穿流塔板上两相竞争性流动特性

张家佳， 王亦飞， 毛霞君， 章岳峰， 于广锁（华东理工大学煤气化与能源化工教育部重点实验室，上海市煤气化工程技术研究中心，上海 200237）

穿流塔板上两相竞争性流动特性

张家佳， 王亦飞， 毛霞君， 章岳峰， 于广锁
（华东理工大学煤气化与能源化工教育部重点实验室，上海市煤气化工程技术研究中心，上海 200237）

对一种穿流式固阀塔板进行了流体力学冷态实验考察。采用常温、常压下的空气和水作为实验介质，测试了不同操作条件下塔板的干板压降、全板压降和清液层高度，比较了不同的塔板结构参数对流体力学性能参数的影响。实验结果表明，塔板压降和清液层高度均随着孔中心距和开孔率的减小而增大，而随着孔径的增大而增大。气液两相在穿流塔板上为逆流流动，且随着气液流量的变化呈现出4种不同的流动形态。建立了清液层高度的经验式，且计算值与实验测量值吻合良好。推导了描述穿流塔板独特的流动形态的参数即气体流通分率的数学表达式，计算结果表明，该分率随着孔中心距的减小而减小，并随着孔径和开孔率的增大而减小。

穿流塔板；流体力学；多相流；固阀塔板

在分离设备中，板式塔由于造价低、应用范围广而具有较大的优势［1］。在溢流式塔板上，出口安定区两相的相间接触减少，对于气相夹带飞灰的洗涤过程，固体易于在此沉积。近年来学者们将关注的重点转移到穿流塔板上。穿流塔板是一种没有降液管的多孔塔板，气液两相交替流过塔板开孔区的独特流动形式为穿流塔板提供了“自清洁”特性［2］，在含有固相的结晶和洗涤等过程中，穿流塔板表现出良好的抗堵性能。

在前期的研究中，人们对穿流塔板的研究主要集中于传质效率，鲜有对塔板上的流体力学特性研究。Xu等［3］在穿流塔板上对甲醇-水和甲醇-异丙醇精馏系统的塔板效率进行了实验研究。Hutchinson等［4］研究了不同负荷和回流比对甲醇-水体系的分离效率的影响。Furzer等［5］研究了不同塔板数的穿流筛孔板的传质效率。Miyahara等［6］研究了穿流塔板上泡沫区和转变区的液相传质系数和气液相界面积。Garcia等［7］提出了穿流塔板用于精馏过程的设计和分析的理论方法。Domingues等［8］提出了新方法嵌套Aspen Plus 12.1模拟软件，对溢流浮阀塔板和穿流塔板的全塔效率进行了预测。Kister等［9］将穿流塔板与溢流式筛孔、浮阀和泡罩塔板进行了传质性能的比较。虽然也有一些研究［10-13］对穿流塔板和其他一系列塔板进行比较，但是所研究的穿流塔板的鼓泡元件为筛孔，对固阀的研究较为少见。

本文测量了穿流固阀塔板的塔板压降、清液层高度等塔板流体力学参数，并对清液层高度提出关联式。描述了穿流塔板上两相逆流接触的4种不同流动形态。定义了描述穿流塔板独特流动形态的特征参数即塔板开孔区气体流通分率，并推导了该气体流通分率的计算模型。研究了气液两相流量、塔板孔径、孔中心距和开孔率等结构参数对塔板的流体力学性能的影响。

1　研究方法

本文在内径500 mm的有机玻璃塔内对穿流固阀塔板进行了流体力学特性研究。塔板上两相流动形式如图1所示，实验装置图如图2所示，塔板结构参数见表1，其中dh为孔径，th为孔中心距，n为孔数，AO为开孔率。采用常温常压的空气和水为测试流体。空气由鼓风机经气体均布器进入塔底，向上经过塔板后从塔顶气体出口排出。水由储罐经过液体均布器进入塔顶，向下经过塔板后从塔底返回储罐以供循环。

调节空气和水的流量以保证塔板处于正常的操作状态，塔板压降由压差传感器采集，清液层高度由U型液位计测量。塔板上圆形固阀呈正三角形排列，实验中分别对4块塔板进行测试，以考察孔径、孔中心距离和开孔率等结构参数对塔板流体力学性能的影响。

图1　穿流固阀塔板的流动形态Fig.1 Flow pattern of dual-flow fixed valve tray

图2　实验流程图Fig.2 Experiment flow chart

表1　穿流塔板结构参数Table 1 Dual-flow trays specifications

2　结果与讨论

2.1两相流型

气液两相在穿流塔板上逆流流动，液体穿过阀孔流入下一级塔板，与下一塔板的泡沫区和喷射区接触，为两相提供了更大的相接触面积，其有效传递空间更大。穿流塔板上的两相竞争性地流过同一开孔区域的特征，表现为塔板上两相混合的动态变化过程，即在某一阀孔中的不同时间内气液两相交替流过，在某一瞬间，一部分阀孔为液体占据，另一部分为气体流动通道。

在本实验中，对于不同的气液流量，塔板上有4种不同的流动状态，如图3和图4所示。在低气速和清液层高度较小时，气体通过一部分阀孔无规则地鼓泡，而且鼓泡是间断的，即塔板上液体间断地阻塞气体流动。在低气速和清液层高度略大时，出现蜂窝状泡沫，这是塔板上充满一层很薄的、湍动程度很低的蜂窝状泡沫层，气液两相无规则地通过塔板。在气速和清液层高度适中时，塔板上出现均匀泡沫层，此时泡沫层开始湍动，在其中形成无规则的波并使液体从某些孔中滴漏下去。在高气速和清液层高度较大情况下形成循环泡沫区，这时泡沫激烈湍动，在泡沫层中形成循环（中心处向上，壁面附近向下），液体主要在塔壁附近滴漏。

图3　穿流塔板上气液接触状态Fig.3 Gas-liquid flow pattern on the dual-flow tray

图4　泡沫层周期振动的类型Fig.4 Type of periodic vibration on the froth layer

在清液层高度较大且气速较高的情况下，充气液体在整个塔板上呈现摆动状态，此时可以分为两种振动方式：第1种方式在清液层中等高度时出现，它有一个波节直径，这时液体在塔板上从一侧向另一侧来回摆动，同时还伴随着围绕塔板中心的旋转运动，液体在波峰处周期性地滴漏；第2种方式在清液层高度较小时出现，它有一个波节圆，这种波对塔体中心线是对称的，而且有连续的波峰和波谷。这两种振动方式的振幅均随气速和持液量的增加而增加。

2.2压降

塔板压降是影响气体分布性能的主要因素，在低压条件下尤为显著［14］。本实验中塔板的干板压降（pd）如图5所示。结果表明，干板压降随着孔中心距、孔径和开孔率的减少而增大，且随着气体表观流速（G）的增大而增大。

图5　塔板的干板压降Fig.5 Dry-plate pressure drop of trays

穿流塔板上的压力平衡方程可写为

其中：ht为塔板的总压降，以液层高度表示；hdG为气体通过x分率的阀孔的压降；hL为气体穿过泡沫层的压降；hLd为液体通过1－x分率阀孔的压降；h′L为推动液体穿过1－x分率阀孔的液体静压力。

hdG一般形式为［15］：

其中：ρL为水密度；ρG为蒸汽密度；g为重力加速度；u2x为穿过x分率的阀孔的气体线性速度；Cv为孔流系数。

孔流系数Cv的计算模型存在很多的不同形式。对于穿流塔板上的穿孔流动，Leibson［16］最早以关联图的形式提出了孔流系数的函数表达，归纳为关联式如下：

其中：tt为塔板的板厚；dh为阀孔孔径；Ah为开孔面积。

穿流塔板上的流体动力学特征表现为液体的动量转化为克服静压梯度，以使液体向下流动的静压头。塔板上两相的振荡是由液体重力与气体压降和表面张力总和的动态竞争所导致。相比筛孔塔板，固阀塔板一般采用较大的孔径，故阀孔处的表面张力可忽略不计，固阀上的力的竞争为液体重力和气体惯性。对于此复杂过程，本文关注气体流动部分：

图6～图8给出了在相同的实验条件下，不同塔板的压降随着气体和液体流量（L）的变化规律。由图可知，塔板压降随着液体流量的增加而增加，其随气体流量的变化亦有相同的趋势。由塔板的比较可得，塔板压降随着孔中心距和开孔率的减小而增大，随着孔径的增大而增大。特别地，如图7所示，孔径对于塔板压降的影响并不显著。

图6　不同孔中心距的塔板（Tray 1#，2#）下，气液两相流量对塔板压降的影响Fig.6 Effect of gas and liquid flow on total pressure drop of tray 1#and tray 2#

图7　不同孔径的塔板（Tray 2#，3#）下，气液两相流量对塔板压降的影响Fig.7 Effect of gas and liquid flow on total pressure drop of tray 2#and tray 3#

2.3清液层高度

Kotschering等［17］提出了穿流塔板上的当量清液层高度的关联式，Xu等［3］对该关联式做了修正，该修正方程如下所示：

然而，该关联式并没有包含孔中心距的影响，根据实验结果，对该关联式修正如下：

其中：L为液体流量；Us为表观气速；ML为液相摩尔质量；指数n由式（7）计算。

图8　不同开孔率塔板（Tray 1#，4#）下，气液两相流量对塔板压降的影响Fig.8 Effect of gas and liquid flow on total pressure drop of tray 1#and tray 4#

由式（6）所得的计算值与实验测量值的对照如图9所示，该关联式的标准偏差为14.3%。

图9　清液层高度的实验值与计算值的对照Fig.9 Parity plot for the experimental and calculated clear liquid height

清液层高度随着气体和液体流量的变化趋势如图10～图12所示。清液层高度随着气体流量的增大而增大，并对液体流量的增大呈现出近似线性增大的规律。由不同塔板间的比较可得，清液层高度随着孔中心距和开孔率的减小而增大，而随着孔径的增大而增大。在低负荷条件下，泡沫层高度显著减少，只有较少的孔内存在两相的接触，气液两相接触时间缩短，此时不同塔板的清液层高度几乎没有区别。

图10　不同孔中心距塔板（Tray 1#，2#）下，气液两相流量对清液层高度的影响Fig.10 Effect of gas and liquid flow on the clear liquid height of tray 1#and tray 2#

图11　不同孔中心距塔板（Tray 2#，3#）下，气液两相流量对清液层高度的影响Fig.11 Effect of gas and liquid flow on the clear liquid height of tray 2#and tray 3#

图12　不同孔中心距塔板（Tray 1#，4#）下，气液两相流量对清液层高度的影响Fig.12 Effect of gas and liquid flow on the clear liquid height of tray 1#and tray 4#

2.4开孔区的气体流通分率

穿流塔板上的“漏液”是产生于塔板上的湍流波和液体表面的振荡，液体以连续水柱而非简单的水滴形式穿过阀孔。在某一时刻，气液两相可能通过同一孔流动或者分别穿过不同的孔流动。

气体和液体流动的自由通道面积总和等于塔板的开孔面积，即

其中：AFG为气体流通面积；AFL为液体流通面积。

自由通道面积对于每一塔板是固定值，其值等于一段时间（ts）内气体和液体流通面积的平均值，其中ts为一段充足的时间以保证以下积分收敛：

气液两相穿过自由面积主要有两相同时通过某一孔或者分别在不同的孔内流动，所有孔内振荡性的交替流过气体和液体，或两者的组合形式。

由此，塔板上开孔区的气体流通分率定义如下：

由于没有直接的测量方法用于该参数的测量，故其必须由塔板压降等其他参数推导得出。由实验测量得到塔板压降和清液层高度后，式（4）可写为：

可得出

气体流通分率受各参数影响的结果如图13～15所示。由图可知，该气体流通分率随着气体流量的增大而增大，随着液体流量的增大而减小。由不同塔板间的比较可知，塔板上开孔区的气体流通分率随着孔中心距的增大而增大，而随着孔径和开孔率的减小而增大。但孔径对于该分率的影响并不显著（图14）。如图15所示，当塔板的开孔率已足够大时，气体流通分率将不再随液体流量的变化而变化。

3　结 论

本文通过对孔径、孔中心距和开孔率等结构参数对穿流式固阀塔板的流体力学性能的影响进行研究，得出塔板压降和清液层高度对于塔板结构参数的变化规律，即随着孔中心距和开孔率的减小而增大，而随着孔径的增大而增大。对清液层高度与塔板结构参数和操作变量进行了关联，拟合值与实验测量值吻合良好。对穿流塔板的特征参数即气体流通分率进行了定义并推导计算式，计算结果表明，塔板上气体流通分率随着孔中心距的减小而减小，并随着孔径和开孔率的增大而减小。且在各个塔板结构变量中，孔径对气体流通分率的影响最不显著。

图13　孔中心距对气体流通分率的影响Fig.13 Effect of center distance on the fraction of holes passing gas

图14　孔径对气体流通分率的影响Fig.14 Effect of hole’s diameter on the fraction of holes passing gas

图15　开孔率对气体流通分率的影响Fig.15 Effect of open area on the fraction of holes passing gas

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Competitive Characteristics of Two Phase Flow on the Dual-Flow Tray

ZH ANG Jia-jia， WANG Yi-fei， MAO Xia-jun， ZHANG Yue-feng， YU Guang-suo
（Key Laboratory of Coal Gasification and Energy Chemical Engineering of Ministry of Education，
Shanghai Engineering Research Center of Coal Gasification，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

This paper addresses an experimental investigation in the hydrodynamic behavior of a new type of dual-flow fixed valve tray.Water/air system was used at atmospheric pressure and ambient temperature.The dry pressure drop，total pressure drop and clear liquid height were measured and the comparisons between different tray geometries were made.The results show that the total pressure drop and clear liquid height have the same trend，which is increased with the decreased center distance of holes，increased hole’s diameter and decreased open area.Correlation for clear liquid height is proposed，and the agreement of the experimental and calculated data is demonstrated.The results show that gas and liquid flow counter-currently through the tray holes and four main hydrodynamic regimes are distinguished at different gas/liquid loads.A characteristic parameter named the fraction of holes passing gas is defined and deduced.The calculated results show that the fraction of holes passing gas is reduced by the decreased center distance of holes，while the increased hole’s diameter and open area leads to the less fraction.

dual-flow tray；hydrodynamics；multiphase flow；fixed valve tray

TQ546

A

1006-3080（2016）01-0009-06 DOI：10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.01.002

2015-06-28

国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AA053101）

张家佳（1986-），女，安徽蚌埠人，主要研究气液两相流传热强化。

王亦飞，E-mail：wangyf@ecust.edu.cn