李军军

(中石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳 471000)



化工机械

塔器的性能研究及工程应用分析

李军军

(中石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳 471000)

在化工、炼油等工业生产装置中，塔器一直是最关键的设备之一，其性能及效率影响着产品的质量、成本及生产过程的能耗和环保等。板式塔开发研究重点是提高效率，满足低压降和大通量等要求。为了使化工设计人员和研究者对浮阀和固阀之间的差异以及塔器的设计有更深的理解，本文对浮阀和固阀的流体力学性能进行了实验研究，探讨了阀孔动能因子对浮阀塔板和固阀塔板的塔板压降、雾沫夹带和泄漏率的影响，得倒了一些可靠的经验数据。作者结合自己在化工设计上的工作经验，并查阅了相关文献，认为这些数据可用于塔器的设计。

塔器；固阀；浮阀；压降；雾沫夹带；漏液

塔器作为气-液和液-液之间进行传质和传热的重要设备，广泛应用于炼油﹑石油化工﹑精细化工等行业的物系分离。塔器作为化工生产中应用数量最多、涉及面最广、能耗最大的单元设备，其增效、扩能、降耗成为降低加工成本、提高经济效益最为活跃的领域之一，塔板的性能对于整个装置和企业的生产能力﹑产品质量﹑消耗定额及环保等方面均有重要的影响[1-2]。本文通过实验比较了固阀塔板和浮阀塔板的水力学性能，让化工设计人员对二者性能有更深的理解，并且总结了一些实验数据，希望对以后塔板的选型、工厂的扩能改造和节能起到一点作用。实验所用新型固阀和浮阀如图1～图3所示。

图1 固阀主视图

Fig.1 Fixed valve’s front view

图2 固阀俯视图

Fig.2 Fixed valve’s front view

图3 浮阀图

1 实验数据及其分析

1.1 实验介绍

本实验为冷模实验，设备为1600 mm×400 mm的矩形塔。实验过程如下：采用空气-水系统，空气由鼓风机输入，气体流量由毕托管测定；自来水用离心泵输送，液体流量由转子流量计设定，由实验塔板流出的液体返回水槽循环使用。塔板为浮阀塔板和固阀塔板，开孔率均为12.9%，板间距HT为600 mm，出口堰高hw为50 mm。

1.2 压降的比较及分析

塔板压降一般分为两类：干板压降和湿板压降。所谓干板压降即塔板上没有液体时的压降；湿板压降即塔板上有液层时的压降，包括干板压降，液层压降，克服浮阀自身重力的压降和克服液体表面张力的压降[1-2]。

图4 塔板压降比较

在液流强度为0、45 m3/(m·h)时，分别测定固阀塔板和浮阀塔板的压降，结果见图4。由图4可知，固阀塔板的干板压降和湿板压降均小于浮阀塔板，其原因主要是浮阀塔板需要克服浮阀自身的重力。从图4中也可以看出：在气速较小时，浮阀塔板和固阀塔版的干板压降差别较大；在气速较大时，浮阀塔板和固阀塔版的干板压降差别较小。其原因是：当气速较小时，浮阀塔板上浮阀开度较小，气体通过浮阀塔板的面积小于对应的固阀塔板，而阀孔气速高于对应的固阀塔板，导致固阀塔板和浮阀塔板压降差别较大；当气速较大时，浮阀塔板上浮阀全开，固阀塔板和浮阀塔板的气体通过面积没有太大差别，此时二者的压差主要是浮阀自身重量造成的，而且此时浮阀自身重力引起的压降在浮阀塔板的湿板压降中所占的比重减少，导致了固阀塔板和浮阀塔板的压降差别较小。从图4还可以看出：固阀塔板的湿板压降和浮阀塔板的湿板压降之差随气速变化不大。其原因在于：清液层对浮阀的开度起了一定的调节作用，且由于清液层的存在，浮阀自身的重力引起的压降在湿板压降中占比变小，且波动较小。由于固阀压降低于浮阀，因此从工厂节能的角度考虑，工程设计可以优先选用固阀，尤其是在操作压力较低时，其节能效果尤其明显[1]。

图5 固阀塔板压降

实验过程中也测定了液流强度和阀孔动能因子对固阀塔板的压降的影响，实验结果见图5。由图5可以看出：当阀孔动能因子在5至12 m/s·(kg/m3)1/2时，塔板压降变化平稳；当阀孔动能大于13 m/s·(kg/m3)1/2时，塔板压降急剧增加。因此为了降低压降和塔器的稳定操作，推荐动能因子不要大于12 m/s·(kg/m3)1/2，但是当塔板压降并不是决定因素时，阀孔动能因子可以适当提高[4-5]。

1.3 雾沫夹带的比较及分析

图6 雾沫夹带比较

在液流强度为45 m3/(m·h)的条件下，固阀塔板和浮阀塔板的雾沫夹带率的实验结果见图6。由图6可知：在相同气速下，固阀塔板的雾沫夹带率比浮阀塔板略低。其原因在于：固阀塔板的液面梯度较小；由于气体分布不均，导致浮阀塔板上不同的浮阀开度不同；由于通过浮阀塔板的气体波动，导致浮阀塔板上单个浮阀开度在一直变化。多个因素叠加和互相影响，导致通过浮阀的气体夹带了更多的液体至上层塔板。因此，当遇到由于雾沫夹带导致浮阀塔不能正常操作，改造时可以考虑更换为固阀塔板；或者当气相通量较大时，也可以考虑使用固阀塔板。

图7 固阀塔板雾沫夹带率

实验中测定了不同液流强度下的雾沫夹带率与阀孔动能因子的关系，结果见图7。气速的上限一般受雾沫夹带的限制。由图7可以看出：当阀孔动能因子低于17 m/s·(kg/m3)1/2时，雾沫夹带率小于10%；甚至有的工况下，阀孔动能因子高于20 m/s·(kg/m3)1/2时，雾沫夹带依然低于10%。因此，当塔板压降不是决定因素时，阀孔动能因子可以适当提高[4-5]。

1.4 泄漏率的比较及分析

在液流强度L为45 m3/(h·m)时，分别测定了阀孔动能因子对固阀塔板和浮阀塔板泄漏率的影响，实验数据见图8。从图8中可以看出：在相同气速下，固阀的泄漏率大于浮阀。其原因是：浮阀可以通过改变阀孔开度，调节阀孔气速，降低泄漏率。

图8 漏液率

从图8还可以看到：对于浮阀，当阀孔动能因子小于5 m/s·(kg/m3)1/2时，泄漏率急剧增加；对于固阀，当阀孔动能因子小于8 m/s·(kg/m3)1/2时，泄漏率急剧增加。因此在工程设计中，浮阀阀孔动能因子应不小于5 m/s·(kg/m3)1/2；固阀阀孔动能因子应不小于8 m/s·(kg/m3)1/2[4-5]。

2 结 论

(1)本文通过对固阀塔板和浮阀塔板性能的研究和比较，得到：固阀塔板的压降低于浮阀塔板，雾沫夹带率低于浮阀塔板，泄漏率比浮阀塔板略高。

(2)本文通过研究阀孔动能因子对固阀和浮阀塔板水力学影响，找到了适合固阀塔板和浮阀塔板的阀孔动能因子，可以用于塔板类型的选择、扩能改造和节能等。

(3)鉴于固阀、浮阀塔板良好的水力学性能，且结构简单易于清理，可以广泛应用于化工、石油化工、制药和炼油等产业，对提高生产能力，改善产品质量和节能将会有很明显的经济效果。

[1] 李玉安.梯形导向浮阀塔板的流体力学和传质性能的研究[J].华东理工大学学报,1996, 22(4):406-411.

[2] 孙兰义,刘立新,杨德连.半椭圆固阀塔板性能研究[J].化工进展,2007,26(6):878-881.

[3] 兰州石油机械研究所.现代塔器技术[M].北京:中国石化出版社,2005:200-400.

[4] 中国石化工程建设公司.塔器工艺设计规定[S].中国石油化工集团公司企业标准,2008:1-23.

[5] 石油化学工业部石油化工规划设计院组织编写.塔的工艺计算[M].北京:石油工业出版社,1979:128-149.

Study on Tower’s Performance and Analysis of Engineering Application

LIJun-jun

(Luoyang Petrochemical Engineering Corporation/Sinopec, Henan Luoyang 471000, China)

s: In chemical, petrochemical and other industrial production facilities, the tower has always been one of the most important equipment.The performance and efficiency of tower will obviously affect product quality, cost and energy consumption and environmental protection.The focal point in tower plate research is to improve the plate efficiency, low pressure drop and improve throughput requirements.In order to let chemical engineer and researcher to know more deeply about design of tower and difference of valve tray and fixed valve tray, the hydrodynamic performance of valve tray and fixed valve tray were studied, tray pressure drop, entrainment rate and leak rate affected by velocity were invested, the results were useful.These values can be used for tower design upon his engineering experience and related documents.

towers; fixed valve; float valve; pressure drop; entrainment; leakage

TH

A

1001-9677(2016)019-0156-03