板式塔具有结构简单，适应性强，易于放大和侧线采出等优点，被广泛地应用于化工、炼油、医药、农药等方面的生产中^[1]。其中，最常应用的2类板式塔板是筛孔型和浮阀型^[2]。筛孔型塔板造价低，但操作弹性小，雾沫和漏液量大。浮阀型塔板虽改善了部分筛孔型塔板的缺点，却仍存在制作复杂，制造成本高、易堵塞等问题^[3]。因此，基于二者存在的优缺点，开发出了制造费用接近于筛孔型塔板，操作性能接近于浮阀型塔板的固定阀塔板^[4]。

固定阀塔板操作弹性大、制造费用低、不易堵塞、易于维修，自20世纪70年代第1块固定阀塔板—V-grid塔板由NUTTER公司开发以来^[5]，以其为基础演变出了一系列条形固阀，如LVG固定阀^[6]、带折边的固定阀^[7]等，这些固阀在处理高黏度、大颗粒的易堵物系中发挥了重要的作用。但是，条形固阀由于阀盖长、2侧开口的普遍结构，出现了因气液接触面积小而传质效率受限的情况，近年来国内外科研人员对固阀结构的改进开展了大量的研究^[8-11]。其中浙江工业大学开发出了一种圆形固定阀塔板^[8]，相比于条形固阀，圆形固阀在塔板上排布更加密集，阀盖四周的开口面积更大，可以达到更高的开孔率和更大的气液接触面积，进而提高固阀的传质效率。根据目前对塔内件改进方向的降本增效的需求，本研究设计了一种集合液体分流、气体导向的Y型导向固定阀塔板，该塔板在板上的开孔为圆形，孔上方的阀盖也为圆形，阀盖由3条角度不同的阀腿支撑。理论表明^{[8, 9, 12]}，该塔板在结构简单、制造方便的基础上，通过具有导向作用的Y字阀腿和阀盖向下弯曲的折边，能够改变气体和液体的流出方向，使气体对液体产生推动作用，同时避免固阀间吹出气体的直接冲击，进而有效减少气体和液体对冲产生的雾沫夹带，是一种兼具导流特性和高传质特性的新型导向固定阀塔板，尤其适用于需要提高效率的易堵物系的分离中，例如石油工业的原油分离。

雾沫夹带是指气相负荷过高时，向上流动的气相通过塔板清液层时，把下层塔板上的液滴吹送到上层塔板的现象，这是一种级间返混。如果雾沫夹带量过大，会明显降低分离体系内易挥发组分沿塔高方向的浓度梯度，减小气液相间传质过程的推动力，对传质行为产生不良影响，不利于塔板的生产操作。雾沫夹带率限定了气体负荷的上限，是直接决定塔操作上限的因素之一，目前由于许多塔板没有明确雾沫夹带率与操作参数的关系，工业应用时便直接采用增大板间距的方法来抑制雾沫夹带现象，造成了材料与资源的过度消耗^[13]，因此对塔板的雾沫夹带性能进行研究具有很重要的工业意义^[14]。本研究将对Y型导向固阀塔板进行雾沫夹带实验研究，并将结果在同等条件下与筛孔塔板进行比较，进而评价Y型导向固阀塔板的雾沫夹带改进效果，同时为高黏度物系的分离提供参考。

1 实验部分 1.1 Y型导向固阀塔板的结构与特点

Y型导向固阀塔板的板体由2块弓形板和一块通道板连接而成，板上固阀呈正三角形均匀分布，塔板结构及排布方式如图 1所示。该阀的阀盖为圆形，直径20 mm，带有向下弯曲的折边，正下方开有直径26 mm的圆形筛孔。阀盖与塔板由3条按Y字形状分布的条形阀腿连接，3条阀腿的夹角分别为60°、150°和150°，固阀结构见图 2。

塔内有气液相流动时，Y型导向固阀塔板上的液体从夹角为60°的1、2号阀腿间流入，被3号阀腿分流后，从2侧150°的夹角间流出。气体从塔板下方经阀孔垂直冲击阀盖，经由阀盖周围的弯曲折边阻挡，从3个开口沿斜下方吹至塔板板面。气体的吹出面积大于吹入面积，可以降低气体阻力，同时扩大气液接触面积；气体沿斜下方吹出，可以有效减弱相邻固阀间吹出气体产生的对冲现象^[7]，降低雾沫夹带量，进而提高塔板的处理能力和操作弹性；气体主要从2侧150°的夹角间吹出，吹出的水平方向与液流一致，有利于减少气液对冲，加速液体流动，降低液面梯度，抑制雾沫夹带。

1.2 实验装置与流程

由于雾沫夹带性能无法在工业上直接进行评估^[15]，因此Y型导向固阀塔板的雾沫夹带实验在直径1.2 m、板间距450 mm的有机玻璃中试冷漠塔内进行，空气-水作为实验体系。塔内安装有4层待测塔板，为保证气液接触稳定，不受进风口、进水口等外界因素影响，故选取中间2层为实验板。实验装置如图 3所示。

实验时，空气通过风机送入塔内，从塔釜自下而上穿过每一层塔板向上流动，然后从塔顶放空，其体积流量由安装在进风管中的毕托管流量计测出。水经离心泵从水箱抽出并送到塔顶，同时由安装在进水管道上的涡轮流量计直接测量出体积流量，接着从塔顶自上而下流过每一层塔板，与由风机送来的空气充分接触后到达塔釜，进入循环水箱。调节风机与离心泵的频率来控制进塔风量和液量的大小。实验时，要注意将塔釜的水位保持在适当的高度区间内，以保证实验过程和数据的稳定性。雾沫夹带的液体由雾沫夹带槽收集，槽中水位经液位变送器实时转化为数字信号传至计算机，经过系统计算得出雾沫夹带率。

本实验对2种开孔率的Y型导向固阀塔板和筛孔塔板进行雾沫夹带性能的研究与对比，实验操作参数见表 1。塔板实物图见图 4。

2 实验结果与讨论

雾沫夹带现象是由于自板下向上流动的气相与板上液相发生两相的剧烈碰撞而形成的，碰撞过程产生的液滴会被气流带动吹向上层塔板。对于体积较小的液滴，气流的速度大于其自身的下落速度，最终一定会被带到上层塔板；而对于部分体积较大的液滴，因为受到气流间相互冲击或气泡破裂而产生的溅射作用^[16]，尽管具有比气流速度大的下落速度，也会向上层塔板运动，但是只要具有足够的板间距，这部分液滴会重新回落到下面的塔板。由此可见，影响雾沫夹带的因素有液流强度、气流速度、塔板结构、开孔率、板间距等等。雾沫夹带的程度可以用相对雾沫夹带量来表示，即每1 kg气体所夹带的液体千克数，工业上规定e_v=10%为气相负荷上限。本实验测量了e_v在1%~10%的范围内，液流强度、出口堰高、开孔率对雾沫夹带量的影响。

2.1 液流强度对雾沫夹带的影响

在开孔率6.9%，堰高h_w分别为30、50和70 mm的条件下，改变液流强度L_w，Y型导向固阀塔板的雾沫夹带率e_v随气相阀孔动能因子F₀的变化关系如图 5所示。

(1) Y型导向固阀塔板的雾沫夹带率随着阀孔动能因子的增大而增大，同时增长速度也在变快。这是由于阀孔动能因子的增大使得气体流速增加，这不仅使越来越多被吹至板间的液滴由于下落速度逐渐无法与气体流速抗衡而被吹向上层塔板，与此同时增大的气流也加强了气泡破裂与液体弹溅作用，更大的液滴也随之进入上层塔板，使雾沫夹带率的增长速度加快。

(2) 在同一堰高和开孔率下，雾沫夹带率随着液流强度的增大而增大。当堰高和开孔率固定时，液流强度的大小直接决定着板上清液层的厚度。液流强度大，板上清液层厚，在某一气速下会有更多的小液滴被吹向上层塔板，液体质量增大导致雾沫夹带率的增大。

(3) 3条液流曲线雾沫夹带率的差距随着阀孔动能因子的增加而增大，在L_w=20 m³·m^-1·h^-1与L_w=50 m³·m^-1·h^-1的曲线间表现得尤为明显。这是因为气体流速较小时，不同液流强度下雾沫夹带率的差别主要决定于吹向上层塔板的小液滴的量；而随着气速增大，塔板上方的气泡破裂与液体弹溅作用愈发强烈，大液滴量会显著增加，从而使液流强度的影响变大，不同液流强度下的雾沫夹带率差距也增大。

2.2 出口堰高对雾沫夹带的影响

在开孔率6.9%，液流强度L_w分别为20、50和80 m³·m^-1·h^-1的条件下，改变堰高h_w，Y型导向固阀塔板的雾沫夹带率e_v随气相阀孔动能因子F₀的变化关系如图 6所示。

(1) 在相同的开孔率和液流强度下，堰高越大的塔板越早发生雾沫夹带，且在阀孔动能因子增大的过程中，雾沫夹带率始终与堰高呈正相关。这是因为当液流强度一定时，堰高大的塔盘上可以积攒更多的液体，所以被气流吹出的小液滴更多，最先发生雾沫夹带现象；而当气速相同时，堰高最大的塔板吹出的液体量最多，其雾沫夹带率也就最大。

(2) 在同一液流强度下，随着阀孔动能因子的增大，堰高h_w=30 mm与h_w=50 mm的雾沫夹带曲线逐渐靠近，而h_w=70 mm与h_w=50 mm的曲线却在逐渐远离。据此可以看出，当液流强度不变，气速增大到一定程度时，在较低堰高下，气液之间剧烈的碰撞与喷溅成为了雾沫夹带的主导因素，堰高对雾沫夹带的影响效果变小。而h_w=70 mm的塔板因为具有更厚的清液层，还在受液滴吹出和喷溅作用共同主导，故而呈现出不同的雾沫夹带趋势。

2.3 开孔率对雾沫夹带的影响

在液流强度L_w=50 m³·m^-1·h^-1，出口堰高h_w分别为30、50和70 mm的条件下，开孔率为3.6%和6.9%的2种Y型导向固阀塔板的雾沫夹带率e_v随气相阀孔动能因子F₀的变化关系如图 7所示。

(1) 在相同的堰高和液流强度下，Y型导向固阀塔板的开孔率越大，雾沫夹带率越大。这是因为更高的开孔率代表板上具有更大的气液接触面积，因此开孔率6.9%的塔板相比3.6%的塔板有更大的区域发生雾沫夹带。与此同时，由于开孔率大的塔板上固阀分布更加密集，阀间喷出气体的对冲现象也更加明显，进一步增加了雾沫夹带率。

(2) 结合3个堰高下的雾沫夹带图像，可以看出在固定液流强度下，6.9%的塔板发生雾沫夹带的气相阀孔动能因子下限始终比3.6%的塔板小。这是因为液流强度相同时，开孔率大的塔板平均每个阀承受的液体量更小，因此将小液滴带出清液层所需要的气流速度也更小，所以开孔率大的塔板更容易产生雾沫夹带，同时具有更低的气相负荷操作下限。

2.4 Y型导向固阀塔板雾沫夹带关联式拟合

板式塔雾沫夹带的影响因素主要有气相负荷、实际分离高度、塔板开孔率以及板上清液层高度。分析以上因素，并结合前人提出的经验公式，本论文采用的雾沫夹带关联模型如式(1)所示。

$e_{\mathrm{v}}=n_1 \frac{(\varepsilon c)^{n_2}}{\phi^{n_3}\left(H_{\mathrm{T}}-h_{\mathrm{f}}\right)^{n_4} h_1^{n_5}}$

(1)

式(1)中：n₁、n₂、n₃、n₄和n₅均为需要拟合的参数，该模型的关联步骤如下。

(1) 根据式(2)计算空塔截面积与有效空塔截面积之比ε。

$\varepsilon=\frac{A_{\mathrm{T}}}{A_{\mathrm{T}}-A_{\mathrm{d}}}$

(2)

(2) 根据式(3)计算气相负荷c。

$c=u \sqrt{\frac{\rho_{\mathrm{g}}}{\left(\rho_1-\rho_{\mathrm{g}}\right)}}$

(3)

(3) 根据式(4)计算清液层高度h_l。

$h_1=h_{\mathrm{w}}+h_{\mathrm{ow}}$

(4)

对于平直溢流堰，堰上清液层高度h_ow可用弗朗西斯公式演变的式(5)计算得到。

$h_{\text {ow }}=2.84 \times 10^{-3} \times L_{\mathrm{w}}^{\frac{2}{3}}$

(5)

(4) 根据式(6)~(10)计算泡沫层高度h_f^[17]。

$h_{\mathrm{P}}=h_{\mathrm{C}}+h_{\mathrm{L}}$

(6)

$h_{\mathrm{C}}=\xi_0 \frac{F_0^a}{2 g \rho_1}$

(7)

$h_{\mathrm{L}}=\alpha\left(h_{\mathrm{w}}+h_{\mathrm{ow}}\right)$

(8)

$\alpha=\alpha_1 h_{\mathrm{w}}^{\alpha_2} L_{\mathrm{w}}^{\alpha_3}\left(u_{\mathrm{a}} \sqrt{\frac{\rho_{\mathrm{g}}}{\rho_{\mathrm{l}}-\rho_{\mathrm{g}}}}\right)^{\alpha_4}$

(9)

$h_{\mathrm{f}}=\alpha h_1$

(10)

式(7)中的ξ₀、a与式(9)中的α₁、α₂、α₃、α₄是待定的参数，需分别经过2次拟合得到。

(5) 将气相负荷c(x₁)、板上清液层高度h_l(x₂)、泡沫层高度h_f(x₃)及对应的雾沫夹带率e_v(y)输入到Origin软件中，根据式(1)将实验数据进行拟合，求出待定的参数。

最终得到的Y型导向固阀塔板雾沫夹带模型关联式(11)和(12)。

(1) 开孔率3.6%的Y型导向固阀塔板：

$e_{\mathrm{v}}=6.4365 \frac{(\varepsilon c)^{5.1000}}{\phi^{-18.2533}\left(H_{\mathrm{T}}-h_{\mathrm{f}}\right)^{1.5739} h_1^{-0.8051}}$

(11)

其计算值与实验值相比，最大相对误差不超过18.58%；

(2) 开孔率6.9%的Y型导向固阀塔板：

$e_{\mathrm{v}}=4.9852 \frac{(\varepsilon c)^{4.6037}}{\phi^{-1.8751}\left(H_{\mathrm{T}}-h_{\mathrm{f}}\right)^{-1.0763} h_1^{-1.0579}}$

(12)

其计算值与实验值相比，最大相对误差不超过15.53%。

2.5 与筛孔塔板雾沫夹带的对比

将开孔率为3.6%和6.9%的Y型导向固阀塔板和筛孔型塔板进行对比实验，用以探究Y型固阀的雾沫夹带改进效果。

2.5.1 雾沫夹带率对比

在出口堰高h_w=50 mm，液流强度L_w分别为20、50和80 m³·m^-1·h^-1的条件下，4块塔板的雾沫夹带率e_v随气相阀孔动能因子F₀的变化关系如图 8所示。

(1) 无论是何种液流强度，在同一堰高和阀孔动能因子下，Y型导向固阀塔板的雾沫夹带率都比同开孔率的筛孔塔板更低。特别是在L_w=20 m³·m^-1·h^-1时，6.9%的Y型固阀在F₀>23后表现出比3.6%的筛孔塔板更低的雾沫夹带率。基于这2种塔板都存在开孔率越小雾沫夹带率越低的特点，可以看出在低液流、高气速条件下，Y型固阀拥有明显优于筛孔塔板的雾沫夹带抑制效果。

(2) 在堰高、液流强度和开孔率相同的条件下，筛孔塔板产生雾沫夹带的阀孔动能因子下限更小，这说明Y型固阀的圆形阀盖有效地减弱了气流通过阀孔向上对板上液体的冲击，相比筛孔塔板，其板上液体更不容易被气流带出液滴，进而抑制了雾沫夹带的发生。

(3) 结合不同液流下的3幅图像能够看出，随着阀孔动能因子的增大，相同开孔率下2种塔板的雾沫夹带效果差异也在变大。这表明气流速度越大，Y型固阀的雾沫夹带抑制效果越强，优势越发明显。

2.5.2 液泛点气速对比

当雾沫夹带量过大，气流从下层塔板带至上层塔板的小液滴量过多时，就会产生液泛。液泛会导致严重的级间返混现象，进而降低塔板的分离效率，甚至影响整个吸收塔的正常操作。因此，计算出产生液泛的临界气速，即液泛点气速是十分必要的。

设定雾沫夹带率e_v达到10%时的空塔气速为液泛点气速u，u的值由各塔板的雾沫夹带拟合关联式推算得出。4块塔板的液泛点气速u随液体流量L的变化关系如图 9所示。

(1) 随着液体流量的增加，2种塔板的液泛点气速都呈现出下降的趋势。液体流量增大会使塔板上的液层变厚，同时液层与上层塔板的间距变小，使更多的液滴进入上层塔板。因此，同一块塔板在更大的液体流量下产生的雾沫夹带量更多，达到液泛点的气速也就更小。

(2) 同一液体流量下，Y型导向固阀塔板的液泛点气速均比同开孔率的筛孔塔板高10%以上。这说明Y型固阀阀腿的液流导向和阀盖向下弯曲折边的气流导向协同作用，减弱了气液相间的直接冲击，抑制了雾沫夹带。相比筛孔塔板，Y型导向固阀塔板上方的气液流动更加平稳，液面梯度更低，从而具有比筛孔塔板更高的气相负荷上限。

3 结论

(1) Y型导向固阀塔板的雾沫夹带率与堰高、液流强度和开孔率的关系均呈现正相关。因此，Y型导向固阀在低堰高、低液流强度、小开孔率下具有更好的雾沫夹带表现；且在较宽的液流L_w(20~80 m³·m^-1·h^-1)和堰高h_w(30~70 mm)范围内具有稳定的流体力学性能。

(2) 与筛孔塔板对比实验证明，Y型导向固阀塔板具有良好的雾沫夹带抑制性能。尤其在L_w=20 m³·m^-1·h^-1时，Y型固阀塔板比同开孔率的筛孔塔板的雾沫夹带率约小60%；液泛点气速比同开孔率的筛孔塔板高10%以上，大大提升了气相负荷操作上限。

(3) Y型固阀的阀盖折边与Y字阀腿设计对板上的气液流动起到了显著的导向作用，有效减少了气液对冲，使塔板上方气液接触效果更为理想。将Y型固阀的结构与实验数据拟合的雾沫夹带关联式相结合，可以为石油化工等领域中的物系分离提供思路，达到降本增效的要求，以适应国内石化产品产能逐步增长、盈利逐步降低的趋势^[18]，因此具有进一步探究与推广的工业价值。

符号说明：

A_d—降液管面积，m²；

A_T—塔截面积，m²；

c—气相负荷因子，m·s^-1；

e_v—雾沫夹带率，%；

F₀—阀孔动能因子，(m·s^-1)·(kg·m^-3)^0.5；

g—重力加速度，m·s^-2；

h_c—干板压降，m液柱；

h_f—塔板上鼓泡层高度，mm；

h_L—液层的有效阻力，m液柱；

h_l—塔板上清液层高度，mm；

h_ow—堰上清液层高度，mm；

h_P—气体通过每层板的压降，m液柱；

h_w—出口堰高度，mm；

H_T—板间距，mm；

L—液体流量，m³·h^-1；

L_w—液流强度，m³·m^-1·h^-1；

u—空塔气速，m·s^-1；

u_a—以有效传质面积计算的气体速度，m·s^-1；

α—充气因子，反映板上液层充气程度的因数；

ε—空塔截面积与有效空塔截面积之比；

ξ₀—孔流系数，与塔板本身性质有关；

ρ_g—气相密度，kg·m^-3；

ρ_l—液相密度，kg·m^-3；

φ—塔板的开孔率，%。