试析新型浮阀塔板水力学性能的研究

'青岛科技大学硕士学位论文新型浮阀塔板水力学性能的研究姓名：左美兰申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：项曙光20090606 青岛科技大学研究生学位论文新型浮阀塔板水力学性能的研究摘要板式塔是重要的化工气液传质设备，近几年来，不断有新型的塔板出现，结构多种多样，其中浮阀塔板的应用最为广泛。为了考察新型浮阀塔板的结构设计是否合理，生产过程中能否正常操作，本文选择了两种结构优良的新型浮阀：梯形导向浮阀塔板及斜孔梯形浮阀塔板，利用塔板负荷性能图对其水力学性能展开了研究。本文首先对水力学性能指标—．塔板压降、雾沫夹带、漏液进行了研究，根据它们随阀孔动能因子、堰高和液流强度变化的规律，选用梯形导向浮阀塔板及斜孔梯形浮阀塔板的工业和实验数据进行最小二乘法拟合，得到了较为可靠的塔板压降、雾沫夹带、漏液的经验关联式，保证了梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板水力学研究模型的正确性。应用苯一甲苯体统，采用F1浮阀对塔进行设计，在相同的操作条件和塔结构改动不大的情况下，将F1浮阀替换为梯形导向浮阀塔板及斜孔梯形浮阀塔板，开孔率由原先的25．6％变为9．8％，进行水力学核算，绘制出各浮阀塔板的负荷性能图。通过梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板与传统F1浮阀塔板的负荷性能图的比较，发现梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板的雾沫夹带、漏液均比Fl浮阀塔板小，操作弹性也有了明显地提高，但塔板压降降低不明显，主要因为梯形导向浮阀塔板及斜孔梯形浮阀塔板的开孔率过小。研究结果表明新型浮阀塔板较传统浮阀塔板的水力学性能有了明显地改善。某氯碱厂氯乙烯生产装置中的脱低沸物塔存在着严重的漏液现象，利用新型浮阀塔板在水力学性能方面的优势，选用梯形导向浮阀塔板及斜孔梯形浮阀塔板对其进行改进研究。研究结果表明改进后脱低沸物塔的操作状态得到了很大地改善，完全可以消除漏液问题，并且处理量也有了很大地提高。本文的研究为新型浮阀塔板在工业上的应用提供了重要的依据。关键词：新型浮阀水力学负荷性能图塔板压降雾沫夹带漏液 青岛科技大学研究生学位论文STUDYONHYDRAULICPERFORMANCEOFNEW、厂AI．VETRAYABSTRACTTraycolumnisatypeofimportantgas-liquidcontactequipmentinthechemicalindustry,intherecentyears，thenoveltrayappearsfrequentlyandhasvariouskindsofstructures．Inordertoobservetherationalityofstructuresandtheavailabilityofthetraysintheprocess，thispaperchosetwowell-structuredfloatingvalvetrays．oneWastrapezoidaldirectedvalvetray,theotherwasgradientringenttrapezoidalvalvetray．Researchonhydraulicperformaceofnewvalvetrays、糯carriedout、Ⅳi吐lloadcapabilitydiagramoftrayinthepaper．111ehydraulicperformanceWasinvestigatedbasedonindexofplatepressure-drop，entrainment,weeping．necorrelationofplatepressure-drop，entrainment，weeping讥thweirheight，liquidflowintensityandthevalveholeF—factor(kineticenergyfactor)wereobtainedusingleastsquaremethod．Thedatasusedcamefromindustryandexperimentwhichensuredhydraulicmodelsoftrapezoidaldirectedvalvetrayandgradientringenttrapezoidalvalvetraywerecorrect．Thehydraulicbehavioroftrapezoidaldirectedvalvetrayandgradientringenttrapezoidalvalvetraywerecompared、历mF1floatingtrayusingbenzene·toluenesystem．Theresultsindicatedthatthehydraulicsofnewvalvetrayswitllopeningrate9．8％werebetterthanF1tray埘t11openingrate25．6％．Atthesameoperatingconditions，operationflexibilityoftrapezoidaldirectedvalvetrayandgradientringenttrapezoidalvalvetrayweremoreexcellentthanthatofF1floatingvalve，bothentrainmentandweepingwerelowerthanthatofF1floatingvalve．ThereWasseriousweepingprobleminde·-low··boilingsubstancestowerofchloroethyleneplantofchlor-alkalicomplex．111etrapezoidaldirectedvalvetrayandgradientringenttrapezoidalvalveWayofbetterhydraulicperformancewerechosedtoreconstructtheoldplates．111eresultsshowedthatliquidleakageoftowerWascompletelyeliminated，thestateofoperationWaSimprovedandprocessingcapacityWasgreatincreased．111eresearchprovidedimportanttheoreticalevidencefornewtraysinindustrialapplication．ⅡI 新型浮阀塔板水力学性能的研究KEYWORDS：newfloatingvalve；hydraulics；loadcapablitydiagram；pressuredropoftray；entrainment；weepingIV 青岛科技大学研究生学位论文符号说明英文字母意义及单位塔截面积，In2降液管的面积，n12筛孔流量系数，无因次物系表面张力为20mN／m的负荷系数，m／s筛孔直径，m塔径，m雾沫夹带量，kg／kg气液流收缩系数，无因次以鼓泡面积计算的动能因子，m／s·(kg／m3)1尼气相孔动能因子，(m／s)·(kg／m3)1尼重力加速度，m／s2板上充气液层阻力，m与液体流过降液管的压强降相当的液柱高度，m堰高，m堰上液层高度，m鼓泡层高度，m板上清液层高度，m降液管底隙高度，m降液管内的清液层高度，m4q巴巩DqECRg岛％kb吃％Z 新型浮阀塔板水力学性能的研究英文字母意义及单位HT0丘岛陋p叱鹋啦材O“Ⅲ％“甜m瓤甜0K％希腊字母万占SOpG,oL塔板间距，m堰长，m塔内液体流量，m3／s液流强度，m3／(m·h)气体通过一层浮阀塔板的压强降，Pa气体克服干板阻力所产生的压强降，Pa气体克服板上充气液层的静压强所产生的压强降，Pa气体克服液体表面张力所产生的压强降，Pa孔气速，m／s上限气速，m／s基于(4-4)的气速，m／s空塔气速，m／s极限空塔气速，m／s液体通过降液管底隙时的流速，m／s塔内气体流量，m3／s降液管宽度，m意义及单位板厚，m漏液量，姚液充气系数，无因次气相密度，kg／m3液相密度，kg／m32 青岛科技大学研究生学位论文希腊字母意义及单位仃f9≯操作物系的液体表面张力，mNlm液体在降液管内停留时间，s开孔率，无因次自由面积分率，无因次 青岛科技大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其它学位申请的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科技大学。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)本学位论文属于：保密口，在年解密后适用于本声明。不保密口。(请在以上方框内打“√”)本人签名：导师签名：日期：年月日日期： 青岛科技大学研究生学位论文静-=b月IJ肓目前，尽管出现了多种新的分离技术，如：吸附、超临界萃取、膜分离等分离方法，但是在实际生产的过程中，精馏操作在分离技术中仍占据着很重要的作用，其中最普遍的是应用板式塔进行精馏。虽然近十几年来高效规整填料发展迅速，但是板式塔以其设备造价低廉，操作范围广，对各种物系适应性强，易于清理和检修等特点，在精馏操作中占有不可取代的地位，特别是近几年来填料的发展己经到了穷途末路的地步，如果不出现高效的填料，其可提供的发展空间己经十分有限，因此，人们又把研究的目光投向了板式塔。尤其近年来对于高压，高粘度，大液量等特殊的工况条件，更显示了板式塔精馏的优越性。据统计，塔设备投资约占全厂总投资的10％之O％，其性能对于整个装置和企业的生产能力、产品质量、消耗定额及三废和环保等方面均有重要影响，对它的任何改进和完善都会带来巨大的经济效益，因此科技工作者对塔设备的研究一直在不间断地进行着。近代炼油和石油化学工业对塔设备总的要求是：压力降低，保证能耗低；分离能力高，能分离组成复杂的物料，并能保证产品质量优良；生产能力大，能适应大型和超大型规模的需要；运行可靠，保证长周期运行。为了满足这些要求，塔设备应具有下列性能：(1)操作弹性大，即当塔的负荷变动较大时，塔的操作仍然稳定，效率变化不大；(2)流体流动的阻力小，即压力降小；(3)汽液处理量大；(4)气液两相能充分接触，分离效率高；(5)结构简单可靠，制造成本低；(6)易于操作，调节及检修。当用新型高性能塔板改造现有的传统塔板时，一般无需对原有塔体的焊接内件作改动，在短期检修期间即可完成，技术改造的工作量和所需的费用都比较低，从而显示出广阔的应用前景。查阅文献得知，在各种新型塔板的开发中，对塔板结构方面进行了很多改进，但在塔板结构尺寸合理性方面的研究还不充分，尤其对新型塔板的结构尺寸的确定还很盲目，这就需要对设计的塔的水力学性能进行研究，考察其结构设计是否合理，因此塔板的水力学性能研究的重要性不言而喻。本文通过对文献中几种新 新型浮阀塔板水力学性能的研究型塔板的流体力学数据进行关联，得到流体力学经验公式，建立流体力学数学模型。从操作条件下的气、液相流量出发进行塔板结构尺寸设计，绘制负荷性能图，通过与传统塔板F1型浮阀比较，对新型塔板稳定操作时的水力学性能进行研究，保证设计出的塔板在气、液相操作范围中任一点均符合工艺要求的液泛和其他水力学性能，为新型塔板的设计和工业上的推广应用提供了理论依据。6 青岛科技大学研究生学位论文1文献综述塔设备是重要的气液和液液传质设备，广泛应用于炼油、化工、化肥、制药、环保等行业的物质分离，通常分为板式塔和填料塔。一般认为，在某些场合下，填料塔有压力降降低的突出优点，但有些填料的造价较高，且对初始分布敏感，在高压下分离效率和处理量比在常、减压下的低得多，而板式塔结构较为简单，易于放大，造价较低，对于常压与加压物系，特别是大塔径、多侧线气液传质设备板式塔有较大的优势。因此，对板式塔的开发研究在塔器技术中占有举足轻重的地位，下面介绍一下塔板的发展概况。1．1塔板发展状况概述【1．8】近些年来，塔板技术有了明显进步，国内外相继推出了一系列结构新颖、性能优良的新板型。国外的如：Koch．Gilitseh公司的Superfrae型塔板【5J、BiFrac型塔板【9】、Nye型塔板【10,11,12]，Norton公司的Triton型塔板【51，UOP公司的ECMD塔板，VGMD塔板【13,14,15,16】和MD型塔板，英国诺丁汉大学开发的Flowcontral型塔板，Jaeger公司的CoFlo型塔板，此外，德国开发了一种带金属片传质元件的复合塔板，前苏联开发了新型高速旋转塔板、带纵横挡板的喷射导向塔板、带旋转接触元件的旋流塔板和新型气相分流式塔板掣51。国内的如：河北工业大学的立体传质塔板(CTST)、浙江工业大学的DJ系列塔板、华东理工大学的导向浮阀塔板和组合导向浮阀塔板、南京大学的新95型塔板和混合箱塔板等。这些都显示出板式塔在工业应用和未来发展中的强劲势头。1．1．1筛子L型新型塔板筛孔型塔板是历史最悠久的板型之一，工业上应用非常广泛，经过许多年的研究也形成了一系列优良板型，如导向筛板、泡罩．筛孔塔板、MD筛板、新型垂直筛板、带挡板的筛板以及网状塔板等。下面简要介绍当今工业上应用较广泛的新型筛孔塔板。1．1．1．1高效导向筛板高效导向筛板【171与普通筛板的主要差异为：(1)在液流进口区设置鼓泡促进7 新型浮阀塔板水力学性能的研究器，即将进口段的筛板加工成凸起的斜台，以减薄液层，促进鼓泡，使液体一进入塔盘就进入鼓泡状态，同时也改善了进口区的漏液现象；(2)在塔盘上开有一定数量的导向孔，利用导向孔中喷出的气流推动液体，减小液面梯度并使板上液体的流动接近于活塞流。由于采取了这些改进措施，使高效导向筛板上液层鼓泡均匀，液面梯度小，塔板压降小，处理能力增强，传质效率增大。另外，高效导向筛板还具有较强的抗堵能力。高效导向筛板的工作原理及结构图见图1．1。静向乱图1．1高效导向筛板的结构示意图Fig．1·1Schematicdiagramofflow-guidedsievetraywithhigh伍ciency1．1．1．2MD筛板和国内开发的DJ系列塔板美国联合碳化物公司(UCC)60年代开发的MD塔板【18,1920]近年来颇受重视。其结构见图1．2，它的结构特点为：(1)塔板上设有多根降液管，溢流周边比一般塔板增加2．5倍；(2)降液管悬挂在气相空间，塔板上受液区仍然开孔；(3)每相邻两板的降液管互成90度排列；(4)板间距较小，仅为一般塔板的50％-70％，以MD塔板代替常规塔板，取消了受液盘后，处理量可提高15％左右。1992年国际精馏与吸收会议上，UOP公司又提出了一种更大通量的MD板，其通量又提高15％以上，针对MD板在液流分布和传质效率方面存在的不足，浙江工业大学在上世纪80年代末开发了DJ系列塔板【21’22，23埘】。DJ塔板继承了MD塔板降液管的特色，并在结构形式、通量和效率等方面有所创新。目前DJ塔板有3种型号：DJ．1型塔板是为了适应大气液比的吸收操作而开发的，主要结构特点是：采用宽型降液管，并对降液管的根数和排列作了改进和优化；DJ．2型在板上设置了导流装置，在相应位置上开设导流孔和安装导流板，这些都可以改善液流的初始分布，使得塔板上液流接近活塞流；DJ．3型塔板的下方复合了一薄层规整填料，填料层处于气相上空间，起到了抑制雾沫夹带作用，使通量较F1型浮阀提高15％．20％，板效率提高10％．15％。DJ塔板能胜任大液量和加压操作，19998 青岛科技大学研究生学位论文年针对DJ系列塔板存在的冲击漏液缺点，研究开发了诱导型的防冲击漏液装置，使DJ系列塔板的性能有了进一步地提高。DJ塔板的结构如图1．3所示。图1-2MD塔板的结构示意图Fig．1-2SchematicdiagramofMDtray1．1．1．395型大通量塔板和混合箱塔板图1-3DJ塔板的结构示意图Fig．1-3SchematicdiagramofDJtray95塔板【252．61是南京大学通过对降液管结构和板面设计进行改进，从而提高塔板的有效传质区面积而开发的一种新型大通量塔板。其结构特点如图1-4所示：(1)采用月牙型溢流堰，其上部面积仅占塔截面积的5％左右，下部仅为3％左右，并取消了入口堰前的安定区，使其有效传质区面积约占全部塔板面积的95％，一般比传统塔板通量增加10％之5％；(2)采用管尾向塔壁开口的降液管，使液体直接从塔壁降下，延长塔板上液体的平均停留时间，从而提高板效率，一般比传统塔板要高5％10％；(3)采用全塔板液体均分导流，使板上液体呈活塞流状态，该塔板与美国最新型的Nye塔板相比，通量要高100／o～15％，效率要高5％以上。混合箱塔板【27】是南京大学的又一个专利，是特别设计的一种用于强化传递与分离效果的传质元件，基本可以保证高通量下的高效率，混合箱塔板结构示意图见图1．5。它是一个罩在塔板孔簇(舌形孔、筛孔或斜孔)上的结构特殊的小箱子，当气流穿过孔簇上升时，由于其有一定的速度和动能，便带动孔簇周围的液体一起离开塔板，形成气、液混合流股，此流股在混合箱空间内经充分搅动混合，实现气液间的充分接触、传质与传热，并沿塔板上液流的宏观方向斜向喷出，其中的液体由于喷射动能和重力的作用而落入板面，归入液流主体之中，而其气相则自动与液相分离而上升至上一块塔板。当气液两相实现分离时，已基本上接近于热力学汽液平衡状态，此种结果将意味着气液传质效果的大幅度提高，即板效率的大幅度提高。9 新型浮阀塔板水力学性能的研究图l-495型大通量塔板结构示意图Fig．1-4Schematicdiagramof95typetray图1-5混合箱塔板结构示意图Fig．1-5Schematicdiagramofmixingboxtray1．1．2浮阀型新型塔板浮阀塔板是应用最为广泛的塔板之一，由于其具有能上下浮动的阀片，使气体流通截面积能随气体负荷变动而自由调节：另外由于气体从水平方向吹出，气液接触时间长，雾沫夹带量少，因而具有较大的操作弹性和较高的塔板效率。传统浮阀的代表是美国Glitsch公司推出的V1型浮阀，国内称之为F1型浮阀，但随着塔器技术的不断进步，这种浮阀逐渐暴露出以下缺点：(1)浮阀是圆形的，从阀孔出来的气体向四周吹出，液体返混程度大；(2)阀盖上方无鼓泡区，其上方气液接触较差，降低了塔板的传质效率；(3)液面梯度大，使气体在液流方向上分布不均；(4)浮阀易磨损、脱落。针对F1型浮阀的上述缺点，国内外学者对浮阀塔板进行了大量研究，相继推出了许多新型浮阀塔板。1．1．2．1导向浮阀塔板和组合导向浮阀塔板导向浮阀塔板口8，2930]是华东理工大学1991年开发的新型塔板，其主要特征是：(1)导向浮阀为矩形，两端有阀腿，操作时，气体从浮阀的两侧流出，垂直于10 青岛科技大学研究生学位论文液流方向，可叭减少返混：(2)在导向浮阀上设有适当大小的导向孔，开口方向与液流方向一致，可消除液面梯度；f3)借助导向浮阀的适当排布，可以消除液体滞留区：(41阀腿固定，不易磨损。导向浮阀目前有4种形式：矩形导向浮阀、梯形导向浮阀、组合导向浮阀口”和B型导向浮阀，见图1-6。在第二章会对梯形导向浮阀和斜孔梯形浮阀详细介绍，斜孔梯形浮阀是华东理工大学在梯形导向浮阀的基础上新开发的，和传统浮阀相比有很多方面的优势。一般讲，当液流强度大时，用梯形导向浮阀较好；液流强度小时，矩形导向浮阀就能满足要求；为了防1E在小液流强度下塔板上出现负的液面梯度，适当调整梯形导向浮阀和矩形导向浮阀的排布比例(即组合导向浮阀)，【三I适应消除塔板上的液面梯度的需要。B型导向浮阀则可以代替梯形导向浮阔和矩形导向浮阀进行组合，并且在加工时较方便。实验证明：与F1型浮阀相比，导向浮阀的板压降降低了20％左右，处理能力可提高30％以上，板效率提高约10％以上，针对Fl浮阀缺点开发的新型浮阎还有洛阳石化工程公司研制开发的条形浮阀塔板和石油大学开发的HT、r船型浮阀等。I二]l(a】矩形导向浮阀广三1L型’(b)梯形导向浮阀困l-6导向浮阀塔板结构示意图Fig1·6SchematicdiagramofdirectedValveTray1_I2．2高弹性浮阀塔板fv．v1Varioflex-ValveTray，简称V-V浮阀塔板阢33川，是80年代朱德国推出的一种高弹性的浮阀塔扳，其操作弹性可达12：1。其结构示意图见图1—7：v—v浮阀塔扳的主要结构是由三根立撑杆、一个顶板、一个可以自由上下滑动而不会发n 新型浮阎塔板水力学性能的研究生转动的开孔阀片以及一个固定圈组成，活动阀片上开有直径为20ram的孔。在低气速流率下，气体通过阀片上的孔进入液层，随着气量的增加，阀片慢慢升起，这时，气体一部分从阀片升起的间隙直接进入液层，另一部分则通过阀片上的小圆孔，由于定位架上盖板的强制作用而水平进入液层，而高气速流率下，全部气体由阀片和塔板的间隙进入液层，其支撑杆起均布和破碎气流的作用。在很宽的气相负荷范围内，其压降和效率基本保持不变，由于阀片上无阀腿而采用特殊的支撑杆设计，操作安全可靠。攀婺遵誉避簿(a)低气速流率@中气速流率(c)高气速流率囤1．7uv浮闻蟮板结构示意图Fi91—7SchematicdiagramofVarioflex-ValveTray1．1．2．3ADV微分浮阀塔板ADV微分浮阀塔板135,36}是清华大学在90年代末开发的新型塔板，在对常压或加压下操作的塔的改造中获得成功应用。其结构如图1-8所示，主要设计思想是：(1)在阀顶开小阀孔，充分利用浮阀上部的传质空间，使气体分散更加细密均匀，气液接触更充分；(2)局部采用带有导向作用的微分浮阀，消除了塔板上液体滞留现象，提高气液分布的均匀度；(3)采用鼓泡促进器使整个塔板鼓泡均匀，同时使气体分布也趋于均匀，从而增加了塔板的处理能力和提高了传质效率；(4)适当改进降液管，增加鼓泡区的面积；(5)阀脚采用新的结构设计，操作时浮阀不易旋转．不会脱落。与F1型浮阀相比，微分浮阀的塔板压降降低lO％，塔板处理能力提高30％以上，塔板效率提高了20％，塔板操作弹性大幅度提高。工业应用表明：对于常压塔或加压气液传质设备中，ADV微分浮阀塔板代替筛扳或F1型浮阀塔板可获得明显的经济效益。蕾一1图1-8ADV撤分浮问塔板结构示意图Fig．I-8SchematicdlagamofADVdi位rerl6■vmvctray 青岛科技大学研究生学位论文1．2．4B丁V浮阀BTV中国石油大学(华东)化学化工学院开发研制，该塔板已先后在原油常压塔、脱乙烷塔、催化吸收塔、催化分馏塔、催化解吸塔、汽油稳定塔、脱丙烷塔、丙烯塔等四十余座工业塔中得到应用。结果表明，该塔扳具有良好的流体力学性能及传质性能，能有效提高单塔的负荷能力和传质效果，同时该塔板在实际应用中安装方便，操作灵活，在保持产品质量合格的基础上，增大了处理量，油品分割效果和轻油收率得到提高，取得了较好的经济效益和社会效益p¨”。BVT浮阀结构示意图见图卜9，具有如下特点：(I)BVT浮闻保留HTv船型浮阀管式长条形的优点，又吸取浮舌塔板、导向浮阀、偏心Nutter浮阀的长处；f2)BVT浮阀采用了前端小，后端大的半锥形结构，使得从闹孔中吹出的气体对液体具有向前的推动力，以减小液面梯度和返混程度，降低塔板压降：(3)在阀面后端冲压出一个或两个方向朝前的舌孔，该舌孔的舌片与塔板的平面成一定角度，这使得舌孔和阀孔中吹出的气体对液体具有双重的向前推动力，相当程度上减小了液面梯度，也使板面上的积液减少而气体分布均匀，液体返混减少，在不同程度上消除了液体滞流区，从而提高了传质效率．塔板压降也相应减小；(4)BVT浮阀重心偏后，操作中浮阀前端(小端)先开启，这半启状态类似于浮舌开启，全启状态又如同于HTv船型浮阀口”的操作状态，这样使得BVT浮阀的开关更加灵活。雩气————————一一：：二_．图1-9BTV浮闷塔板结构示意图FigI-9SchematicdiagramofBTVvalveTtray 新型浮阀塔板水力学性能的研究1．1．3立体喷射型塔板近年来，在诸多形式的新型塔板中，以液相为分散相的喷射型塔板己受到普遍重视。喷射型塔板在液相为分散相、气相为连续相状态下进行操作，传质面积扩大了许多，同时气体不再由板上液层通过，因而压力降大大降低。这类塔板一般又具有气体分离的结构，可保证在很高的气速和液体充分分散的情况下，很好地进行气液分离，以减少雾沫夹带，并提供新的传质面积。近期研究表明，喷射型塔板的优点是很明显的，可以认为液体分散型塔板是以后新型塔板的重要发展方向。1．1．3．1新型垂直筛板(NewVS33新型垂直筛板是由日本三并造船株式会社于1968年前后开发成功的，自1980年始河北工业大学等几家单位对其性能与结构进行了研究，并加以推广使用[404引。NewVST是以气相为连续相，液相为分散相的新型喷射型塔板，其结构见图1-10，主要结构特点是：在塔盘上布置有若干圆柱形帽罩，帽罩有顶盖，可有效抑制雾沫夹带，其圆筒壁上部开有许多小圆孔或缝隙，气液混合物从这里喷出。在圆筒底与塔板板面之间留有一定高度的缝隙，液体则经过这个缝隙由罩外流入罩内。罩子下方的板面上开有圆形孔，为气体通道操作时，从下层塔板上升的气体，经板孔与从罩底隙进入的液体相遇，经过拉膜、提升、破膜、混合、喷射分离等过程完成气液接触传质。该塔板具有操作范围宽、气体处理量大、效率高等优良性能，一经问世就受到国内外化工界的重视，在工业应用方面取得很大成就。14 青岛科技大学研究生学位论文图1．10NewVST结构示意图Fig．1—10SchematicdiagramofNewVST1．1．3．2立体传质塔板(CTST)立体传质塔板(CTST)m舶】是河北工业大学化学工程研究所在对NewVST进行深入研究的基础上开发创新的结果，结构如图1．11所示：塔盘由矩形开孔的塔板、设有筛孔的梯形喷射罩和分离板组成。喷射罩底部与塔板间有一定的缝隙，为液体进入罩体的通道。气体白板孔进入喷射罩中，液体由喷射罩底部的缝隙进入喷射罩内。在整个塔板上，气液经历拉膜、破碎、碰顶折返、喷射、对喷、分离6个接触过程。在整个接触过程中，气液两相处于湍流状态，相间的传热、传质包括了塔板至喷射罩及分离板的整个空间，大大提高了空间利用率，塔板间的空间利用率达到20％巧0％。图1-11CTST塔板结构示意图Fig．1—11SchematicdiagramofCTSTtray 新型浮阀塔板水力学性能的研究1．2板式塔的流体力学性能板式塔的流体力掣47-49]参数主要包括塔板压降、雾沫夹带、漏液，下面分别予以介绍。1．2．1塔板压降塔板压降是塔板的重要流体力学参数，塔底至塔顶的压差，塔的降液管设计以及塔的能耗等都与塔板压降有关，塔内压降的大小直接关系到物系的气液平衡和热平衡，即影响到分离过程的塔板数和回流比等操作参数，主要与塔板结构、液流强度以及气相动能因子有关。1．2．1．1湿板压降湿板压降是指塔板上有液体存在时气流通过塔板开孔构件以及气流和液体接触而相互作用的压力损失之总和，是塔板的操作性能之一。计算模型有加和模型法与经验关联法两大类。(1)JJIl和模型法一般认为塔板压降叱由干板压降叱、清液层压头损失鹋与克服液体表面张力压头损失啦三部分组成[50,51】，区别只在于各组成部分的计算不同，用公式表示如下：AP,=嵋+鹋+叱(1—1)其中清液层压头损失必由清液层高度红决定：鹋=p,gh,(1-2)清液层高度的计算公式较多，工程上常以Francis方程为基础来计算清液层高度，如Fair引入充气系数岛的计算式：％=Eo(^。+k)(1-3)岛=O．58+0．42exp(-1．62C)(1_4)k=焉Ec秒2一o．667￡时m5，式中帔—气体通过一层塔板的压强降，Pa；叱—气体克服干板阻力所产生的压强降，Pa；北—气体克服板上充气液层的静压强所产生的压强降，Pa；16 青岛科技大学研究生学位论文啦—气体克服液体表面张力所产生的压强降，Pa：历一板上充气液层阻力，m；h。—堰高，m；￡。一塔内液体流量，一，s；k—堰上液层高度，m；晶一充气系数；E一液流收缩系数，一般情况下取1；C一以鼓泡面积计算的动能因子，m／s·(kg／m3)沈。(2)经验关联法经验关联法中不出现干板压降，而直接将塔板总压降与有关影响因素关联影响因素由人为判断，具有一定的经验性。常见的经验关联式有【52】：啦=A吸口PK彰吃⋯．(1-6)△0=口Q呀／29k+bL+￡％+西I+P盯+⋯⋯(1-7)式中欧、三、h。、ro、r工—塔板的结构参数和性能参数；A、a、b、c一系数和指数，由实验求得。在固定板间距和固定物系条件下，塔板压降主要受气相孔动能因子，液流强度和堰高的影响，因此有如下的简便关联式：叱=群昂砖(1·8)式中Lw一液流强度，m3／(m．h)。1．2．1．2干板压降干板压降系指塔板上没有液体时，气流通过塔板开孔构件的压力损失，反映的是塔板的结构性能。在利用加和模型计算湿板压降时，干板压降是其重要组成部分。其计算公式主要有基于孔板模型和阻力系数模型两种。(1)孔板模型的关联式基于孔板模型的关联式认为干板压降是气流流过一定通道所受到的阻力，这种阻力的共同规律是阻力与动能成正比。此类关联式较多，其中应用最多的是Zuiderweg关联式【53】：叱=ao(uo／Co)2／2(1—9)⋯[1-o．·4(甓门m聊式中Po—气相密度，kg／m3；17 新型浮阀塔板水力学性能的研究见一液相密度，kg／m3；g一为重力加速度，m／s2；Uo—孔气速，m／s：c0一筛孔流量系数。(2)阻力系数模型的关联式基于阻力系数的经典关联式由Stichlmair和MerSm锄【541提出：叱=CF02／2=乒；戊／2(1-11)ro=√店(1-12)1／o12)2、／店【l。式中届一为气相孔动能因子，(m／s)·(kg／m3)帽。f为孔系数，与板厚／孔径之比和孔雷诺数有关，其值可由图查得【55】，但还需根据开孔率作校正，计算公式如下：对万／反<2孝=孝o+≯2—2矽善ooj对万／玩>2善=fo+矿2—2矽(1．13)式中矽一自由面积分率，％：矾一筛孔直径，m；万一板厚，m。国内通用的Fl浮阀塔板的干板压降可按下式计算【561：叱=97．51U20Po／2(阀片全开前)叱=5．34u2po／2(阀片全开后)(1．14)从以上各式可以看出，筛板和浮阀塔板的干板压降计算公式只是系数有所不同。若以孔动能因子代替孔速，并考虑到不同塔板的差别，则干板压降可写为如下通用形式：叱=OF；(1-15)1．2．2雾沫夹带上升气流穿过塔板上的液层时，将板上液体带入上层塔板的现象称为雾沫夹带。雾沫夹带是塔板设计的一个重要流体力学参数，其值的大小限制精馏塔操作气体负荷上限，在塔板设计开发和改进过程中，雾沫夹带测定几乎都是一个必不可少的项目。塔板实际操作中，雾沫夹带作用的结果使气体将下一层塔板的一部分重组分含量较高的液体带至上层塔板，造成板间轴向返混，板上液体浓度结构变化，传质推动力减小，塔板效率下降。为了保证板式塔能维持正常的操作效果，规定每千克上升干气体中夹带到上层塔板的液体量不超过0．1kg，即设计时将雾沫夹带量控制在0．1kg液／kg气以下，18 青岛科技大学研究生学位论文这样，板效率的降低一般不会超过10％。一般采用Hunt等的公式来计算雾沫夹带量[57,58]：铲眈2⋯f731／∽怫,ug习]3．2(1．16)对于do≥12ram以上的塔板，雾沫夹带量目前尚无较好的计算方法，可采用如下式子估算上限气速【59】。Ⅳ。=2．160312旧r一矗r)(1—17)式中气一雾沫夹带量，kg／kg气：材伽一上限气速，毗；矿一操作物系的液体表面张力，raN／m：^，一鼓泡层高度，m；“。—基于(4一彳r)的气速，m／s：彳，一塔截面积，m2；彳，一降液管的面积，In2。1．2．3漏液当通过阀孔的气速过低时，由此产生的压降不足以支持塔板孔上的液层，液体会由阀孔流下，形成塔板漏液，这时液体未经与气体充分接触和传质而形成短路，这对传质不利，严重降低塔板效率。严重的漏液会使塔板不能积液而无法操作。为保证塔的正常操作，漏液量s应不大于液体流量的10％。漏液量是随着阀重的增加、孔速的增加、开度减小、板上清液层高度的降低而减小。1．2．4液泛塔内气体靠压差自下而上逐板流动，液体靠重力自上而下通过降液管而逐板流动。显然，液体是自低压空间流至高压空间，因此，塔板正常工作时，降液管中的液面必须有足够的高度，以克服两板间的压降而流动。若气、液两相中之一的流量增大，使降液管液体不能顺利下流，管内液体必然积累，当管内液体增高到越过溢流堰顶部，于是两板间液体相连，该层塔板产生积液，并依次上升，这种现象称为液泛。此外，对一定的液体流量，气速过大，气体穿过板上液层时，造成两板间压19 新型浮阀塔板水力学性能的研究降增大，使降液管内液体不能下流而造成液泛。液泛时的气速为塔操作的极限速度。从传质角度考虑，气速增高，气液间形成湍动的泡沫层使传质效率增高，但应控制在液泛速度以下，以进行正常操作。当液体流量过大时，降液管的截面不足以使液体通过，管内液面升高，也会发生液泛现象。影响液泛速度的因素除气、液流量和流体物性外，塔板结构，特别是塔板间距也是重要的参数，设计中采用较大的板间距，可提高液泛速度。为了防止液泛，应保证降液管中泡沫液体总高不能超过上层塔板的出口堰，为此：Hd≤≯【日7"+hw)(1—18)Itd=h。+吃+hd(1-19)式中凰一降液管内的清液层高度，m；％一与液体流过降液管的压强降相当的液柱高度，m；塔板上不设进口堰rha=o．153(鲁)2(1—20)l矽‰塔板上设有进口堰，ha=o．2(羔)2(1-21)1．3本文主要研究内容在塔板的发展过程中，各种新型塔板不断涌现，特别是浮阀塔板得到了充分的改进和利用，本文介绍了两种技术较成熟的新型浮阀：梯形导向浮阀和斜孔梯形浮阀，后面将对这两种浮阀塔板作详细地介绍，重点对其水力学性能进行了研究。塔板水力学计算是在工艺设计完成后进行的，新型浮阀板式塔的水力学性能的研究，就是在塔结构设计完成后研究塔板稳定操作的条件和范围，通过研究塔板的负荷性能图来实现。并和传统浮阀塔板的操作弹性相比较，得出新型浮阀塔板在水力学方面的优良性、稳定性。研究内容主要有如下几点：1．对新型浮阀塔板的流体力学的实验数据和工业生产数据分析和拟合，保证数据的准确性，建立严格的水力学数学模型。2．通过新型浮阀塔板与传统浮阀塔板的比较，考察新型浮阀塔板在水力学性能方面的优越性。3．用新型浮阀塔板对老塔进行改造研究，通过对塔进行设计和水力学核算， 青岛科技大学研究生学位论文考察其是否满足正常操作的条件，为新型浮阀塔板推广应用提供了重要的依据。21 新型浮阀塔板水力学性能的研究2板式塔的设计及核算板式塔的类型虽然很多，但其设计原则与步骤却大同小异，主要包括塔高、塔径及塔板上主要部件工艺尺寸的计算。为检验工艺计算的合理性，应作水力学核算，绘出塔板的操作负荷性能图，以了解所设计塔的操作性能。2．1塔板结构设计2．1．2板间距坼板间距与塔的生产能力、操作弹性及塔板效率有关。在一定的生产任务下，采用较大的板间距，能允许较高的空塔气速，因而塔径可小些，但塔高要增加。对于板数较多的精馏塔往往采用较小的板间距，适当地加大塔径以降低塔高。板间距与塔径之间的关系，应依据实际情况，结合经济权衡，反复调整作出最佳选择。表4．1所列的经验数据可供初选板间距时参考。板间距应按照规定地选取整数，如300，350，400mm等。表2-1塔板间距参考数值Tab．2-1referentialdataplatespacing2．1．3塔径估算(2一1)圪—塔内气体流量，m3／s：越一空塔气速，m／s。空塔气速的上限由严重的雾沫夹带或液泛决定，下限由漏液决定，适宜的空塔气速应介于二者之间，一般依据最大的允许气速”一，由悬浮液滴沉降原理导出，最大允许速度为： 青岛科技大学研究生学位论文⋯c加c别警(2-2)式中砧一一极限空塔气速，m／s；仃一操作物系的液体表面张力，mN／m；C加一物系表面张力为20mN／m的负荷系数，m／s。C：。值与气、液流量及密度、液滴沉降空间高度以及液体表面张力有关，可从Smith图(图2-1)查得。(专)(鲁r‘图2-1史密斯关联图Fig．2·1SmithcorrelationgraphC∞可以采用史密斯关联图的回归式：C20=exp【_4．531+1．6562H+5．5496H2—6．4695H3+(-0．474675+0．079H一1．39H2+1．3212H3)haL，+(2-3)(-0．07291+0．088307H一0．49123H2+0．43196H3)×(1nL，)】其中H=Hr-hLhL=h。+how如吉c钞式中日，—塔板间距，m乃，一板上清液层高度，m。求G。时，需预先假定板间距日r和清液层高度吮，另外，算得初估塔径D后，还需要进行圆整，初选板间距和塔径可参照表2．1。 新型浮阀塔板水力学性能的研究吮的初值：常压操作，0．05--0．07m：加压操作，>o．06m；减压操作，0．03,4)．04。2．1．4溢流装置溢流区的设计包括选择流动型式，确定溢流堰的长度，。，宽度呒，降液管的横截面积彳，，溢流堰高度办，，堰液头‰以及降液管底部至下块板距离‰。2．1．4．1流动形式板上液体的流型常见有U型流、单溢流、双溢流和梯形流4种，与液相负荷的关系见表2．2。U型流只有液、气比很小的时候才用，当塔径和流量都很大时，双溢流不能满足条件的时候，才采用双溢流和梯形流。由于梯形流使塔板结果复杂，尽量少采用。表2-2流型与液相负荷的关系Tab．2-2Relationofstreampattemwithliquidload2．1．4．2堰长，。和堰高‰溢流堰的主要作用就是维持塔板上保留一定的液面高度，以使两相在塔板上有足够的接触时间。堰长乙对单溢流，，=(0．伽．8)D；对双溢流，。=(0．5~o．6)D，堰长，w的设计原则是保持适当的堰上溢流强度。岛=L／I。(2-4)式中，。—．堰长，m。一般，溢流强度不超过100～130m3／(h·m)，过大的溢流强度会影响板的稳定性(一般岛<60m3／(h．m)为宜)。溢流堰过长造成的溢流强度过低同样是应该避免的，以为它易造成板上液体分布不均，影响板效率。同时，(考虑到避免因降液管阻力过大引起的液泛)L的设计还应该保证降液管中的线速度小于0．1m／s，一般为 青岛科技大学研究生学位论文—-———’————————_——_—_—_——__——’_—_-_’_’—、_、，、，一一一‘。一__0．03--0．12m／s。堰高k板上液层高度为堰高与堰上液层高度之和，即hw=吃一‰(2-5)平直堰k2需E(分(2．6)式中k一堰上清液层高度，111；k一堰高，m。2．1．4．3降液管降液管面积是板式塔设计中的～个重要参数。合理的降液管既可使液体顺利通过，又可使夹带的气体分离出去，同时防止发生液泛。弓形降液管宽度％和横截面积彳，按下式计算：％=等一tg(arcshl，。／D)(2．7)彳，=D2arcsinl，／D一，w√D2一砣(2．8)式中％一降液管宽度，m。降液管尺寸应保证液相流经降液管时，夹带的气相能够及时逸出，一般以停留时间f限定降液管尺寸的下限：A，H．f=早>3～5s(2．9)式中f一停留时间，s。确定底隙高度％的原则是：保证液体流经此处的局部阻力不太大，以防止沉淀物在此堆积而堵塞降液管，同时有良好的液封，防止气体通过降液管造成短路。．￡‰2—3600—1wU"o(2-10)式中材j一液体通过降液管底隙时的流速，m／s；根据经验可取“：印．07～0．25州s：J}10一降液管底隙高度，11"1。为方便起见，有时运用下式确定‰，即ho=h，一0．006(2．11)这表明，使降液管底隙高度比溢流堰高度低6nun，可保证降液管底部的液封。25 新型浮阀塔板水力学性能的研究降液管底隙高度一般不宜小于20,--25mm，否则易于堵塞，或因安装偏差而使液流不畅，造成液泛。设计时可取‰为25～30mm，对大塔取‰为40mm左右，最大可达150mm。2．1．5开孔率塔板开孔率是板式塔设计中的一个重要参数。通常塔板开孔率有2种：一是塔截面积开孔率；二是鼓泡面积开孔率。合理的开孔率不但可以使气体顺利通过，而且还能减少雾沫夹带和降低泄漏，同时防止发生喷射液泛。对于浮阀类塔板，在浮阀全开状态下运行可提高传质效率、防止泄漏，推荐阀孔的动能因子为5．0-15．0，新设计的塔控制在8．o~12．O，老塔改造可将这个值的上限放宽到17．O。对于筛孔类塔板，推荐筛孔的动能因子为12．0-40．0，而对于新设计的塔，则可控错ll为20．0-30．0。2．2负荷性能图板式塔的流体力学性能包括：塔板压降、液泛、雾沫夹带、漏液及液面落差等。影响板式塔操作状况和分离效果的主要因素为物料性质、塔板结构及气液负荷。对一定的塔板结构，处理固定的物系时，其操作状况只随气液负荷改变。要维持塔板正常操作，必须将塔内的气液负荷限制在一定范围内波动。通常在直角坐标系中，以气相负荷圪对液相负荷三，标绘各种极限条件下的y一三关系曲线，从而得到塔板的适宜气、液流量范围图形，该图形称为塔板的负荷性能图。负荷性能图对检验塔的设计是否合理、了解塔的操作状况以及改进塔板操作性能都具有一定的指导意义。2．2．1负荷性能图曲线负荷性能图如图2．2所示，其通常由以下几条曲线组成。 青岛科技大学研究生学位论文VsALs图2-2塔板负荷性能图Fig．2-2Theloadcapabil时chartoftowerstage(1)雾沫夹带线线1为雾沫夹带线。当气相负荷超过此线时，雾沫夹带量将过大，使板效率严重下降，塔板适宜操作区应在雾沫夹带线以下。雾沫夹带是对于气、液两相的分离设备或反应设备。若气相为连续相、液相为分散相(例如板式蒸馏塔)，而气相速度较大，部分液体会被气体吹散成液滴并被气体带出，这种现象称为雾沫夹带。产生雾沫夹带会降低设备的分离效率。影响雾沫夹带量的因素很多，最主要的是空塔气速和塔板间距。空塔气速增高，雾沫夹带量增大：塔板间距增大，可使雾沫夹带量减小。(2)液泛线线2为液泛线。塔板的适宜操作区应在此线以下，否则将会产生液泛现象，使塔不能正常操作。液泛在逆流接触的气液反应器或传质分离设备中，气体从下往上流动。当气体的流速增大至某一数值，液体被气体阻拦不能向下流动，愈积愈多，最后从塔顶溢出称为液泛。影响液泛的速度的因素除气、液流量和流体物性外，塔板结构，特别是塔板间距也是重要参数，设计中采用较大的板间距，可提高液泛速度。(3)液相负荷上限线线3为液相负荷上限线。该线又称为降液管超负荷线。液体流量超过此线，表明液体流量过大，液体在降液管内停留时间过短，进入降液管中的气泡来不及与液相分离而被带入下层塔板，造成气相返混，降低塔板效率。严重时，还会发生降液管液泛。(4)漏液线 新型浮阀塔板水力学性能的研究线4为漏液线，该线即为气相负荷下限线。气相负荷低于此线将发生严重的漏液现象，气液不能充分接触，使板效率下降。(5)液相负荷下限线线5为液相负荷下限线。液相负荷低于此线使塔板上液流不能均匀分布，导致板效率下降。以上诸线所包围的区域，便是塔的适宜操作范围。操作时的气相流量圪与液相流量厶在负荷性能图上的坐标点称为操作点。在连续精馏塔中，回流比为定值，该板上的圪肛。也为定值。因此，每层塔板上的操作点是沿通过原点、斜率为以肛。的直线而变化，该直线称为操作线。2．2．2负荷性能图曲线与塔结构参数的关系在设计过程中可以随时对结构尺寸参数进行调整。在最大程度上使得塔板负荷性能图能保证上、下操作弹性符合工艺要求。操作弹性大，说明塔适应变动负荷的能力大，操作性能好。操作点位于操作区内的适中位置，可望获得稳定良好的操作效果，如果操作点紧靠某一条边界线，则当负荷稍有波动时，便会使塔的正常操作受到破坏。显然图2．2中操作点C优于操作点C’。物系一定时，负荷性能图中各条线的相对位置随塔板结构尺寸而变。因此，在设计塔板时，根据操作点在负荷性能图中的位置，适当调整塔板结构参数，以改进负荷性能图，满足所需的弹性范围。例如，加大板间距或增大塔径可使液泛线上移，增加降液管截面积可使液相负荷上限线右移，减少塔板开孔率可使漏液线下移等等。应该指出，各层塔板上的操作条件(温度、压强)及物料组成和性质均有所不同，因而各层板上的气、液负荷不同，表明各层塔板操作范围的负荷性能图也有差异。设计计算中在考查塔的操作性能时，应以最不利情况下的塔板进行验算。经过板式塔水力学计算，塔板尺寸各参数和负荷性能曲线之间存在着下面的关系，见表2．3。 青岛科技大学研究生学位论文表2．3塔板结构尺寸参数与负荷性能曲线的关系Tab．2-3Relationoftray—structurewithloadcapacitygraph2．3板式塔水力学校核为了保证上、下操作弹性，使板式塔的设计满足水力学指标，必须反复调整塔板的结构尺寸，反复验算。由于手工计算时运算的次数有限，很难得到最优尺寸，这就需要通过编程用到计算机辅助计算。塔式板设计核算的主程序示意框图见图2．3。图2．3板式塔结构设计的主程序示意框图Fig．2-3blockdiagramofmainprogramtodesigntray·structure29 新型浮阀塔板水力学性能的研究①一在开孔区设计中，如堰长乙已调至下限(即彳，不能再减小)孔仍然排不下，①表示这时只有加大孔径，并重新进行溢流区设计，才能保证气体有足够的通道面积。②，③—-流体力学校正中，雾沫夹带不满足要求时可按②或③途径进行调整。一般先考虑加大板间距日r，再代入雾沫夹带公式，看是否满足要求，即②；若板间距已经调至足够大仍不能满足要求，可考虑加大塔径，即③。④一表示因板压降办，过大引起液泛或漏液量超标时，需调开孔率9。⑤一表示因降液管阻力亿过大引起液泛，一般应调降液管底隙吃。⑥一表示不管是何种原因引起的液泛，加大板间距日r后，重新计算塔径。 青岛科技大学研究生学位论文3新型浮阀塔板水力学模型塔板水力学性能考察指标主要有塔板压降、雾沫夹带、漏液。本章就塔板压降、雾沫夹带、漏液随影响因素的变化关系做了研究与讨论，并采用最小二乘法得到了塔板压降、雾沫夹带、漏液的经验关联式。3．1梯形导向浮阀的研究3．1．1梯形导向浮阀的结构特点在长期的工业应用中，导向梯形浮阀以其操作效率高、操作弹性大、操作稳性强等优点在浮阀塔板的发展中越来越显示出其优势地位，具有如下特点：(1)塔板上配有导向浮阀，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，从导向孔喷出的少量气体以及从浮阀两侧吹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；(2)导向浮阀为梯形，两端设有阀腿，在操作过程中气体不是从四周流出，而是从浮阀的两侧流出。气体具有向前的分速度和垂直于塔板上液流方向的分速度。因此，梯形导向浮阔塔板上的液体返混是很小的；(3)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，从而可消除塔板上的液体滞止区；(4)由于梯形导向浮阀塔板在操作过程中不转动，浮阀无磨损、不脱落。3．1．2干板压降从文献【28"29’31】中知道得知梯形导向浮阀的干板压降随阀孔动能因子的变化如图3．1所示： 新型板式塔的水力学研究圈孔动能因子F。，[m『s．Ckatm’)仉刁图3-1干板压降变化规律Fig．3—1Theorderlinessofdryplatepressuredrop从图3．1可以看出导向梯形浮阀塔板的干板压降曲线明显分为两个阶段。在小气量时，由于导向梯形浮阀的浮动特点，浮阀随气相流量的增加而逐渐升起，阀缝中气体速度保持不变，因而塔板的干板压降主要由气流托起浮阀消耗能量造成的，其大小决定于浮阀单位面积的重量，而阀孔的气相动能因子对干板压降的影响甚微。当气量增加时，浮阀全部开启，气体通道不再改变，塔板的干板压降随气相阀孔动能因子的增加显著增大，此时，单位面积阀重对干板压降的影响很小。3．1．3雾沫夹带雾沫夹带的产生有两种方式：一是气体通过液层表面鼓泡，破裂形成的液滴，小液滴随气体一起上升到上一层塔板。另一种是由于气速过大，液层相对变薄，即塔板上持液量减小，气液两相形成喷溅状态，从而使液体直接被带到上一层塔板。导向梯形浮阀雾沫夹带量在不同堰高、液流强度下随阀孔动能因子的变化如图3．2、3．3所示：32哪m鼬蛳啪舢舶一d『。刍世幽鞯牛 青岛科技大学研究生学位论文堆圹口’．Y堆埂CDjC瓷‘6BIO●2"‘t6阏孔动能因子F口，[m，s．(kg／rn’)。j】图3-2雾沫夹带与堰高的关系Fig．3-2Relationofentertainmentwithweirheight基旷亡玎芒蛏疑口芏山●5曩1口IZ1●l口阀孔动能因子F。／l"m／s．(kgtm3)n5]图3-3雾沫夹带与溢流强度的关系Fig．3—3RelationofentertainmentwithLiquidrate从图中可以看出，液流强度增大雾沫夹带有所减少，但减少的量很小，即在堰高等条件不变的情况下，液流强度对雾沫夹带的影响不大。当液流强度固定不变时，堰高越高，雾沫夹带量就越大。雾沫夹带量随着气速的增大而增大，在低气速下，雾沫夹带量增加很缓慢，在高气速下，雾沫夹带随气速的增大显著增大。3．1．4漏液影响漏液的因素很多，有阀重、浮阀开度、液流强度、堰高、气速等。导向33 新型板式塔的水力学研究梯形浮阀漏液量在不同堰高、不同液流强度下随阀孔动能因子的变化如图34、3．5所示：蛞旷亡DjC、堆蜒亡DjC’菌蒂CD芒羹C0jC、∞O丑口23●56T阀孔动能因子F。IEm／s．(kg／m3)。5]图34漏液量与堰高的关系Fig．3-4RelationofweepingwithweirheightZ)●j■i阀孔动能因子F．IEmls．(kglm3)玑5]图3-5漏液量与溢流强度的关系Fig．3-5RelationofweepingwithLiquidrate从图中可以看出，随着阀孔气相动能因子R的增大漏液量急剧减小，当堰高保持不变时，随着液流强度的增大，漏液量也增大；当液流强度固定不变时，堰高较低时，塔板上液层厚度较小，故漏液量较少，随着堰高的增大，塔板上液层厚度增大，漏液量增大，此规律与文献上提供的一致。 青岛科技大学研究生学位论文3．1．5数据关联3．1．5．1干板压降梯形导向浮阀塔板的干板压降分为浮阀全开前和浮阀全开后两种情况，其模型采用式1．15，用最小二乘法对文献数据进行拟合得到如下的回归方程：浮阀全开前：￡=196．1碍舢29(3．1)式中：拟合平均标准偏差S=0．6307，相关系数R=0．9296，各自变量的偏相关系数分别为0．9891，0．9902。浮阀全开后：只=5．241F01脚(3-2)式中：拟合平均标准偏差S=0．5146，相关系数R=0．9456，各自变量的偏相关系数分别为0．9735，0．9243。3．1．5．2雾沫夹带影响雾沫夹带的因素根多。根据文献数据，梯形导向浮阀塔板雾沫夹带的关联，可采用数学模型P=厂(Fo，L。，hw)，采mad"--乘法得到如下关联式：e=2．5x10巧Fo‘1硭JP乃(3-3)式中：拟合平均标准偏差S=0．4687，相关系数R=0．9138，各自变量的偏相关系数分别为0．9467，0．9035，0．9631。3．1．5．2漏液影响漏液量的因素根多。根据文献数据，梯形导向浮阀塔板漏液量的关联，可采用数学模型占=厂(昂，上w，办。)，采用最小二乘法得到如下关联式：占=9．205Fo-2。79∥3三≯9(3—4)式中：拟合平均标准偏差S=0．6675，相关系数R=0．8342，各自变量的偏相关系数分别为O．9254，0．9117，0．9862。3．2斜孔梯形浮阀的研究3．2．1斜孔梯形浮阀的结构特点斜孔梯形浮阀具有如下特点唧．6l】： 新型板式塔的水力学研究(1)浮阀前端设有导向孔。导向孔的开口方向与塔板上的液流方向一致。在操作中。从导向孔喷出的气体以及从浮阀两侧吹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。(2)浮阀为梯形。两端设有阀腿，在操作过程中气体不是从四面八方流出。而是从浮阀的两侧流出。气体具有向前的分速度和垂直于塔板上液流方向的分速度。因此，斜孔梯形浮阀塔板上的液体返混是很小的。(3)斜孔梯形浮阀可以加速塔板两侧弓形区域的液体流动，从而可消除塔板上的液体滞止区。(4)由于斜孔梯形浮阀塔板在操作过程中不转动，浮阀无磨损，不易脱落。(5)它的最大特点是在梯形浮阀的顶部开两个相背小角度斜孔，斜孔方向向着浮阀的两侧，斜孔的舌片前端向下弯曲，使得从斜孔中出来的气体不能直接向上方吹出，而是先向下，再向上的曲线流路，这种结构可以增加气体与液体的接触时间，同时还可以抑制从浮阀侧孔吹出的气流所形成的雾沫夹带。3．2．2干板压降从文献160,611中知道得知斜孔梯形浮阀的干板压降随阀孔动能因子的变化如图3-6所示：苣r翟捌辑H-口Z●6—110iZl●10111阀孔动能因千F。／[mls．(kg／m3)u]图3石干板压降变化规律Fig．3-6Theorderlinessofdryplatepressuredrop从图3-6可以看出斜孔梯形浮阀塔板的干板压降曲线明显分为两个阶段。在转折点前，压降增加平缓；转折点后压降则增加较快。开始，随着R的增大，浮阀由全闭依次开启，这时板上的开孔率是通过浮阀的开启个数及开度来调节的， 青岛科技大学研究生学位论文即气量增大的同时，流通面积也相应增大，加上舌孔的存在，气体通过阀体和阀孔空隙的速度没有明显变化，气体流过阀孔的阻力没有多大变化，故转折点前压降变化平缓；转折点后，浮阀处于全开状态，开孔率固定，随着气量的增大，气体通过阀孔的速度增大，阀孔实际动能因数R增大，造成的动能损耗显著增大，故转折点后，干板压降随R的增大迅速增大。3．2．3雾沫夹带影响雾沫夹带的因素很多，有塔板间距、空塔气速、堰高、液流强度及两相物系的物理化学性质等。斜孔梯形浮阀雾沫夹带量在不同堰高、液流强度下随阀孔动能因子的变化如图3．7、3．8所示：9_O1l1213"．阀孔动能因子Fo，[m，s．(kgtm3)o_5]图3．7雾沫夹带与堰高的关系Fig．3-7Relationofentertainmentwithweirheight37∞"盯竹惦¨们吆们∞OnOnO一蝗圹旦、蛙缝旦一，a 新型板式塔的水力学研究最旷CD芏、垣缝亡D芏∞，l口lllZlJ1●俦阀孔动能因子F。／[mls．(kglm3)n5]图3．8雾沫夹带与溢流强度的关系Fig．3·8RelationofentertainmentwithLiquidrate从图中可以看出，液流强度增大雾沫夹带有所减少，但减少的量甚微，即在堰高等条件不变的情况下，液流强度对雾沫夹带的影响不大。当液流强度固定不变时，堰高越高，雾沫夹带量就越大。雾沫夹带量随着气速的增大而增大，在低气速下，雾沫夹带量增加很缓慢，在高气速下，雾沫夹带随气速的增大显著增大。这表明只有在阀孔动能因子很大，从阀缝中吹出的气体与从斜孔中吹出的气体相互干扰时，斜孔梯形浮阀塔板才会产生大量的雾沫夹带。3．2．4漏液影响漏液的因素很多，有阀重、浮阀开度、堰高、液流强度、气速等。斜孔梯形浮阀漏液量在不同堰高、不同液流强度下随阀孔动能因子的变化如图3-9、3．10所示：2lO98765‘30，O¨叻叫¨叭¨叫 青岛科技大学研究生学位论文OO●5OD40D加5口删2D253D35●D‘5阀孔动能园千Fo／[m／s．(kg／m3)n5】图3-9漏液量与堰高的关系Fig．3-9RelationofweepingwithweirheightOD30OD25燕。脚圹口"Y主仰佰缝里oD·D1OD05aD∞2D253D35●D●5阀孔动能因千Fo／[m／s．(kglm3)n5]图3．10漏液量与溢流强度的关系Fig．3-10RelationofweepingwithLiquidrate从图中可以看出，斜孔梯形浮阀塔板的漏液量随着阀孔气相动能因子磊的增大而减小，随液流强度和堰高的增加而增大。3．2．5数据关联3．2．5．1干板压降斜孔梯形浮阀塔板的干板压降分为浮阀全开前和浮阀全开后两种情况，其模395O5O5O3^．21l∞叩¨一妊旷邙芒最缝旦一，a 新型板式塔的水力学研究型采用式1．15，用最小二乘法对文献数据进行拟合得到如下的回归方程：浮阀全开前：B=213．87F0319(3．5)式中：拟合平均标准偏差S=0．0024，相关系数R=0．9474，各自变量的偏相关系数分别为0．9277，0．9103。浮阀全开后：只=8．63Fo"‘49(3—6)式中：拟合平均标准偏差S=0．0118，相关系数R=0．9935，各自变量的偏相关系数分别为0．9335，0．9505。3．2．5．2雾沫夹带影响雾沫夹带的因素根多。根据文献数据，斜孔梯形浮阀塔板雾沫夹带的关联，可采用数学模型e=厂(R，Lw，h。)，采用最小二乘法得到如下关联式：P=5．59x10-6Fg’39^：L07P’3酌(3—7)式中：拟合平均标准偏差S=0．0763，相关系数R=0．9782，各自变量的偏相关系数分别为0．9267，0．8103，0．9631。3．2．5．2漏液影响漏液量的因素根多。根据文献数据，斜孔梯形浮阀塔板漏液量的关联，可采用数学模型占=厂(Fo，Lw，‰)，采用最dx-乘法得到如下关联式：占=12．5990--2。01厅0跎印17(3．8)式中：拟合平均标准偏差S=0．0223，相关系数R=0．9342，各自变量的偏相关系数分别为0．8272，0．8664，0．9413。3．3本章小结通过上面梯形导向浮阀和斜孔梯形浮阀的塔板压降、雾沫夹带、漏液曲线，可以得到如下结论：1．板压降与气体通道大小有直接的关系。浮阀的气体通道由两部分构成：阀孔通道面积和阀缝通道面积。当浮阀完全开起之前，压降随浮孔动能因子增大变化甚微，当浮阀完全开起之后，压降随孔动能因子增大急剧变化。从研究中得出，梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀的阀孔动能因子应该保持在8～13之间，才能达到最佳的操作效果。2．雾沫夹带量随着塔动能因子和堰高的增大而增大，而随着液流强度的增大 青岛科技大学研究生学位论文而减小。3．漏液量随着塔动能因子的增大而减小，而随着液流强度和堰高的增大而增大。4l 新型板式塔的水力学研究4新型浮阀塔板水力学性能比较研究板式塔可通过考查塔板的负荷性能图来考察其水力学性能，如果操作点在雾沫夹带线、液泛线、液相负荷上限线、漏液线和液相负荷下限线这5条线所包围的区域，便是塔的适宜操作范围，在这个范围内水力学性能能满足安全操作的要求，这时的塔板设计也是正确的。相反，则板式塔的水力学性能不能满足安全操作的要求，要求对塔设计进行改造和优化。利用化工系统流程模拟软件一化工之星绘出塔板的的负荷性能图，便可对塔的水力学性能进行研究。为了考察新型浮阀塔板在水力学方面的优越性，在操作条件、物料组成和性质及板上的气、液负荷均相同的条件下，采用F1型浮阀(国外称为v-1型)进行塔板设计，通过将Fl浮阀塔板换成其他不同类型的新型浮阀塔板，进行水力学核算。通过负荷性能图查看塔板正常操作的区域，通过比较来考察新型塔板的水力学性能。拟建一浮阀塔用以分离苯一甲苯，其中气相流量K=1．61m3／s，液相流量L，=0．0056m3／s，液相密度PL=875kg／m3，气相密度Pv=2．78kg／m3，物系表面张力盯：20．3mN／m。4．1传统F1浮阀塔板设计F1浮阀于50年代初在工业上开始推广使用，由于结构简单，制造简单，节省材料，性能良好又兼有泡罩塔板和筛板塔板其他的优点而广泛使用，特别是在石油、化学工业中使用的最为普遍，对其性能研究充分。其具有如下优点：(1)生产能力大。由于F1浮阀塔板具有较大的开孔率，故其生产能力比泡罩塔的大20％00％，而与筛板塔相近。(2)操作弹性大。F1浮阀塔板可在一定的范围内自由升降以适应气量变化，而气缝速度几乎不变，故维持正常操作所容许的负荷波动范围比泡罩塔和筛板塔的都宽。(3)气体压降及液面落差较小。因为气、液流过塔板时所遇到的阻力较小，故气体的压强降及板上的液面落差都比泡罩塔板的小。42 青岛科技大学研究生学位论文41l塔板结构设计界面塔板结构设计所需参数及输入界面见图4-1。41．2塔板结构参数图4-1输入参数及界面Fi94·1InputparameterandinterfaceF1浮阀塔板结构见表4-l。表4-1F】浮阀塔板的结构参数Tab4-1Thestmctu陀parameterofFIvalvetray 新型板式塔的水力学研究4．1．3水力学计算结果根据塔的工艺操作条件和F1型浮阀塔板的设计结构，采用化工过程模拟系统—ECSS化工之星对塔板进行水力学计算。塔板水力学计算结果汇总及气．液相负荷性能图见表4．2和图4．2。表4-2Fl型浮阀塔板水力学计算结果汇总Tab．4-2ThehydraulicsresultofF1valvetray 青岛科技大学研究生学t)：论文图4-2FI浮阀塔扳自荷性能困Fi94-2TheloadcapabilityofFIvalvetray从F1浮阀塔板负荷性能图上可看出，操作点在液泛线、雾沫夹带线、漏液线、液相上限线和液相下限线所包围的区域内，因此苯一甲苯分离塔采用F】浮阀在此负荷下能够正常操作，井能进一步提高负荷。但从图上可看出，操作点离雾沫夹带线和漏液线都很近，受雾沫夹带和漏液控制，正常操作区域很小，操作弹性比较小，塔板极易园操作状况的改变导致雾沫夹带引起的液泛或严重漏液。4．2梯形导向浮桶水力学核算工业上常用的F1型浮阀塔板虽具有许多优点，但也存在直口下缺点：塔扳上的液面梯度较大，塔板上的液体返混程度较大，在塔板两侧的弓形部位存在液体滞止区，浮闽易磨损脱落。操作弹性小。梯形导向浮阀可克服这些姥点，具有如下优点：(】)液面梯度小。浮阀上设有导向孔，其开口方向与塔板上的液流方向一致。从而可明显减小甚至完全消除塔板上的液面梯度。(2)液体返混很小。浮阀为梯形，在操作过程中气体不是从四周流出，而是从浮阀的两侧流出，气体具有向前的分速度和垂直于塔板上液流方向的分速度。因此，梯形导向浮阀塔板上的液体返混是很小的。(3)气体压力降较4、。由于梯形导向浮阀的阀孔尺寸较大，气、液流过浮阀塔扳时所遇的阻力较小，故气体压力降较Fl浮阀小。 新型板式塔的水力学研究4．2．1塔板结构参数梯形导向浮阀塔板结构见表4．3。表4．3梯形导向浮阀塔板的结构参数Tab．4-3Thestructureparameteroftrapezoidaldirectedvalvetray4．2．2塔板装配图由塔板的截面积和开孔率，根据梯形导向浮阀阀孔面积为1742咖n2，得出梯形导向浮阀的个数为90个。为使塔板上气液两相接触较理想、鼓泡均匀，塔板各分块板的浮阀采用叉排，垂直液流方向的阀间距为80mm，平行液流放心的阀间距为100mm。各分块板浮阀布置如图4．3所示。 青岛科技大学研究生学位论文非凸n凸13譬凸凸譬凸13U／-I凸凸：凸13U凸图4-3梯形导向浮阀塔板装配图Fig．4．3Theassemblydrawingoftrapezoidaldirectedvalvetray4．2．3水力学计算结果根据塔的工艺操作条件和梯形导向浮阀塔板的设计结构，采用前面建立的水力学模型对塔板进行水力学计算。(1)液泛线为了防止液泛，应保证降液管中泡沫液体总高不能超过上层塔板的出口堰。联立式1．1、式1．2、式1．3、式1_4、式1．18、式1．19及式3．2，得矿(日r-6办。)=5．2411、16919+o．m(f，土1．ho)2+件1，／(4．)O+eo卜剐半]]舯铲一n(Ar-2AI)奇㈨2)根据给定的物系和塔板结构尺寸，将上式简化成圪与Ls的如下关系式：0．05797V?。69=o．175—85．75三2,一0．965L：／3(4—3)在操作范围内取若干个t值，依式4-3算出相应的以值列于表4．-4。47沁、、—㈨川叫，，夕＼＼凸凸凸凸凸～凸凸凸凸凸凸凸凸～一凸凸凸凸凸凸凸一一凸凸凸凸凸凸Q凸一一凸凸△凸凸凸凸一一凸凸凸凸凸凸凸凸一一凸凸凸凸凸凸凸一一凸凸凸凸凸凸凸凸～厂／舍凸凸凸＼＼∥¨华皓扭＼^N竺见／，●●L一 新型板式塔的水力学研究(2)雾沫夹带线为了保证塔的正常操作，雾沫夹带量不能超过0．1kg液／kg气。根据给定的物系和塔板结构尺寸，由式3．3，得o．1=2．5x10。5露一0．os．-oJi-o∞(4．4)在操作范围内取若干个丘值，依式4_4算出相应的K值列于表4-5。表4．5雾沫夹带线-数-ieTab．4．5datasofentertainmentline(3)漏液线为了保证塔的正常操作，雾沫夹带量不能超过0．1蚝液／l【g气。根据给定的物系和塔板结构尺寸，由式3-4，得o．1=9．205Fo-z～0．051‘”掣9(4．5)在操作范围内取若干个厶值，依式4—5算出相应的K值列于表4-6。表4-6漏液线数据Tab．4-6datasofweepingline(4)液相负荷上限线液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于3～5秒。根据给定的物系和塔板结构尺寸，由式2-9，得乜上=了AfHr=业半=0．092m3／s(4．6)48 青岛科技大学研究生学位论文(5)液相负荷下限线为了满足一定的传质效率，堰上清液层高度应该大于O．Olm，根据给定的物系和塔板结构尺寸，由式2-6，得Q，)曲=L0．021x．814000、1／3／203．69而03=0．0017m3／s(4．7)梯形导向浮阀塔板水力学计算结果汇总及气．液相负荷性能图见表4．7和图44。表4．7梯形导向浮阀塔板水力学计算结果汇总Tab．4-7Thehydraulicsresultoftrapezoidaldirectedvalvetray49 新型板式塔的水力学研究一液泛线+雾沫夹带线—卜漏液线——i度相负荷下限——液相负荷上限◆操作点LI,m3／8图4-4梯形导向浮阀塔板负荷性能图Fig．4-4Theloadcapabilityoftrapezoidaldirectedvalvetray从梯形导向浮阀塔板负荷性能图上可看出，操作点在液泛线、雾沫夹带线、漏液线、液相上限线和液相下限线所包围的区域内，因此苯一甲苯分离塔采用梯形导向浮阀塔板在此负荷下能够正常操作，并能进一步提高负荷。但从图上可看出，正常操作区域很大，操作弹性比较大，但操作点离液泛线很近，受液泛控制。这主要是梯形导向浮阀塔板上的开孔率太小，只有9．8％，只要增大开孔率就可以进一步优化塔的性能。4．3斜孔梯形浮阀水力学核算斜孔梯形浮阀具有浮阀的一些优点，如：操作弹性大、加工简单、操作负荷大等外，还有如下的优点：(1)液体返混小。浮阀为梯形，在操作过程中气体不是从四面八方流出，而是从浮阀的两侧流出，气体具有向前的分速度和垂直于塔板上液流方向的分速度。因此，斜孔梯形浮阀塔板上的液体返混是很小的。(2)雾沫夹带量少。从斜孔中出来的气体不能直接向上方吹出，而是先向下，再向上的曲线流路，这种结构抑制从浮阀侧孔吹出的气流所形成的雾沫夹带。(3)操作弹性大。由于斜孔梯形浮阀升程较大，可以适应较大的气量的变化，故维持正常操作所容许的负荷波动比F1大得多。 青岛科技大学研究生学位论文4．3．1塔板结构参数斜孔梯浮阀塔板结构见表4．8。表4-8斜孔梯形浮阀塔板的结构参数Tab．4-8Thestructureparameterofgradientfingenttrapezoidalvalvetray4．3．2塔板装配图由塔板的截面积和开孔率，根据斜孔梯形浮阀阀孔面积为1742mm2，得出斜孔梯形浮阀的个数为90个。为使塔板上气液两相接触较理想、鼓泡均匀，塔板各分块板的浮阀采用叉排，垂直液流方向的阀间距为80mm，平行液流放心的阀间距为100mm。各分块板浮阀布置如图4．5所示。51 新型板式塔的水力学研究口呙凸n凸凸：凸凸1。．3凸13譬凸凸兮凸／J凸n凸凸芸凸凸凸凸13几凸凸：13凸瓮t313：凸凸等t3凸：13凸尝凸凸U凸g图4-5斜孔梯形浮阀塔板装配图Fig．4·5Theassemblydrawingofgradientringenttrapezoidalvalvefray4．3．3水力学计算结果根据塔的工艺操作条件和斜孔梯形浮阀塔板的设计结构，采用前面建立的水力学模型对塔板进行水力学计算。(1)液泛线为了防止液泛，应保证降液管中泡沫液体总高不能超过上层塔板的出口堰。联立式1-1、式1-2、式1．3、式1_4、式1．18、式1．19及式3-6，得r三、1’49伽烈，=8．63盟+o．153PLg吲+㈤8，矽(日r+k)=∑————L+o．1了竺}l+Lf矿‰／(4．)m。卜焉d半]]根据给定的物系和塔板结构尺寸，将上式简化成圪与厶的如下关系式：0．033827V]～=o．175—85．75L]-0．965L]／3(4-9)在操作范围内取若干个厶值，依式4．9算出相应的K值列于表4-9。52NU、出剐、、以∥＼＼凸凸凸凸凸一凸凸凸凸凸凸凸凸一一凸凸凸凸凸凸凸一一凸凸O凸凸凸凸凸一∥器口／过 青岛科技大学研究生学位论文(2)雾沫夹带线为了保证塔的正常操作，雾沫夹带量不能超过O．1kg液／kg气。根据给定的物系和塔板结构尺寸，由式3．7，得0．1=5．59x10‘6露‘390．05-l。07P3酌(4-10)在操作范围内取若干个厶值，依式4·lO算出相应的K值列于表4-10。表4．10雾沫夹带线数据Tab．4．10damsofentertainmentline(3)漏液线为了保证塔的正常操作，雾沫夹带量不能超过0．1kg液／kg气。根据给定的物系和塔板结构尺寸，由式3．8，得0．1=12．59F02‘010．051。跎掣17(4-11)在操作范围内取若干个三，值，依式4-11算出相应的K值列于表4·11。表4．11漏液线数据Tab．4-11datasofweepingline(4)液相负荷上限线液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于3～5秒。根据给定的物系和塔板结构尺寸，由式2-9，得乜。)啷=华=业半--0．092m3／s(4-12) 新型板式塔的水力学研究(5)液相负荷下限线为了满足一定的传质效率，堰上清液层高度应该大于0．01m，根据给定的物系和塔板结构尺寸，由式2-6，得Q，L=(避半)非×器一o．咖7矶㈨㈣斜孔梯形浮阀塔板水力学计算结果汇总及气．液相负荷性能图见表4—12和图4．6。表4．12斜孔梯形浮阀塔板水力学计算结果汇总Tab．4-12Thehydraulicsresultofgradientringenttrapezoidalvalvetray一液泛线+雾沫夹带线_一L漏液线——液相负荷下限—_蔽相负荷上限-操作点／"SIma[$图4石斜孔梯形浮阀塔板负荷性能图Fig．4-6Theloadcapabilityofgradientringenttrapezoidalvalvetray54 青岛科技大学研究生学位论文从斜孔梯形浮阀塔板负荷性能图上可看出，操作点在液泛线、雾沫夹带线、漏液线、液相上限线和液相下限线所包围的区域内，因此苯一甲苯分离塔采用斜孔梯形浮阀塔板在此负荷下能够正常操作，并能进一步提高负荷。但从图上可看出，正常操作区域很大，操作弹性很大。4．4比较结果本章通过采用不同塔板对气相负荷为1．61m5／s、液相负荷为O．0056m3／s的苯一甲苯物料的分离，对前面的数据和图形的进行比较，可以得到各个塔板的稳定操作的操作弹性。F1型浮阀塔板的气相负荷上限(rs)一=2．049m3／s，气相负荷下限以)min：o．966m3／s，所以操作弹性=蕊2．049=2．12梯形导向浮阀塔板的气相负荷上限以)一=1．871m3／s，气相负荷下限以mie=o．143m3／s，所以操作弹性=而1．871=13．08斜孔梯形浮阀塔板的气相负荷上限(E)一_2．574m3／s，气相负荷下限以)曲=o．121m3／s，所以操作弹性=而2．574=21．27Fl浮阀、梯形导向浮阀和斜孔梯形浮阀的塔板压降、负荷上下限及操作弹性比较结果见．表4．13。表4．13水力学比较结果汇总Tab．4-13Thecomparisonresultsofhydraulics从表4．13可以看出，导向梯形浮阀和斜孔梯形浮阀比传统F1浮阀的操作弹性大，稳定性能好，但是压降没有明显地变化，主要是由导向梯形浮阀和斜孔梯形浮阀开孔率过小造成造成的，F1浮阀开孔率达到了25％以上，导向梯形浮阀和 新型板式塔的水力学研究斜孔梯形浮阀开孔率不到10％。4．5本章小结根据前面的研究以及数据我们可以得到这样的结论：1．梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板的操作弹性比F1型浮阀塔板的操作弹性大很多，从负荷性能图上也可以看出前者比后者的稳定操作区域提高了20％30％，因而梯形导向浮阎塔板和斜孔梯形浮阀塔板的操作更稳定。2．梯形导向浮阀塔板的气相负荷上限较Fl型浮阀塔板小一些。从水力学性能的影响因素考虑，主要是因为其开孔率太小，还不到F1型浮阀塔板的一半开孔率，所以如果增加梯形导向浮阀塔板的开孔率就可以优化塔板的操作性能。3．斜孔梯形浮阀塔板的水力学性能不仅比F1型浮阀塔板优越，比梯形导向浮阀塔板也有了提高。这主要是斜孔梯形浮阀塔板的开孔方向是倾斜的，一方面可以阻止液体下流，另外一方面也可以降低气速，减少气体携带走的液体，从而减少雾沫夹带。 青岛科技大学研究生学位论文5新型浮阀塔板在氯乙烯脱低沸物塔上的应用研究齐鲁石化氯碱厂1号氯乙烯(VCM)生产装置中的脱低沸物塔存在着漏液问题，在对新型浮阀进行水力学性能研究时，发现梯形导向浮阀和斜孔梯形浮阀在控制塔漏液方面有很好的效果，考虑用梯形导向浮阀和斜孔梯形浮阀对脱低沸物塔进行改进，本章对此进行了研究。5．1氯乙烯生产工艺及脱低沸物塔的工艺流程简图齐鲁石化氯碱厂1号氯乙烯生产装置采用平衡氧氯化生产工艺。生产装置主要由以下部分组成，直接氯化单元、氧氯化单元、二氯乙烷(EDC)精制单元、EDC裂解单元、VCM精制单元。平衡氧氯化法的基本工艺流程图见图5．1：图5-1平衡氧氯化工艺方框流程图Fig．5-1blockflowdiagramofbalancedoxychlorination在直接氯化单元、氧氯化单元生产过程中产生了少量的氯丁二烯和苯。EDC精制单元中的脱低沸物塔装置用于脱除生产过程中产生的氯乙烷、氯丁二烯、苯等，使EDC达到满足裂解炉料EDC要求的范围。氯丁二烯在系统运行过程中极易发生自聚，从而堵塞设备和管道，使得现有的分离不是很理想。梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板操作弹性大，对装置进料原料性质的变化具有很好的适应性。脱低沸物塔的工艺流程图见图5。2。57 新型板式塔的水力学研究单位：温度T：ac压力PlMPa图5-2脱低沸物塔的工艺流程图Fig．5-2Flowsheetofde·low-boilingsubstancestower5．2脱低沸物塔存在的问题5．2．1脱低沸物塔结构参数脱低沸物塔的塔板结构见表5．1。 青岛科技大学研究生学位论文塔径(m)板间距(m)降液管宽度(m)中心降液管宽度(m)溢流堰长(m)出口堰高(ram)降液管底缘距塔板距离(nun)降液管总面积(m2)浮阀个数开孔率(％)塔板类型2．70．460．80．46O．330．330．28O．280．281．7768530．75571040．5十型浮阀5．2．2脱低沸物塔水力学计算5．2．2．1脱低沸物塔气一液负荷脱低沸物塔实际有65块浮阀塔板，采用化工过程模拟系统—ECSS化工之星，对脱低沸物塔进行流程模拟，所得脱低沸物塔典型塔板气．液相负荷情况如表5．2所示。表5．2脱低沸物塔典型塔板气．液相负荷Tab．5-2Thevapor-liquidloadofde-low-boilingsubstancestower’Stypicalstage汽相负荷液相负荷温度——压力项目质量流量体积流量密度质量流量体积流量密度5．2．2．2脱低沸物塔水力学计算结果根据脱低沸物塔塔板气．液相负荷，采用化工过程模拟系统-ECSS化工之星 34濠终的密度气体的特霞0．0、1503293口妒fcm 青岛科技大学研究生学位论文袁5-415拌塔板水力学计算结果汇总Tab．5-4Thehydraulicsresultof15#stage序号项目数据单位1气体的体积流量11668．18m3／h2液体的体积流量129．44m3／ll3气体的密度5．04kg／m34液体的密度1134．50kg／m35气体的粘度0．01146cP6液体的粘度0．3367cP7液体的表面张力33．30dyne／cm8降液管中液体流速0．053m／s9塔板总压降70．60mmH20塔卜DA3D2的汽液相负荷图图5-415拌塔板负荷性能图Fig．5-4Theloadcapabilityof15#stage从15#塔板负荷性能图上可看出，操作点不在液泛线、雾沫夹带线、漏液线、液相上限线和液相下限线所包围的区域内，在漏液线上，因此此装置在现有的处理量下操作状态很不理想，负荷稍有波动，塔的正常操作就会破坏，需要对塔板进行改进。(3)25#塔板核算25#塔板水力学计算结果汇总及气．液相负荷性能图见表5．5和图5．5。61培簟糠汽的嚏n向瞳唆喧哇时等等限疆宙失麦嘘上下降点慷慷目甩扫小怍譬薯泄被破量毋佰¨伯住”佃987B543210一H、__)删媸霹簟霹《 新型板式塔的水力学研究表5．525#塔板水力学计算结果汇总Tab．5·5Thehydraulicsresultof25#stage序号项目数据单位l气体的体积流量l1029．32m3／h2液体的体积流量103．53m3／h3气体的密度4．82kg／m34液体的密度l137．47kg／m35气体的粘度O．01141cP6液体的粘度0．3423cP7液体的表面张力33．56dyne／cm8降液管中液体流速0．053m／s9塔板总压降70．60mmH20图5—525群塔板负荷性能图Fig．5·5Theloadcapabilityof25#stage从25#塔板负荷性能图上可看出，操作点不在液泛线、雾沫夹带线、漏液线、液相上限线和液相下限线所包围的区域内，在漏液线以下，因此此装置在现有的处理量下不能够正常操作，需要对塔板进行改进。(4)41#塔板核算41#塔板水力学计算结果汇总及气．液相负荷性能图见表5-6和图5-6。 青岛科技大学研究生学位论文表5-641群塔板水力学计算结果汇总Tab．5-6Thehydraulicsresultof41#stage序号项目数据单位1气体的体积流量11757．81m3／h2液体的体积流量81．17m3／h3气体的密度4．471875747kg／m34液体的密度l142．06kg／m35气体的粘度O．01133cP6液体的粘度0．3519cP7液体的表面张力33．99dyne／cm8降液管中液体流速0．053m／s9塔板总压降70．60math20塔N-DA302的汽液相负荷圜吱喧11的忾琅簟橱哇喧时问哇图5-641#塔板负荷性能图Fig．5-6Theloadcapabilityof41#stage从65#塔板负荷性能图上可看出，操作点不在液泛线、雾沫夹带线、漏液线、液相上限线和液相下限线所包围的区域内，在漏液线以下，因此此装置在现有的处理量下不能够正常操作，需要对塔板进行改进。(5)65#塔板核算65#塔板水力学计算结果汇总及气．液相负荷性能图见表5．7和图5．7。等笨疆娘留疆麦麦喧上下陴点眨侏慷鼠甩箝小怍暇雾雾泄旗壤晟毋}}～二二* 新型板式塔的水力学研究表5．765拌塔板水力学计算结果汇总Tab．5-7Thehydraulicsresultof65#stage序号项目数据单位l气体的体积流量16767．47m3／ll2液体的体积流量59．12m3／h3气体的密度3．99kg／m34液体的密度1131．54kg／m35气体的粘度0．0109cP6液体的粘度O．3710cP7液体的表面张力34．84dyne／cm8降液管中液体流速0．053m／s9塔板总压降70．60mmH20J笤：e-DA302的汽液相负荷图～、、恐≈，t№。·；HI州⋯i※：：DD．D20』】40．06O．0日0．10．12糠相忙职赢置(雨a，‘)+嘏+雾雾——j畦!一琅一值一最*却图5-765搭板负荷性能图Fig．5-7Theloadcapabilityof65#stage从65#塔板负荷性能图上可看出，操作点在液泛线、雾沫夹带线、漏液线、液相上限线和液相下限线所包围的区域内，但离漏液线、雾沫夹带线都比较近，受漏液和雾沫夹带控制，正常操作区域比较小，负荷稍有波动，正常操作就会破坏。因此需要对塔板进行改进。5．3脱低沸物塔的改进研究在整个设计过程中，力求从实际出发，尽可能考虑各方面的利益：为了降低培t酸汽的吐n向哇哇哇tf时带等限限留麦麦尘f上下悼点侏豫鼠甩甩小作BI20日6420眢、n占捌惯臀簟霉《 青岛科技大学研究生学位论文改进费用，在保证预期分离效果的前提下尽可能地对塔的组件不变动，尽可能少地使用新塔板。从前面的负荷性能图可以看出旧的脱低沸物塔主要存在着漏液的问题，在第四章的我们对梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板的水力学研究来看，梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板在运行过程中漏液量很少甚至不漏液，正好可以用这两种塔板替代脱低沸物塔原有的十型浮阀。5．3．1改进后脱低沸物塔结构参数我们现在确定分别用梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板替代脱低沸物塔原有的十型浮阀这两种方案，看看塔改进后是否满足正常操作的水力学要求。改进后的脱低沸物塔结构参数见表5．8。表5-8脱低沸物塔板的结构参数Tab．5-8Thestructureparameterofde-Iow-boilingsubstaneestower5．3．2塔板装配图．‘由塔板的截面积和开孔率，根据梯形导向浮阀和斜孔梯形浮阀阀孔面积为1742mm2，得出塔板上浮阀的个数为426个。为使塔板上气液两相接触较理想、鼓泡均匀，塔板各分块板的浮阀采用叉排，垂直液流方向的阀间距为85mm，平行液流放心的阀间距为70mm。各分块板浮阀布置如图5．8所示。 新型板式塔的水力学研究oRk"M1}onr)C)r】—_"藤瓢藜藜哩雾霾鳓图5-8浮阀塔板装配图Fig．5-8Theassemblydrawingofvalvetray5．3．3改进后脱低沸物塔水力学计算5．3．3．1改进后脱低沸物塔气—液负荷改进后脱低沸物塔的处理量不变，看原有的操作情况在新塔板的情况下能否有一定程度的改善，改进后脱低沸物塔的气液相负荷见表5-9。表5-9脱低沸物塔典型塔板气．液相负荷Tab．5-9Thevapor-liquidloadofde-low-boilingsubstancestower’Stypicalstage项目汽相负荷液相负荷温度——质量流量体积流量密度质量流量体积流量密度压力5．3．3．2脱低沸物塔水力学计算结果 青岛科技大学研究生学位论文我们根据脱低沸物塔塔板气．液相负荷，根据第三章梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板的水力学计算模型对1#塔板、15律塔板、25#塔板、41#塔板、65#塔板进行水力学计算，计算结果如下：(1)1#塔板核算1#梯形导向浮阀塔板的气．液相负荷性能图见图5-9，l#斜孔梯形浮阀塔板的气．液相负荷性能图见图5．10。+根亿戎—．-辱沫夹带线—卜-漏液线——张相负荷下限——液相负荷上限◆操作点L．m，，sl。图5-91拌塔板负荷性能图(梯形导向浮阀)Fig．5-9Theloadcapabilityofl撑stage(trapezoidaldirectedvalve)图5—101}j}塔板负荷性能图(斜孔梯形浮阀)Fig．5-10Theloadcapabilityofl#stage(gradientringenttrapezoidalvalve)经过水力学核算，从图上可以看出梯形导向浮阎塔板和斜孔梯形浮阀塔板在67 新型板式塔的水力学研究当前的处理量下均处于正常操作范围，并且所处的操作状态也很好。(2)15#塔板核算15#梯形导向浮阀塔板的气．液相负荷性能图见图5．11，15#斜孔梯形浮阀塔板的气．液相负荷性能图见图5．12。图5—1115荆套扳负荷性能图(梯形导向浮阀)Fig．5-11Theloadcapabilityof15#stage(trapezoidaldirectedvalve)图5．1215搭板负荷性能图(斜孔梯形浮阀)Fig．5-12Theloadcapabilityof15#stage(gradientringenttrapezoidalvalve)经过水力学核算，从图上可以看出梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板在当前的处理量下均处于正常操作范围，并且所处的操作状态也很好。 青岛科技大学研究生学位论文(3)25#塔板核算25#梯形导向浮阀塔板的气．液相负荷性能图见图5．13，25#斜孔梯形浮阀塔板的气．液相负荷性能图见图5．14。翼Er0．m’s图5-1325搭板负荷性能图(梯形导向浮阀)Fig．5-13Theloadcapabilityof25#stage(trapezoidaldirectedvalve)---．11---液泛线+雾沫夹带线+漏液线——液相负荷下限——啪《相负荷上限·操作点图5-1425撑塔板负荷性能图(斜孔梯形浮阀)Fig．5·14Theloadcapabilityof25#stage(gradientringenttrapezoidalvalve)经过水力学核算，从图上可以看出梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板在当前的处理量下均处于正常操作范围，并且所处的操作状态也很好。(4)41#塔板核算 新型板式塔的水力学研究41#梯形导向浮阀塔板的气．液相负荷性能图见图5．15，4l#斜孔梯形浮阀塔板的气．液相负荷性能图见图5．16。卓EyL1．m，，s图5—1541璐板负荷性能图(梯形导向浮阀)Fig．5-15Theloadcapabilityof41#stage(trapezoidaldirectedvalve)／／Hu_‘‘--．．----,11------液泛线+雾沫夹带线+漏液线——液相负荷下限——-}夜相负荷上限-操作点图5．1641#1善t-板负荷性能图(斜孔梯形浮阀)Fig．5-16Theloadcapabilityof41#stage(gradientringenttrapezoidalvalve)经过水力学核算，从图上可以看出梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板在当前的处理量下均处于正常操作范围，并且所处的操作状态也很好。(5)65#塔板核算65#梯形导向浮阀塔板的气．液相负荷性能图见图5．17，1#斜孔梯形浮阀塔板的气．液相负荷性能图见图5．18。 青岛科技大学研究生学位论文+液泛线+雾沫夹带线—卜漏液线—．瓿相负荷下限——液相负荷上限卜操作点图5．1765瞅负荷性能图(梯形导向浮阎)Fig．5·17Theloadcapabilityof65#stage(trapezoidaldirectedvalve)图5．1865#t答板负荷性能图(斜孔梯形浮阀)Fig．5·18Theloadcapabilityof65#stage(gradientringenttrapezoidalvalve)经过水力学核算，从图上可以看出梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板在当前的处理量下均处于正常操作范围，并且所处的操作状态也很好。5．4本章小结在第四章的研究中，可以看到梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板具有漏液量很小的操作特点，特别是孔梯形浮阀塔板具有在处理量小的时候甚至不漏液7l 新型板式塔的水力学研究的优点，而齐鲁石化氯碱厂1号氯乙烯(VCM)生产装置中的脱低沸物塔存在着严重的漏液现象。正好可以用梯形导向浮阀塔板或斜孔梯形浮阀塔板替代原有的塔板，本章对此进行改进研究。改进后得到如下结论：1．脱低沸物塔原来采用的十型浮阀存在着严重的漏液现象，换成梯形导向浮阀塔板或斜孔梯形浮阀塔板就可以解决漏液问题；2．原来的脱低沸物塔正常操作的范围非常小，换成梯形导向浮阀塔板或斜孔梯形浮阀塔板极大地提高了正常操作的范围，塔操作的稳定程度有了很大地改善；3．改进后脱低沸物塔的处理量也可以有很大程度地提高，完全可以满足日后工厂业务扩展的需求。当然，替换成梯形导向浮阀塔板或斜孔梯形浮阀塔板后在很小的气相流量下也不存在漏液的问题，所以脱低沸物塔也完全可以根据市场的需要减小处理量。 青岛科技大学研究生学位论文结论在对梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板结构进行分析的基础上，对这两种新型浮阀塔板的水力学性能进行了研究，并且采用这两种新型浮阀塔板对实际生产装置进行改进性的研究。研究表明，梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板由于其特殊的形状结构，对塔板上液流有一定的导向作用，具有良好的水力学性能，可以减小液面梯度，漏液量和雾沫夹带量都非常小，此外，它还具有较好的流体力学性能，压降小，在操作中能耗小，特别适用于易分解、易聚合、沸点高的物料的精馏操作。通过对梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板水力学性能的研究，得到了一些关于新型浮阎塔板水力学性能的结论：1．梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板浮阀完全开起之前，压降随浮孔动能因子增大变化甚微，当浮阀完全开起之后，压降随孔动能因子增大急剧变化。从研究中得出，梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀的阀孔动能因子应该保持在8～13之间，才能达到最佳的操作效果。通过浮阀雾沫夹带数据的对比可以看出，这两种新型塔板的雾沫夹带都比F1浮阀小，具有更高的操作上限。通过浮阀漏液数据的对比可以看出，这两种新型塔板的漏液都比F1浮阀小，具有更低的操作下限。2．本次研究中梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板的操作弹性比Fl浮阀大，梯形导向浮阀塔板的操作弹性为13．08，斜孔梯形浮阀塔板的操作弹性为21．27，F1浮阀的操作弹性为2．12。3．鉴于梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板具有较强的导向推液能力，操作过程中液体应该能稳定地从上层板流入下层板，不易发生液泛，但是在本次研究中这两种新型塔板在液泛这方面的优势没有体现。这主要是本次研究中新塔板的开孔率过小，引起塔板压降增大而导致的，如果想进一步提高塔的稳定操作性能，可以增大开孔率。4．梯形导向浮阀塔板和斜孔梯形浮阀塔板在很多方面优于Fl浮阀，比如雾沫夹带和漏液，但在开孔率方面远不如F1浮阀，需要改进，可以考虑在排孔方式上做一下改进。 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青岛科技大学研究生学位论文致谢本论文工作是在导师项曙光教授的热情关怀和精心指导下完成的。贾小平和夏力老师在整个论文阶段自始至终给予了耐心的指导和启发，并对论文的后期工作付出了大量的时间和精力。几位老师渊博的学术知识、严谨求实的治学态度、清晰的头脑、灵活的科研方法、积极进取、乐观向上的精神风貌以及谦逊的工作作风给作者留下了深刻的印象，为作者今后的学习、工作和生活树立了榜样。在论文完稿之际，谨向几位老师表示崇高的敬意和衷心的感谢。同时，在完成论文期间，作者也得到了其他老师和研究生同学的关心和帮助。三年来，是他们给作者提供了一个充满生机活力的、团结向上的学习环境，在此也一并表示诚挚的谢意。感谢所有爱我的亲人们，十几年的求学生涯中，是他们默默的支持、鼓励与无私奉献，伴我渡过学业与生活中的低谷，给我实现梦想的机会。最后再一次衷心的祝福和感谢所有关心、帮助过我的老师、同学、朋友、亲人们!左美兰2009．6．6 新型板式塔的水力学研究攻读硕士学位期间的学术论文目录1．左美兰，塔板最新研究和展望【J】，化学工业与工程技术，2009，30(1)：27．31'