立体传质塔板帽罩空间浓度分布

王志英，刘启东，刘继东，李春利

(1. 河北工业大学化工学院，天津 300130；2. 天津市普莱特科技发展有限公司，天津 300384)

立体传质塔板(combined trapezoid spray tray，CTST)是一种立体喷射型塔板[1]，具有通量大、效率高、压降低、抗堵性能强、消泡性能好等一系列优点．在炼油、石化、制药、维尼纶等工业生产上获得了广泛应用[2-4]．

立体传质塔板 CTST的核心部件是梯形帽罩，气、液两相均通过帽罩进入塔板空间完成传质、传热过程，情况十分复杂．文献[1，5-7]对CTST的各种流体力学性能以及罩内压力场和气相速度场进行了初步研究．板效率的研究是塔板技术研究的重要方面[8-11]．研究者对板效率的研究常通过板上液相浓度分布进而求得板效率[12]．CTST打破了传统的板上液层传质模式，传质区域由板上液层扩大至塔板至罩顶的立体空间范围，因此，罩体空间两相的浓度分布对CTST的板效率研究尤其重要．笔者对CTST帽罩空间的气、液相浓度分布进行了实验研究，并在此基础上分析气液接触的各阶段对总传质的贡献．

1 实验装置与实验方法

实验装置与流程如图 1所示. 实验在φ600,mm的有机玻璃冷模塔中进行，采用富含 CO2水-空气系统，二氧化碳的吸收在φ300,mm 的不锈钢填料塔中进行；实验塔板的开孔率为 10.17%，罩体排列(排×个数)为 1×3，溢流堰长 420,mm，溢流堰高 25,mm，板间距350,mm．

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system

实验时，气液混合物从取样口进入取样管，并在内部分离，气体从上端进入气相浓度测量装置，液体由软管从下端引至塔外采集，如图 2所示．气相浓度用气相中 CO2的摩尔分数表示，液相浓度用液相中CO2的质量分数表示，气、液相中 CO2的浓度均用化学容量法分析．为保证气相取样顺利，本实验采用图3所示的气相取样装置．

测量时，在罩内沿帽罩高度方向自下而上选择10个截面作为测量面，截面高度以塔板上表面为基准．取样点位置见图 4，横向取样点分别在中心线上和靠近喷射板处；罩外取样点选在液层以上区域，其高度和罩内相同；另外，在 60,mm 截面上，罩外水平方向设 3个取样点．为提高数据准确性，每个取样点取样 3～5次，保证其相对误差在 10%以内．本文不考虑沿帽罩长度方向的变化，即忽略端板的影响．

图2 取样装置示意Fig.2 Schematic diagram of sampling device

图3 气相取样装置Fig.3 Sampling device of gas phase

图4 取样点位置示意Fig.4 Position of sampling points

2 结果分析与讨论

2.1 CTST罩内外气液两相浓度分布状况

图 5 和图 6 是在 hw＝25,mm、u0＝15,m/s、qv＝1.5,m3/h时，罩内外气、液相浓度沿帽罩高度的变化曲线．可以看出：正常操作条件下，所测位置的液相浓度沿帽罩高度方向总体呈降低趋势，但在同一高度各位置液相浓度是不一样的，变化规律也稍有不同．在帽罩的提升段，靠近喷射板的液相浓度明显高于中心处；在喷射段，喷射板附近和帽罩中心的液相浓度则相差不多；同一截面上罩外液相浓度始终低于罩内液相浓度．另外，提升段液相浓度降低的速度比喷射段的要快，越接近罩顶，浓度变化越小．气相浓度沿帽罩高度方向呈升高趋势，在同一高度截面上，帽罩中心的气相浓度最低，罩外气相浓度高于罩内气相浓度．

图5 液相中CO2质量分数的分布Fig.5 CO2 concentration distribution in liquid phase

图6 气相中CO2摩尔分数的分布Fig.6 CO2 concentration distribution in gas phase

由于该过程是富含CO2水的解吸过程，液体在罩体内自下而上流动过程中 CO2不断解吸至气相，所以，液相浓度沿帽罩高度方向总体呈降低趋势．在帽罩的提升段，气流主体集中在罩体中心区域，对液体形成剪切提升，使液相以液膜形式沿喷射板向上流动，两相传质主要集中在液膜表面进行，相界面区域传质速率较快．而液膜内部 CO2扩散到相界面的阻力较大，所以靠近喷射板的液膜内部保持较高的 CO2浓度，而且浓度变化也较慢；在中心区域的气流主体中，传质主要在气相与部分喷溅到该区域的液体之间进行，液滴在强烈湍动的气流作用下，表面更新迅速，且此时气液两相刚刚开始接触，传质推动力大，因而传质速率较快，所以收集到的液相中 CO2浓度较低，而且浓度降低较快．这个阶段的气相中 CO2浓度变化与液相浓度变化相反：靠近喷射板的液膜附近，气量较少，气相浓度增加较快；而在气流主体中，虽然传质速率较大，但由于液相量较少，传质量较少，同时，气相量又较多，所以气相浓度增加缓慢．

在帽罩的喷射段，液体分散程度大幅度提高，传质面积显著增大，而且气液两相湍动激烈，有利于传质，所以液相浓度在刚进入喷射段时降低较快．随着气相中 CO2浓度的升高和液相中 CO2浓度的降低，传质推动力逐渐减小，又在一定程度上降低了传质速率，液相中CO2浓度的降低随着高度的增加又有所减缓．由于喷射段气液在空间的分布已经比较均匀，所以罩内两个位置测得的液相浓度比较接近．对于气相，随着气流主体中液相不断增多和液膜的不断破碎，中心气体中 CO2的浓度开始较快增加，而喷射板处气相浓度增加的趋势则开始变慢．但总体上喷射板附近的气相浓度仍然高于中心区域．

罩外部分的气液两相有两个来源：①直接从相应高度喷射孔喷出的气体和液滴；②遇到分离板阻挡而折返后喷出的气体和液体. 因此收集到的两相流体的浓度取决于这两股流体的浓度．由于折返的这部分两相流体接触时间较长，故罩外液相浓度相对较低，气相浓度相对较高．

2.2 板孔气速对罩内浓度分布的影响

由于罩外两相之间主要是气流与液滴之间的传质，帽罩结构对其影响不大，所以，关于操作条件对浓度分布影响的讨论主要针对罩内进行，并取中心线和靠近喷射板两个测量位置浓度的平均值近似作为该截面的平均浓度．需要说明的是，以下操作条件均不出现漏液和雾沫夹带等情况，所选择的气速和液体流量均为高效区内的操作条件．

图7和图8分别是不同板孔气速条件下，罩内液相浓度和气相浓度沿帽罩高度 h变化的情况(hw＝25,mm、qv＝1.5,m3/h)．可以看出，随着板孔气速的增大，各截面的气、液浓度都随之降低. 其原因有以下几个方面：首先，板孔气速增大，湍动程度加剧，相界面传质系数增大，促进液相中的 CO2更快地解吸；其次，气速增大后，气相总量增加，相应的气相浓度降低，故传质推动力增大；再次，随着气速的增大，液体提升量减少[7]，即进入罩内的液体量减少，也使液相浓度快速降低．图 8中板孔气速对气相浓度的影响可以在上述分析中得到解释．

图7 板孔气速对液相质量分数分布的影响Fig.7 Effect of u on concentration distribution in liquid phase

图8 板孔气速对气相摩尔分数分布的影响Fig.8 Effect of u on concentration distribution in gas phase

2.3 液体流量对罩内浓度分布的影响

图 9和图 10是固定 hw＝25,mm、uo＝10,m/s不变的情况下，液体流量对罩内两相浓度分布的影响．可以看出，当液体流量增大，气、液两相中 CO2浓度均增大．

当液体流量增大，液体提升量增加，在气速不变的情况下提升液体消耗的能量增加，则用于液体破碎的能量减少，液滴表面更新变慢，加之液体量较多，所以液相中 CO2浓度较高．对于气相而言，一方面液量增大造成液体分散程度降低阻碍传质，另一方面，液相中又保持较高的CO2浓度，与气相间的传质推动力增大，又会促进传质．所以，图 10中液体流量对气相浓度分布状况的影响是上述两因素共同作用的结果．

图9 液体流量对液相质量分数分布的影响Fig.9 Effect of qv on concentration distribution in liquid phase

图10 液体流量对气相摩尔分数分布的影响Fig.10 Effect of qv on concentration distribution in gas phase

2.4 帽罩不同区域传质量分布

帽罩空间不同区域的流体力学特征不同，对传质过程的影响也不同．在液体提升段，液相主要以液膜形式沿喷射板流动，传质过程表现为核心气流与液膜之间的质量交换；在喷射段，液膜被撕碎，气液两相湍动激烈，液滴表面更新很快，过程表现为连续的气体与液滴之间的质量传递；罩外与喷射段传质特征相似．根据上述描述，下面分别对罩内两区域(提升段W1、喷射段 W2)和罩外(W3)的传质量进行计算分析，罩内两区域的划分以最下排喷射孔为界．

单位时间内传质量的多少可以根据液相浓度来计算．单位时间内液体经过帽罩的总传质量可表示为

式中：qL为单个帽罩的绝对提升量；(xw,in-xw,out)tot为液相从进入帽罩到落回到板上液层之前的总浓度变化，其中进罩浓度近似按 h＝10,mm截面浓度平均值计算，回落液层之前的浓度按罩外 h＝60,mm截面的液相浓度平均值计算．

提升段的传质量等于液相在提升段的浓度变化乘以液体提升量，即

喷射段的传质量等于液相在提升段的浓度变化乘以液体提升量，即

罩外的传质量为

图 11是几种实验工况下不同区域传质量分布图，工况参数见表1．

图11 不同操作条件下的传质量分布Fig.11 Mass transfer distribution under different operational conditions

表1 传质量分布计算的实验条件Tab.1 Experimental conditions for mass transfer distribution study

由图11可以看出，对于CO2解吸系统，提升段传质量占帽罩总传质量的比例最高，实验范围内提升段传质量所占比率约 50%～70%，喷射段和罩外传质量比率分别为 10%～17%和 20%～35%．这一方面与CO2易于解吸有关，另一方面也反映出提升段是帽罩传质的重要区域，因为在提升段气、液两相刚开始接触，具有最大的传质推动力．

从图 11中工况 1、2、3可以看出，随着板孔气速的增大，提升段传质量所占比例有所减小，而喷射段传质量比率增加．这是因为在液体分散区域，随着气速的增加，流体湍动程度加剧，液滴更新加快，促进了两相传质．

从图11中工况4、5、6可以看出，液体流量越大，提升段传质量所占比例越小．这是因为液体流量越大，液体提升量越大，由于提升段主要表现为液膜传质，当提升量增大后两相界面接触面积变化并不大，提升量增大还导致液膜增厚，使内部液体中的CO2不易扩散到相界面，因而，提升段传质量变化并不明显；当液体上升到喷射区域后，随着液膜的破碎，液相中的CO2迅速解吸出来，同时，提升量增大后，液相中CO2总量增加，这些因素都加快了喷射段的传质速率.

3 结 论

(1)采用富含 CO2水-空气系统测量了 CTST罩体空间的气液两相 CO2浓度分布．结果表明，液相浓度沿帽罩高度方向总体呈降低趋势．在帽罩的提升段，靠近喷射板的液相浓度明显高于中心处的；在喷射段，喷射板附近和帽罩中心的液相浓度则相差不多；同一截面上罩外液相浓度始终低于罩内的．气相浓度分布正好与液相浓度分布相反，罩外气相浓度高于罩内气相浓度．实验范围内提升段、喷射段和罩外传质量占总传质量的比率分别为 50%～70%、10%～17%和 20%～35%，说明提升段是帽罩传质的重要区域．

(2)随着板孔气速的增大，各截面的气、液相浓度均降低，提升段传质量所占比率减小，而喷射段传质量比率增加；随着液体流量的增大，各截面的气、液相浓度均增大，提升段传质量所占比率也减小．

符号说明：

h—距塔板表面的高度，mm；

qv—液体流量，m3/h；

u—板孔气速，m/s；

x—液相中溶质的质量分数；

y—气相中溶质的摩尔分数；

qL—单罩液体提升量，kg/s.

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