周惠敏 王柱祥，2

（1.河北工业大学化工学院；2.天津市创举科技股份有限公司）

板式塔自问世以来经过多年的发展，现已广泛应用于石油、医药及环保等多个领域，成为一种重要的化工分离设备［1～3］。塔板是板式塔的核心部件， 塔板的板效率是影响分离效果的重要因素，板效率的高低直接关系到产品质量、能量消耗及设备投资等。 塔板结构与板效率密切相关，经典的塔板结构有3种：泡罩塔板、浮阀塔板和筛孔塔板。 为满足工业上的各种分离要求，在这3种塔板基础上进行改进和创新，研发出很多新型塔板结构，例如日本三井株式会社在筛孔塔板的基础上研发出来的垂直筛板［4］，开启了立体传质塔板的研究热潮。

目前，对塔板的研究主要有两个方面，分别是塔板流体力学研究和传质性能研究，有大量文献通过精馏塔冷膜实验，研究了漏液、雾沫夹带、干板压降、湿板压降及清液层高度等流体力学性能对板效率的影响［5～14］，赵培等对双阀重波纹导向浮阀塔板的流体力学性能进行研究［15］，杜佩衡等研究了梯矩形立体连续传质塔板的干板压降、湿板压降及漏液等流体力学性能［16］，王子宗等对新型固阀的流体力学性能进行了探究。 但是目前很少有人通过热膜实验来研究塔板的板效率，而热膜实验相对于冷膜实验可以更直观、更直接地反映板效率［17］。

笔者重点研究新型垂直筛板（New-VST）和F1型浮阀塔板，以热膜实验为基础，研究堰高、气相动能因子、雾沫夹带及液体提升量等因素对塔板板效率的影响， 所得的研究结果更趋于实际生产，对精馏塔的工业设计更具有指导意义。

1 实验装置及测试方法

1.1 实验装置

本课题组设计了一套热膜实验装置，具体如图1所示。 精馏塔塔径为D=300mm，板间距为HT=500mm， 实验塔内部装有5层可以更换类型的塔板， 塔板类型分别有New-VST和F1型浮阀塔板。所用New-VST帽罩的参数为： 直径80mm、 高度172.5mm、底隙10mm、孔径55mm；F1型浮阀塔板孔径为39mm，塔板上装有两个F1型浮阀。每层塔板外都装有远传温度计，塔顶和塔釜装有远传压力表， 回流管道装有量程为25～250L/h的浮子流量计， 再沸器上装有一定数量的功率为10kW的加热棒， 用以给物料加热。 实验以质量浓度为10%的乙醇溶液为进料，采用过冷回流进行全回流操作。

图1 热膜实验装置图

1.2 实验测试方法

首先将质量浓度为10%的乙醇溶液注入再沸器中， 通过一定数量的加热棒给再沸器加热，至全回流。 从开始有回流为实验起点，即浮子流量计刚开始有示数时，每10min记录塔顶温度、塔釜温度和回流速率，并计算塔顶温度和塔釜温度差值，全回流1h实验结束。 当塔板温度一定时，塔板的气液组成也确定［18］。 因此，可以通过温差来反映板效率的变化规律，即：当温差越大时，板效率越高；反之则越低。 这样可以省去测量塔顶和塔釜乙醇浓度的步骤，使操作更为简便。 笔者在研究精馏塔板效率时，也以温差来反映板效率的变化。

2 结果与讨论

2.1 堰高对板效率的影响

用4根加热棒（即总加热功率为40kW）给再沸器加热， 分别测定堰高为10、20、30、40、50、60mm时，New-VST和F1型浮阀塔板全回流1h内不同时间下塔顶和塔釜的温度，并计算温差，得到的堰高与温差关系如图2所示。

图2 不同堰高下温差对比

由图2可以看出，New-VST和F1型浮阀塔板在不同堰高下，板效率均随全回流时间的增加呈现先增后保持不变的趋势，全回流40～50min，所有堰高下的板效率都达到最大值，这是因为全回流刚进行一段时间，板上气相和液相之间具有较大传质推动力，随着传质过程的进行，塔顶和塔釜温差不断增大，板效率也不断增加，当气相和液相之间的传质推动力逐渐减小至传质过程达到平衡时，板效率渐趋平稳后保持不变，此时再增加全回流时间已无法提高塔板效率。 堰高为40mm时，New-VST板效率最大， 此时最大温差为28.6℃，堰高为50mm时，最大温差为28.4℃，虽然二者的最大温差相近，即板效率接近，但是堰高为40mm全回流40min后，New-VST板效率已接近最高值，相对于堰高50mm，堰高为40mm时，New-VST板效率达到最高水平所需时间更短， 这在实际应用中可以更高效、更节能、更节约成本。 F1型浮阀塔板堰高为50mm时，最大温差为27.9℃，此时板效率最大。 堰高为10mm时，New-VST和F1型浮阀塔板的板效率都最差， 这是因为板上清液层高度太低，气液传质不充分，因此工业上采用这两种塔板时，应尽量避免设定此堰高为操作工况。

根据图2可知，当堰高为40mm时，New-VST具有最大板效率；当堰高为50mm时，F1型浮阀塔板具有最大板效率，图3是二者最大温差对比图。由图3可以看出，全回流1h过程中，这两种板的板效率变化趋势相同，New-VST的板效率始终高于F1型浮阀塔板的板效率，对物系的分离效果更好。

图3 New-VST堰高40mm与F1型浮阀塔板堰高50mm温差对比

图4将不同堰高下F1型浮阀塔板和New-VST的最高板效率进行对比。由图可得，New-VST和F1型浮阀塔板的板效率均随着堰高的增加先升后降，这是因为堰高影响塔板上清液层高度，堰高越高，塔板上清液层高度也越高，随着堰高增加，塔板上气液传质更加充分。 但是堰高太高时，气相的动压不足以阻止液体流下，下一层塔板会出现漏液现象［19，20］，同时板上清液层高度太高会造成雾沫夹带，导致板效率变差。 不同堰高下New-VST的板效率始终比F1型浮阀塔板的高， 就New-VST而言， 堰高太低或太高都不利于板效率的提高，当堰高为40mm和50mm时板效率较高。

图4 F1型浮阀塔板和New-VST不同堰高对温差的影响

2.2 气相动能因子对板效率的影响

由图2得出： 当堰高分别为40mm和50mm时，New-VST和F1型浮阀塔板的板效率最高， 通过设置2、3、4、5、6、7根加热棒分别对再沸器加热来改变气相动能因子F0，相应数据见表1。

表1 加热棒根数对应塔板的气相动能因子

实验所得F0计算公式：

式中 Ap——鼓泡区面积，m2；

qv——流量计读数，L/h；

V——气相流量，m3/s；

ρ——乙醇液体的密度，g/cm3；

ρv——乙醇气体的密度，kg/m3；

1.31——实验中标定的浮子流量计修正系数。

堰高分别设定为40mm和50mm， 测定全回流1h内，New-VST和F1型浮阀塔板在不同F0下塔顶与塔釜的温差， 并记录对应的浮子流量计示数，结果如图5所示。

图5 气相动能因子对温差的影响

由图5可以看出，New-VST和F1型浮阀塔板在不同F0下，板效率均随全回流时间的增加先增后保持不变， 全回流50min后，New-VST和F1型浮阀塔板的板效率稳定在最大值。 F0=14.7m/s·（kg/m3）0.5时，New-VST的板效率为最大， 温差为31.0℃，F0=13.1m/s·（kg/m3）0.5时，F1型浮阀塔板板效率最大，温差为29.5℃。 当加热棒为2根时，New-VST和F1型浮阀塔板的板效率都最差， 原因是F0太小使得气相没有足够动能将液相分散成小液滴，气液传质面积小，传质效果差，同时还会造成严重漏液现象，造成板效率变差。

做F0=14.7m/s·（kg/m3）0.5时New-VST板效率和F0=13.1m/s·（kg/m3）0.5时F1型浮阀塔板板效率的对比图（图6）。 从图中可以看出，New-VST的板效率一直高于F1型浮阀塔板的，但是F1型浮阀塔板的板效率稳定更快。 全回流20～40min，二者的板效率相差不大。

图6 New-VST在F0=14.7m/s·（kg/m3）0.5与F1型浮阀塔板在F0=13.1m/s·（kg/m3）0.5时的温差对比

图7将New-VST与F1型浮阀塔板在不同F0下的最大板效率进行对比。 从图中可以看出New-VST和F1型浮阀塔板的板效率均随F0的增大而先增后减，这是因为加热棒根数越多，气相负荷越大， 液体被分散成更小的液滴， 气液接触更加充分，传质效果更好。当F0增大到一定值后，气相负荷太大， 会造成雾沫夹带， 使相邻塔板间的液体返混，造成板效率变差。 当加热棒为5根时，New-VST与F1型浮阀塔板的气相动能因子F0分别为11.4、13.1m/s·（kg/m3）0.5，此时二者板效率相同。加热棒为7根时，F1型浮阀塔板出现液泛现象， 当气相动能因子较小时，F1型浮阀塔板比New-VST的板效率高，说明F1型浮阀塔板适合于气相负荷小的工况；当气相负荷较大时，采用New-VST 更适合。

2.3 雾沫夹带对板效率的影响

由图7可知， 当F0=16.8m/s·（kg/m3）0.5时，New-VST的板效率变差， 这是因为板上出现大量雾沫夹带［21～23］，为了对此进行验证，在每层塔板上方放置丝网来减少雾沫夹带，将加丝网和没加丝网的板效率进行对比，结果如图8所示。

图8 雾沫夹带对温差的影响

由图8可以看出， 在塔板上方放置丝网后，New-VST的板效率明显高于没有放置丝网时的板效率。 加丝网后塔板气液传质平衡时温差为31.5℃，而由图5a得知，没加丝网之前New-VST的最大温差为31.0℃，说明加丝网有效减少了雾沫夹带量。因此在对塔板进行改进创新时，要充分考虑所设计的塔板结构是否会造成大量雾沫夹带。

2.4 New-VST液体提升量对板效率的影响

测定加热棒根数为4根，即F0=9.0m/s·（kg/m3）0.5时，堰高为10、20、30、40、50、60mm、New-VST在操作稳定时的液体提升量和塔顶与塔釜的温差，根据所得结果作图（图9）。

图9 不同堰高下的液体提升量

气相在通过塔板与帽罩时提起的液体量为液体提升量［24］，反映气体通过帽罩提升液体的能力，是New-VST的一个重要性能参数，它对塔板的传质效率、 板压降和雾沫夹带量都有较大影响。由图9可以看出，New-VST的液体提升量与堰高有关，并且随堰高增加而增加，这是因为堰高越大，板上清液层高度越高，清液层所产生的静压也越大，气体通过板孔与之产生的压差也越大，因此提升量越来越大。

由图10可以看出， 随液体提升量的增加，温差先增后减。 New-VST板效率并不会随着液体提升量的增加一直增大，这是因为当液体提升量增大时，气体提升液体所消耗的能量增加，由于气相动能因子不变，所以，气体用于破碎液体所消耗的能量就会减少，液滴粒度增大造成气液传质变差， 板效率降低。 当液体提升量为1.0～1.6m3/h时，板效率较高。 因此，实际生产中不能通过盲目增加液体提升量来增加板效率。

图10 液体提升量对温差的影响

3 结论

3.1 堰高对New-VST和F1型浮阀塔板的板效率都有影响，板效率随堰高的增加先增后减。 两者板效率最高时，最优堰高分别是40mm和50mm。

3.2 气相动能因子影响New-VST和F1型浮阀塔板的板效率，板效率随气相动能因子的增加先增后减。 F1型浮阀塔板适合于气相负荷小的工况，New-VST适合气相负荷较大时的工况。

3.3 在塔板上放置丝网可以有效减少雾沫夹带量，雾沫夹带会造成塔板效率变差，在精馏过程中应避免出现严重的雾沫夹带。

3.4 New-VST液体提升量随堰高的增加而增加，板效率随着液体提升量的增大先增后减。