填料塔氣液并流接觸時壓降的研究

何　杰，單鵬飛，譚長斌，張莉莉

(天津大學化工學院，天津　300072)

填料塔是化工生產過程中最常見的吸收設備之一，常用于制備溶液、提取混合氣中的有用組分和脫除廢氣中的有害物質等。填料塔具有通量大，分離效率高，操作彈性大和氣液接觸面積大等優點[1-2]。近年來，國內外對填料塔吸收操作進行了大量的研究[3-7]，旨在強化傳質操作，提高吸收效率。在基礎理論方面[8-11]，愈來愈向精確的定量關系發展，如對各種類型塔內件持液量和壓降等流體力學性能的研究[12-13]，提供了大量的可供參考計算的理論關聯式；在裝備方面，則致力于謀求能力大和壓降小的新型傳質設備，如增加填料的比表面積和空隙率等方面進行了廣泛的研究以及各種新型填料的特性、應用以及優化設計[1,4,7]。但對于填料吸收塔方面，研究者們的一系列研究的考察重點都是建立在氣液兩相逆流接觸的條件下，而氣液兩相并流接觸操作的相關文獻卻寥寥無幾，因此本研究將重點對氣液并流操作加以研究。

1　試驗材料和方法

1.1　試驗材料

采用的氣體為SO2和空氣，其中空氣作為載氣，SO2作為溶質；水作為吸收劑。分別采用Mellapack-250X型金屬孔板波紋規整填料以及Dg16塑料階梯環散堆填料進行試驗。試驗前用質量分數為95%乙醇擦洗填料，除去表面油污等，再用較大噴淋密度使其充分潤濕盡量減小液體流量的隨機誤差。

本試驗綜合考慮吸收塔塔徑、塔高等試驗條件，所用Mellapack-250X型金屬孔板波紋填料的性能參數如表1所示，Dg16塑料階梯環散堆填料幾何特性參數如表2所示。

表1　金屬孔板波紋填料性能參數Table 1　Characteristics of Mellapack-250X metal corrugated pore-plate packing

表2　塑料階梯環填料幾何特性參數Table 2　Characteristics of plastic ladder ring packing

圖1　吸收試驗裝置流程圖Fig.1　Schematic diagram of experimental apparatus

1.2　試驗裝置及方法

吸收試驗流程如圖1所示。來自鋼瓶的SO2氣體經不銹鋼減壓閥4、耐腐蝕型玻璃轉子流量計5計量后與來自漩渦氣泵1且經氣體渦輪流量計2計量后的空氣在緩沖罐6內混合均勻，分別從塔頂(虛線所示)或塔底(實線所示)進入填料塔內，流經填料層，再分別從塔底(虛線所示)或塔頂(實線所示)流進入氣液分離罐中，經絲網除沫器除去氣體中夾帶的小液滴，最后一部分氣體經SO2出口濃度檢測口進入煙氣分析儀，大部分氣體由氣體出口管排出進入堿液槽，將有害氣體SO2完全吸收。

吸收用水由水泵19從儲水槽22中抽出，經玻璃轉子流量計21計量后，由液體進口管引入到填料吸收塔內，經液體分布器——塑料噴頭16噴灑在填料層表面上，吸收用水從上到下流經填料層表面，進入填料塔底座，最后由排液管排出進入廢液槽中和處理。考慮到本試驗中填料層高度約為100 cm，氣相動能因子F控制在8 kg0.5/(m0.5·s)以內，因此選用U型管壓差計，測量范圍為-500～500 mm H2O柱，通過乳膠管接到填料吸收塔的上下兩端，并保持垂直放置，防止測量時液面傾斜所帶來的讀數誤差。

2　結果與討論

壓降是設計并流填料吸收塔的重要參數，氣體通過填料層壓降的大小決定了吸收塔的動力消耗，填料層的選擇對壓降具有重要影響，現通過2種典型填料通過對比逆流操作與并流操作來說明不同液氣比下氣相動能因子F對單位填料層壓降的影響。

2.1　規整填料逆流、并流F因子對填料層壓降影響的對比

圖2是逆流和并流2種操作條件下規整填料氣相動能因子F對塔內填料層壓降ΔP/Z的影響關系圖，液氣比L/V分別為2、3和4時，采用Mellapack-250X規整填料進行試驗。氣液逆流操作時氣相動能因子F在1.5～3.0 kg0.5/(m0.5·s)范圍測量，氣液并流操作時氣相動能因子F在1.5～8.0 kg0.5/(m0.5·s)范圍測量。

圖2　在液氣比為2，3和4時逆流與并流操作氣相動能因子F對規整填料層壓降影響的對比Fig.2　Comparison of pressure drop of structured packing column vs.gas phase loading factor F in counter-current and co-current condition at L/V=2, 3 ,4

如圖2所示，氣液并流操作下當氣相動能因子F值較小時，隨著氣相動能因子F的增大單位填料層的壓降ΔP/Z增加較緩慢；當氣相動能因子F值較高時，單位填料層的壓降ΔP/Z變化明顯呈指數增長，在氣相動能因子F值達到8.0 kg0.5/(m0.5·s)時壓降接近3 500 Pa。究其原因，在氣液并流操作的填料塔內，液體從塔頂噴淋下來，依靠自身的重力在填料表面做膜狀流動，氣體與之產生的摩擦力、氣體通過填料層產生的阻力以及同向向下流動的氣液兩相在速度上的差異而產生的相對摩擦構成了氣體流動的阻力，引起填料層的壓強降。當氣速較低時，液速也相對較低，使得填料表面覆蓋的液膜層厚度幾乎不變，故阻力增加較為平緩。隨著氣相動能因子F的增大，在液體比一定時，氣液兩相流速均增大，但氣速較液速增加的更多，因此同時下降的氣體和液體之間產生的相對摩擦阻力增大，并且隨著塔內持液量增大，空隙率變小，氣速增大，進而導致壓降驟升。在不同液氣比L/V下單位填料層的壓降的變化很規律，并流操作點相距很近。隨著液氣比的增加，全塔壓降并無明顯升降變化，基本穩定，主要是對規整填料，流體在填料內部流動規則，液體呈很薄的膜狀附著在填料表面，不會對氣體通過產生較大的阻力。因此對于以金屬孔板波紋為代表的規整填料來說，同一氣速下，在液氣比較小的值段，不同的液氣比對填料層壓降的影響不大。

在圖2中，隨著氣相動能因子F的增大，2種操作條件下的單位填料層壓降同時增大，逆流操作時壓降在0～2 000 Pa范圍內，并流操作時壓降在0～3 500 Pa范圍內。氣相動能因子F相同時逆流操作的單位填料層壓降均大于并流操作的單位填料層壓降，并且增長率明顯較大。還可觀察出，盡管并流操作時，液氣比的大小對單位填料層的壓降影響不大，但對于逆流操作隨著液氣比的增大單位填料層壓降逐漸增大。在不發生液泛的情況下，隨著氣相動能因子F的增大，2種操作最大壓降差為100 Pa(在氣相動能因子F為2.5 kg0.5/(m0.5·s)這一點處)。氣相動能因子F大于2.5 kg0.5/(m0.5·s)時開始發生液泛現象，使得塔內操作極不穩定壓降變化很大。為使試驗具有說服性，測定了氣相動能因子F在2.8 kg0.5/(m0.5·s)和3.0 kg0.5/(m0.5·s)2種情況下單位填料層壓降，由于此時塔內已經發生液泛現象，在測得壓降數據時，取波動的最大值。主要原因是逆流操作時，氣液逆向流動，氣體受到填料層阻力，液體附著在填料層上形成液膜所產生的阻力以及氣液兩相相對流動所產生的阻力。并流操作時，氣液同向流動，同樣受到填料層阻力以及液體附著在填料層上形成液膜所產生的阻力，但是并流時氣液同向流動，二者流動時存在速度差發生相對運動產生阻力，但較之氣液逆向流動阻力較小。隨著氣相動能因子F的增大，逆流與并流單位填料層壓降之差也逐漸增大，這是由于液氣比一定時，氣速增大液速也增大，故逆流產生的壓降更大。但是由于金屬孔板波紋氣液接觸較好，壓降較小，在液泛氣速以下，2種操作方式單位填料層壓降差距并不大。

2.2　散堆填料逆流、并流F因子對填料層壓降影響的對比

圖3是逆流和并流2種操作條件下散堆填料氣相動能因子F對塔內填料層壓降ΔP/Z的影響關系圖，液氣比L/V分別為2、3、4，采用Dg16塑料階梯環散堆填料進行試驗。氣液逆流操作時氣相動能因子F在1.5～3.0 kg0.5/(m0.5·s)范圍測量，氣液并流操作時氣相動能因子F在1.5～8.0 kg0.5/(m0.5·s)范圍測量。

圖3　在液氣比為2，3和4時逆流與并流操作氣相動能因子F對散堆填料層壓降影響的對比Fig.3　Comparison of pressure drop of random packing column vs.gas phase loading factor F in counter-current and co-current condition at L/V=2, 3 ,4

從圖3可以看出，氣液并流操作下當氣相動能因子F值小于5.0 kg0.5/(m0.5·s)時，單位填料層壓降呈拋物線趨勢增加，原因在于散堆填料在低液氣比L/V下，氣速較小時，液體在塔內呈滴流流動，并在填料表面形成相對穩定的液膜，因而阻力降增加平緩且呈拋物線形式；在氣相動能因子F值大于5.0 kg0.5/(m0.5·s)時，壓降略呈線性增加，這是因為隨著氣相動能因子F值增大氣速增大，在較低液氣比L/V下，液體流動不再呈現滴流狀態，而是呈現脈沖流或噴射流的狀態使得填料表面液膜更新速度加快，氣液相對流動阻力增大，壓降增加。

與圖2相比，圖3的3條曲線間距較大，即隨著液氣比L/V的增加，單位填料層壓降相對增大，這點不同于規整填料，主要原因在于液體在散堆填料內流動的無規則性，且隨著液氣比增大填料層的持液量增加，空隙率有所減少形成的液膜厚度發生變化，導致氣體流經填料層時增加的液量會一定程度上阻礙氣體向下流動，氣液兩相流動阻力增大。因此對于以塑料階梯環為代表的散堆填料來說，在一定氣速下，不同液氣比對填料層壓降有一定的影響。如圖2和圖3所示，散堆填料單位填料層壓降明顯高于規整填料的情況，當氣相動能因子F在3.0～4.0 kg0.5/(m0.5·s)時，單位填料層壓降就已經達到3 500 Pa左右，這與規整填料下氣相動能因子F為8.0 kg0.5/(m0.5·s)時的壓降相當；當氣相動能因子F為8.0 kg0.5/(m0.5·s)時，單位填料層壓降已達到10 000 Pa，壓降幾乎是規整填料條件下的3倍，這也是規整填料相對于散堆填料的優勢。因此，就經濟角度來考慮，全塔壓降增大，動力消耗必然增加，但填料的經濟性也是考慮的必要因素，因而在選取何種填料用于實際工業生產時應綜合考慮各種因素。

由圖3可知，隨著氣相動能因子F的增大，2種操作條件下單位填料層壓降均增大，變化趨勢與規整填料相似，但壓降變化較大。逆流操作時壓降在0～8 000 Pa范圍內，并流操作時壓降在0～10 000 Pa范圍內。同樣，在相同氣相動能因子F下，逆流操作的單位填料層壓降均大于并流操作，并且單位填料層壓降增長率較大。對比圖2與圖3，可以觀察出與規整填料相比散堆填料的壓降增加量更大，并流壓降曲線和逆流壓降曲線分開較為明顯。在不發生液泛的情況下，散堆填料隨著氣相動能因子F的增大，逆流壓降與并流壓降之間的壓降差也逐漸增大，最大壓降差可達到1 000 Pa[如在氣相動能因子F為2.5 kg0.5/(m0.5·s)這一點處]比規整填料大很多。氣相動能因子F大于2.5 kg0.5/(m0.5·s)時，開始發生液泛現象。這是由于散堆填料以不規則的方式裝填氣液兩相通道不規律，再加之液氣比一定時隨著氣相動能因子F增大液體噴淋量也增大，填料層的持液量不斷增多從而嚴重阻礙氣體通過，填料層壓強降急劇升高。與規整填料不同，散堆填料無論逆流操作還是并流操作，相同氣相動能因子F下，隨著液氣比的增大，單位填料層壓降明顯有所增大。

2.3　理論模型

2.3.1規整填料壓降模型

單位填料層壓降ΔP/Z主要與塔的幾何尺寸ds、填料的比表面積a和相對空隙率ε以及特性尺寸有關[1]。此外，氣相動能因子F也和液體負荷u有關，即：

ΔP/Z=f(a,ds,F,u)

(1)

對于一個內徑一定的塔器，在實際計算中，上式可簡化為：

ΔP/Z=Cd×Fe

(2)

式(2)中填料常數Cd和指數e需由試驗確定。

通過試驗中得到的數據，運用ORIGIN軟件對其處理擬合，得出規整填料在較低液氣比L/V的情況下氣液并流接觸時單位填料層的壓降ΔP/Z與氣相動能因子F的關系式為：

ΔP/Z=39.334F2.133 6

(3)

相關系數為：

R2=0.999 7

(4)

2.3.2散堆填料壓降模型

本次試驗將通過以往的壓降模型來擬合出并流條件下階梯環單位填料層的壓降公式[1]，由于本次試驗采用的填料和塔徑已確定，填料采用塑料階梯環，故采用如下模型進行擬合：

ΔP/Z=A×10B×10-3Lw×F(C+D×10-Lw)

(5)

通過試驗中得到的數據，對其處理擬合，通過MATLAB軟件進行處理，得出并流時單位填料層壓降ΔP與氣相動能因子F以及液體噴淋密度Lw的關系式：

ΔP/Z=236.1×100.6831×10-3Lw×F1.965+0.2508×10-3Lw

(6)

相關系數為：

R2=0.995 0

(7)

3　結論

對于填料吸收塔，氣液并流操作時的壓降明顯小于氣液逆流操作時的壓降，所以并流操作時的能耗將小于逆流操作時的能耗，這就意味著并流操作能夠降節約能源。規整填料與散堆填料相比，排列有規律便于氣液并流與逆流操作的控制，但是造價較高，應用時要綜合考慮。由于氣液并流接觸不會發生液泛現象，可以使得氣相動能因子F值在一個較高的范圍內操作，這樣整個吸收系統可以在較高氣速下工作，處理量相同時可以減小吸收塔內徑降低設備投資費用，同時也能使得占地面積相對縮小，這也是綠色化工的一部分。因此，在流程的選擇上，可以選擇性地考慮采用氣液并流接觸的操作方式，使得工藝流程得到最優化。

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