阀片侧开新型浮阀塔板水力学试验研究

卢宝花，王逸文,3，雷洁琼，褚易兴，马晓迅，穆 航，黄 帆，王悦邁

(1.西北大学 化工学院，陕西 西安 710069；2.西安道特石化工程有限公司，陕西 西安 710077；3.上海锅炉厂有限公司，上海 200245)

板式塔是重要的传质与分离设备，在炼油、化工、医药和环保等技术领域应用广泛[1-3]。板式塔浮阀是塔内气相自下而上通过塔板的通道，其结构形式对塔内流体流动状态和传质的影响一直是塔板技术研发和改进的热点[4-15]。针对传统上下开启式浮阀的不足，设计了从两侧开启的新型浮阀，在实验室水力学性能试验装置上进行了新型浮阀塔板的水力学性能试验研究。

1 新型浮阀结构设计特点

1.1 基本组成

新型浮阀基本组成包括阀片（2个）、基座以及轴承，其结构示意图见图1。阀片为中间带凹槽的平板，忽略板材的厚度和凹槽的深度，阀片外形呈长方形，其一条长边连接轴承并且沿轴向固定，另一条长边可在一定范围内绕轴转动，从而实现从两侧开启功能。

图1 新型浮阀结构示图

1.2 阀片类型

阀片的可动长边形状有2种设计，其外形示意见图2。

图2 新型浮阀阀片外形示图

图2a为直线形状可动长边，将此种阀片对应的浮阀简称为T1阀，将T1阀制成的试验塔板简称T1塔板。图2b为矩形齿状可动长边，将此种阀片对应的浮阀简称为T2阀，将T2阀制成的试验塔板简称T2塔板。

1.3 改进要点

与上下开启的传统浮阀相比，新型浮阀在结构上的改进主要包括，①通过合页式结构实现浮阀的双向侧面开启。②侧开浮阀不含阀腿，成本较低，便于加工。

2 塔板水力学性能试验

2.1 试验装置及流程

塔板水力学性能测定实验室试验装置由塔、水箱、风机及离心泵等主要设备组成，根据试验需要配置了转子流量计、U型压差计、托管测速仪等测量仪器仪表以及必要的管线和管件，试验装置及流程见图3。图3中，塔体为2段结构，上段直径450 mm，下段直径800 mm。下段塔体内部装有气体分布器，上段塔体内部装有试验塔板，塔顶装有丝网除沫器。

图3 新型浮阀水力学性能测试试验装置流程示图

2.2 试验操作要点

以水-空气为试验介质，以T1塔板、T2塔板、F1 塔板[16-17]、3D 塔板[18]为试验塔板进行塔板水力学性能测定试验[11-22]，记录不同气速 vg及液体体积流量qV下试验塔板的干板压降Δp、总板压降Δp′、漏液点气速v、泛点气速v′、气速上限vmax及气速下限vmin。试验时气相流程为，空气从风机进，从塔顶放空。液相流程为，水从水箱出，经过塔体返回水箱，形成一个循环。 气相和水相在塔体内逆向流动，在试验塔板区域进行气液两相的接触、传质及分离。气相在塔体下段通过气体分布器完成气相的均匀分布，在塔体上方通过丝网除沫器脱除携带的细小液滴。试验过程中，vg用皮托管风速仪测量，qV用转子流量计测控，Δp和Δp′用U型管压差计测量。

2.3 数据处理方法

用测定数据计算空塔动能因子 F[18-24]，用计算的 F 和测定的 Δp、Δp′、 v、v′、 vmax及 vmin绘制关系曲线，将同类关系曲线放在同一坐标系中比较，结合塔板浮阀结构及塔内流体流动阻力特点进行综合分析。

3 塔板水力学性能试验数据分析

3.1 压降

3.1.1 干板压降Δp

T1塔板、T2塔板、F1塔板及3D塔板的Δp-F变化曲线对比见图4。

图4 4种试验塔板Δp-F变化曲线对比

由图4可知：

（1）T1 塔板、T2塔板、F1 塔板、3D 塔板对应的Δp-F曲线总体规律相似，即Δp随着F的增大而增大。结合塔板阻力分析理论进行综合分析后认为，此现象系气流通过塔板时的上升阻力损失随着气相推动力的增大而增大所致。

（2）对应相同的 F，F1塔板 Δp最大，3D塔板Δp次之，新型浮阀塔板（T1塔板和T2塔板）的Δp最小。结合塔板阻力分析理论进行综合分析后认为，此现象系新型浮阀的开启空间较大、无阀腿、气相通过阀片时的阻力损失较小所致。

（3）Δp在F取值区间的总体增长幅度不同，F1塔板Δp总增幅最大，3D塔板的次之，新型浮阀塔板的最小。结合塔板阻力分析理论进行综合分析后认为，此现象系新型浮阀结构中无阀腿和阀脚、不易产生浮阀卡位所致。

（4）F 取值对 Δp排序有影响。0.5＜F＜2.5时，T1塔板 Δp小于 T2塔板的；2.5＜F＜3时，T1塔板Δp大于T2塔板的。结合塔板阻力分析理论进行综合分析后认为，0.5＜F＜2.5 时，T1、T2 塔板上的浮阀已处于未全开状态，T2塔板的浮阀矩形齿起到了导流、分散气体以及减小上升气相对阀片的推动力的作用，造成阀片开度较小、压降较大。当2.5＜F＜3 时，T1、T2 塔板上的浮阀已处于全开状态，此时侧开浮阀的导流齿槽起到了分散气流、减小阻力损失的作用[25]。

3.1.2 总板压降Δp′

T1塔板、T2塔板、F1塔板、3D塔板的Δp′-F变化曲线对比见图5。

图5 4种试验塔板Δp′-F变化曲线对比

由图5可知：

（1）T1塔板、T2塔板、F1塔板及 3D塔板对应的 F-Δp′总体规律相似，即Δp′随着 F的增大而增大。结合塔板阻力分析理论进行综合分析后认为，此现象系气流通过塔板和塔板上液层时的阻力随着气相推动力的增大而增大所致。

（2）F1 塔板的 Δp′增幅为 71%，3D 塔板的Δp′增幅为 58%，T1塔板 Δp′增幅为 31%，T2塔板Δp′增幅为24%，相比之下新型浮阀性能更佳，操作更稳定。

（3）在低气速下，T1塔板Δp′分别比F1塔板的高6%~13%，比3D塔板高6%~9%，结合塔板阻力分析理论进行综合分析后认为，这是因为T1阀尺寸比F1阀和3D阀的都大，密封性更好，漏液率更低。在高气速下，随着气相动能的增大，Δp′主要来源是气相通过阀孔和液相时的阻力降，而T1阀的合页式结构很容易打开，T1塔板的Δp′分别比F1塔板和3D塔板的低5%~12%和1%~7%。

（4）T2 塔板 Δp′比 F1 塔板的低 4%～28%，比3D塔板的低8%～25%。结合塔板阻力分析理论进行综合分析后认为，因为T2阀结构中含有导流齿，漏液率较大，所以T2塔板总板压降低于F1塔板和3D塔板的。

3.2 漏液点气速v

T1塔板、T2塔板的v-qV变化曲线对比情况见图6。

图6 2种新型浮阀塔板v-qV曲线对比

由图6可知：

（1）T1塔板和T2塔板的v-qV变化曲线总体规律相似，即v随qV的增大而增大。结合塔板阻力分析理论进行综合分析后认为，这是qV增大时塔板上液层厚度随之增大，气相需要克服更大的液层自重和表面张力所致。

（2）在整个qV取值范围内，T1塔板的v比 T2塔板的低8%～10%。结合塔板阻力分析理论进行综合分析后认为，这是T2阀含有导流齿，密封性较差，漏液率较高所致，也说明T1塔板的操作稳定性更佳。

3.3 液泛点气速v′

T1塔板、T2塔板的v′-qV变化曲线对比情况见图7。

图7 2种新型浮阀塔板v′-qV变化曲线对比

由图7可知：

（1）T1塔板和 T2塔板的 v′-qV变化曲线总体规律相似，即v′随qV的增大而减小。结合塔板阻力分析理论进行综合分析后认为，这是因为随着qV的增大，塔盘上的液层厚度增大，气液两相的分离空间减少，雾沫夹带变得严重所致。

（2）随着 qV的增大，T1塔板的 v′比 T2塔板的高1%～6%。结合塔板阻力分析理论进行综合分析后认为，主要是T1阀的自重较T2阀的大，当气体垂直穿过阀孔时,气流受阀片重量的影响发生了流动方向的改变,随之与板上水平流动的液体发生多角度碰撞,气流穿越T1阀阀孔时的阻力比T2阀的大,气液碰撞产生的作用力将塔板上的液体随机切割成的液滴尺寸也比T2阀的大[26]。此外，T2阀有导流齿，能将流通过的气体分割成很多细小的流股，从齿形缝中吹出的气体对液体具有较大的冲力[11]，正常运行时，较小的风速就可以产生雾沫夹带。

3.4 操作弹性

T1塔板、T2塔板的vg与qV变化关系曲线见图8。

图8 2种新型塔板液泛点操作弹性曲线对比

基于图8讨论T1塔板、T2塔板的操作弹性如下：

（1）T1 塔板和 T2 塔板的操作弹性[27]总体规律相似，即随着液相体积流量的增大均有所降低。结合塔内液体流动特点综合分析后认为，这是由于液层厚度随着液相体积流量的增大而增大，液泛现象严重，泛点气速减小，气相穿过液层的阻力也随之增大，漏液点气速增大，操作弹性减小。此外，这也说明这2种新型浮阀在小流量下使用更稳定。

（2）随着液相体积流量的增加，T1塔板的操作弹性比T2塔板高9%～15%。因此，正常操作时，T1塔板比T2塔板操作更稳定，流量较大时2种新型浮阀的稳定性差距持续变大。

4 结语

设计了阀片侧开的新型浮阀，进行了2种新型浮阀塔板（T1、T2塔板）与2种上下开启传统浮阀塔板（F1塔板与3D塔板）的水力学性能测定试验，结合浮阀结构和塔内流体流动特点进行了测定数据的综合分析。结果表明，在文中的试验装置流程和试验条件下，新型浮阀塔板干板压降低于传统浮阀塔板的。塔板总板压降的相对大小不能一概而论，与F1塔板相比，低气速下T1塔板的较高，高气速下情况相反；与3D塔板相比，T1塔板的低；与F1塔板和3D塔板相比，T2塔板的低。与上下开启传统浮阀塔板相比，新型浮阀塔板的干板压降和总板压降优势随塔内气速的增大而增大。本研究为工业应用提供了初步设计依据。