以溢流锥降液旋流板技术原理及应用简况

一、旋流板技术的原理及应用简况1970年代我们为浙江松门盐场海水提溴装置的设计、开车而进行Φ300湍球塔试验时，发现空塔气速大于3m/s后，雾沫夹带愈来愈严重，以至无法坚持实验。

我们分析：一般的除雾方法不能适应或结构复杂，另一方面，气速高，正好利用离心原理除雾。

于是制作了形状像风车叶轮的旋流除雾板（参看图2顶部），放在塔的近顶部，它本身不动，而是使气流通过它以后发生旋转，其中夹带的雾滴在离心力的作用下甩向塔壁，能得到分离。

试用下来效果良好，保证了湍球塔试验的进行。

72年初对旋流板除雾器的性能及结构作了进一步的试验和改进，在空塔气速3~5m/s下，测得其除雾效率在99%以上，压降约10~30mm水柱【1】。

对应于板的开孔率约30%，穿孔气速约10~17m/s，相当于旋风分离器内的中、低速。

它比旋风器简单，阻力也较小。

试验中还观察到：由于旋流叶片的折流作用，一小部分雾滴直接碰撞到叶片上而被分离。

在除雾试验取得成功的基础上，考虑到旋流板负荷高（空速大）、压降低的特点，如用于气液接触，有可能突破一般塔板的负荷上限：（1）雾沫夹带。

从旋流板良好的除雾性能，可以估计到它的夹带限应比一般塔板高很多。

（2）淹塔或液泛。

气、液在塔板上接触以后，由于离心力的作用，不仅气流内的液滴易于分离，而且液流内的气泡也易于分离，应能提高溢流管的通过能力及淹塔限。

（3）压降。

旋流板因开孔率大而自身的阻力压降相当小，作塔板使用时属喷射型，液层薄，湿板压降也应当比较小。

从传质、传热的角度看，喷射型塔板的效率一般较低，而且旋流板现为片型结构，片与片间的距离较大，这是不利的因素；但在离心力场内，液滴与气流间有附加的相对运动，这是有利因素。

板效率究竟有多大？有关因素的影响如何？是它能否实际应用的关键之一，需通过试验考察。

还考虑到用作塔板时，有利于除雾板的主要特征是：（1）通过塔板的液滴负荷要大得多。

（2）不仅要求除雾，更主要的是提供尽可能良好的气液接触机会。

1975年仍在Φ300塔中，对不同结构的旋流塔板用空气—水系统进行了流体力学及传热传质试验，证实了原来的设想。

试验范围：空塔气速 1.2~5.3m/s，喷淋密度10~52m3/m2时，都能稳定操作，单板压降约10~60mm水柱，单板效率约50~60%，溢流管的液速达1m/s。

其流体力学现象，影响压降和板效率的因素等，请参阅资料[2]、[3]。

塔板的结构可参看图2.操作时，气流通过塔板螺旋上升（塔板不动），液流自受液盲板分配到各个叶片，形成薄液层，并被气流喷洒成液滴。

液滴随气流运动的同时被离心力甩至塔壁，形成沿塔壁旋转的液环，并受重力作用而下流至环形的集液槽，再通过溢流装置流到下一塔板的盲板上。

由于盲板以上为旋转气流的低压区，溢流管并不需要液封，即为“自液封”。

液体从流到叶片开始，到从集液槽下流为止，都与气体接触，而以细滴状态穿过气流时，传热、传质的强度大。

旋流板塔还可以用于湿法除尘：液体在旋流板上被喷洒于气流中，黏附其中的尘粒，然后被甩到塔壁，带着尘粒下流，气流中未及及被黏附的尘粒还有机会被甩到湿的塔壁上被黏附。

与文氏管将液体喷洒在高速气流中，然后在旋风器中分离，在原理上有类似之处，只是通过旋流板开孔的气速要比喉管中低很多。

故压降和效率都较低，其方便之处是易于实现多级洗涤.同样的原理—洗涤法，也可以用来较有效地除去气流中的微细雾滴，这是用前述单纯靠离心力的，机械法所不易除下的，例如以有粘附性的液体除焦油雾及以稀氨水除酸雾等。

1974年在衢化硫氨车间建立了Φ1200的旋流板塔，以酸性硫铵母液回收碳铵干燥尾气中的分解氨及碳铵粉尘，首次在生产试验中进行了测定，与曾用于同一目的的喷射器和泡沫塔对比，压降只有1/3,而氨的回收率较高，同时空塔气速较泡沫塔大60~70%。

说明塔径由300放大到1200mm，气量达万余m3/h时，旋流板塔能正常操作，并保持较高负荷、低压降等特点【3、4】。

以后又相继在良渚化肥厂进行了Φ500旋流板饱和塔的生产试验，其负荷和煤气出口温度（主要工艺指标）都比原Φ800瓷环填料塔稍高，证实只要塔内件改为旋流板，可以利用原塔身满足产量加倍的要求；在海宁化肥厂用于氨水脱硫，也显示出类似的优点，特别是能显著降低塔高。

又如在桐乡化肥厂，将旋流板用于水蒸气、铜液氨冷器氨出口、高压机一段出口管等处除雾，效果显著。

粉碎“四人帮”这两年来，旋流板得以迅速推广，并通过使用厂的共同努力，在推广中逐步提高，现已在传质、传热、除雾末、除尘等方面几十种用途的挖潜、革新、改造中发挥作用，收到大幅度增加生产能力或节约钢材，以及降低压降、增大操作弹性、延长运转周期、提高工艺指标等不同的效果。

【5】二、锥形溢流装置的原理和结构图1所示的塔板结构虽已推广应用，但还需要继续改进。

其溢流装置存在的问题是： （1） 异型管的形状特殊，加工较困难，（2） 集液槽占塔截面的比例较大，特别是对大的液气比，要占到40%甚至更多。

为作改进，我们在1978年试验了图2所示的锥形溢流装置，革除了集液槽，而将罩筒与塔壁间的整个环隙作溢流之用，显然环隙宽度可较集液槽为狭。

由环隙流下的液体顺着溢流锥的内侧面由塔壁导至下一塔板中间的盲板（受液板）上。

溢流锥由若干相同的导向叶片组成，每一叶片都从圆周向外扳出一定的角度（称导向角，参看图7），使两叶片间形成通道（与旋流板类似：通边形状近似于三角形，通道数与叶片数相等），由下一板来的气流顺着旋转方向由锥外流入锥内，穿过沿锥下流的液层，并推动液体旋转。

锥形溢流装置不仅使原溢流装置的两缺点得到改进，而且锥内的气液接触又提供了两相传质、传热的机会；原溢流装置的这部分空间却几乎没有这种作用（由于板上的气、液因离心作用甩向塔壁，如图3示意），溢流锥能使塔内的空间得到较充分的利用，可能成为它最重要的优点。

溢流锥曾试验结构如图4示意，为避免窜气用堰环施以液封。

但因锥顶截面较小，气速再大，液体易从锥顶上喷；且液体流径的转折更多，液量也难以增大。

再试用图5即图2所示的结构，将锥顶尽可能放大，又液流的转折最少，其操作果能显著增大，而且制作也较简单，而作为目前推荐的结构形式。

现对锥内侧面上的液体作一简单的受力分析如图6所示。

设某一液体单元的质量为m ，圆周速度为u ，离锥轴的距离（半径）为r ，则离心力为rmu c 2=，它可以分成垂直于锥面的分力θcos c ⋅和沿锥面向上的分力θsin c ⋅；而使液体沿锥面下流的是重力G 沿锥面的分力θcos G ⋅。

显然，只有在θsin c ⋅<θcos G ⋅的条件下，液体才能沿锥面下流。

将rmu c 2=及G=mg 代入，简化，得θgrctg u = （1）液体的圆周速度u 难以直接计算或测定，但可作如下分析：液体在沿锥内侧面下流的过程中，由于接受了沿导向叶片进入锥内气流给予的切向冲量，而逐步在切向被加速，故在穿孔气速ϕω或穿孔动能因子γωϕϕ=F 愈大时，u 也愈大。

当ϕω超过一定限度，使u 超过式（1）的限制时，就会产生液泛现象，破坏塔的操作。

又在液体沿锥面下流的过程中，一方面u 增大，另一方面r 减小，从式（1）可知，首先产生液泛的地方是锥底。

至于液体流量的增加，主要是液体将更多地占据开口面积，而使得实际穿孔气速增大；又锥内液层增厚，将使式（1）中实际r 减小，因而能通过的气量将减小。

三、结构参数试验溢流锥的主要结构参数之一是它的开孔比率ψ，其定义为锥侧表面的开孔面积ψA 与空塔截面A T =2D 4π之比：ψTA A ψ=（2）而 2T 4A D π=（3）式中 D ——塔径通过塔的气量V s 可用流量公式表达如下：ψψωωA A T s ==V （4） 或各项乘以γ，得到：ψγFA FA V T S == （5）显然，对一定的塔径，因穿孔气速受到限制，开孔面积愈大，能通过的气量也应愈大。

锥的开孔面积取决于叶片的导向角ω和开孔区面积ψA 。

ω的定义如图7所示。

图中叶片间开口的宽度E 可以按下式计算：∆-≈∆-=ωπωsin 2sin AB E nr（6） 式中 ∆——叶片的厚度。

与对旋流板的计算类似，可以通过开孔的宽度、长度计算溢流锥的开孔面积和开孔比率。

我们考察了溢流锥的几个主要结构参数对最大负荷的影响，测定数据如表1所示，各编号溢流锥的结构参数列于表2。

表1中用几个液量L 下最大的空塔气流动能因子F max 以示出最大负荷。

表1 不同结构溢流锥的最大负荷（不同L 下的F max ）表2各溢流锥的主要结构参数1. 开孔率的影响#2及#3两溢流锥除了开孔比率ψ不同（因导向角ω有大小）之外，其余参数相同（只因制作误差，如D 0稍有差别），ψ较大的#3，负荷显然也较大。

由观察得知，除在F 接近F max 时之外，液体不会由锥内漏落，至于ω是否较︒45再大，以进一步增大负荷，同时又不致引起漏液等不良作用，尚有待试验。

2. 圆锥角圆锥角2θ较大时，锥角较短（参看图4及图6），板间距也可相应减小，特别在塔径较大时为重要，但θ愈大，由式（1）可见，容许的u 就愈小，使许可的穿孔气速减小；同时锥的侧表面及开孔区的面积也愈小，两者都使塔的最大负荷减小，为考察θ能增到多大，曾对锥角θ为︒30及︒45，而ω皆为︒45的#3、#4两个溢流锥以图？的结构进行负荷试验，由表1中的对比，得知θ=︒45的#4锥比#3的负荷要小很多。

当θ<︒30时，负荷当能进一步增大，但对相同的锥底直径，锥高及板距需相应增大。

而且当2θ=︒60时，锥的已开面刚好是个半圆（参看图10），便于下料，故推荐采用此一圆锥角。

3. 锥底直径以上从式（1）的分析中可知当锥底直径D b 愈大，愈有利于提高负荷上限，且在锥角一定时，D b 愈大，锥的高度也愈短，所需的板间距相应较小，所存在的问题是：（1）锥高的减短将使得锥面的开空孔区面积相应减小，由于开孔率随之减小又不利于气荷的提高；（2）当D b大于盲板直径D m后，液流是否会冲到叶片上导致“砸漏”或分布不匀？#6锥是在#5锥下面套接一末端开孔的锥，以减小D（同时锥亦稍接长），故ψ、θ等b皆相同，由表1可见，在D b减小以后，最大负荷显著减小，并与式（1）中所示与D b成比例基本符合。

在试验范围内未见明显的砸漏现象，这是由于气速较大时，液体出锥后是分散的，落在下一塔板上的冲击力不大，而气速甚小时，液流出锥后因惯性继续趋向中心，将落在盲板上而不是在叶片去。

四、操作性能试验1.干板压降应用塔板操作压降的“加和模型”，与穿过液层、喷射液体等压降不同，干板压降被认为是对传质无效的压降，故总希望干板压降尽可能小些。

图1所示的溢流装置对旋转气流有阻力，干板压降比无溢流管时约增5~10%。

改用溢流锥后，干板压降的变化如何，是我们关心的问题。