漏、雾沫夹带数据。空气由带变频的鼓风机输送，其转速由计算机控制，流量由皮托管通过三通弯头连接U 形压差计和差压变送器换算而得。这样气体流量既可由皮托管测定和读出，也可由数字显示仪表读出；同时，计算机实时将数字显示仪表液位高度读数换算成空塔气速并显示出来。水用离心泵输送，其流量由转子流量计测定；最底下一块塔板流出的液体返回水槽循环使用。雾沫夹带和泄漏的液体则有两个液体收集桶收集；通过液位变送器将液位高度送入数字显示仪，数字显示仪既显示液位高度，同时也把信号输送入计算机，通过计算机实时处理，以雾沫夹带率或泄漏率的形式显示出来，为下一步
·944·化 工 进 展 2006年第25卷
表2 出口堰高为30 mm时各塔板的临界阀孔气速
液流强度 /m3·h 1·m
－
－1
调节气速提供参考。压差的测定也是由数字显示控制仪将差压变送器传送来的模拟信号转换成数字信号送入计算机，如图4。
1
2
10
2
2
2
4 3
十字旋阀塔组合导向浮 ADV 浮阀塔F1浮阀塔
板/m·s －1阀/m·s 1 板/m·s
－
－1
板/m·s
－1
10 30 50
10.00 8.75 9.33 8.80 10.42 9.32 9.75 9.10 11.37 10.01 10.21 9.89
5
13 7
8
9
12 12
5
16
6
11
11
14
15
图4 新型浮阀塔板实验研究流程图
1—计算机；2—数字显示控制仪；3—塔体；4—进水管；5—皮托管和差压变送器；6—鼓风机；7—漏液收集口；8，9—雾沫夹带或漏液收集桶；10—集线器；11—液位变送器；12—缓冲器；13—出水口；
14—水槽；15—水泵；16—流量计
3 实验结果与讨论
3.1 阀孔临界气速
浮阀刚好全部张开时的气速称为阀孔临界气速。浮阀塔的最佳操作点应在阀孔临界气速附近，这是因为在阀孔临界气速条件下操作，塔板上的不正常操作工况如雾沫夹带和泄漏都很小，塔板上汽液处在良好接触状态。在冷模实验塔中，利用空气–水系统，在板间距为600 mm、出口堰高为30 mm和50 mm、开孔率为15.25％以及液流强度为10 m3/(h·m) 、30 m 3/(h·m) 和50 m3/(h·m) 条件下测定了十字旋阀塔板、组合导向浮阀塔板、ADV 浮阀塔板和F1浮阀塔板的临界阀孔气速，实验数据见表1和表2。
由表1、表2所示的实验数据可以看出：在相同的出口堰高的条件下，阀孔临界气速随液流强度的增大而增大；在相同的开孔率和液流强度下，阀孔临界气速随出口堰高的增大而增大；在相同的出口堰高和液流强度下，十字旋阀塔板的阀孔临界气速最大，而F1型浮阀塔板的阀孔临界气速最小。
在实验过程中发现，当气速由小向阀孔临界气速增大时，浮阀的打开并不是同时的。对于十字旋阀塔板，在液流强度为10 m3/(h·m) 时，浮阀的打开基本上是均匀的；在液流强度为30m 3/(h·m) 、50 m3/(h·m) 时，中间的浮阀最先张开。这可能是由于十字旋阀塔板的气流通道面积较大，穿越气体通道的阻力较小。 3.2 塔板压降的比较
利用空气–水系统，在开孔率为15.25％、板间距为600 mm、出口堰高为50 mm的条件下，测定了十字旋阀塔板、组合导向浮阀塔板、ADV 浮阀塔板和F1型浮阀塔板在不同液流强度和不同阀孔动
m) 、能因子下的塔板压降。液流强度为0、10 m3/(h·
30 m3/(h·m) 、50 m3/(h·m) 条件下，各种塔板的压降比较见图5～图8。
塔板压降∆p /m m H 2O
表1 出口堰高为50 mm时各塔板的临界阀孔气速
液流强度 /m3·h 1·m 1
－
－
30.5
阀孔动能因子F 0/(m/s) (kg/m)
十字旋阀塔 组合导向浮 ADV 浮阀塔 F1浮阀塔板/m·s 1
－
(1) 十字旋阀塔板的干板压降在浮阀全部张开以前是最大的，并且十字旋阀塔板的临界阀孔气速
30 10.85 9.45 9.98 9.14
也是最大的；随着阀孔动能因子的逐渐增大，组合
50 11.52 10.25 10.63 9.87
导向浮阀塔板和F1型浮阀塔板的压降赶上并超过
10 10.17 8. 80 9.41 8.90
阀/m·s 1 板/m·s 1
－
－
板/m·s
－1
图5 干板压降的比较
（1 mmH2O=0.098 kPa）
第8期 马俊宏等：新型浮阀塔板的流体力学性能 ·945·
塔板压降∆p /m m H 2O
(3) 随着液流强度的增大，各塔板压降的上升幅度也越来越大。这可能是在较高气速下，液流强
60.0
度对塔板压降的影响加大。 3.3 塔板泄漏率的比较
实验中利用空气–水系统，在开孔率为15.25
30.0
％、板间距为600 mm、出口堰高为50 mm，液流333
10 m/(h·m) 、30 m/(h·m) 、50 m/(h·m) 强度为条件下分别测定了十字旋阀塔板、组合导向浮阀塔15.0
5.0 10.0 15.0 20.0
ADV 浮阀塔板在不同气速下的泄漏率，见图9～板、阀孔动能因子F 0/(m/s) (kg/m3) 0.5
图11。 图6 塔板压降的比较(L ＝10m 3·h —1·m —1)
90.090.060.0
泄漏率Q /％
塔板压降∆p /m m H 2O
10.08.06.04.0
30.0
2.0
5.0
—
阀孔气速u 0/m·s 1
3
15.0
5.0 10.0 15.0 20.0
30.5
阀孔动能因子F 0/(m/s) (kg/m)
1.0
3.0
10.0 15.0
—1
—1
图7 塔板压降的比较(L ＝30 m3·h —1·m —1)
图9 塔板泄漏率的比较(L =10 m·h ·m )
塔板压降∆p /m m H 2O
90.060.0
10.08.06.0
30.0
泄漏率Q /％
4.0
2.0
5.0
—
阀孔气速u 0/m·s 1
3
15.0
5.0 10.0 15.0 20.0
阀孔动能因子F 0/(m/s) (kg/cm2) 0.5
1.0
3.0
10.0 15.0
—1
—1
图8 塔板压降的比较(L =50 m3·h —1·m —1)
图10 塔板泄漏率的比较(L =30 m·h ·m )
十字旋阀塔板的压降。这可能是因为十字旋阀塔板的气流通道面积较大的缘故。比较特殊的是，ADV 浮阀塔板的干板压降在浮阀全部张开以前是随着阀孔动能因子的增大而增大的。这可能是因为ADV 浮阀顶部开有多个小孔的缘故。
(2) 随着液流强度的增大，十字旋阀塔板压降
ADV 浮阀塔板压降增大的幅增大的幅度是最小的，
度是最大的。因此在小液体流量下，十字旋阀塔板的压降大于ADV 浮阀塔板压降；而在大液体流量
ADV 浮阀塔板的压降已远远超出十字旋阀塔板下，
的压降。这可能是由于十字旋阀塔板干板压降较大的缘故。
10.08.06.0
泄漏率Q /％
4.0
2.0
5.0
—
阀孔气速u 0/m·s 1
3
1.03.0
10.0 15.0
—1
—1
图11 塔板泄漏率的比较(L =50 m·h ·m )
(1) 在较低气速下，十字旋阀塔板的泄漏率要低于组合导向浮阀塔板和ADV 浮阀塔板的泄漏率；
而在较高气速下，十字旋阀塔板的泄漏率则高于组合导向浮阀塔板和ADV 浮阀塔板的泄漏率。即十字旋阀塔板泄漏率曲线的下降幅度是最小的。这可能与十字旋阀塔板较强的鼓泡性能有关。
(2) 在较高气速下，组合导向浮阀塔板和ADV 浮阀塔板的泄漏已基本上消除；而十字旋阀塔板仍有一定的泄漏。这可能与十字旋阀塔板的临界阀孔气速有关，十字旋阀塔板的临界阀孔气速比其他浮阀塔板的临界阀孔气速大，只有阀孔气速达到或超过临界气速时，才能消除塔板泄漏。 3.4 塔板雾沫夹带率的比较
利用空气–水系统，在开孔率为15.25％、板间距为600 mm、出口堰高在50 mm，液流强度为10 m 3/(h·m) 、30 m3/(h·m) 、50 m3/(h·m) 条件下在不同空塔动能因子下分别测定了十字旋阀塔板、组合导向浮阀塔板、ADV 浮阀塔板的雾沫夹带率。
10.08.06.0
雾沫夹带e v /％
4.0
2.0
1.5
2.0 2.5 3.0空塔动能因子F /(m/s)(kg/m3) 0.5
1.0
1.2
图14 L =50 m3/(h·m) 塔板雾沫夹带率的比较
10.08.06.0
雾沫夹带e v /％
4.0
强度下，十字旋阀塔板的雾沫夹带率已远远大于
在实验中观组合导向浮阀塔板和ADV 浮阀塔板。
察到：在小液流强度下，与组合导向浮阀塔板和ADV 浮阀塔板相比，十字旋阀塔板上的泡沫层细而均匀；在大液流强度下，则有一定的喷溅现象。这可能与十字旋阀塔板独特的结构有关。十字旋阀塔板上任意四阀喷出的气流与板上液流成多角度交错，使液体产生旋流，同时，阀孔吹出的气体顺液体流动方向具有一定的导向作用，可以消除液面梯度。
2.0
1.5
2.0 2.5 3.0空塔动能因子F /(m/s)(kg/m3) 0.5
4 结 论
(1) 十字旋阀塔板的临界阀孔气速最大，F1型
浮阀塔板最小。
(2) 在大于临界阀孔气速时，ADV 塔板的干板压降最小，而十字旋阀塔板最大；随着阀孔动能因子的逐渐增大，组合导向浮阀塔板和F1型浮阀塔板的压降赶上并超过十字旋阀塔板的压降。随着液流强度的增大，十字旋阀塔板压降增大的幅度最小，ADV 浮阀塔板压降增大的幅度最大。
(3) 在较低气速下，十字旋阀塔板的泄漏率要低于组合导向浮阀塔板和ADV 浮阀塔板的泄漏率；在较高气速下，组合导向浮阀塔板和ADV 浮阀塔板的泄漏已基本上消除；而十字旋阀塔板仍有一定的泄漏。
(4) 在小液流强度下，十字旋阀塔板的雾沫夹带率低于组合导向浮阀塔板和ADV 浮阀塔板的雾沫夹带率；在中等液流强度下，十字旋阀塔板的雾沫夹带率介于组合导向浮阀塔板和ADV 浮阀塔板的雾沫夹带率之间；但在较大液流强度下，十字旋阀塔板的雾沫夹带率已远远大于组合导向浮阀塔板和ADV 浮阀塔板。
（下转第962页）
1.01.2
图12 L =10 m
3/(h·m) 塔板雾沫夹带率的比较
10.08.06.0
雾沫夹带e v /％
4.0
2.0
2.0 2.5 3.01.5
30.5
空塔动能因子F /(m/s)(kg/m)
1.0
1.2
图13 L =30 m3/(h·m) 塔板雾沫夹带率的比较
由图12～图14可以看出：在L =10 m3/(h·m) 的液流强度下，十字旋阀塔板的雾沫夹带率小于组合导向浮阀塔板和ADV 浮阀塔板的雾沫夹带率；在L =30 m3/(h·m) 的液流强度下，十字旋阀塔板的雾沫夹带率介于组合导向浮阀塔板和ADV 浮阀塔板的雾沫夹带率之间；但在L =50 m
3/(h·m) 的液流
4 结 论
(1) GS–10/GS–08催化剂组合运转结果，表明其综合性能达到了国际同类催化剂的先进水平。
(2) GS–10/GS–08催化剂组合具有转化率高、选择性好、使用寿命长的特点，并能满足提高空速增加苯乙烯产量的要求。
(3) 在燕山84 kt/a苯乙烯装置上，催化剂乙苯转化率保持在76％以上，苯乙烯选择性大于95％。使用寿命已达到27个月，目前仍在运行中，创造
了国产催化剂的最长运行纪录，稳定性超过进口催化剂。
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最佳工艺条件为：n (i-C4H 9OCOCl)/n (L-cbz-pro)=
1:1；反应温度－10 ℃。
(3) 在上述最佳工艺条件下，经4步反应收率合计得到产品PLG 总收率38.5％，光学纯度98.7％，熔点 120～122 ℃，[α]D 20=－46.3°。
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