1 前言

板式塔是实现精馏、吸收、萃取等化工单元操作的气液传质设备，广泛应用于炼油、化工、医药、农药等方面。板式塔的类型主要有泡罩型、筛孔型、浮阀型、立体传质型^[1]等，其中浮阀塔板最主要的特点是阀片能上下浮动，具有生产能力大、塔板效率高、操作弹性大及传质效果好等性能，成为目前工业应用最广泛的塔板^[2]。传统浮阀的代表是Glitsch公司开发的V1型浮阀，国内称之为F1型浮阀^[3]。

随着工业应用的不断扩大，F1浮阀逐渐暴露出一些缺点和不足^[4]。针对F1型浮阀存在的问题，国内相继出现了一些性能优良的浮阀塔板^[5~9]。浙江工业大学开发了一种新型的旋转浮阀塔板，它摒弃了传统浮阀研究中限制旋转以减小磨损的观念，创新性地提出了浮阀旋转的概念。浮阀的旋转可以大大加快气液表面更新，促进两相的传质。实验发现旋转浮阀具有处理能力大、漏液及雾沫夹带小、操作弹性大、面平均气含率均匀等优点^{[10, 11]}。同时，实验也发现原旋转浮阀在气相负荷较大时，阀腿和塔板的摩擦一定程度上限制了浮阀的旋转，存在阀体卡死、不旋转的情况。为使阀片在各个阀孔动能因子下均能旋转，探讨阀片旋转对塔板流体力学性能的影响，本课题对原旋转浮阀结构进行改进，在其上加装转动轴，由电机驱动轴旋转，从而使阀体可以主动旋转。由此提出一种新的鼓泡元件——主动旋转阀。

气液两相的传质、传热与其流体力学状况密切相关，板式塔的流体力学性能主要包括压降、漏液、雾沫夹带、清液层高度和气含率^[12]等。目前，塔板上气含率的测量方法主要有干涉法、毛细管光电法、摄像法和电导法^[13]等。相比于其它方法，电导法可直接给出电信号，响应速度快，便于与计算机连接，且由于电导探针较小，对流场影响较小，测量精度较高。因此，用电导探针测量气液两相中的气含率分布是一种比较可靠的方法^[14]。本文测试了主动旋转阀的压降、雾沫夹带，自制双探针电导探头并测量了局部气含率，考察阀体的旋转对其流体力学性能的影响，为主动旋转阀的深入研究提供一定的理论指导。

2 实验部分 2.1 实验装置 2.1.1 流体力学性能实验装置

实验在内径为300 mm×400 mm，板间距为400 mm的矩形有机玻璃塔中进行，以空气-水为物系，实验装置如图 1所示，塔内安装3块塔板，顶层为雾沫夹带收集板，中间层为测试塔板，底层为电机的固定装置兼作气体分布板。测试层塔板上设置4阀，彼此间的排布尺寸如图 2所示。实验中空气由离心式风机产生，经转子流量计计量后从塔底进入塔内；塔内不设降液管，实验测定清液层高度为30、35、40、45 mm下主动旋转阀塔板的流体力学性能。水由离心泵经过转子流量计后直接输送到测试层塔板；为了使雾沫夹带量测试准确，在塔顶部安装一层丝网收集雾沫。

2.1.2 局部气含率测定实验装置

局部气含率测定实验装置如图 3所示，塔内共装2层塔板，上层为测试塔板，下层是电机固定兼作气体分布板。用自制的双探针电导探头进行局部气含率的测试。测试点分布如图 4所示。测试点A位于塔板中心，X、Y方向到塔壁的距离分别为200和150 mm，距离塔板底部为25 mm。往X、Y方向每隔10 mm取一测试点，Z方向每隔5 mm取一测试点。X方向再取11个测试点，Y方向再取7个测试点，X方向测量点依次命名为点1~12，Y方向测量点依次命名为点1~7，则同一水平面上共有19个测试点。轴向测量距塔板面高度H为25、30、35、40 mm等4个不同的高度点，共76个测试点。

2.2 塔板结构

主动旋转阀的结构如图 5所示。在F1型浮阀阀盖周围均布三个大小相等的条形翅片，在阀盖中心位置焊接一直径为6 mm的圆柱形金属杆作为支撑轴，金属杆的另一端与电机连接，从而由电机的转动带动阀体的旋转。为避免全开时阀腿和塔板摩擦，对阀腿底部的棱角部分进行了打磨。由于金属杆支撑轴的原因，主动旋转阀不存在上下浮动现象，只存在以支撑轴为圆心的旋转运动。电机不转动时，金属杆支撑轴静止，此时主动旋转阀不旋转，阀体静止，可将其看作固定阀。阀高参照F1浮阀的最大升起高度为8.5 mm，阀孔直径39 mm，塔板上布置四个主动旋转阀。驱动电机为伺服步进电机，其固定在一块开孔率η为12.43%的筛板上。该筛板放置于测试塔板下方400 mm处，同时也兼作气体分布板。在驱动器脉冲信号的作用下电机转动，通过金属杆支撑轴使阀体能够主动旋转。通过改变脉冲信号的频率，可以调节电机的转动速度。装置中为了防止旋转时阀体出现摆动现象，在测试塔板下方约110 mm左右安装有固定装置，用以固定圆柱形金属杆使其能够平稳转动。实验塔及塔板的结构参数如表 1所示。

2.3 测试方法 2.3.1 流体力学实验

空气气量由转子流量计测量；塔板上开有3个孔，用皮管和塔外的玻璃管连接形成连通管，测量板上的清液层高度(h)，测量值为3点处清液层高度的平均值；实验中塔板的雾沫夹带量较少，因此雾沫夹带用500 mL的量筒收集并称量，再换算成雾沫夹带率，时间用秒表计；实验中的干湿板压降用U型管压差计测量。

2.3.2 局部气含率实验

参照文献[15]自制双探针电导探头。由测量电路可知，当探头与气体接触时电阻最大，输出高电平；而当探头与液体接触时则输出低电平。气相电平可以认为基本与电源电压相同，液相电平则是与液体的电导率、电路所接限流电阻以及针尖接触液体导通时两电极之间的接触电阻、电源电压等有关。测试中选用电源电压为8.5 V的直流电源，数据采集选用研华科技有限公司PCI-1716L采集板，采集频率为500 Hz，每次采样时间t=120 s，共采集N=60000个数据。实验所得到的输出信号示意如图 6所示。对信号进行处理，选择一个电压阈值ΔE，大于该值的电压信号可以认为是探针处于气相中。统计任一点信号值中高电平信号的个数N₁，则该点的时均气含率ε为：

$ \varepsilon = \frac{{{N_1}}}{N} $

(1)

2.3.3自制探针系统可靠性验证

采用压差法对自制探针进行标定，压差法是一种传统的测量相含率方法^[16]。压差法只能得到面平均气含率，对于自制探针，先测出局部气含率，然后再求平均值得到面平均气含率。实验在直径为25 mm的有机玻璃圆柱桶中进行，气体表观速度在0~0.15 m×s^-1之间，同步采用压差法和自制探针测量空气-水系统中平均气含率随气体表观气速的变化，测试结果如图 7所示。

从标定结果可以看出，自制电导探针与压差法测出的气含率数值相近，特别是在气速较小时，两者差距非常小；在气速增大时，两者之间的差距稍微增大，但误差范围在5%之内，说明自制探针测试系统的可靠性较好。

3 结果与讨论 3.1 干板压降

主动旋转阀的干板压降(ΔP_d)与阀孔动能因子(F₀)的关系如图 8所示，由图 8可知：不同转速下干板压降均随阀孔动能因子的增大而增大，在相同的阀孔动能因子F₀下，干板压降基本相等，只有在F₀较大的情况下才会出现稍微的差距。这是因为实验塔板的开孔率比较小，板间距很大，气体经过阀孔后在塔内空间能够很好地分散，F₀较大时穿过阀孔的气速很高，阀的旋转对于气流有导向作用，可以减少一部分的气体对冲，从而降低干板压降，由于所用塔板的原因，该部分的影响被减弱，因此两种转速下的干板压降差距不是很明显。装置中为使阀盖旋转，连接轴对阀盖起到支撑作用，使浮阀始终处于全开状态，因此主动旋转阀不存在浮阀的开启阶段，故其压降曲线是直线。

根据Prince关联式：

$ \Delta {P_{\rm{d}}} = 500(\frac{{{\rho _{\rm{G}}}}}{{{\rho _{\rm{L}}}}}){(\frac{{{u_0}}}{{{c_0}}})^2} $

(2)

得到主动旋转阀的孔流系数c₀为0.4984，决定系数R²=0.9996。

3.2 湿板压降

不同清液层高度(h)下，旋转因素对于塔板湿板压降的影响如图 9所示。由图 9可发现，湿板压降随阀孔动能因子F₀的增加而增大，与存在降液管时的塔板压降不同，其湿板压降近似成斜率相等的直线关系。这是因为存在降液管时，不同液流强度下，当气速较大时，塔板上的液体被大量吹起，各液流强度的塔板清液层高度接近，因此各液流强度下的湿板压降会出现趋于一致的现象。而本装置中没有降液管，实验过程中一直保持塔板上的清液层为固定值，因此在较大阀孔动能因子时，湿板压降线不会出现相交的情况。

由图 9还可见，旋转速度为120 r·min^-1时的湿板压降小于0 r·min^-1，因此阀片的旋转对于塔板的湿板压降有一定影响。这可以解释为：气体穿过阀孔后在液层中受到很大阻力，消耗一定的能量后分布到塔内空间，速度会因此减小，这就形成了压降。一方面，当阀体旋转时，可以带动其周围的液体运动，相当于外加能量给液层，使液层加剧湍动。另一方面，阀盖不旋转时，其处于静止状态，气体通过阀孔上升碰到阀盖后，气体方向发生改变，会造成一部分的能量损失；当阀盖旋转，气体碰到旋转的阀盖后会接受一部分旋转的能量，又在翅片的作用下以旋转的方式向周围扩散，阀体的旋转对气体形成一定的导向作用，可以减少相邻阀间气体的对冲，而且阀周围液体也存在与气流方向相同的湍动，这样减小了气体通过液层的摩擦阻力和气液湍动阻力。因此阀体旋转时气体穿过液层后的能量损耗比静止时小一点，表现为旋转情况下的湿板压降偏小。赵景芳等^[17]得到的塔板压力降计算的加和模型中也包含了气流在液相中的摩擦和湍流损失项，这也说明实验结果与解释具有合理性。

3.3 雾沫夹带

图 10表示不同清液层高度(h)下，旋转因素对于塔板雾沫夹带(e_v)的影响。由图可知，不同情况下的雾沫夹带量均很小，这是由于实验所用塔板开孔率较低，板间距较大所致。雾沫夹带随阀孔动能因子的增大而增大，阀体的旋转对于塔板雾沫夹带的影响比较明显，旋转速度120 r·min^-1的雾沫夹带比0 r·min^-1时偏大。而且雾沫夹带线的斜率也较0 r·min^-1时偏大。阀盖不旋转时的雾沫夹带线增加趋势较缓，随着阀孔动能因子的增加，二者的差距越来越明显。基于此结论，结合前文中旋转对塔板湿板压降的影响，提出了塔板能量分配的观点。该观点认为气体在塔内空间的能量主要分为三部分：用于经过塔板的能量、穿过塔板液层的能量及分散在塔板空间中的部分能量。

当清液层高度h =30 mm时，两种转速下的雾沫夹带差距很小。这是因为此种情况下，板上的清液层很薄，板间距过大，该条件下收集的雾沫夹带量都比较少。塔板上清液层高度h大于30 mm，阀转速为120 r·min^-1时的雾沫夹带大于0 r·min^-1。由前文可知，阀盖的旋转给气体和液体提供了额外的能量，使旋转时气体穿过阀孔和液层消耗的能量减少，表现为湿板压降的降低。根据能量分配的观点及能量守恒可知，一定能量的气体经过塔板和液层后，与阀静止相比，旋转时会有更多的能量分散到塔板空间中，即气体的速度相对较大，会有更多的液滴被带至上层塔板，增加了雾沫夹带量。由图 9可知，当阀孔动能因子大于一定值，两种转速的湿板压降差距开始变大；从图 10看出，雾沫夹带呈现出类似的变化趋势，这也验证了能量分配的解释。

3.4 局部气含率 3.4.1 局部气含率X方向分布

局部气含率是描述塔内气液两相传递特性的一个重要参数，对塔板结构优化设计有重要的指导作用。实验对清液层高度h=40 mm，气量V_s=120 m³·h^-1下的塔板上局部气含率进行了测量。不同轴向高度H下两种转速的X方向局部气含率分布如图 11所示，其中图 11(a)是转速0 r·min^-1，图 11(b)是转速为30 r·min^-1。从(a)、(b)两图中可以看出：两种转速下局部气含率在X方向的分布呈现相似的变化趋势，从阀中心1处先减小然后开始变大，在测试点7、8附近出现一个下降的变化，然后又增加，在点11处出现急剧的下降。这是因为气流穿过阀盖后在中心处会形成一定的对冲现象，故中心处的气含率相对较低。测试点3附近的局部气含率很低，是因为该测试区域位于三个阀所形成的正三角形的中心位置，从阀盖喷出的气流在该区域形成强烈的对冲，使局部气含率较低。测试点6位于阀盖边缘附近，气体从该位置向四周扩散，因此该区域的气含率很高。图中然后会出现一个气含率下降、且分布较均匀的区域，这是因为该区域位于阀盖上方。与以往的局部气含率分布不同的是，测试点9附近的气含率很高，这是因为本实验装置只有四个阀，位于左边的阀面只受到来自右边气流的冲击，没有来自左边气流的影响，不会在阀盖上方形成气流的对冲，来自右边气流在点9附近达到最大，因此阀盖上该区域的气含率相对较大。测试点11开始，气含率急剧下降，是因为该位置开始接近塔壁，有少量气体通过，气液接触状况较差。

由图 11还可见，相同清液层高度h和气量V_s下，对于X方向，阀盖旋转时不同测试点的局部气含率值差距较小，气含率分布比阀盖静止时更均匀。以轴向距离板面高度H=30 mm为例，图 12表示一定清液层高度和气量下，轴向高度H=30 mm的X方向局部气含率分布对比。由图 12可见，转速为30 r·min^-1的局部气含率分布较均匀，板面上局部气含率变化趋势较平缓，气液两相的混合更均匀。这是因为阀盖的旋转对气流有导向作用，在该导流作用下，气体穿过阀孔从阀盖和塔板间的侧缝中以旋转的方式进入液层，这样避免了相邻阀孔间气流的直接对冲。测试点3附近是三个阀的中心处，该区域的气流冲击很强，由于这种导向作用，使得旋转时该处的气含率值变大。阀盖附近由于旋转导流的影响，该区域的气含率虽有一定的下降，但其局部气含率值分布较均匀。而且对气流的导向作用也使得位于塔壁附近的气含率值增大，在一定程度上增加了该区域的气液接触面积，提高传质效率。

3.4.2 局部气含率Y方向分布

实验对清液层高度h=40 mm、气量V_s=120 m³·h^-1，不同轴向高度H下两种转速的Y方向局部气含率进行测量，结果如图 13所示。图 13(a)是转速为0 r·min^-1的局部气含率分布图，图 13(b)表示转速30 r·min^-1局部气含率分布。

由图 13可见，两种转速下局部气含率分布趋势大致相同，Y方向局部气含率分布比X方向均匀。这是因为塔板阀的布置中上下两个阀的间距较小，阀孔流出的气流对Y方向上的影响更明显。

由图 13还可见，不同轴向高度H下转速为30 r·min^-1的局部气含率分布比0 r·min^-1更均匀。图 14表示H =30 mm时两种转速的气含率分布对比。由图可见，旋转时的局部气含率变化较平缓，整体的气含率值小于阀静止时的，这是由于阀盖旋转对气体有导流作用，使气体在阀周围分布的更好，气液两相混合的更均匀。同时阀的旋转对于塔壁附近的局部气含率也有一定的改善。因此，对于Y方向阀体旋转情况下的气含率分布比阀静止时更好。

4 结论与展望

(1) 对主动旋转阀的干板压降进行测试，结果表明阀体的主动旋转对塔板的干板压降影响很小；

(2) 相同阀孔动能因子F₀下，阀体主动旋转的湿板压降比阀不旋转时的低1%~4%；

(3) 相同阀孔动能因子F₀下，阀体主动旋转的雾沫夹带比阀不旋转时的高，最大约高30%左右。根据主动旋转下湿板压降与雾沫夹带二者的联系，提出塔板能量分配的观点；

(4) 阀体旋转情况下，塔板上的局部气含率分布更均匀。阀体旋转对气流的导流作用，减少了阀间气体的对冲，改善塔壁附近区域的气液接触状况，可以有效的减少传质死区。

实验中的步进防水电机在使用2~3月之后性能下降，有锈蚀的痕迹，同时单个电机控制一个阀，造成电机的数量多，成本大，这些是主动旋转阀工业应用存在的问题，今后在电机的防水质量和单个电机控制的阀数方面应提高。本实验中阀片的主动旋转对塔板的干板压降几乎无影响，却减少了湿板压降，而压降代表着气相的能量消耗，往后的研究可往阀片主动旋转对气相在塔板上气相能量消耗的影响方面延伸。

符号说明：

C₀        —孔流系数

E        —输出信号电压，V

e_v        —雾沫夹带，kg·kg^-1

F₀        —阀孔动能因子，kg^0.5·m^-0.5·s^-1

H        —轴向距塔板高度，mm

h        —塔板清液层高度，mm

N        —每次信号采集总数

N₁        —任一点信号值高电平个数

ΔP        —干板压降，Pa

ΔP_w        —湿板压降，Pa

T        —信号采集时间

u₀        —阀孔气速，m·s^-1

V_s        —气体流量，m³·h^-1

ε        —任一点时均气含率

η        —塔板开孔率，%

ρG        —气体密度，kg·m^-3

ρL        —液体密度，kg·m^-3

下标         

G        —气相

L        —固相