新型泡沫碳化硅塔板的流体力学及传质性能

李鑫钢，刘 霞，高 鑫，田 冲，杨振明，张劲松，李 洪

新型泡沫碳化硅塔板的流体力学及传质性能

李鑫钢1,2，刘 霞1，高 鑫1,2，田 冲3，杨振明3，张劲松3，李 洪1,2

(1. 天津大学化工学院，天津 300072；2. 天津大学精馏技术国家工程研究中心，天津 300072；3. 中国科学研究院金属所，沈阳 110016)

利用碳化硅泡沫材料的孔隙率高、表面积大、强度大、耐腐蚀和不漏液等优点，将其应用到塔板上，开发出新型整体多孔碳化硅泡沫塔板．将一定孔径的碳化硅泡沫材料制作成厚度为12,mm的块状塔板，在φ 600,mm的塔内进行流体力学实验，测定了干板和湿板压降、雾沫夹带及漏液量等参数；以环己烷-正庚烷为标准物系在φ 300,mm的传质塔中进行了传质实验研究，在常压、全回流条件下测定了全塔效率来表征塔板传质效率；选择按工业设计标准制成的筛板与其性能进行比较．结果表明：泡沫孔径为2,mm的塔板压降过高；泡沫孔径为4,mm的塔板漏液较多，且出现不均匀漏液；而孔径为3,mm及3～4,mm组合的两种新型塔板具有压降低、雾沫夹带少、漏液少和全塔效率高等特点，是流体力学及传质性能优良的新型泡沫塔盘．

碳化硅；塔板；流体力学；全塔效率

板式塔是重要的气液和液液传质设备，具有结构简单、效率高、操作方便、易于放大、造价低廉且稳定可靠等优点，在常压或加压系统，特别是大塔径、多侧线气液传质设备中的应用具有较大的优势．塔板是板式分离塔的核心，是气液接触进行热量传递和质量传递的场所．近年来，塔板设计技术飞速发展，国内外相继推出了一系列结构新颖、性能优良的新型塔板．有的在传统塔板的基础上，对原有塔板的不足做局部的改进，如减小液面梯度、漏液、雾沫夹带等方面的改进[1-3]；也有针对某些特殊物系设计的塔板，如具有消泡功能和防堵塞功能的塔板等[4-5]；还有一些与传统塔板结构差异显著，气液接触方式发生了极大的变化，如立体传质塔板和复合塔板等[6-7]．这些新型塔板无论是在操作性能还是改造费用上都显示出广阔的应用前景[8]．总之，具有低压降、大通量、高效率等优良性能的塔板一直是广大科技工作者追求的目标，但是对于新兴功能材料在塔器中的应用研究则缺乏重大创新和突破．

近年来，各领域的学者对多孔陶瓷特别是泡沫碳化硅表现出了极大兴趣．作为新型功能材料，泡沫碳化硅具有孔隙率高、强度大、相对密度小、表面积大、耐磨蚀、抗氧化、热膨胀系数低、热传导率高、耐热冲击性能优良以及抗热震性能好等一系列优良特性[9]．新型泡沫碳化硅陶瓷在化工过程中的应用主要包括用于以多孔介质燃烧技术为基础的化学工业炉、新型高效耐用换热器[10-11]、结构化催化剂以及多功能反应器[12-13]等方面．文献[14-16]报道在精馏过程中泡沫碳化硅作为填料或塔板传质体强化化工分离过程，表明泡沫碳化硅在新型塔内件应用中具有很大的潜力．笔者首先提出将整体碳化硅泡沫[17]作为鼓泡区固定在塔板支架上，开发出一种新型多孔碳化硅泡沫塔板，其中碳化硅泡沫块的厚度为12,mm，孔径分别为2,mm、3,mm、4,mm，以及3,mm和4,mm的组合．分别在φ600,mm的流体力学塔和φ300,mm的传质塔中进行流体力学和传质性能的实验测试，并将不同孔径的塔板性能与筛板性能进行比较，以期对泡沫碳化硅塔板进行评价并对其应用提供基础数据．

1 材料与方法

1.1 塔板结构

本文所用碳化硅泡沫陶瓷的比表面积为0.02,m2/g，机械强度高[17]，在空气中低于1,600,℃的环境均可应用，采用接触角测量仪(型号：Dataphysics OCA15EC Contact-Angle System)测量光滑碳化硅的接触角为44°(小于90°)，润湿性良好．该泡沫材料来源广泛，制备成本低，比金属材料的制备过程更为环保，在节能减排方面具有很大优势，所以其具有较好的技术经济性．

实验所用的碳化硅泡沫块边缘封闭，不通气，实验时用硅胶将碳化硅紧密固定于不锈钢塔板支架上，保证边缘不漏液，塔板开孔率以塔板支架的开孔面积为准．碳化硅泡沫的三维网络结构使其漏液量很小，所以可以大幅度地增加塔板开孔率，加强鼓泡区，提高塔板效率．笔者充分利用塔板空间，将整块的泡沫材料作为鼓泡区，设计了5种碳化硅泡沫塔板，具体结构如图1所示，结构参数如表1所示．其中用于流体力学实验的塔板开孔率为43.2%(基于全塔面积)，传质实验的塔板开孔率为26.8%(基于全塔面积)．

图1 泡沫碳化硅塔板Fig.1 SiC foam tray

表1 不同塔板上泡沫碳化硅的结构参数Tab.1Structural parameters of different SiC foam trays

另外，在相同的实验条件和装置上，采用筛板塔进行对比实验．由于筛板塔漏液量和机械强度的限制，其开孔率不能大幅度增加，本文是根据工业设计标准[18]设计的厚度为3,mm的筛板．其中，流体力学性能测定所选择的筛板开孔210个，孔径8,mm，基于全塔面积的开孔率为4.03%(基于开孔区面积的开孔率14.70%)；传质实验选择的筛板开孔76个，孔径6,mm，基于全塔面积的开孔率为3.03%(基于开孔区面积的开孔率7.40%)，具体结构见图2．

图2 筛板的排布Fig.2 Arrangement of sieve tray

1.2 实验装置和流程

流体力学实验是在直径600,mm、高2,500,mm的透明有机玻璃塔内进行，实验装置如图3所示．塔内安装有两块塔板，上面一块板作为实验板，下面一块板作为气体均布和测试塔板漏液量的辅助板，塔上部气相出口安装有丝网除沫器用来测定雾沫夹带量.在一定液流强度下，从小到大调节气速直至达到液泛，测量塔板压降、漏液量、雾沫夹带量等参数．

图3 流体力学实验装置示意Fig.3 Schematic drawing of the hydrodynamics experimental apparatus

传质实验在直径300,mm、高3,500,mm的不锈钢塔内进行，塔内安装有4块塔板，实验装置如图4所示．实验采用正庚烷-环己烷(分析纯，辽阳裕丰化工有限公司)系统，全回流操作．利用阿贝折光仪(WAY-2WAJ，上海精密科学仪器有限公司)完成产品测试．

流体力学与传质实验装置具体结构参数及操作条件见表2．

图4 传质实验装置示意Fig.4Schematic drawing of mass transfer performance experimental apparatus

表2 流体力学及传质塔的结构参数及操作条件Tab.2 Structure parameters and operating conditions of the experimental setups for hydrodynamics experiments and mass transfer efficiency tests

2 结果与讨论

2.1 干板压降

干板压降是指塔板上没有液体时，气体通过塔板的气体通道时所产生的阻力损失，与开孔结构、开孔率、板型和塔板厚度等参数有关．图5为新型泡沫碳化硅塔板与传统筛板在不同塔气相动能因子下干板压降的比较结果．6种塔板的压降大小顺序为：塔板Ⅰ＞筛板＞塔板Ⅱ＞塔板Ⅳ＞塔板Ⅴ＞塔板Ⅲ．

图5 碳化硅塔板与筛板的干板压降比较Fig.5 Comparison of dry pressure drop for SiC foam trays and sieve tray

在相同的孔动能因子下，泡沫碳化硅的压降高于筛板，而本文利用整体碳化硅塔盘开孔率很大而不漏液的特点来达到降低压降的目的．本文是在相同的气相负荷下进行比较，也就是以有效传质面积为依据计算的气相动能因子为比较基准．泡沫塔板开孔率大(但不漏液)、孔动能因子小，因此压降较低；筛孔塔板开孔率小、孔动能因子大，因而压降也较大．塔板Ⅰ的压降高于筛板是由于泡沫材料的孔径小(2 mm)，气体经过塔板的通道较窄，导致较高的阻力损失．

图5表明碳化硅塔板的压降随碳化硅泡沫孔径的增大而减小．这是因为孔径越小，气体通道就越窄，气体通过塔板的阻力也就越大．双层不同孔径的组合塔板(Ⅳ、Ⅴ)的压降介于塔板Ⅱ、Ⅲ之间，这是因为气体穿过不同孔径碳化硅时形成不同的缩脉现象．气体穿过塔板Ⅳ上的两层不同孔径的碳化硅泡沫，与气体通过下锥形筛板类似，气体流束通过碳化硅塔板的3,mm孔进入4,mm孔，4,mm孔径没有渐扩作用，因此，塔板Ⅳ与3,mm单一孔径的塔板Ⅱ的缩脉情况基本相同，干板压降情况也相近．而气体通过塔板Ⅴ时与通过上锥形筛板类似，气体刚通过和刚离开碳化硅塔板孔径时的流束直径均大于塔板Ⅱ和Ⅳ的流束直径，从而降低气体穿过塔板的干板压降[19]．

2.2 湿板压降

塔板湿板压降主要包括干板压降和气流通过液层的压降两部分．对于碳化硅塔板，高国华[16]对碳化硅固定传质体塔板的微观模拟表明，湿板状态下由于碳化硅泡沫容易被液体润湿，使得碳化硅材料中滞留液体，从而造成碳化硅塔板具有较高的湿板压降．因此，湿板压降的测定对碳化硅塔板的设计至关重要．

图6为液流强度L=19.70,m2/h、堰高Hw= 40,mm时湿板压降随F的变化规律．从图6中可以看出，湿板压降随F的增大而增加，随孔径的增加而减小．当F＜2.0,kg1/2/(m1/2·s)时，压降比较结果：塔板Ⅰ＞塔板Ⅱ＞塔板Ⅳ＞筛板＞塔板Ⅴ＞塔板Ⅲ；当F＞2.0,kg1/2/(m1/2·s)时，压降比较结果：塔板Ⅰ＞筛板＞塔板Ⅱ＞塔板Ⅳ＞塔板Ⅴ＞塔板Ⅲ．这主要因为在低气速时，碳化硅泡沫材料良好的润湿性导致塔板上方的液层流入多孔泡沫内成为静持液，使得多孔泡沫材料的真实孔径变小，气体流过多孔通道的阻力增大，所以即使塔板Ⅱ、Ⅳ具有较大开孔率，压降依然高于筛板．随着气速的增大，多孔泡沫内的液体减少，润湿的塔板的孔隙率增大，塔板压降下降．塔板Ⅰ的湿板压降远高于其他塔板，在实验测定范围内最高可达1,800,Pa，这是因为塔板孔径小、气流通道窄、阻力系数大所致．从图中还可看出具有较大孔径的塔板Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的湿板压降明显低于塔板Ⅰ，所以通过适当增加碳化硅泡沫的孔径可以使新型碳化硅泡沫塔板具有较低的湿板压降．

图6 碳化硅塔板与筛板湿板压降的比较Fig.6Comparison of wet pressure drop for SiC foam trays and sieve tray

图7 和图8分别为塔板Ⅴ在Hw=40,mm、不同液流强度和L=19.70,m2/h、不同堰高时的湿板压降．从图中可以看出，随着液流强度的增大或溢流堰的增加，塔板的湿板压降增大，这是因为液流强度越大，溢流堰越高，板上液层越厚，湿板压降越大．

图7 塔板Ⅴ在Hw=40,mm时的湿板压降Fig.7 Wet pressure drop of Ⅴ foam tray for Hw=40,mm

图8 塔板Ⅴ在L=19.70,m2/h时的湿板压降Fig.8 Wet pressure drop of Ⅴ foam tray for L=19.70,m2/h

2.3 漏液量

漏液是指在低气相负荷下，气体通过塔板的阻力小于液层的静压，液体直接穿过塔板而不经过溢流堰进入下层塔板．漏液会使塔板上气液接触时间不同，导致纵向返混造成板效率下降，是衡量塔板流体力学性能重要的参数之一．

图9为各种塔板在L=19.70,m2/h、Hw=40,mm时，漏液量q随F的变化情况．图中未包括塔板Ⅰ的漏液情况是因为其漏液量极少(小于1%)，可视为不漏液．图9显示在低气速时塔板漏液量较大，但当F＞2.0,kg1/2/(m1/2·s)时，各塔板漏液量均低于2%．不同碳化硅塔板漏液量比较结果为：Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅱ．当F＜1.0,kg1/2/(m1/2·s)时，筛板的漏液量最大；当F＞1.0,kg1/2/(m1/2·s)时，塔板Ⅲ＞塔板Ⅳ＞筛板＞塔板Ⅴ＞塔板Ⅱ．碳化硅塔板比筛板漏液量少，是因为低气速时液体流入碳化硅泡沫后，由于泡沫骨架表面对液膜的表面张力作用和泡沫材料特殊的不规则三维通道的阻滞作用，使得碳化硅泡沫塔板较筛板更不容易漏液．因此，新型碳化硅泡沫塔板在更低的气相负荷和更高的液相负荷下仍可以正常操作．但是，随着多孔泡沫材料孔径的增大，它的特殊网状结构对液体的支撑作用逐渐不明显，因此，从图中可看出孔径越大漏液量越大．实验过程中发现，在低气速时，塔板Ⅲ发生偏流，这是由于多孔泡沫的孔径大导致气体分布不均所致．

图9 不同塔板漏液量比较Fig.9 Comparison of weeping for SiC foam trays and sieve tray

图10 和图11分别为塔板Ⅴ在Hw=40,mm、不同液流强度和L=19.70,m2/h、不同堰高时的漏液量随F的变化规律．从图中可以看出，碳化硅塔板漏液量随着液流强度的增加及溢流堰的增高而增大．这是因为在相同的F下，溢流堰的增高以及液流强度的增大都会使液层的静压头增大，从而使塔板漏液量增加．因此，可以根据工况选择合适的堰高和孔径的搭配．

图10 塔板Ⅴ在Hw=40,mm时的漏液量Fig.1 0 Weeping of Ⅴ foam tray for Hw=40,mm

图11 塔板Ⅴ在L=19.70,m2/h时的漏液量Fig.1 1 Weeping of Ⅴ foam tray for L=19.70,m2/h

从图中还可看出，在较大液流强度或较高溢流堰情况下，即使F很小(如F=1.2,kg1/2/(m1/2·s))，碳化硅塔板的漏液量也可以低于10%，这一点比筛板塔板具有很大的优势．

2.4 雾沫夹带

雾沫夹带是指气流穿过板上液层时产生的小液滴被上升气流夹带到上层塔板中，导致有效相际传质面积减小、塔板效率下降的现象．雾沫夹带量是重要的流体力学性能参数．影响雾沫夹带的因素很多，本节重点研究塔动能因子、堰高以及液流强度的影响．

图12为各塔板在L=19.70,m2/h、Hw=40,mm时的雾沫夹带量ev的比较情况．从图12中可以看出，本文选择的几种碳化硅泡沫塔板的雾沫夹带量均明显低于筛板，这是因为与筛板相比，碳化硅泡沫塔板的开孔率大，因而孔气速小、气体的能量小、夹带的液滴量少．另外，筛孔喷射力大，板上液体可被破碎成更小的液滴，液滴分布很宽，小液滴容易被夹带，而碳化硅塔板上形成的液滴均匀、分布也窄，所以不容易被夹带．这一特性使得碳化硅泡沫塔板所适用的气、液相负荷范围更宽．

从图中还可以看出，几种泡沫塔板雾沫夹带量的大小顺序为Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅲ，即在相同F条件下，孔径越小、孔气速越大，则气体破碎液体的滴径越小，雾沫夹带越严重．对于塔板Ⅳ、Ⅴ，气体缩脉现象使得相同F时各塔板的孔气速大小排序为：Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅲ，液滴的初速度及气流对液滴的携带能力也具有相同的大小关系．因此塔板Ⅳ的雾沫夹带量大于Ⅴ，而二者均介于塔板Ⅱ、Ⅲ之间．

图12 不同塔板雾沫夹带量的比较Fig.1 2 Comparison of entrainment for SiC foam traysand sieve tray

图13 和图14分别为塔板Ⅴ在Hw=40,mm、不同液流强度和L=19.70,m2/h、不同堰高时的雾沫夹带量比较．从图中可以看出，随着液流强度的增加和溢流堰的增高，塔板雾沫夹带量增大．这是因为液流强度越大、溢流堰越高，塔板上液层越厚，液滴被带至上层塔板的机会越大，导致雾沫夹带量越大．

图13 Hw=40,mm时塔板Ⅴ的雾沫夹带量Fig.1 3 Entrainment of Ⅴ foam tray for Hw=40,mm

2.5 塔板负荷性能

为了全面比较泡沫塔板和筛板的流体力学性能，本文根据计算及实验结果绘制了塔板Ⅱ及筛板的负荷性能图，如图15所示．图15中：SiC①、筛板①为两种塔板的漏液线，指标为漏液量为10%[18]；线②为最小液体负荷线[18]；线③为降液管负荷极限线[18]； SiC④、筛板④为两种塔板的雾沫夹带量极限线，指标一般是雾沫夹带量为10%[18]；线⑤为降液管液泛线[18]．

图14 L=19.70,m2/h时塔板Ⅴ的雾沫夹带Fig.1 4 Entrainment of Ⅴ foam tray for L=19.70,m2/h

图15 塔板负荷性能Fig.1 5 Tray-load performance diagram

从图15中可以看出，碳化硅塔板Ⅱ的漏液线比筛板低，雾沫夹带线比筛板高，所以碳化硅塔板适合的气、液相负荷更宽，操作弹性更大，应用范围也更广. 碳化硅塔板Ⅳ、Ⅴ与塔板Ⅱ具有相似的操作区域.

2.6 传质效率

全塔效率是板式塔分离能力的一个度量，在工程设计中实际塔板数是根据理论板数[20]和全塔效率确定的．理论板数和全塔效率计算式分别为

式中：ET为全塔效率；NT为理论塔板数；N为实际塔板数，N=4；xD为塔顶环己烷物质的量浓度；xW为塔底环己烷物质的量浓度；α 为相对挥发度．

图16为本文选择的几种碳化硅泡沫塔板和筛板的全塔压降ΔpT的比较．由于塔板Ⅰ的流体力学性能不理想，本节未对其进行传质性能测试．从图中可以看出，各类型的塔板压降的比较结果与流体力学实验所得的结果相似．对于碳化硅塔板而言，塔板压降比较结果为：Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅲ．在低气速时(F＜0.6,kg1/2/(m1/2·s))，筛板的压降要低于塔板Ⅱ、Ⅳ，随着气速的增加，筛板的压降高于碳化硅塔板．

图16 不同类型塔板全塔压降的比较Fig.1 6 Comparison of overall column pressure drop for SiC foam trays and sieve tray

图17 为本文选择的几种碳化硅泡沫塔板和筛板的全塔效率ET的比较．由图17可知，对于碳化硅塔板而言，传质实验发生液泛的全塔F为1.4,kg1/2/ (m1/2·s)左右，而流体力学实验中雾沫夹带量达到10%的全塔F为4.2,kg1/2/(m1/2·s)左右．这是不矛盾的，因为两个塔的板间距、塔板开孔率及所用物系不同，导致液泛点不同，传质实验更容易液泛．

图17表明，随着F的增加，全塔效率呈现先增大后减小的趋势，对应最佳气相动能因子处达到最大值．这是因为随着气速增加，塔板上的泡沫层高度增大，塔板效率增加，而且在全回流条件下，随着F的增加，液相负荷也增大，不但使板上的持液量增高，还可以抑制部分轴向返混，这都有利于传质；但随着气速的进一步增大，雾沫夹带量增加甚至液泛，导致塔板效率降低．

从图17中还可以看出，几种新型碳化硅泡沫塔板的全塔效率明显高于筛板，分析认为，一方面碳化硅泡沫的多孔结构能够产生大量尺寸较小的气泡，从而增大气液传质面积；另一方面碳化硅的三维通道能增加气液湍动，使得传质系数增大，全塔效率得到提高.

图17 不同类型塔板全塔效率的比较Fig.1 7 Comparison of overall column efficiency for SiCfoam trays and sieve tray

从图17可以看出，几种碳化硅塔板的全塔效率大小排序为Ⅱ＞Ⅴ＞Ⅳ＞Ⅲ，塔板Ⅱ的效率最高，达到80%，分析原因，主要是因为泡沫孔径及其分布不同所致．泡沫孔径为3,mm及孔径梯度变化的塔板，比孔径为4,mm塔板产生的气泡小且均匀，漏液少、雾沫夹带小，故具有更高的全塔效率．对于塔板Ⅲ，发现在低气速下会在进口区域出现不均匀漏液，造成液流在板间短路，使板效率下降．

值得注意的是，实验测得的全塔效率偏低，主要是因为：①传质塔的直径小，边缘区面积大，塔板开孔率小；②板间距小，塔板的雾沫夹带多；③塔板数量较少(只有4块塔板)，可能存在端效应．由于2种塔板的传质效率实验是在一个设备中进行的，上述原因对于碳化硅塔板与筛板塔板存在同样的影响，本文认为达到了实验对比的目的．

3 结 论

笔者开发了一种新型整体式多孔碳化硅泡沫塔板，选择5种不同孔径的新型塔板进行了流体力学性能和传质性能实验研究，并与传统筛板进行了比较，得到以下主要结论．

(1) 通过流体力学实验研究，筛选出Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ3种新型碳化硅泡沫塔板，其具有鼓泡均匀、压降小、低气相负荷下漏液量小、雾沫夹带小以及操作弹性大等优良的流体力学性能．实验测定范围内最高压降1,000,Pa左右；在低气相负荷下(F=1.2,kg1/2/ (m1/2·s))漏液量低于10%；在很高气速下(F= 4.2,kg1/2/(m1/2·s))雾沫夹带量超过10%．

(2) 流体力学实验表明，泡沫孔径太小会导致塔板压降过大、雾沫夹带高、操作范围小；而孔径太大会造成不均匀漏液．因此选择适宜的泡沫孔径是非常重要的．

(3) 传质实验表明，新型泡沫碳化硅塔板(Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ3种塔板)具有很高的传质效率，其中塔板Ⅱ全塔效率最高达80%，塔板Ⅳ、Ⅴ的最高效率都大于60%，大大高于相同条件下筛板塔的效率(＜50%)，而且液泛点更高，比筛板塔具有更大的通量．

［1］ Fair J R，Trutna W R，Seibert A F. A new，ultracapacity tray for distillation columns [J]. Chemical Engineering Research and Design，1999，77(7)：619-626.

［2］ 李 鹏，吴有庭，张志炳. 95型塔板的流体力学性能[J]. 南京大学学报：自然科学版，2000，36(4)：486-490.

Li Peng，Wu Youting，Zhang Zhibing. The fluid dynamic characteristic of the 95-type tray [J]. Journal of Nanjing University：Natural Science，2000，36(4)：486-490(in Chinese).

［3］ Alizadehdakhel A，Rahimi M，Alsairafi A. Numerical and experimental investigation on a new modified valve in a valve tray column [J]. Korean Journal of Chemical Engineering，2009，26(2)：475-484.

［4］ 陈建孟，谭天恩，史小农. 旋流塔板的板效率模型[J]. 化工学报，2003，12(12)：1755-1760.

Chen Jianmeng，Tan Tian′en，Shi Xiaonong. Model for predicting rotating stream tray efficiency [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering，2003，12(12)：1755-1760(in Chinese).

［5］ 潘国昌，刘 吉，谢润兴，等. 微分浮阀塔板及其工业应用[J]. 炼油设计，1999，29(10)：33-36.

Pan Guochang，Liu Ji，Xie Runxing，et al. Differential floating valve tray and ITS commercial application [J]. Petroleum Refinery Engineering，1999，29(10)：33-36(in Chinese).

［6］ 姚克俭，祝玲钰，计建炳，等. 复合塔板的开发及其工业应用[J]. 石油化工，2000，29(10)：772-775.

Yao Kejian，Zhu Lingyu，Ji Jianbing，et al. The study and development of compound tray and its applications [J]. Petrochemical Technology，2000，29(10)：772-775(in Chinese).

［7］ 李春利，孙玉春，王志英，等. 新型立体传质塔板CTST的研究与开发进展[J]. 河北工业大学学报，2004，33(2)：155-162.

Li Chunli，Sun Yuchun，Wang Zhiying，et al. The research and developments of CTST [J]. Journal of Hebei University of Technology，2004，33(2)：155-162(in Chinese).

［8］ 董 军，李建波. 塔板技术的发展现状与研究展望[J]. 石油炼制与化工，2007，38(11)：46-51.

Dong Jun，Li Jianbo. Present status and research prospect of tray technology [J]. Petroleum Processing and Petrochemicals，2007，38(11)：46-51(in Chinese).

［9］ Sepulveda P，Ortega F S，Innocentini M D M，et al. Properties of highly porous hydroxyapatite obtained by the gelcasting of foams [J]. Journal of the American Ceramic Society，2000，83(12)：3021-3024.

［10］ Pavel B I，Mohamad A A. An experimental and numerical study on heat transfer enhancement for gas heat exchangers fitted with porous media [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2004，47(23)： 4939-4952.

［11］ Xu W，Zhang H，Yang Z，et al. The effective thermal conductivity of three-dimensional reticulated foam materials [J]. Journal of Porous Materials，2009，16(1)：65-71.

［12］ Richardson J T，Remue D，Hung J K. Properties of ceramic foam catalyst supports：Mass and heat transfer [J]. Applied Catalysis A：General，2003，250(2)：319-329.

［13］ Twigg M V，Richardson J T. Theory and applications of ceramic foam catalysts [J]. Chemical Engineering Research and Design，2002，80(2)：183-189.

［14］ Lévêque J，Rouzineau D，Prévost M，et al. Hydrodynamic and mass transfer efficiency of ceramic foam packing applied to distillation [J]. Chemical Engineering Science，2009，64(11)：2607-2616.

［15］ Incera G G，Patcas F C，Lang S，et al. Mass transfer and pressure drop in ceramic foams：A description for different pore sizes and porosities [J]. Chemical Engineering Science，2008，63(21)：5202-5217.

［16］ 高国华. 新型多孔泡沫塔盘和规整填料的多尺度模拟研究[D]. 天津：天津大学化工学院，2011.

Gao Guohua. Multi-Scale Simulation of Novel Porous-Foam Tray and Structured Packing [D]. Tianjin：School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，2011(in Chinese).

［17］ Gao Guohua，Zhang Lühong，Li Xingong，et al. CFD simulation of film flow and gas/liquid countercurrent flow on structured packing[J]. Transactions of Tianjin University，2011，17(3)：194-198.

［18］ 刘彤文，沈 复，段道顺. 现代塔器技术[M]. 北京：烃加工出版社，1990.

Liu Tongwen，Shen Fu，Duan Daoshun. Modern Tray Column Technology[M]. Beijing：Hydrocarbon Processing Press，1990(in Chinese).

［19］ 蒋军荣，姚克俭，王良华. 锥形筛孔塔板流体力学性能的研究[J]. 化工进展，2002，21(12)：919-921.

Jiang Junrong，Yao Kejian，Wang Lianghua. Research on the hydrodynamic performance of taper sieve tray [J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2002，21(12)：919-921(in Chinese).

［20］ 姜元涛. 筛板精馏塔传质性能的研究[D]. 上海：华东理工大学化工学院，2011.

Jiang Yuantao. Research of Mass Transfer Performance for Sieve Trays [D]. Shanghai：School of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology，2011(in Chinese).

(责任编辑：田 军)

Hydrodynamics Behavior and Mass Transfer Performance of Novel SiC Foam Trays

Li Xingang1,2，Liu Xia1，Gao Xin1,2，Tian Chong3，Yang Zhenming3，Zhang Jinsong3，Li Hong1,2
(1. School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. National Engineering Research Centre of Distillation Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3. Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China)

With its advantages of high porosity，high surface area，high mechanical strength，good resistance to corrosion and no-leakage construction，SiC foams have been applied to tray columns to develop a series of novel trays. SiC foams with the thickness of 12,mm and various sizes of pores were used for making trays in the hydrodynamic experiments. Performance parameters including pressure drop for the dry and wet trays，entrainment and the quantity of leaking liquid were measured in a 600,mm external diameter column. The mass transfer efficiency in terms of the overall column efficiency was determined by total reflux experiments using a mixture of n-heptane and cyclohexane at atmospheric pressure in a column of 300,mm external diameter. Sieve trays designed according to the industrial standards were chosen for the performance comparison with the SiC foam trays. Results show that the pressure drop of the tray with 2,mm pore diameter is too high；there is a serious leaking of liquid for the tray of 4,mm pore diameter with the phenomenon of mal-distributed weeping；compared with sieve tray，the trays with the sizesof pores being 3,mm and 3—4,mm combination performed better with low pressure drop，small entrainment，little leaking of liquid and high overall column efficiency.

SiC；tray；fluid mechanics；overall column efficiency

TQ053.5

A

0493-2137(2014)02-0155-08

10.11784/tdxbz201205007

2012-05-03；

2012-06-27.

国家自然科学基金资助项目(21336007，21176172)；国家科技支撑计划资助项目(2011BAE03B07)；长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT0936).

李鑫钢(1961— )，男，博士，教授，lxg@tju.edu.cn．

李 洪，lihong.tju@163.com．