两种泡罩塔板的流体力学性能研究

于洪江，董 宇，杨 斌，赵桂周

（1. 西安石油大学 化学化工学院， 陕西 西安 710065； 2. 西安同大实业有限公司， 陕西 西安 710075）

两种泡罩塔板的流体力学性能研究

于洪江1，董 宇1，杨 斌1，赵桂周2

（1. 西安石油大学 化学化工学院， 陕西 西安 710065； 2. 西安同大实业有限公司， 陕西 西安 710075）

应用空气-水系统，在1 000 mm×400 mm的有机玻璃塔中，测定不同结构的两种泡罩塔板的压降、雾沫夹带、漏液等流体力学性能，对实验测得的结果进行关联，得到了计算泡罩塔板各项流体力学性能的关联式，为今后的设计及应用提供依据。实验结果表明：在正常操作范围内，Ⅱ型泡罩塔板的压降、漏液点、雾沫夹带随板孔动能因子（F0）增加的幅度均低于Ⅰ型，即Ⅱ型泡罩塔板的流体力学性能优于Ⅰ型泡罩塔板。

泡罩塔板；压降；漏液；雾沫夹带

泡罩塔是最早获得广泛应用的一种典型板式塔，在长期的生产实践中积累了比其他塔板都要丰富的经验［1］。传统泡罩塔板的优点是：因升气管高出液层，不易发生漏液现象，液气比范围大，有较大的操作弹性，塔板不易堵塞，适于处理各种物料。缺点是：塔板结构复杂，塔板压降高，生产能力及板效率较低［2］。

为了克服传统泡罩塔板的缺点并适应不同的工艺要求，人们对各种改进的泡罩塔板进行了大量的研究，发展了一些新型的泡罩塔板，如条型泡罩塔板［3］、单流式（Uniflux tray，S型塔板）泡罩塔板、旋转泡罩塔板、伞型泡罩塔板［4］、槽式泡罩塔板［5,6］、带溢流管泡罩、长泡罩、泡罩垂直筛板［7-9］等。它们各有其特点，能适应不同的生产需求并部分克服了传统泡罩塔的缺点，在化工、炼油与石化等工业生产和发展中起了积极的作用。

将现用的两种泡罩塔板进行对比实验，系统研究了两种泡罩塔板的流体力学性能，对实验所得的结果进行对比关联并建立模型，为今后实际应用提供依据。

1 实验原理、设备及方法

所用的两种泡罩结构见图1，图1(a)为国标直径150 mm泡罩(Ⅰ型)，图1(b)为某企业现用泡罩(Ⅱ型)，Ⅱ型升气管及齿缝均高于Ⅰ型，用三根筋固定，结构较Ⅰ型为简单。

图1 两种泡罩结构Fig.1 The structure of two types of bubble-cap trays

试验在1 000 mm×400 mm规格的有机玻璃塔中进行，板间距450 mm。降液管面积占塔截面的7.97%，塔板开孔率11.2%，出口堰高度hw为90 mm。实验流程图见图2。

实验应用空气-水系统，在常温常压下进行，由U型管压差计测得每层塔板的压力，分别用量筒取出漏液收集板上单位时间的漏液和雾沫夹带收集器中单位时间的雾沫夹带液体。测试液流强度Lw分别为10,20,30 m3/(h·m)时，两种泡罩塔板的压降、雾沫夹带、漏液随F0的变化关系。

图2 实验流程图Fig.2 Flow chart of experiment

2 试验结果及分析

2.1 干板压降

两种泡罩塔板的干板压降与F0关系曲线见图3，由图可知：两泡罩塔板的干板压降均随着F0的增加而增加。Ⅰ型随F0的增大幅度明显大于Ⅱ型，这是由于：Ⅰ型泡罩的齿缝底部到塔板的距离与Ⅱ型相比较小，即气体出口通道较小，阻力较大；此外，由于Ⅰ型泡罩的齿缝相对较大而边缘间的间距较小，由齿缝喷出的气流在此相互冲击，加大了干板压降。

图3 Ⅰ型泡罩塔板与Ⅱ型泡罩塔板干板压降的比较Fig.3 Comparison of dry pressure drop of bubble-cap trayⅠandⅡ

对干板压降的实验数据曲线进行拟合，得到如下经验关联式：

式中:PdⅠ—Ⅰ型泡罩塔板的干板压降，Pa；

PdⅡ—Ⅱ型泡罩塔板的干板压降，Pa。

2.2 湿板压降

两种泡罩塔板的湿板压降与F0关系曲线见图4，由图可知：两塔板的湿板压降均随F0的增加而增加。Ⅰ型泡罩塔板湿板压降高于Ⅱ型，这是由于：首先Ⅰ型的干板阻力大于Ⅱ型；其次，在相同的液层厚度下，Ⅰ型的齿缝高度较低，气体要穿越的液层厚度较Ⅱ型的为高，故湿板压降高。

图4 Ⅰ型泡罩塔板与Ⅱ型泡罩塔板湿板压降的比较Fig.4 Comparison of pressure drop of bubble-cap trayⅠandⅡ

对湿板压降的实验数据曲线进行拟合，得到在堰高为90mm时的经验关联式：

式中:PⅠ—Ⅰ型泡罩塔板的湿板压降，Pa；

PⅡ—Ⅱ型泡罩塔板的湿板压降，Pa。

2.3 雾沫夹带

以每100 kg气体所夹带的液体kg数表征雾沫夹带量。对于一定的物系，雾沫夹带量的大小主要取决于板孔垂直气速、气体克服液层的阻力（液层厚度）以及板间距。

两种泡罩塔板的雾沫夹带与F0关系曲线见图5，在实验操作范围内，相同液流强度下，气量增大，液体容易被吹散成小液滴，越不易沉降，因此雾沫夹带量增大；相同气量下，对于Ⅰ型，随着液流强度的增加，清液层厚度升高，液层阻力增大，液体不容易被吹散成小液滴形成雾沫夹带，故雾沫夹带量减小。

于Ⅱ型，随着液流强度的增加，清液层厚度升高，另升气管较高，板间距相对较小，板间距的影响大于气体克服液层阻力的影响，在此固定板间距下，液滴相对不易沉降，故雾沫夹带量增加。由图5可知：Ⅰ型泡罩塔板的雾沫夹带量大于Ⅱ型，但Ⅰ型泡罩塔板雾沫夹带量随F0增加的幅度大于Ⅱ型。

图5 Ⅰ型泡罩塔板与Ⅱ型泡罩塔板雾沫夹带的比较Fig.5 Comparison of entrainment rate of bubble-cap trayⅠandⅡ

对雾沫夹带实验数据曲线进行拟合，得到在堰高90 mm时的雾沫夹带经验关联式：

式中:evⅠ—Ⅰ型泡罩塔板雾沫夹带率，%；evⅡ—Ⅱ型泡罩塔板雾沫夹带率，%。

以每100 kg液体从塔板漏出的液体kg数表征漏液量。在实验操作范围内，Ⅱ型泡罩塔板因其升气管较高，未出现漏液现象，Ⅰ型泡罩塔板在液流强度为30 m3/(h·m)时出现明显的漏液现象见图6。由图可知，其漏液率随F0的增加而减小。

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

对漏液的实验数据曲线进行拟合，得到在堰高90 mm时的漏液率经验关联式：

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结构，其升气管高出泡罩齿缝，形成液封，塔板上的液层高度主要不是由气流来支撑，故在操作时不会像其他塔板出现严重的漏液现象，这是泡罩塔板的一项突出优点。

3 结 论

(1) Ⅰ型泡罩塔板的压降大于Ⅱ型泡罩塔板，且随着F0增大的幅度更大；

(2) Ⅱ型泡罩塔板由于升气管较高，在本实验操作范围内未出现漏液现象，而Ⅰ型泡罩塔板在堰高较大、液流强度较大情况下有明显漏液现象。由此可知Ⅱ型泡罩塔板比Ⅰ型漏液点低；

(3) Ⅰ型泡罩塔板雾沫夹带量随F0增加的幅度大于Ⅱ型。

根据上述实验结果，Ⅱ型泡罩塔板的流体性能优于Ⅰ型泡罩塔板。所得数据及关联式可为实际生产及操作提供依据。

［1］兰州石油机械研究所．现代塔器技术[M].第2版．北京：中国石化出版社，2005：166．

［2］天津大学化工学院，柴诚敬．化工原理（下册）[M].北京：化学工业出版社，2007: 143－144．

［3］魏兆灿，李宽宏．塔设备设计[M].上海：上海科学技术出版社， 1988: 85．

［4］兰州石油机械研究所．现代塔器技术[M].北京：烃加工出版社，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，马晓迅．泡罩立体筛板:中国,实用新型专利ZL200620136216.6[P].2006: 11-19．

［8］彭军，褚雅志，马晓迅，等．泡罩垂直筛板性能研究[J].化学工程, 2010，38(7) ：5-8．

［9］彭军．泡罩立体筛板性能研究[D].西安：西北大学，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，陕西西安人，副教授，2000年获西北大学理学硕士学位，研究方向：油田化学。E-mail：yhjhx@xsyu.edu.cn。