兩種泡罩塔板的流體力學性能研究

于洪江，董 宇，楊 斌，趙桂周

（1. 西安石油大學 化學化工學院， 陜西 西安 710065； 2. 西安同大實業有限公司， 陜西 西安 710075）

兩種泡罩塔板的流體力學性能研究

于洪江1，董 宇1，楊 斌1，趙桂周2

（1. 西安石油大學 化學化工學院， 陜西 西安 710065； 2. 西安同大實業有限公司， 陜西 西安 710075）

應用空氣-水系統，在1 000 mm×400 mm的有機玻璃塔中，測定不同結構的兩種泡罩塔板的壓降、霧沫夾帶、漏液等流體力學性能，對實驗測得的結果進行關聯，得到了計算泡罩塔板各項流體力學性能的關聯式，為今后的設計及應用提供依據。實驗結果表明：在正常操作范圍內，Ⅱ型泡罩塔板的壓降、漏液點、霧沫夾帶隨板孔動能因子（F0）增加的幅度均低于Ⅰ型，即Ⅱ型泡罩塔板的流體力學性能優于Ⅰ型泡罩塔板。

泡罩塔板；壓降；漏液；霧沫夾帶

泡罩塔是最早獲得廣泛應用的一種典型板式塔，在長期的生產實踐中積累了比其他塔板都要豐富的經驗［1］。傳統泡罩塔板的優點是：因升氣管高出液層，不易發生漏液現象，液氣比范圍大，有較大的操作彈性，塔板不易堵塞，適于處理各種物料。缺點是：塔板結構復雜，塔板壓降高，生產能力及板效率較低［2］。

為了克服傳統泡罩塔板的缺點并適應不同的工藝要求，人們對各種改進的泡罩塔板進行了大量的研究，發展了一些新型的泡罩塔板，如條型泡罩塔板［3］、單流式（Uniflux tray，S型塔板）泡罩塔板、旋轉泡罩塔板、傘型泡罩塔板［4］、槽式泡罩塔板［5,6］、帶溢流管泡罩、長泡罩、泡罩垂直篩板［7-9］等。它們各有其特點，能適應不同的生產需求并部分克服了傳統泡罩塔的缺點，在化工、煉油與石化等工業生產和發展中起了積極的作用。

將現用的兩種泡罩塔板進行對比實驗，系統研究了兩種泡罩塔板的流體力學性能，對實驗所得的結果進行對比關聯并建立模型，為今后實際應用提供依據。

1 實驗原理、設備及方法

所用的兩種泡罩結構見圖1，圖1(a)為國標直徑150 mm泡罩(Ⅰ型)，圖1(b)為某企業現用泡罩(Ⅱ型)，Ⅱ型升氣管及齒縫均高于Ⅰ型，用三根筋固定，結構較Ⅰ型為簡單。

圖1 兩種泡罩結構Fig.1 The structure of two types of bubble-cap trays

試驗在1 000 mm×400 mm規格的有機玻璃塔中進行，板間距450 mm。降液管面積占塔截面的7.97%，塔板開孔率11.2%，出口堰高度hw為90 mm。實驗流程圖見圖2。

實驗應用空氣-水系統，在常溫常壓下進行，由U型管壓差計測得每層塔板的壓力，分別用量筒取出漏液收集板上單位時間的漏液和霧沫夾帶收集器中單位時間的霧沫夾帶液體。測試液流強度Lw分別為10,20,30 m3/(h·m)時，兩種泡罩塔板的壓降、霧沫夾帶、漏液隨F0的變化關系。

圖2 實驗流程圖Fig.2 Flow chart of experiment

2 試驗結果及分析

2.1 干板壓降

兩種泡罩塔板的干板壓降與F0關系曲線見圖3，由圖可知：兩泡罩塔板的干板壓降均隨著F0的增加而增加。Ⅰ型隨F0的增大幅度明顯大于Ⅱ型，這是由于：Ⅰ型泡罩的齒縫底部到塔板的距離與Ⅱ型相比較小，即氣體出口通道較小，阻力較大；此外，由于Ⅰ型泡罩的齒縫相對較大而邊緣間的間距較小，由齒縫噴出的氣流在此相互沖擊，加大了干板壓降。

圖3 Ⅰ型泡罩塔板與Ⅱ型泡罩塔板干板壓降的比較Fig.3 Comparison of dry pressure drop of bubble-cap trayⅠandⅡ

對干板壓降的實驗數據曲線進行擬合，得到如下經驗關聯式：

式中:PdⅠ—Ⅰ型泡罩塔板的干板壓降，Pa；

PdⅡ—Ⅱ型泡罩塔板的干板壓降，Pa。

2.2 濕板壓降

兩種泡罩塔板的濕板壓降與F0關系曲線見圖4，由圖可知：兩塔板的濕板壓降均隨F0的增加而增加。Ⅰ型泡罩塔板濕板壓降高于Ⅱ型，這是由于：首先Ⅰ型的干板阻力大于Ⅱ型；其次，在相同的液層厚度下，Ⅰ型的齒縫高度較低，氣體要穿越的液層厚度較Ⅱ型的為高，故濕板壓降高。

圖4 Ⅰ型泡罩塔板與Ⅱ型泡罩塔板濕板壓降的比較Fig.4 Comparison of pressure drop of bubble-cap trayⅠandⅡ

對濕板壓降的實驗數據曲線進行擬合，得到在堰高為90mm時的經驗關聯式：

式中:PⅠ—Ⅰ型泡罩塔板的濕板壓降，Pa；

PⅡ—Ⅱ型泡罩塔板的濕板壓降，Pa。

2.3 霧沫夾帶

以每100 kg氣體所夾帶的液體kg數表征霧沫夾帶量。對于一定的物系，霧沫夾帶量的大小主要取決于板孔垂直氣速、氣體克服液層的阻力（液層厚度）以及板間距。

兩種泡罩塔板的霧沫夾帶與F0關系曲線見圖5，在實驗操作范圍內，相同液流強度下，氣量增大，液體容易被吹散成小液滴，越不易沉降，因此霧沫夾帶量增大；相同氣量下，對于Ⅰ型，隨著液流強度的增加，清液層厚度升高，液層阻力增大，液體不容易被吹散成小液滴形成霧沫夾帶，故霧沫夾帶量減小。

于Ⅱ型，隨著液流強度的增加，清液層厚度升高，另升氣管較高，板間距相對較小，板間距的影響大于氣體克服液層阻力的影響，在此固定板間距下，液滴相對不易沉降，故霧沫夾帶量增加。由圖5可知：Ⅰ型泡罩塔板的霧沫夾帶量大于Ⅱ型，但Ⅰ型泡罩塔板霧沫夾帶量隨F0增加的幅度大于Ⅱ型。

圖5 Ⅰ型泡罩塔板與Ⅱ型泡罩塔板霧沫夾帶的比較Fig.5 Comparison of entrainment rate of bubble-cap trayⅠandⅡ

對霧沫夾帶實驗數據曲線進行擬合，得到在堰高90 mm時的霧沫夾帶經驗關聯式：

式中:evⅠ—Ⅰ型泡罩塔板霧沫夾帶率，%；evⅡ—Ⅱ型泡罩塔板霧沫夾帶率，%。

以每100 kg液體從塔板漏出的液體kg數表征漏液量。在實驗操作范圍內，Ⅱ型泡罩塔板因其升氣管較高，未出現漏液現象，Ⅰ型泡罩塔板在液流強度為30 m3/(h·m)時出現明顯的漏液現象見圖6。由圖可知，其漏液率隨F0的增加而減小。

圖6 Ⅰ型泡罩塔板漏液情況Fig.6 The weeping rate of bubble-cap trayⅠ

對漏液的實驗數據曲線進行擬合，得到在堰高90 mm時的漏液率經驗關聯式：

式中:LⅠ—Ⅰ型泡罩塔板漏液率，%。

2.4 漏液

由于泡罩塔板特殊的結構，其升氣管高出泡罩齒縫，形成液封，塔板上的液層高度主要不是由氣流來支撐，故在操作時不會像其他塔板出現嚴重的漏液現象，這是泡罩塔板的一項突出優點。

3 結 論

(1) Ⅰ型泡罩塔板的壓降大于Ⅱ型泡罩塔板，且隨著F0增大的幅度更大；

(2) Ⅱ型泡罩塔板由于升氣管較高，在本實驗操作范圍內未出現漏液現象，而Ⅰ型泡罩塔板在堰高較大、液流強度較大情況下有明顯漏液現象。由此可知Ⅱ型泡罩塔板比Ⅰ型漏液點低；

(3) Ⅰ型泡罩塔板霧沫夾帶量隨F0增加的幅度大于Ⅱ型。

根據上述實驗結果，Ⅱ型泡罩塔板的流體性能優于Ⅰ型泡罩塔板。所得數據及關聯式可為實際生產及操作提供依據。

［1］蘭州石油機械研究所．現代塔器技術[M].第2版．北京：中國石化出版社，2005：166．

［2］天津大學化工學院，柴誠敬．化工原理（下冊）[M].北京：化學工業出版社，2007: 143－144．

［3］魏兆燦，李寬宏．塔設備設計[M].上海：上?？茖W技術出版社， 1988: 85．

［4］蘭州石油機械研究所．現代塔器技術[M].北京：烴加工出版社，1990: 181．

［5］Guerrieri, Salvatore A. Bubble cap tray: US,Patent 3914352[P]. 1975-10-21．

［6］Guerrieri, Salvatore A. Bubble cap tray: US,Patent 4104338[P]. 1978-08-01．

［7］褚雅志，馬曉迅．泡罩立體篩板:中國,實用新型專利ZL200620136216.6[P].2006: 11-19．

［8］彭軍，褚雅志，馬曉迅，等．泡罩垂直篩板性能研究[J].化學工程, 2010，38(7) ：5-8．

［9］彭軍．泡罩立體篩板性能研究[D].西安：西北大學，2010．

Research on Hydrodynamics of Two Types of Bubble-Cap Trays

YU Hong-jiang1，DONG Yu1，YANG Bin1，ZHAO Gui-zhou2
（1. College of Chemistry&Chemical Engineering, Xi’an Shiyou University, Shaanxi Xi’an 710065, China；2. Xi’an Tongda Industrial Co., Ltd , Shaanxi Xi’an 710075, China）

The compared experiments of two types of bubble-cap trays were performed in an experimental rectangular column of 1 000 mm×400 mm by employing a typical model experimental system of water-air. From the experiment, many hydraulic properties were measured, such as tray pressure drop, entrainment rate, weeping rate. The results show that in normal operation, the tray pressure drop, weeping rate, entrainment rate of bubble-cap trayⅡare lower than those of bubble-cap trayⅠ,it is concluded that hydraulic properties of typeⅡare better than those of typeⅠ.

Bubble-cap tray; Tray pressure drop; Weeping rate; Entrainment rate

TQ 053.5

A

1671-0460（2011）11-1158-03

2011-09-15

于洪江（1965-），男，陜西西安人，副教授，2000年獲西北大學理學碩士學位，研究方向：油田化學。E-mail：yhjhx@xsyu.edu.cn。