板式塔流体力学性能测定

实验八、板式塔流体力学性能测定

一、实验目的

1．观察塔板上气、液两相流动状况。

2．测定气体通过塔板的压力降与空塔气速的关系、雾沫夹带率与空塔气速的关系、泄漏率和空塔气速的关系。

3．研究板式塔负荷性能图的影响因素并做出筛板塔的负荷性能图。

二、实验原理

板式塔为逐级接触的气～液传质设备，当液体从上层塔板经溢流管流经塔板与气体形成错流通过塔板，由于塔板上装有一定高度的堰，使塔板上保持一定的液层，然后越过堰从降液管流到下层塔板。气体从下层塔板经筛孔或浮阀、泡罩齿缝等，上升穿过液层进行气液两相接触，然后与液体分开继续上升到上一层塔板。塔板传质的好坏很大程度取决于塔板上的流体力学状况。

1．塔板上的气液两相接触状况及不正常的流动现象。

（1）气液两相在塔板上接触的三种状态：

1）当气体的速度较低时，气液两相呈鼓泡接触状态。塔板上存在明显的清液层，气体以气泡形态分散在清液层中间，气液两相在气泡表面进行传质。

2）当气体速度较高时，气液两相呈泡沫接触状态，此时塔板上清液层明显变薄，只有在塔板表面处才能看到清液，清液层随气速增加而减少，塔板上存在大量泡沫，液体主要以不断更新的液膜形态存在于十分密集的泡沫之间，气液两相以液膜表面进行传质。

3）当气体速度很高时，气液两相呈喷射接触状态，液体以不断更新的液滴形态分散在气相中间，气液两相以液滴表面进行传质。

（2）塔板上不正常的流动现象

1）漏液

当上升的气体速度很低时，气体通过塔板升气孔的动压不足阻止塔板上液层的重力，液体将从塔板的开孔处往下漏而出现漏液现象。

2）雾沫夹带

当上升的气体穿过塔板液层时，将板上的液滴挟裹到上一层塔板引起浓度返混的现象称为雾沫夹带。

3）液泛

当塔板上液体量很大，上升气体速度很高，塔板压降很大时，液体不能顺利地从降液管流下，于是液体在塔板上不断积累，液层不断上升，使塔内整个塔板间都充满积液的现象称为液泛。

2．流体力学性能测定

（1）压降

在塔板的上面和下面气液分离空间中各设置一个测压口，分别连在U型压差计的两端，可以测定气体通过塔板的压降。

压降通常包括干板压降和液层压降两部分。干板压降是指塔内不通液体，只有气体穿过塔板时测得的塔板压降，这部分压降主要是通过筛孔时克服阻力而产生的压降，液层压降是指气体通过塔板的清液层和泡沫层克服阻力而产生的压降。

（2）雾沫夹带率

在塔板上设置一层液体收集板，可以把气体从下层塔板带上来的液体收集，然后用一个导管将这些液体引出、收集并测量，可得夹带液体流量，再除以气体流量，可得雾沫夹带率。

（2—55）（3）泄漏率

再塔板下面设置一个液体出口，可以把从筛孔流下的液体收集并测量，可得泄漏液体流量，泄漏液体流量除以液体流量即可得泄漏率。

（2—56）3．筛板的流体力学模型

（1）压降

式中：Δp——塔板总压降，Pa；

Δp c——干板压降，Pa；

Δp L——板上液层高度压降，Pa。

上式中，

式中：ρv——气相密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

u0——筛孔气速，m/s；

C0——筛孔流量系数，可通过图2—69求取。

筛板上因液层高度产生的压降Δp L即液层有效阻力h L：

（2—57）式中：ρL——液相密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

h i——液层有效阻力，m液柱，可通过图2—70求取。

图2-69 干筛孔的流量系数图2-70 有效液层阻力

δ—板厚；d0—孔径，mm

图中，气相动能因子表示为：

板上清液层高度表示为：

式中：h w——堰高，m；

h ow——堰上液流高度，m。

液层有效阻力h i，也可用如下方程计算：

当Fo<17时：

当Fo>17时：

（2）雾沫夹带量：

（2—58）式中：e v——雾沫夹带量，kg液/kg气；

σ——液相表面张力，N/m；

u G——按有效面积计算的气速，m/s；

（2—59）式中：V s——气相流量，m3/s；

A T——塔截面积，m2；

A f——降液管截面积，m2；

H T——板间距，m；

h f——塔板上鼓泡层高度，m；

ф——表示鼓泡层平均相对密度，一般情况下：取ф＝0.4，

即h f＝2.5h L。

（3）漏液

为保证筛孔不漏液的下限气速为u ow，筛板的u ow可按下面的经验式计算：

（2—60）式中：u ow——漏液点的筛孔气速，m/s；

C o——筛孔流量系数；

h L——板上清液层高度，m；

hσ——与液体表面张力相当的液柱高度，m。

（2—61）式中：σ——液体表面张力，N/m；

g——重力加速度，m/s2；

d o——筛孔孔径，m；

ρL——液体密度，kg/m3。

4．塔板负荷性能图及操作弹性

塔板的气液正常操作通常以塔板的负荷性能图表示，如图2—71，负荷性能图以气体体积流量（m3/s）为纵坐标，液体体积流量（m3/s）为横坐标标绘而成，它由漏液线、雾沫夹带线、液相负荷下限线、液相负荷上限线和液泛线五条线组成，其中每条线代表一个极限操作情况，五条线包围部分是正常操作范围。当塔板的类型、结构尺寸以及待分离的物系确定后，负荷性能图可通过实验确定。

图2-71 塔板负荷性能图

1．雾沫夹带线2。液冷线3。液相上限线4。漏液线5。液相下限线

塔的操作弹性是评价塔性能的重要指标，在塔的操作液气比下，如图2-71所示，操作线OAB与界限曲线的交点的气相最大负荷V大与气相允许最小负荷V小之比称为操作弹性，即：

操作弹性=（2—62）设计塔板时，可适当调整塔板结构参数使操作点P在图中适中位置，以提高塔的操作弹性。

三、实验装置及流程

图2-72 板式塔流体力学性能测定实验装置流程示意图

1－空气出口，2－雾沫夹带收集板，3－雾沫夹带液出口，4－进水流量计

5－进水口，6－实验塔板（筛板、浮阀、泡罩塔板），7－泄漏率测定板

8－降液管，9－出水口，10－进气流量计，11－空气进口，12－泄漏液出口

板式塔流体力学性能测定实验装置的塔体是用有机玻璃制成，三层塔板分段用法兰连接。上层塔板为雾沫夹带收集板，中间塔板为可更换实验板（筛板、浮阀、泡罩塔板），下层塔板为泄漏率测定板。

气体从下面通入塔内，从塔顶流出；液体从中间塔板上面加入，从下层塔板的降液管中流出。

塔板压降的测定：在中间实验塔板的上下各设置了一个测压口，分别连在U型压差计的两端，压差计的读数直接反映了塔板压降的大小。

雾沫夹带的测定：在雾沫夹带收集板的下面引出这些液体，并测定流率，可以计算雾沫夹带。

泄漏率的测定：在塔底引出泄漏液，收集后测定泄漏速率，可计算泄漏率。

塔板主要结构参数：

塔内径 D=190mm；板间距 H T＝200mm；出口堰长L w＝100mm；

出口堰高h w＝25mm；降液管直径d＝21mm；降液管底隙高度h0＝18mm；

筛孔直径d0＝3mm；筛孔数n＝210。

其他结构尺寸入板厚σ等应根据塔板的结构测量求得。

四．实验步骤及主意事项。

1．实验步骤

（1）熟悉实验装置流程，了解各部分的作用。

（2）启动风机改变气体流量，测量干板压降与气速的关系。

（3）选定一个液体流量，改变气体流量，测量塔板压降、雾沫夹带率和泄漏率。

（4）改变液体流量，重复（3）的内容。

（5）实验结束，先关水，后关气。

2．注意事项

（1）在做一定液体负荷下的压降与气速关系实验时，应先通水，后开气。

（2）液体流量选定后，气体量避免太小，以防止过大的泄漏率；同时应避免气体量太小，以防止过大的雾沫夹带率造成液泛。

（3）测定雾沫夹带率和泄漏率时，应用秒表计时，以通过测得一定时间内的雾沫夹带量和泄漏量来获得雾沫夹带率和泄漏率。

五．实验报告要求

1．在双对数座标纸上描绘出干板和各种液体流量下塔板和压降与空塔速度的关系图。

2．在双对数座标纸上描绘泄漏率、雾沫夹带率与空塔速度的关系图。

3．示意画出塔板的负荷性能图，并说明理由。

4．描述气速从小到大，塔板上的几种流动状态。

六．思考题

1．分析气相负荷对压降对空塔气速△p～u，雾沫夹带率对空塔气速e～u，泄漏率对空塔气速θ～u的影响。

2．定性分析液泛与那些因素有关。

3．板间距加大，塔板的负荷性能图将发生什么变化？

4．如何利用该实验装置得到塔板的负荷性能图？

塔板上的流动状态主要取决于哪几个方面？