旋转浮阀塔板的流体力学性能研究

张绪满，姚克俭，何健烽，刘炳炎

（绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地 浙江工业大学化学工程与材料学院，浙江 杭州 310032）

旋转浮阀塔板的流体力学性能研究

张绪满，姚克俭，何健烽，刘炳炎

（绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地 浙江工业大学化学工程与材料学院，浙江 杭州 310032）

在内径600 mm的有机玻璃塔内，以空气-水为物系，对旋转浮阀塔板的流体力学性能进行研究。测定了塔板压降、漏液量和雾沫夹带等流体力学性能参数，并与F1型浮阀塔板进行对比。实验结果表明，旋转浮阀塔板的关闭平衡点的阀孔动能因子（F0）比F1型浮阀塔板约高3.70%，开启平衡点的F0比F1型浮阀塔板高3.54%；当F0大于关闭平衡点而小于开启平衡点时，旋转浮阀塔板的压降和F1型浮阀塔板压降基本相同；当F0大于开启平衡点时，旋转浮阀塔板的压降比F1型浮阀塔板高3.79%～9.73%；旋转浮阀塔板的漏液分率比F1型浮阀塔板约低21.19%；旋转浮阀塔板的雾沫夹带率比F1型浮阀塔板低50%以上；旋转浮阀塔板的操作弹性大于F1型浮阀塔板。

F1型浮阀塔板；旋转浮阀塔板；流体力学性能；漏液；雾沫夹带

板式塔作为重要的传质与分离设备，在炼油、化工、医药和环保等方面有着非常重要的应用。近年来，板式塔应用最为广泛的当属浮阀塔板。由于浮阀塔板的气体流通面积能随气体负荷的变化自动调节，因而能在较宽的气体负荷范围内保持稳定的操作；同时气体以水平方向吹出，气液接触时间长，雾沫夹带少，具有良好的操作弹性和较高的塔板效率，在工业中得到了较为广泛的应用［1］。我国应用最为广泛的F1型浮阀塔板是参照美国Glitsh公司的V1型浮阀塔板研究开发而来的［2］。

F1型浮阀塔板具有较好的操作性能和较高的传质效率，但是随着研究的深入，发现F1型浮阀塔板也存在一些缺点和不足［3-5］。近年来，针对F1型浮阀塔板存在的问题，开发出了许多新型浮阀塔板。有些新开发的浮阀仍然保留了F1型浮阀的圆盘形外观结构［6-9］，只是对阀腿及阀盖进行了改进；也有很多新开发的浮阀完全摒弃了F1型浮阀的圆盘形外观结构［10-12］。新开发的各种浮阀基本都是从限制浮阀的旋转以减小阀腿磨损导致浮阀脱落、减少检修工作量以及降低设备投入等方面为切入点研究开发的。实验室精馏实验已经证实浮阀的旋转可以加快浮阀附近的气液表面更新，对传质具有促进作用，限制浮阀的旋转可以解决F1型浮阀的一些不足，但是对传质却不利。

本工作提出了一种新型的旋转浮阀塔板，对旋转浮阀塔板的流体力学性能进行研究，并将实验结果与F1型浮阀塔板进行比较。

1 实验部分

1.1 旋转浮阀的结构与特点

旋转浮阀的结构见图1。旋转浮阀的阀盖为圆盘形，阀盖周围均匀排布3条阀腿及3个条形翅片。当气相从塔板底部穿过阀孔冲击旋转浮阀时，由于阀盖的阻挡，气流由垂直运动折转为水平运动。

图1 旋转浮阀的结构Fig.1 Structure of a rotary valve.

翅片可以改变气体流出阀孔的方向，气体从旋转浮阀和塔板形成的侧孔以螺旋旋转方式流出，大幅提高气液两相的接触面积，延长气液接触时间，而且具有很强的导向作用；可以避免邻近阀孔吹出的气体直接对冲，有效降低塔板漏液及雾沫夹带，提高了塔板的操作弹性。同时，旋转浮阀开启过程中不仅存在垂直方向上的位移还包括水平旋转运动，旋转运动可以加强浮阀附近液体的湍动，加快气液接触表面的更新，促使气液接触更为均匀，提高塔板的传质效率。

1.2 实验装置

旋转浮阀塔板流体力学性能的实验装置见图2。实验塔及塔板的结构参数见表1。

图2 流体力学性能的实验装置Fig.2 Schematic diagram of hydrodynamic experimental apparatus.

表1 实验塔及塔板的结构参数Table 1 Structure parameters of the experimental column and trays

实验塔为有机玻璃塔，测试塔板压降时，塔内安装3块相同的塔板，中间层为测试塔板。测雾沫夹带时顶层为雾沫夹带收集板，中间层为测试塔板。为了准确测量雾沫夹带量，在塔的顶部安装一层丝网填料除沫。测漏液量时，底层为漏液收集板兼做气体分布板，中间层为测试塔板，塔板的降液管穿过漏液测试板。实验物系为空气-水，空气由离心式风机产生，经孔板流量计计量后从塔底进入塔内，塔板压降通过U型压差计测量；水由离心泵输送，经转子流量计计量后，送至顶层塔板的降液管。

2 结果与讨论

2.1 干板压降

随气速的增加，浮阀的开启过程分为3个阶段：开启前、开启过程中和全开以后。由实验现象可知，旋转浮阀的宏观旋转运动主要发生在旋转浮阀的开启过程中及刚好全开时。

旋转浮阀塔板和F1型浮阀塔板的干板压降（Δpd）与阀孔动能因子（F0）的关系见图3。由图3可知，旋转浮阀塔板的关闭平衡点（压降曲线由逐渐升高转变为水平的拐点，即所有浮阀处于关闭状态且当气速增大时，第一个浮阀开始开启的点）的F0较F1型浮阀塔板约高3.70%，旋转浮阀塔板的开启平衡点（压降曲线由水平转变为逐渐升高的拐点，即所有浮阀处于打开状态且当气速降低时，第一个浮阀开始关闭的点）F0较F1型浮阀塔板约高3.54%。

图3 Δpd与F0的关系Fig.3 Relationship between dry pressure drop(Δpd) and valve hole F-factor(F0).

由图3还可见，当旋转浮阀处于全关闭阶段时，Δpd随F0的增大而增加，此时由于旋转浮阀翅片的存在增加了气体穿过阀孔的阻力，因此旋转浮阀塔板的Δpd大于F1型浮阀塔板；当浮阀处于开启阶段时，影响Δpd的主要因素是浮阀的质量，旋转浮阀的质量略大于F1浮阀，所以此时旋转浮阀塔板的Δpd略大于F1型浮阀塔板；当F1型浮阀达到开启平衡点，而旋转浮阀仍处于开启过程中，由于F1型浮阀阀脚和塔板之间的摩擦阻力作用，致使F1型浮阀塔板的Δpd略大于旋转浮阀塔板；当浮阀全开以后，旋转浮阀塔板的Δpd比F1型浮阀塔板高3.79%～9.73%，这是由于气体穿过阀孔时撞击浮阀翅片折转方向时的动能损失以及旋转浮阀旋转使阀脚和塔板之间产生的摩擦阻力的结果。

根据Prince关联式［13］：

式中，ρG，ρL分别为气相和液相的密度，kg/m3；u0为阀孔气速，m/s；C0为孔流系数。对浮阀全开以后的Δpd进行关联，旋转浮阀塔板的C0=0.420 4，决定系数R2=0.999；F1型浮阀塔板的C0=0.440 4，决定系数R2=0.997。

2.2 湿板压降

旋转浮阀塔板的湿板压降（Δpw）和F0的关系见图4。由图4可知，在相同的F0条件下，Δpw随液流强度（L）的增加而增大，这是因为塔板上的液层高度增加，气体通过液层的阻力也相应增大；当F0＞25（m/s）（kg/m3）0.5时，各液流强度下的Δpw趋于一致。这主要是由于气速很大时，塔板上液体均被大量吹起，各液流强度的塔板清液层高度接近，此时的Δpw主要是由相当干板压降和气体通过这部分厚度接近的液层产生的压降组成的。结合实验现象可知，在L一定的条件下，浮阀开启过程中，随F0的增大，旋转浮阀塔板的Δpw基本不变（见图4中的压降曲线水平段）；浮阀全开以后，随F0的增大，旋转浮阀塔板的Δpw逐渐增大（见图4中的压降曲线逐渐升高段）。

图4 Δpw与F0的关系Fig.4 Relationship between wet pressure drop(Δpw) and F0.

当L=60 m3/（m2·h）时，旋转浮阀塔板和F1型浮阀塔板的Δpw的比较见图5。由图5可见，当浮阀处于开启阶段时，此时Δpw主要由气体穿过塔板液层的压降决定，由于塔板上液层厚度相近，所以在开启阶段两种塔板压降近乎相等；当F0=7.5～13（m/s）（kg/m3）0.5时，F1型浮阀塔板压降大于旋转浮阀塔板压降，原因类似于Δpd，主要是由于F1型浮阀塔板开启平衡点小于旋转浮阀塔板，F1浮阀塔板已经出现阀脚和塔板的摩擦阻力；当浮阀全开以后，一方面，由于存在阀脚和塔板的摩擦阻力，旋转浮阀由开启过程中的可见旋转运动变为微旋转运动，在相同的F0情况下，由于气体遇到浮阀翅片折转方向，与旋转浮阀开启过程中相比动能损失更大，导致旋转浮阀塔板比F1型浮阀塔板的相当干板压降高；另一方面，由于旋转浮阀翅片的存在，降低了相邻阀孔流出气体的对冲，这样就减小了冲击漏液量，因此L相同时旋转浮阀塔板表面液层厚度略大于F1型浮阀塔板，所以旋转浮阀塔板上气体穿过塔板液层的阻力也比F1型浮阀塔板略大，因此导致Δpw略高。综上所述，旋转阀塔板的Δpw平均比F1型浮阀塔板约高4.5%。

图5 旋转浮阀塔板与F1型浮阀塔板的Δpw的比较（L=60 m3/（m2·h））Fig.5 Comparison between Δpws of rotary valve tray and F1 valve tray(L=60 m3/(m2·h)).

2.3 塔板漏液

旋转浮阀塔板的漏液分率与F0的关系见图6。

图6 漏液分率和F0的关系Fig.6 Relationship between weeping fraction and F0 for rotary valve tray.

由图6可见，在相同的F0条件下，旋转浮阀塔板的漏液分率随L的增加而减小；在相同的L条件下，旋转浮阀塔板的漏液分率随F0的增大而减小，这一规律和其他浮阀塔板的漏液规律相一致［14］；当F0＜4.9（m/s）（kg/m3）0.5时，不同的L下漏液分率降低速率接近，3条曲线基本平行；当F0＞4.9（m/ s）（kg/m3）0.5时，L越大漏液分率减小的越快，3条漏液分率曲线出现分离；当气量足够大，即F0＞6.75（m/s）（kg/m3）0.5时，不同的L下的漏液率趋于相同，这是因为当气速很大时漏液很少或基本不漏，所以不同L下的漏液分率趋向接近。

当L=60 m3/（m2·h）时，旋转浮阀塔板和F1型浮阀塔板的漏液分率的比较见图7。由图7可知，旋转浮阀塔板和F1型浮阀塔板的漏液分率都随F0的增大而降低；在相同F0条件下，旋转浮阀塔板的漏液分率远小于F1型浮阀塔板，平均约低21.19%。旋转浮阀塔板气体以螺旋方式流出，F1型浮阀塔板气体沿阀径方向流出，二者相比，F1型浮阀塔板相邻阀孔流出的气体相互对冲非常明显，而旋转浮阀塔板相邻浮阀之间流出的气体几乎没有对冲，所以使用旋转浮阀塔板式时漏液较少。另外，由于漏液的测试范围主要处于浮阀的开启阶段，这一阶段旋转浮阀不仅有垂直方向的位移还有水平方向的旋转运动。快速的旋转可以保证浮阀附近的液层与远离浮阀区域相比时相对较薄，这样就可以避免由于气体动能不足造成的液体沿阀孔流下，进而减小了漏液量。

图7 旋转阀塔板与F1浮阀塔板的漏液分率的比较（L=60 m3/（m2·h））Fig.7 Comparison between the weeping fractions of rotary valve tray and F1 valve tray(L=60 m3/(m2·h)).

2.4 雾沫夹带

旋转浮阀塔板的雾沫夹带（ev）和F0的关系见图8。由图8可见，当F0较小时，不同L下的ev均趋向于零；F0较大时，随F0的增加，ev急剧增加；L越大，ev增加越快。

图8 旋转浮阀塔板的ev和F0的关系Fig.8 Relationship between the entrainment(ev) and F0 of rotary valve tray.

当L=40 m3·（m2·h）-1时，旋转浮阀塔板和F1型浮阀塔板的ev的比较见图9。

图9 旋转浮阀塔板与F1浮阀塔板的ev的比较（L=40m3/（m2·h））Fig.9 Comparison between evs of rotary valve tray and F1 valve tray(L=40m3/(m2·h)).

由图9可见，旋转浮阀塔板和F1型浮阀塔板的ev均随F0的增大而增大。当F0约为25（m/s）（kg/ m3）0.5时，旋转浮阀塔板的ev仍不到0.05，而F1型浮阀塔板的ev已超过0.12。实验过程观察到，在同样的F0条件下，当旋转浮阀塔板的ev达到0.1时，F1型浮阀塔已经全塔液泛。ev的测试范围主要处于浮阀全开以后，由于气速较大，阀脚和塔板的摩擦力阻碍了旋转浮阀的旋转运动，此时旋转浮阀主要存在微旋转运动。这时浮阀的翅片结构主要作用体现在对气体的导流方面。在翅片的导流作用下，气体穿过阀孔从浮阀和塔板间的侧缝中以螺旋状进入液层。这样就避免了相邻阀孔间气相的直接对冲，被气体挟带起来的液滴大幅减少，因此ev较低。另外，翅片与阀面相比有一个向下的倾角，这样可保证流出阀孔的气体斜向下吹到塔板上，与F1型浮阀塔板相比也能降低ev。

3 结论

（1） 旋转浮阀塔板和F1浮阀塔板的压降相近。旋转浮阀塔板开启平衡点的F0比F1型浮阀塔板约高3.54%，关闭平衡点的F0比F1型浮阀塔板高3.70%；浮阀全开以后，旋转浮阀塔板的干板压降比F1型浮阀塔板大3.79%～9.73%。旋转浮阀塔板和F1浮阀塔板的湿板压降基本相同。

（2）F0相同时，旋转浮阀塔板的漏液分率比F1型浮阀塔板约低21.19%，旋转浮阀塔板的气相操作下限更低。

（3）F0相同时，旋转浮阀塔板的雾沫夹带远小于F1型浮阀塔板，低50%以上，所以旋转浮阀塔板的气相操作上限更高。

（4）旋转浮阀塔板的雾沫夹带量和漏液量都明显小于F1型浮阀塔板，所以旋转浮阀塔板的操作弹性更大，性能更优。

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Hydrodynamic Performance of Rotary Valve Trays

Zhang Xuman，Yao Kejian，He Jianfeng，Liu Bingyan
（State Key Laboratory Breeding Base of Green Chemistry-Synthesis Technology，College of Chemical Engineering and Materials Science，Zhejiang University of Technology，Hangzhou Zhejiang 310032，China）

The hydrodynamic performance of rotary valve trays was experimentally studied with an air-water system in an organic glass column with an inner diameter of 600 mm. The pressure drop，weeping and entrainment of the rotary valve trays were measured and compared with those of F1 valve trays. TheF-factors(kinetic energy factor) of the rotary valve tray holes are 3.70% and 3.54% larger than those of the F1 valve tray holes at valve-closed balance point and at valve-opened balance point，respectively. The pressure drop of the rotary valve trays is similar to that of F1 valve trays when theF-factors are between the closed balance point and opened balance point. When theF-factor exceeded the opened balance point，the pressure drop of the rotary valve trays is 3.79%-9.73% higher than that of the F1 valve trays. The weeping of the rotary valve trays is 21.19% lower than that of the F1 valve trays. The entrainment of the rotary valve trays is 50% less than that of the F1 valve trays. The operation performance of the rotary valve trays is much better than that of the F1 valve trays.

F1 valve tray；rotary valve tray；hydrodynamic performance；weeping；entrainment

1000 - 8144（2012）08 - 0916 - 05

TQ 053.5

A

2012 - 02 - 09；［修改稿日期］2012 - 05 - 10。

张绪满（1985—），男，山东省枣庄市人，硕士生，电邮 zhangxuman2004@163.com。联系人：姚克俭，电话 0571 -88320706，电邮 yaokj@zjut.edu.cn。

（编辑 李治泉）