齿边导向浮阀塔板局部气含率的研究

刘　静，王世忠，齐　亮，姚克俭（浙江工业大学化学工程学院，浙江　杭州　310014）



齿边导向浮阀塔板局部气含率的研究

刘静，王世忠，齐亮，姚克俭
（浙江工业大学化学工程学院，浙江杭州310014）

摘要：自制双探头电导探针，并用该电导探针在内径300 mm×400 mm的矩形有机玻璃塔内，以空气-水为物系，对塔板的局部气含率进行了测试，研究齿边导向浮阀的结构对塔板局部气含率的影响。结果表明：齿边导向浮阀塔板的导向孔对增大塔板底部的气含率有着重要作用；齿边导向浮阀周边齿形的结构使得浮阀周边气含率的分布呈现齿形状；齿边导向浮阀的齿边结构使得浮阀阀面上的气含率增大。

关键词：齿边导向浮阀塔板；双探头电导探针；局部气含率

浮阀塔板因具有效率高、操作弹性大及生产能力大等优点，在化工生产中得到较为广泛的应用。国内广泛应用的F1型浮阀属于圆盘形浮阀，长期的生产实践发现：圆盘形浮阀在操作工况中易出现阀片磨损、卡死、脱落等现象；而且该类型浮阀对液体不具有导向作用，液体返混较严重，液面梯度大[1]。

基于圆盘形浮阀的不足，条形导向浮阀引起研究者的关注，国内相继出现不同类型的条形导向浮阀[2-6]。塔板上液相为连续相，气相为分散相，气相经过浮阀以气泡形式进入液层中，将大气泡转变为小气泡，可以增加气液两相的接触面积[7-8]。结合条形导向浮阀的优点，改善气相的分散状况，浙江工业大学开发了齿边导向浮阀塔板[9]。局部气含率是描述塔内气液两相传递特性的一个重要参数，关系到塔板结构的优化设计。因此研究局部气含率的分布对于齿边导向浮阀塔板的性能研究、结构改善具有重要的理论指导作用。

目前，关于塔板上气含率分布的测量方法主要有干涉法、毛细管光电法、摄像法和电导法等[10]。电导法响应速度快，便于与计算机连接；并且由于电导探针体积较小，几乎不影响流场[11]。因此，用电导探针测量气含率分布是一种比较可靠的方法[12-13]。本文自制双探头电导探针，并以空气-水为介质，测定了齿边导向浮阀塔板的局部气含率，探讨齿边导向浮阀的结构对塔板上局部气含率的影响。

1　实验部分

1.1齿边导向浮阀的结构与特点

齿边导向浮阀的结构如图1所示。齿边导向浮阀采用条形浮阀的样式，齿边向下折，与浮阀的阀面的角度大概成30度，浮阀的阀面上设有箭形凹槽，在浮阀的背液阀腿上开有导向孔。

图1　齿边导向浮阀的结构Fig.1 Structure of flow-guided serrated valve

阀面周边的齿形向下弯曲，会形成立体状浮阀侧孔，从下层塔板来的气体被分割成若干股，使得塔板上的鼓泡均匀细化，提高了气液两相的接触面积。阀面上的箭形凹槽可以引导气体折转进入上层塔板的液层，减小气体通过浮阀的阻力。阀腿导向孔吹出的气体，能够推动塔板面上的液体向前流动，减小了塔板的液面梯度。

1.2局部气含率实验装置

实验装置如图2所示，实验在内径为300 mm ×400 mm，板间距为400 mm的矩形有机玻璃塔中进行，以空气-水为物系，塔内安装2层塔板，上层为测试板，下层是气体分布板。空气由离心式风机产生，经转子流量计计量后从塔底进入塔内，水由实验塔的上部加入，塔内不设降液管，实验测量一定清液层高度下的齿边导向浮阀局部气含率，塔板上的清液层高度由与塔板相连的液位计监测。

图2　局部气含率实验装置图Fig.2 Experimental set-up of local gas holdup

实验主要对齿边导向浮阀的背液阀腿上导向孔的作用以及浮阀边缘齿边对气相的分割作用进行研究。因此，实验测试了三种浮阀塔板上局部气含率的分布，三种浮阀为：齿边导向浮阀（图1）、无导向孔的齿边浮阀（图3（a））、将齿边改为折边的导向浮阀（图3（b））。实验中只改变导向孔及折边的设计，其他均保持不变，塔板上浮阀的排布方式也不改变。

图3　实验所用浮阀结构Fig.3 Structure of experimental valves

1.3测试方法

参照文献14自制双探头电导探针。实验中选用电源电压为8 V的直流电源，数据采集卡采集频率为500 Hz，每次采样时间t=120 s，共采集N=61000个数据，输出信号示意如图4所示。对信号进行处理，选择一个电压阈值ΔE，大于该值的电压信号可以认为是探针处于气相中。统计任一点信号值中高电平信号的个数N1，则该点的时均气含率ε为:

图4　实验得到的输出信号示意Fig.4 The output signals from the experiment

1.4局部气含率测试

为了考察导向孔的作用，实验测量了板上清液层高度为30 mm，阀孔动能因子F0分别7.14 （m/s）（kg/m3）0.5和8.34（m/s）（kg/m3）0.5时，图1与图3（a）两种结构浮阀的局部气含率。测试点分布如图5（a）所示。导向孔测试A区域共有45个测试点，分布在以导向孔为中线的两侧，测试点左右及上下间距均为5 mm，测试位置距塔板轴向高度H为5 mm。

为研究不同塔板轴向高度下，齿边结构对局部气含率的影响，实验测量了板上清液层高度为30 mm，F0为8.34（m/s）（kg/m3）0.5时，轴向高度H分别为20、30、40、50、60和70 mm的局部气含率。图5（b）表示的是齿边导向浮阀齿边附近局部气含率的测试点分布图，测试点上下间距10 mm、左右间距5 mm，测试区域B共有35个测试点。另外，在相同清液层高度与阀孔动能因子下，轴向高度H为20 mm时，对图3（b）中折边导向浮阀的局部气含率进行了实验测试，测试区域和图5（b）相同。

图5　局部气含率测试点示意图Fig.5 Measuring points of local gas holdup

2　结果与讨论

2.1导向孔对局部气含率分布的影响

图6表示的是不同F0下，板上清液层高度30 mm、H=5 mm时，无导向孔的齿边浮阀阀腿附近局部气含率分布的等高线图。从图6中可以发现，无导向孔时，不同阀孔动能因子下阀腿附近的气含率均很低，该区域的气液流动较平缓，存在传质死区，不利于气液两相的接触传质。对比图6中（a）、（b）发现，增大气相速度并不能明显改善背液阀腿区域气液两相的分布状况。增大气相速度虽然可以提高塔板上气液的湍流强度，但是对于条形浮阀，由于阀腿具有一定宽度，使气体不能向四周喷出，阀腿附近区域并不能通过提高气相的速度来改善气液两相的流动状况。

图6　无导向孔时局部气含率分布图Fig.6 The distribution of local gas holdup without the guide hole

阀腿上开设导向孔，气相从导向孔喷出，与液相流动方向一致，可以避免因气液流动方向相反而产生大量的雾沫夹带，同时从导向孔流出的气体对液相有一定的推动作用，有效减少塔板上的返混现象，增大塔板底部的局部气含率。图7表示的是H=5 mm、清液层高度为30 mm、F0为7.14（m/s）（kg/m3）0.5时，齿边导向浮阀阀腿附近局部气含率分布的等高线图。对比图6（a）可见，有导向孔时阀腿附近的局部气含率明显增大，导向孔对塔板底部气含率的分布有了很大的改善。

图7　有导向孔时局部气含率分布图（H=5 mm）Fig.7 The distribution of local gas holdup with the guide hole（H=5 mm）

2.2齿边结构对局部气含率分布的影响

图8表示的是清液层高度30 mm、F0为8.34 （m/s）（kg/m3）0.5时，不同塔板轴向高度H的齿边导向浮阀B区域气含率分布的等高线图。由图8可知，浮阀边缘气含率的分布类似于齿边的形状。测试点中d行位于阀面的边线，局部气含率分布存在明显的差异，位于齿边上的气含率比较低，位于两齿之间的齿缝时气含率较高。e行位于阀面的中心线上，其局部气含率的分布也类似于d行，这是因为齿缝喷出的气体有一部分流向了浮阀的阀面上，增大了浮阀阀面上的气含率，使得阀面不再与普通条形浮阀相同。

图8　不同轴向高度齿边导向浮阀的局部气含率分布图Fig.8 The distribution of local gas holdup of flow-guided serrated valve

图8中等高线间距均为0.06，对比两图可以发现，随着塔板轴向高度H的增加，齿边导向浮阀的齿形结构对气含率分布的影响越来越小。这是因为随着H的增加，气相流动行为受浮阀的影响越来越小；而且此时测试点已位于泡沫层中，气体在泡沫层中的分布已趋于均匀，塔板面上的气含率都比较接近。

基于上述实验结果，对相同清液层高度及阀孔动能因子下，轴向高度H为20 mm时，无齿边的折边导向浮阀（图3（b））局部气含率进行测定。图9表示折边导向浮阀局部气含率分布的等高线图。由图9可知，横向上气含率的分布与齿边导向浮阀的不同，横向上气含率分布比较均匀，纵向上气含率差值较大，分布不均匀；阀面上方的气含率较低，气液接触状况较差，可能会有传质死区。这是因为齿形边对气体有分割作用，且齿边与齿缝的结合可以形成立体的浮阀侧孔，增大液层的气含率。

图9　无齿边时局部气含率分布图Fig.9 The distribution of local gas holdup without serrated edge

3　结论

（1）齿边导向浮阀的导向孔对塔板底部气含率的分布有重要影响，增大了底部气含率，能够有效地改善阀腿附近的传质死区；

（2）齿边导向浮阀的齿边结构对浮阀周边的气含率有较大影响，齿边结构能够增大阀面上的气含率，增加塔板面上气含率分布的均匀性。同时齿边也使得浮阀附近区域的气含率分布类似于齿形分布。

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澳大利亚拟批准住友化学的杀菌剂Prolectus

澳大利亚农药和兽药管理局（APVMA）近日建议批准登记住友化学的杀菌剂Prolectus（活性成分：胺苯吡菌酮）。该杀菌剂将登记用于防治食用及酿酒葡萄上的灰霉病（Botrytis cinerea）。公众评议期为2016年1月12日至2016年2月9日。胺苯吡菌酮由住友化学研发，对葡萄孢属病菌、菌核病和链核盘菌属病有高效防治作用。胺苯吡菌酮于2012年获欧盟批准，并于年底推出Prolectus产品。

(来源：http://cn.agropages.com/News/NewsDetail——11135.htm)

分析测试

Experimental Research on Local Gas Holdup in Flow-guided Serrated Valve Tray

LIU Jing，WANG Shi-zhong，QI Liang，YAO Ke-jian （College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014，China）

Abstract:Local gas holdup was measured by the self-made double-sensor conductivity probe in order to investigate the influence of the structure of flow-guided serrated valve on local gas holdup distributions on a tray. The experiment was carried out with an air-water in a rectangular organic glass column with an inner diameter of 300 mm×400 mm. Research shows that the guide hole play an important role in improving the distribution of local gas holdup at the bottom of the tray，the characteristic of local gas holdup distribution near the flow-guided serrated valve was the tooth shape due to the structure of valve. Moreover，the serrate structure can also increase the local gas holdup on the top of valve.

Keywords:flow-guided serrated valve tray; double-sensor conductivity probe; local gas holdup

作者简介：刘静（1988—），男，硕士生，主要研究方向为传质与分离。E-mail:liujzj2012@163.com。

收稿日期：2015-05-13

文章编号：1006-4184（2016）1-0040-05