板式塔流动特性实验.doc

实验五 板式塔流动特性实验
一、实验目的
目前工业上普遍应用于两相流体的传质设备，主要有填料塔和板式塔两大类。板式塔
的应用比较广泛，研究工作也十分活跃，因此，新型塔板层出不穷。目前化学工业中常用的
板式塔主要是泡罩塔、筛板塔和浮阀塔。
从某种意义上讲，板式塔的传质效率主要取决于两相流体在塔板上的流动特性。因此，本实验采用目前工业上常用的筛板塔和浮阀塔，实验测定两相流体在塔板上的流动特性，对比考察这两种塔板上的气液接触方式、操作状况及其变化规律，寻求适宜操作范围。通过实验掌握板式塔在结构、操作状况和性能上的特点，以及板式塔流动特性的实验研究方法。
二、实验原理
当气体通过塔板时，因阻力造成的压强降△P应为气体通过干塔板的压力降△Pd与
气体通过塔板上液层的压力降△Pl之和，△P=△Pd十△Pl （1）干板压力降又可表达为如下关系式：ζ——干板阻力系数。
式中ua——气体通过筛孔或阀孔时的速度，m·s-1;ρgρl——气体和液体的密度，kg·m-3
对于筛孔塔板，干板压降△Pd与筛孔速度ua的变化关系可由实验直接测定，并可在双对数坐标上给出一条直线。实验曲线如图5-1所示，并可由此曲线拟合得出干板阻力系数ζ。
对于浮阀塔板，干板压降△Pd与阀孔速度ua的关系曲线如图5-2所示。由图可见，随着气速不断增大该曲线具有三个阶段。第一阶段是浮阀处于尚未浮起阶段。第二阶段是浮阀开始浮动，但尚未完全开启阶段。在此阶段里，气体通过缝隙的开度（环隙面积）可自行调节，使气体通过缝隙的速度保持不变，维持压力降与浮阀重量相平衡，即△Pd=mg/sa (3)
式中 m——浮阀的质g，kg;sa ——阀孔的面积，m2； g——重力加速度，m·s-2
因此，在这一区域内，干塔板压降几乎不随气速而改变。第三阶段是当浮阀升至最大 开度时，塔板与浮阀之间的缝隙面积保持不变，浮阀重量对压力降不再发生影响。只有在此转折点之后，干板压力降与阀孔速度的关系才符合式（ 2）所示的关系式。

图5-l筛孔塔板干板压头降△hd 图5-2浮阀塔干板压头降△hd
与筛孔速度ua之间的关系 与阀孔速度ua之间的关系
气体通过塔板上液层的压力降△Pl 主要是由克服液体表面张力和液层重力所造成的。液层
力降△Pl 可简单地表示为△Pl=△P -△Pd =εhfρlgPa (4a)或 △hf=△h -△hd =εhfm液柱 （4b）
式中 hf——塔板上液层高度， m，相当于溢流堰的高度hw与堰上液面高度how之和。
ε——比例系数。该比例系数常称为充气系数（或发泡系数）。
气体通过湿塔板的总压力降△p和塔板上液层的状况，将随着气流速度的变而发生如下阶段性的变化，如图5-3所示。
（1）当气流速度较小时，塔板上未能形成液层，液体全部由筛孔漏下。在这阶段，塔板的压力降随气速增大而增大。
（2）当气流速度增大到某一数值时，气体开始拦截液体，使塔板上开始积存液体而形成液层。该转折点称为拦液点，如图中A点。这时气体的空塔速度称为拦液速度。
（3）当气流速度略为增加时，塔板上积液层将很快上升到溢流堰的高度，塔板压力降也随之急剧增大。当液体开始由溢流堰溢出时，为另一个转折点，如图中 B点。这时，仍有部分液体从筛孔中泄漏下去。自该转折点之后，随着气流速度增大，液体的泄漏量不断减少，而塔板压力降却变化不大。（4）当气流速度继续增大到某一数值时，液体基本上停止泄漏，则称该转折点为泄漏点，如图c。 5-3 板式塔的压降△h与空塔速度的关系曲线
自C点以后，塔板的压力降随气速的增加而增大.
（5）当气速高达某一极限值时，塔板上方的雾沫挟带将会十分严重、或者发生液泛。 自该转折点（如图中D点）之后，塔板压降会随气速迅速增大。
塔板上形成稳定液层后，塔板上气液两相的接触和混和状态，也将随着气速的改变而 发生变化．当气速较小时，气体以鼓泡方式通过液层。随着气速增大，鼓泡层逐渐转化为泡沫层，并在液面上形成的雾沫层也将随之增大。对传质效率有着重要作用的因素是充气液层的高度及其结构。充气液层的结构通常 用其平均密度大小来表示。如果充气液层内的气体质量相对于液体质量可略而不计，则 hfρf=hlρl (5) 式中hf，hl—分别为充气液层和静液层的高度，m；ρf，ρl——分别为充气液层的平均密度和静液层的密度，kg· m-3； 若将充气液层的平均密度与静液层密度之比定义为充气液层的相对密度，即则单位体积充气液层中滞留的气体量，即持气量可按下式计算：单位体积充气液层中滞留的液体量，即持液量又可按下式计算：

气体在塔板上的液层内的平均停留时间为:
液体在塔板上的平均停留时间为:
式中 S——空塔横截面积，m2；Vs——气体体积流率，；m3· s-1;Ls——液体体积流率，m3· s-1; u——气体的空塔速度，m·s-1。
显然，气体和液体在塔板上的停留时间对塔板效率有着显著的影响。塔板的压力降和气液两相的接触与混合状态不仅与气流的空塔速度有关，还与液体的喷淋密度、两相流体的物理化学性质和塔板的型式与结构（如开孔率和溢流堰高度）等因素有关。这些复杂关系只能通过实验进行测定，才能掌握其变化规律、对于确定型式和结构的塔板，则可通过实验测定来寻求其适宜操作区域。
三、实验装置及流程
本实验装置由两种板式塔并列组合而成，一个为筛板搭，另一个为浮阀搭。两种塔均采用单层塔板和外溢流结构，如图5-4和图5-5所示。
实验装置流程如图5-6所示。实验必须在一个塔的塔顶阀门全开，另一个塔的塔顶阀门全闭的状态下单塔运行。水自高位槽，通过转子流量计，由塔板上方一侧的进水o进人，并由塔板上另一侧溢流堰溢入溢流装置。通过塔板泄漏的液体，可由塔底排放口排出。来自空气源的空气，通过流量调节阀和孔板流量计进人塔底。通过塔板的尾气由塔顶排出。气体通过塔板的压力降由压差计显示。

图5-4筛板塔 图5-5浮阀塔
1．塔体；2.筛孔塔板；3．漏液排放口； 1．塔体；2浮阀塔板；3．漏液排放口；
4．温度计；5.溢流装置． 4温度计；5．溢流装置．

图5-6板式塔实验装三流程
l．空气源；2．孔板流量计；3．汞柱压差计； 4．水柱压差计；5．浮阀塔；6.筛板塔；7.水转子流量计；8.水柱压差计；9．高位稳压水槽。
四、实验方法
实验前，先检查空气调节阀和进水阀是否关严，放空阀是否全部开启。欲先测试的塔，将其塔顶管堵打开，同时将另一塔的塔顶管堵塞严。将高位水槽充满水，并保持适当的溢流量。
实验时，每一种塔都可按如下步骤进行操作：
（1）启动空气源。空气流量由空气调节阀和旁路放空阀联合调节。通过不断改变气体流量，测定干板压降与气速的变化关系。对于筛板搭，一般测取5～6组数据即可，而对于浮阀塔需多测几组数据，以保证临界转折点前后各有4～5组数据。
(2)当进行塔板流动特性试验时，应先缓慢打开水调节阀，调定水的喷淋密度（一般喷淋密度在 5－ 10m3· m2· h-1范围内为宜，相当于水流量为 40—80L· h-1），然后再按上述方法调节空气流量。在一定喷淋密度下，测定塔板总压降、塔板上充气液层高度和持液量等数据。在全部量程范围内, 一般需测取15组以上数据，尤其是在各转折点附近，空塔速度变化的间隔应小一些为宜。实验过程中要仔细观察并记录塔板上气液接触和混合状态的发展变化过程，特别要注意各阶段的转折点。
（3）改变喷淋密度，重复（2）项实验。
实验结束时，先关闭水调节阀和高位槽的进水阀门，然后完全打开旁路放空阀再将空气调节阀关严，最后关掉空气源的电源。
实验时应注意的事项：
（1）空气源切不可在所有出口全部关闭下启动和运行，以防烧坏设备。空气源的启动和空气流量的调节，必须严格按上述操作步骤，用旁路阀和调节联合调节。
（2）实验过程中，应密切注意高位水槽的液面和溢流水量，需要根据实验时水流量的变化，随时调节自来水的进水量。
五、实验数据记录与整理
1．测量并记录实验设备及操作的基本参数。
（l）设备结构参数
筛板塔：塔的内径d= mm 筛孔直径da= mm筛孔数目n= 个 筛板开孔率φ= ％筛板厚度 δ= mm 溢流堰高度hw= mm
浮阀塔:塔的内径d= mm 浮阀型式 型 浮阀个数n= 个 重0.0327kg
浮阀重量m= 轻 0.0246kg 阀孔直径年一mm阀孔直径da= mm
塔板开孔率φ= ％ 塔板厚度 δ= mm 溢流堰高度hw= mm
孔板流量计:锐孔直径d0= mm管道直径d= mm孔流系数C0=
（2）操作参数： 室温 Ta＝ ℃气压pa= Pa操作气压p= Pa
2.记录和整理实验数据
（1） 干板实验:塔板形式：
实验序号

空气温度Tg/℃

空气密度Pg/kg•m-3

空气流量R/mmH2O
Vs/m3•s-1

空塔气速u0/ m•s-1

孔气速ua/ m•s-1

干板压降△hd/ mmH2O
△Pd/Pa

(2)塔板流动特性实验:塔板型式：
实验序号

水的温度TL/℃

水的流量Lh/ m3•h-1

喷淋密度W/ m3•m-2•h-1

空气温度Tg/℃

空气密度Pg/ kg•m-3

空气流量Rd/mmH2O
Vs/m3•s-1

空塔速度u0/ m•s-1

单板压降△h/ mmH2O
△P/Pa

静液层高度hl/mm

充气液层高度hf/mm

充气系数ε/-

持气量Vg/m3•m-3

持液量Vl/m3•m-3

气体平均停留时间tg/s

液体平均停留时间te/s

塔板状况

3.在双对数坐标纸上标绘出干板压降与筛孔速之间的关系曲线，并通过曲线拟合建立回归方程，求取干板阻力系数。4．在双对数坐标纸上标绘出在不同喷淋密度下塔板压降与空塔速度之间的关系曲线，并标出各转折点的气流速度及适宜操作区域。