曹振恒，王彩琴，赵立功，孙军军

（1延安大学化学与化工学院，陕西 延安 716000；2陕西省化学反应工程重点实验室，陕西 延安 716000）

分散降液筛板塔传质性能

曹振恒1,2，王彩琴1，赵立功1，孙军军1

（1延安大学化学与化工学院，陕西 延安 716000；2陕西省化学反应工程重点实验室，陕西 延安 716000）

在筛板塔的基础上，研发了一种新型板式塔——分散降液筛板塔，将传统筛板塔的弓形降液管改为均布于塔板筛孔间的多降液管结构，使整个塔板面成为均匀降液和受液的传质区，并新增淋降和喷溅传质区，在全塔空间内实现立体、连续的微分接触式气液传质过程，另外，塔板之间可以加装填料来强化传质，或装填催化剂以促进伴随化学反应的传质过程。以“氧气-空气-水”为体系，初步研究了分散降液筛板的传质性能及其影响因素，并与传统筛板进行比较，结果表明：分散降液筛板气液分布均匀，接触充分，在同等条件下传质效率比传统筛板提高了8.4%～9.7%。

塔器；筛板塔；分散降液筛板；分散降液管；传质；解吸

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

引 言

筛板塔以其结构简单、造价低廉等优势一直被广泛应用于精馏、萃取、吸收和解吸等传质分离设备中。但筛板塔的操作弹性低、有效传质区域小等缺点限制了筛板塔在传质领域中的应用。为克服筛板塔的上述缺点，出现了大量改进型塔板。筛板塔的改进通常从改善塔板上的液体流动状况、气液接触状态、减少雾沫夹带等方面进行，如多降液管塔板（MD塔板、DJ系列塔板）[1-4]、导向筛板[5-8]、新型垂直筛板[9-13]以及复合筛板[14-16]等。这些改进型的塔板在处理通量、塔板效率等方面均有所提高，但综合性能仍不令人满意。

板式塔中相邻塔板间的液滴沉降作用是传统观点公认的，而该区域是否可以作为传质区域往往被忽略[11]。

本文研发了一种新型板式塔——分散降液筛板塔，在保留传统筛板塔优点的基础上，对传统筛板的结构做了较大改进，与传统筛板、MD型塔板、DJ系列多降液管塔板相比，分散降液筛板的降液管均布于塔盘升气孔之间，不单独设置降液区，使鼓泡传质区面积明显增加；并使塔板之间的空间也得以充分利用；气液经过每层塔板时得以重新均布，消除了液面落差；相同的气液负荷下，塔径减小。分散降液筛板塔具有较好的流体力学性能，较高的通量及传质效率，在保留传统筛板、多降液管塔板的优点基础上，更适合作为复合塔板的核心部件。

1 实 验

1.1 分散降液筛板塔的结构及特点

分散降液筛板塔主要对传统筛板塔的集中型降液管进行了改进。将传统筛板塔的弓形降液管改为均匀分散于塔板下的大量圆形细管，分布于气孔构成的正三角形的中心。分散降液筛板塔运行时，上升的气体自下而上经由塔板的气孔穿过液层，上升至上层塔板，板面上的液体自上而下通过均匀分布的降液管降至塔板下层空间。

分散降液筛板塔的结构如图1，其中图1（a）为分散降液筛板仰视方向的实物图，图1（b）为由若干分散降液筛板装配而成的分散降液筛板塔的剖视图。

图1 分散降液筛板及塔的装配Fig.1 Installation schematic of decentralized down-comer sieve plate and column

分散降液筛板塔比传统筛板塔具有如下优点：

（1）分散降液筛板板面上不设置液体进口和出口安定区、溢流堰和弓形降液管，这样整个塔板面积可全部用于开孔区，使塔板的传质面积、气体和液体通道面积、塔的气液负荷等均显著增加。

（2）降液管由集中设置改为分散均布，塔板板面上液体基本无水平方向流动，从而消除了塔板上的液面落差，使气体分布更均匀，从而改善了塔板气液的接触状态，减少了传质死区。

（3）相邻两块筛板的安装使其在水平投影面上错开60°或其整数倍的方位角，使上层塔板的降液管正对下层塔板不开孔的三角形中心处，可有效防止两层塔板间液体的短路，保证传质过程的有效进行。

（4）如图1（b）所示，液体由大量均布的降液管均布降落过程中，与逆流而上的气体再次发生传质作用，形成了新的淋降传质区，增加了塔的空间利用率；大量分散的液流溅落至下层塔板上时，对塔板板面上的液体产生持续而频繁的冲击，进一步强化了板面上的气液传质过程，形成新的喷溅传质区。这样，全塔上下全部空间形成一个连续、立体的传质空间，而非普通泡沫工况的板式塔间歇式或阶梯式的传质[11]，气液接触方式由传统筛板塔气液的级式接触改变为分散降液筛板塔气液的微分接触，从而使传质效率亦有所增加。

（5）筛板上的液体经由分散降液管均匀、分散地降至下层筛板，从而可以方便地在两块筛板之间填充填料、催化剂等其他辅助传质或反应的介质，使每两块筛板之间的空间得以高效利用，使整个塔体空间充分发挥传质分离作用或在分离的同时完成化学反应等过程。

1.2 实验装置与流程

在自制的分散降液筛板塔中，用“氧气-空气-水”冷模物系对其流体力学和传质性能进行了实验，实验装置如图2所示。

图2 实验装置Fig.2 Schematic of experimental equipment

氧气和水分别计量并流经混合器后，送入塔顶，空气计量后送入塔底，与自上而下的富氧水逆流接触，使水中的氧气解吸，在塔的进水、出水口分别在线检测水中溶解氧含量。

本实验在直径为200 mm、板间距为245 mm的塔内，对4种不同参数的分散降液筛板和2种传统筛板进行了初步实验研究，各塔板的参数见表1。

表1 塔板参数表Table 1 Configuration of decentralised down-comer sieve plate

2 结果与讨论

2.1 传质效率计算公式

本实验采用空气解吸富氧水的方式测定塔板效率，单层塔板的液相Murphree板效率E0采用公式（1）计算[17-20]。

2.2 传质效率的影响因素

2.2.1 气液负荷对传质效率的影响 在两种不同液量负荷下，DDST-4塔板的单板效率随筛孔动能因子的变化关系如图3所示。

图3 在不同液量负荷下，筛孔动能因子对单板效率的影响Fig.3 Effect ofF0onE0in different liquid flux

由图3可见，分散降液筛板的传质效率随筛孔动能因子的增大而增大，且增加趋势渐缓。当筛孔动能因子相同时，分散降液筛板的传质效率随液量负荷的增大而增大。因为液量负荷增加或筛孔动能因子增加都将导致板上的液层高度的增加，气液两相的传质动力增加[21]，因此传质效率提高。

2.2.2 塔板开孔率对传质效率的影响 不同开孔率下，分散降液筛板的单板效率随筛孔动能因子的变化关系如图4所示。图4表明，开孔率较小的分散降液筛板传质效率较高。主要是因为开孔率较小的分散降液筛板（DDST-4）上液层较高，液体在板上停留时间增加，气液接触面积较大，气体动能因子较大，漏液量较小，因此传质效率明显高于开孔率较大的分散降液筛板（DDST-2）。

图4 不同开孔率对单板效率影响Fig.4 Effect ofφonE0in different liquid flux

图5 较低液量负荷下，降液管长度与单板效率关系Fig.5 Effect ofLlonE0in lower liquid flux

图6 较高液量负荷下，降液管长度与单板效率关系Fig.6 Effect ofLlonE0in higher liquid flux

2.2.3 降液管长度对传质效率的影响 对分散降液筛板降液管长度为20和25 mm、液量负荷分别为31.43、55.01 m3·h−1·m−2下，测定了其单板效率。结果如图5、图6所示。

由图5知，在较低液量负荷下，筛孔动能因子较小时，降液管长度较小的分散降液筛板的传质效率较高。随筛孔动能因子增加，其效率变化出现逆转，即筛孔动能因子超过6.3 kg0.5·m−0.5·s−1时，降液管长度较大的分散降液筛板的传质效率较高。

这是因为，在较低液量负荷下，分散降液筛板上的液层高度较低，此时，分散降液管长度越大，液体通过能力越强，降液管越难以实现自封，致使部分气体从未自封的降液管穿过上升至上层塔板，而板面上的部分液体则从压力较小的气孔下漏至下层塔板，整体漏液较为严重，传质效率也较低。

图6中单板效率变化趋势与图5类似，但单板效率逆转点的筛孔动能因子约为4.4 kg0.5·m−0.5·s−1，小于图5中的6.3 kg0.5·m−0.5·s−1。图5、图6均表明，在适宜的气液负荷下，降液管长度较长的分散降液筛单板效率较高。

较高液量负荷可以满足较长降液管实现良好自封，保证传质过程的正常进行；同时，在较高液量负荷下，塔板上液层高度增加，意味着气液接触时间和传质面积也相应增加。综上，在泡沫接触状态下，单板效率亦随之增加。

2.2.4 分散降液筛板与传统筛板的比较 在同等可比的条件下，将分散降液筛板（DDST-4）与传统筛板（ST-2，弓形降液管）的单板传质效率进行了实验测试比较，结果如图7所示。

图7 DDST-4与ST-2的对比Fig.7 Comparison ofE0between DDST-4 and ST-2

由图中得出，分散降液筛板DDST-4的单板传质效率比传统筛板ST-2提高了8.4%～9.7%。

这主要由于：

（1）分散降液筛板所有的塔盘面积全部用做气液有效传质区，传质面积显著增加；

（2）分散降液筛板大量均布在塔板下方的细管作为降液管，这种结构增加了前述的淋降传质区和喷溅传质区，进一步增加了传质空间和传质面积。

表2 Spass正交实验安排及实验数据分析表Table 2 Configuration of analysis to orthogonal experimental data

（3）消除了液面落差，气体分布更均匀，具有提供较大气液传质系数的可能性。

3 Spass正交实验分析结果

本文进一步考察了自降筛板的开孔率A、自降液管长度B、A与B的交互A*B、气体负荷C、液体负荷D、C与D的交互C*D等因素或交互因素对分散降液筛板效率的影响，按照L16（23×44）正交表的安排进行了实验，结果见表2。

正交实验结果表明：

（1）在0.05水平，开孔率、降液管长度和气液负荷均与传质效率显著相关；

（2）影响分散降液筛板效率的因素权重排序为：开孔率＞开孔率与降液管的交互＞气量负荷＞降液管的长度＞液量负荷＞气、液负荷的交互。

（3）本实验研发设计的4种不同结构参数的分散降液筛板中，DDST-4分散降液筛板在气、液流量负荷分别为1217.17和47.15 m3·h−1·m−2时，其传质效率最高。

4 结 论

研发了一种新型板式塔——分散降液筛板塔，设计了4种不同结构参数的塔板对其传质性能进行了初步实验研究，并与传统筛板进行比较，主要结论如下：

（1）分散降液筛板塔独特的降液管结构具有明显优势，可在塔内形成连续微分式传质区域，即除了传统的塔板板面上的泡沫传质区外，分散降液筛板塔增加了淋降区和喷溅区，不仅使气液良好均布，而且实现了塔内空间立体、连续的传质过程，提高了传质效率。

（2）新型塔板的传质效率在较低气液负荷时Ll=20 mm的塔板传质效率较高，较高气液负荷时Ll=25 mm的塔板传质效率明显上升，因此，适当延长降液管长度并增大开孔率，可提高塔板传质效率和气液通量。

（3）在同等工况下，分散降液筛板的传质效率比传统筛板提高了8.4%～9.7%，随着气液负荷的增加，分散降液筛板的传质效率明显高于传统筛板。

（4）分析数据表明，分散降液筛板塔的塔板开孔率、降液管长度和气液负荷均与传质效率显著相关；影响其板效率的因素权重排序为：开孔率＞开孔率与降液管的交互＞气量负荷＞降液管的长度＞液量负荷＞气、液负荷的交互。

（5）分散降液筛板较适合作为复合塔的组件，即可在两板之间填充适合的填料或催化剂，用于强化传质或同时完成化学反应等，可广泛用于精馏、反应精馏、吸收、解吸、萃取等传质分离过程。

符 号 说 明

d0——孔直径，mm

E0——单板效率，%

F0——筛孔动能因子，kg0.5·m−0.5·s−1

L——液体流量，m3·h−1

Ll——降液管长度，mm

Ls——液量负荷，m3·h−1·m−2

V——气体流量，m3·h−1

Vs——气量负荷，m3·h−1·m−2

x1——液体经过测试塔板前的含氧量，mg·L−1x2——液体经过测试塔板后的含氧量，mg·L−1

——取样温度下平衡氧含量，mg·L−1

φ——开孔率，%

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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。

联系人及

：曹振恒（1971—），男，硕士研究生，副教授。

陕西省科技厅工业攻关项目（2012K09-32）；陕西省教育厅科研计划项目（09JK813）；延安市科技局工业攻关项目（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).