曹振恒，王彩琴，趙立功，孫軍軍

（1延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 延安 716000；2陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點實驗室，陜西 延安 716000）

分散降液篩板塔傳質(zhì)性能

曹振恒1,2，王彩琴1，趙立功1，孫軍軍1

（1延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 延安 716000；2陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點實驗室，陜西 延安 716000）

在篩板塔的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種新型板式塔——分散降液篩板塔，將傳統(tǒng)篩板塔的弓形降液管改為均布于塔板篩孔間的多降液管結(jié)構(gòu)，使整個塔板面成為均勻降液和受液的傳質(zhì)區(qū)，并新增淋降和噴濺傳質(zhì)區(qū)，在全塔空間內(nèi)實現(xiàn)立體、連續(xù)的微分接觸式氣液傳質(zhì)過程，另外，塔板之間可以加裝填料來強(qiáng)化傳質(zhì)，或裝填催化劑以促進(jìn)伴隨化學(xué)反應(yīng)的傳質(zhì)過程。以“氧氣-空氣-水”為體系，初步研究了分散降液篩板的傳質(zhì)性能及其影響因素，并與傳統(tǒng)篩板進(jìn)行比較，結(jié)果表明：分散降液篩板氣液分布均勻，接觸充分，在同等條件下傳質(zhì)效率比傳統(tǒng)篩板提高了8.4%～9.7%。

塔器；篩板塔；分散降液篩板；分散降液管；傳質(zhì)；解吸

Key words: column; sieve plate column; decentralized down-comer sieve plate; decentralized down-comer; mass transfer; desorption

引 言

篩板塔以其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉等優(yōu)勢一直被廣泛應(yīng)用于精餾、萃取、吸收和解吸等傳質(zhì)分離設(shè)備中。但篩板塔的操作彈性低、有效傳質(zhì)區(qū)域小等缺點限制了篩板塔在傳質(zhì)領(lǐng)域中的應(yīng)用。為克服篩板塔的上述缺點，出現(xiàn)了大量改進(jìn)型塔板。篩板塔的改進(jìn)通常從改善塔板上的液體流動狀況、氣液接觸狀態(tài)、減少霧沫夾帶等方面進(jìn)行，如多降液管塔板（MD塔板、DJ系列塔板）[1-4]、導(dǎo)向篩板[5-8]、新型垂直篩板[9-13]以及復(fù)合篩板[14-16]等。這些改進(jìn)型的塔板在處理通量、塔板效率等方面均有所提高，但綜合性能仍不令人滿意。

板式塔中相鄰塔板間的液滴沉降作用是傳統(tǒng)觀點公認(rèn)的，而該區(qū)域是否可以作為傳質(zhì)區(qū)域往往被忽略[11]。

本文研發(fā)了一種新型板式塔——分散降液篩板塔，在保留傳統(tǒng)篩板塔優(yōu)點的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)篩板的結(jié)構(gòu)做了較大改進(jìn)，與傳統(tǒng)篩板、MD型塔板、DJ系列多降液管塔板相比，分散降液篩板的降液管均布于塔盤升氣孔之間，不單獨設(shè)置降液區(qū)，使鼓泡傳質(zhì)區(qū)面積明顯增加；并使塔板之間的空間也得以充分利用；氣液經(jīng)過每層塔板時得以重新均布，消除了液面落差；相同的氣液負(fù)荷下，塔徑減小。分散降液篩板塔具有較好的流體力學(xué)性能，較高的通量及傳質(zhì)效率，在保留傳統(tǒng)篩板、多降液管塔板的優(yōu)點基礎(chǔ)上，更適合作為復(fù)合塔板的核心部件。

1 實 驗

1.1 分散降液篩板塔的結(jié)構(gòu)及特點

分散降液篩板塔主要對傳統(tǒng)篩板塔的集中型降液管進(jìn)行了改進(jìn)。將傳統(tǒng)篩板塔的弓形降液管改為均勻分散于塔板下的大量圓形細(xì)管，分布于氣孔構(gòu)成的正三角形的中心。分散降液篩板塔運行時，上升的氣體自下而上經(jīng)由塔板的氣孔穿過液層，上升至上層塔板，板面上的液體自上而下通過均勻分布的降液管降至塔板下層空間。

分散降液篩板塔的結(jié)構(gòu)如圖1，其中圖1（a）為分散降液篩板仰視方向的實物圖，圖1（b）為由若干分散降液篩板裝配而成的分散降液篩板塔的剖視圖。

圖1 分散降液篩板及塔的裝配Fig.1 Installation schematic of decentralized down-comer sieve plate and column

分散降液篩板塔比傳統(tǒng)篩板塔具有如下優(yōu)點：

（1）分散降液篩板板面上不設(shè)置液體進(jìn)口和出口安定區(qū)、溢流堰和弓形降液管，這樣整個塔板面積可全部用于開孔區(qū)，使塔板的傳質(zhì)面積、氣體和液體通道面積、塔的氣液負(fù)荷等均顯著增加。

（2）降液管由集中設(shè)置改為分散均布，塔板板面上液體基本無水平方向流動，從而消除了塔板上的液面落差，使氣體分布更均勻，從而改善了塔板氣液的接觸狀態(tài)，減少了傳質(zhì)死區(qū)。

（3）相鄰兩塊篩板的安裝使其在水平投影面上錯開60°或其整數(shù)倍的方位角，使上層塔板的降液管正對下層塔板不開孔的三角形中心處，可有效防止兩層塔板間液體的短路，保證傳質(zhì)過程的有效進(jìn)行。

（4）如圖1（b）所示，液體由大量均布的降液管均布降落過程中，與逆流而上的氣體再次發(fā)生傳質(zhì)作用，形成了新的淋降傳質(zhì)區(qū)，增加了塔的空間利用率；大量分散的液流濺落至下層塔板上時，對塔板板面上的液體產(chǎn)生持續(xù)而頻繁的沖擊，進(jìn)一步強(qiáng)化了板面上的氣液傳質(zhì)過程，形成新的噴濺傳質(zhì)區(qū)。這樣，全塔上下全部空間形成一個連續(xù)、立體的傳質(zhì)空間，而非普通泡沫工況的板式塔間歇式或階梯式的傳質(zhì)[11]，氣液接觸方式由傳統(tǒng)篩板塔氣液的級式接觸改變?yōu)榉稚⒔狄汉Y板塔氣液的微分接觸，從而使傳質(zhì)效率亦有所增加。

（5）篩板上的液體經(jīng)由分散降液管均勻、分散地降至下層篩板，從而可以方便地在兩塊篩板之間填充填料、催化劑等其他輔助傳質(zhì)或反應(yīng)的介質(zhì)，使每兩塊篩板之間的空間得以高效利用，使整個塔體空間充分發(fā)揮傳質(zhì)分離作用或在分離的同時完成化學(xué)反應(yīng)等過程。

1.2 實驗裝置與流程

在自制的分散降液篩板塔中，用“氧氣-空氣-水”冷模物系對其流體力學(xué)和傳質(zhì)性能進(jìn)行了實驗，實驗裝置如圖2所示。

圖2 實驗裝置Fig.2 Schematic of experimental equipment

氧氣和水分別計量并流經(jīng)混合器后，送入塔頂，空氣計量后送入塔底，與自上而下的富氧水逆流接觸，使水中的氧氣解吸，在塔的進(jìn)水、出水口分別在線檢測水中溶解氧含量。

本實驗在直徑為200 mm、板間距為245 mm的塔內(nèi)，對4種不同參數(shù)的分散降液篩板和2種傳統(tǒng)篩板進(jìn)行了初步實驗研究，各塔板的參數(shù)見表1。

表1 塔板參數(shù)表Table 1 Configuration of decentralised down-comer sieve plate

2 結(jié)果與討論

2.1 傳質(zhì)效率計算公式

本實驗采用空氣解吸富氧水的方式測定塔板效率，單層塔板的液相Murphree板效率E0采用公式（1）計算[17-20]。

2.2 傳質(zhì)效率的影響因素

2.2.1 氣液負(fù)荷對傳質(zhì)效率的影響 在兩種不同液量負(fù)荷下，DDST-4塔板的單板效率隨篩孔動能因子的變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 在不同液量負(fù)荷下，篩孔動能因子對單板效率的影響Fig.3 Effect ofF0onE0in different liquid flux

由圖3可見，分散降液篩板的傳質(zhì)效率隨篩孔動能因子的增大而增大，且增加趨勢漸緩。當(dāng)篩孔動能因子相同時，分散降液篩板的傳質(zhì)效率隨液量負(fù)荷的增大而增大。因為液量負(fù)荷增加或篩孔動能因子增加都將導(dǎo)致板上的液層高度的增加，氣液兩相的傳質(zhì)動力增加[21]，因此傳質(zhì)效率提高。

2.2.2 塔板開孔率對傳質(zhì)效率的影響 不同開孔率下，分散降液篩板的單板效率隨篩孔動能因子的變化關(guān)系如圖4所示。圖4表明，開孔率較小的分散降液篩板傳質(zhì)效率較高。主要是因為開孔率較小的分散降液篩板（DDST-4）上液層較高，液體在板上停留時間增加，氣液接觸面積較大，氣體動能因子較大，漏液量較小，因此傳質(zhì)效率明顯高于開孔率較大的分散降液篩板（DDST-2）。

圖4 不同開孔率對單板效率影響Fig.4 Effect ofφonE0in different liquid flux

圖5 較低液量負(fù)荷下，降液管長度與單板效率關(guān)系Fig.5 Effect ofLlonE0in lower liquid flux

圖6 較高液量負(fù)荷下，降液管長度與單板效率關(guān)系Fig.6 Effect ofLlonE0in higher liquid flux

2.2.3 降液管長度對傳質(zhì)效率的影響 對分散降液篩板降液管長度為20和25 mm、液量負(fù)荷分別為31.43、55.01 m3·h?1·m?2下，測定了其單板效率。結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5知，在較低液量負(fù)荷下，篩孔動能因子較小時，降液管長度較小的分散降液篩板的傳質(zhì)效率較高。隨篩孔動能因子增加，其效率變化出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，即篩孔動能因子超過6.3 kg0.5·m?0.5·s?1時，降液管長度較大的分散降液篩板的傳質(zhì)效率較高。

這是因為，在較低液量負(fù)荷下，分散降液篩板上的液層高度較低，此時，分散降液管長度越大，液體通過能力越強(qiáng)，降液管越難以實現(xiàn)自封，致使部分氣體從未自封的降液管穿過上升至上層塔板，而板面上的部分液體則從壓力較小的氣孔下漏至下層塔板，整體漏液較為嚴(yán)重，傳質(zhì)效率也較低。

圖6中單板效率變化趨勢與圖5類似，但單板效率逆轉(zhuǎn)點的篩孔動能因子約為4.4 kg0.5·m?0.5·s?1，小于圖5中的6.3 kg0.5·m?0.5·s?1。圖5、圖6均表明，在適宜的氣液負(fù)荷下，降液管長度較長的分散降液篩單板效率較高。

較高液量負(fù)荷可以滿足較長降液管實現(xiàn)良好自封，保證傳質(zhì)過程的正常進(jìn)行；同時，在較高液量負(fù)荷下，塔板上液層高度增加，意味著氣液接觸時間和傳質(zhì)面積也相應(yīng)增加。綜上，在泡沫接觸狀態(tài)下，單板效率亦隨之增加。

2.2.4 分散降液篩板與傳統(tǒng)篩板的比較 在同等可比的條件下，將分散降液篩板（DDST-4）與傳統(tǒng)篩板（ST-2，弓形降液管）的單板傳質(zhì)效率進(jìn)行了實驗測試比較，結(jié)果如圖7所示。

圖7 DDST-4與ST-2的對比Fig.7 Comparison ofE0between DDST-4 and ST-2

由圖中得出，分散降液篩板DDST-4的單板傳質(zhì)效率比傳統(tǒng)篩板ST-2提高了8.4%～9.7%。

這主要由于：

（1）分散降液篩板所有的塔盤面積全部用做氣液有效傳質(zhì)區(qū)，傳質(zhì)面積顯著增加；

（2）分散降液篩板大量均布在塔板下方的細(xì)管作為降液管，這種結(jié)構(gòu)增加了前述的淋降傳質(zhì)區(qū)和噴濺傳質(zhì)區(qū)，進(jìn)一步增加了傳質(zhì)空間和傳質(zhì)面積。

表2 Spass正交實驗安排及實驗數(shù)據(jù)分析表Table 2 Configuration of analysis to orthogonal experimental data

（3）消除了液面落差，氣體分布更均勻，具有提供較大氣液傳質(zhì)系數(shù)的可能性。

3 Spass正交實驗分析結(jié)果

本文進(jìn)一步考察了自降篩板的開孔率A、自降液管長度B、A與B的交互A*B、氣體負(fù)荷C、液體負(fù)荷D、C與D的交互C*D等因素或交互因素對分散降液篩板效率的影響，按照L16（23×44）正交表的安排進(jìn)行了實驗，結(jié)果見表2。

正交實驗結(jié)果表明：

（1）在0.05水平，開孔率、降液管長度和氣液負(fù)荷均與傳質(zhì)效率顯著相關(guān)；

（2）影響分散降液篩板效率的因素權(quán)重排序為：開孔率＞開孔率與降液管的交互＞氣量負(fù)荷＞降液管的長度＞液量負(fù)荷＞氣、液負(fù)荷的交互。

（3）本實驗研發(fā)設(shè)計的4種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的分散降液篩板中，DDST-4分散降液篩板在氣、液流量負(fù)荷分別為1217.17和47.15 m3·h?1·m?2時，其傳質(zhì)效率最高。

4 結(jié) 論

研發(fā)了一種新型板式塔——分散降液篩板塔，設(shè)計了4種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的塔板對其傳質(zhì)性能進(jìn)行了初步實驗研究，并與傳統(tǒng)篩板進(jìn)行比較，主要結(jié)論如下：

（1）分散降液篩板塔獨特的降液管結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢，可在塔內(nèi)形成連續(xù)微分式傳質(zhì)區(qū)域，即除了傳統(tǒng)的塔板板面上的泡沫傳質(zhì)區(qū)外，分散降液篩板塔增加了淋降區(qū)和噴濺區(qū)，不僅使氣液良好均布，而且實現(xiàn)了塔內(nèi)空間立體、連續(xù)的傳質(zhì)過程，提高了傳質(zhì)效率。

（2）新型塔板的傳質(zhì)效率在較低氣液負(fù)荷時Ll=20 mm的塔板傳質(zhì)效率較高，較高氣液負(fù)荷時Ll=25 mm的塔板傳質(zhì)效率明顯上升，因此，適當(dāng)延長降液管長度并增大開孔率，可提高塔板傳質(zhì)效率和氣液通量。

（3）在同等工況下，分散降液篩板的傳質(zhì)效率比傳統(tǒng)篩板提高了8.4%～9.7%，隨著氣液負(fù)荷的增加，分散降液篩板的傳質(zhì)效率明顯高于傳統(tǒng)篩板。

（4）分析數(shù)據(jù)表明，分散降液篩板塔的塔板開孔率、降液管長度和氣液負(fù)荷均與傳質(zhì)效率顯著相關(guān)；影響其板效率的因素權(quán)重排序為：開孔率＞開孔率與降液管的交互＞氣量負(fù)荷＞降液管的長度＞液量負(fù)荷＞氣、液負(fù)荷的交互。

（5）分散降液篩板較適合作為復(fù)合塔的組件，即可在兩板之間填充適合的填料或催化劑，用于強(qiáng)化傳質(zhì)或同時完成化學(xué)反應(yīng)等，可廣泛用于精餾、反應(yīng)精餾、吸收、解吸、萃取等傳質(zhì)分離過程。

符 號 說 明

d0——孔直徑，mm

E0——單板效率，%

F0——篩孔動能因子，kg0.5·m?0.5·s?1

L——液體流量，m3·h?1

Ll——降液管長度，mm

Ls——液量負(fù)荷，m3·h?1·m?2

V——氣體流量，m3·h?1

Vs——氣量負(fù)荷，m3·h?1·m?2

x1——液體經(jīng)過測試塔板前的含氧量，mg·L?1x2——液體經(jīng)過測試塔板后的含氧量，mg·L?1

——取樣溫度下平衡氧含量，mg·L?1

φ——開孔率，%

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Mass transfer characteristics in decentralized down-comer sieve plate column

CAO Zhenheng1,2, WANG Caiqin1, ZHAO Ligong1, SUN Junjun1
(1College of Chemistry and Chemical Engineering,Yan’an University,Yan’an716000,Shaanxi,China;2Shaanxi Key Laboratory of Chemical Reaction Engineering,Yan’an716000,Shaanxi,China)

The decentralized down-comer sieve plate column, a novel plate column, was designed and invented on the basis of the sieve plate column. The segmental down-comer of the traditional sieve plate column was changed into multiple down-comers that evenly distributed among the sieve pores. The new structure made the entire plate into mass transfer zone (MTZ) for well-distributed liquid drop and receiving, and it produced a new shower and splashing mass transfer area. Thus, it realized three-dimensional, continuously differential contact and mass transfer process for gas and liquid. In addition, packing or catalysts can be installed between the adjacent plates to strength mass transfer and promote chemical reactions in the tower. Adopting oxygen-air-water system, the mass transfer characteristics and influencing factors of the efficiency of the new plate were explored and compared with the traditional plate. The results showed that the gas and liquid in the new sieve column were distributed evenly and contacted adequately, and the mass transfer efficiency was higher than that of the traditional sieve plate by 8.4%—9.7% in the same conditions.

CAO Zhenheng, associate professor, klmnopq098@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20150036

TQ 053.5

：A

：0438—1157（2015）10—4061—06

2015-01-09收到初稿，2015-05-26收到修改稿。

聯(lián)系人及

：曹振恒（1971—），男，碩士研究生，副教授。

陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)項目（2012K09-32）；陜西省教育廳科研計劃項目（09JK813）；延安市科技局工業(yè)攻關(guān)項目（2012kg-08）。

Received date: 2015-01-09.

Foundation item: supported by the Science and Technology Department of Shaanxi Provincial Government for the Industrial Research Project (2012K09-32), the Education Department of Shaanxi Provincial Government for Research Project (09JK813) and the Science and Technology Bureau of Yan’an Government for the Industrial Research Project (2012kg-08).