立裝規(guī)整填料的性能研究

李仙舟，褚雅志，王　領(lǐng)，劉　燕，馬曉迅

(1.西北大學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710069；2.西安思瑞迪精餾工程有限公司，陜西 西安 710077)

規(guī)整填料從20世紀(jì)70年代由實驗室走向工業(yè)應(yīng)用以來，“放大效應(yīng)”一直是人們解決的難題。實驗室小塔中每米填料層高度的理論板數(shù)(NTSM)很高，而在工業(yè)應(yīng)用中塔的NTSM隨著塔徑增加而大幅度降低[1-4]。這是由于規(guī)整填料在工業(yè)大塔內(nèi)存在的壁流效應(yīng)和氣液分布不均勻引起的。于是產(chǎn)生了在工業(yè)大塔內(nèi)設(shè)置若干單元小塔以降低“放大效應(yīng)”的思想[5-7]。以此為啟發(fā)，西北大學(xué)和西安思瑞迪精餾工程有限公司聯(lián)合開發(fā)出了立裝規(guī)整填料技術(shù)[3]。本研究對立裝規(guī)整填料的壓降、壁流量和液相總傳質(zhì)單元高度做了初步研究。

1　立裝規(guī)整填料的設(shè)計原理

立裝填料就是在工業(yè)大塔內(nèi)設(shè)置若干豎條塊形成單元小塔，小塔并聯(lián)成填料段，段與段之間旋轉(zhuǎn)錯位，使流體重新分配，且不能徑向大范圍流動，以消除放大效應(yīng)[5]。如圖1所示。

圖1　立裝規(guī)整填料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structural sketch of vertical filling structured packing

2　試驗部分

本試驗采用西安思瑞迪精餾工程有限公司同規(guī)格的比表面積為250的板波紋填料，把其設(shè)計成立裝和平裝2種形式。立裝填料是把整塊直徑為800 mm的平裝填料分成29塊，每1小塊柱體就是1個填料單元，也是氣液傳質(zhì)單元。塔內(nèi)中部填料單元截面形狀大小相同，靠近塔壁邊緣的填料單元與塔內(nèi)壁圓弧面吻合；填料單元四周由波紋板包裹著，并且任意2個相接觸的波紋板方向相反；填料層與層之間旋轉(zhuǎn)錯位，即上一層填料的分割交叉點在下一層填料單元的中心，這樣可使液體重新分配，阻止液體徑向流動至塔壁形成壁流。每塊立裝填料的高度為20 cm，是平裝填料高度的2倍。然后分別在不同的噴淋密度(20、30、40和50 m3/(m2·h)下改變氣體的動能因子來測量壓降、壁流量和液相總傳質(zhì)單元高度，進(jìn)而進(jìn)行對比分析[8-10]。

2.1　試驗裝置

如圖2所示，本試驗在Φ800 mm的塔中進(jìn)行，填料層有效高度1 600 mm。塔內(nèi)件主要由填料支撐板、氣體分配器(同時可以測量壁流量)、填料壓板和液體分布器構(gòu)成。

圖2　試驗裝置圖Fig.2　Test device of experiment

2.2　試驗方法

填料的流體力學(xué)性能以空氣-水為工質(zhì)進(jìn)行試驗。

空氣由鼓風(fēng)機經(jīng)渦街流量計計量后進(jìn)入塔釜，水由離心泵經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計計量后進(jìn)入塔頂。氣液兩相在填料層中進(jìn)行逆向接觸。填料層壓降由U型管壓差計測得。壁流量的測定如圖3所示。

圖3　壁流量測試示意圖Fig.3　Schematic diagram of the wall flow test

圖3中，塔底的氣體分布器兼液體收集的功能，3個面積相等的環(huán)形部分，每個環(huán)形部分都有各自的液體出口，分別是1、2和3，這樣可測得從塔頂下流的液體在3個環(huán)形部分液體分布情況，其中1即為壁流量測試口。

填料的液相總傳質(zhì)單元高度采用空氣-水-CO2物系，先將CO2溶解于水中，然后用空氣來解吸水中的CO2，并通過化學(xué)容量法測定塔頂和塔釜液相中CO2含量，通過氣相色譜儀測定氣相中CO2含量[1]。通過塔頂和塔釜氣、液兩相中CO2的濃度可由式(1)和(2)計算填料的液相總傳質(zhì)單元高度。

HOL=Z/NOL

(1)

(2)

3　結(jié)果與討論

3.1　填料壓降

圖4是規(guī)整填料每米填料壓降分別隨噴淋密度和氣體動能因子變化的關(guān)系曲線。

圖4　填料壓降變化曲線Fig.4　Pressure drop change curves of packing

由圖4可見，在相同條件下，填料立裝和平裝的壓降規(guī)律基本一致，沒有太大變化，這是因為所采用的填料規(guī)格是一樣的，只是裝填方式不同，對壓降影響不大。

3.2　壁流量

圖5是2種裝填方式在不同氣、液相負(fù)荷下的壁流量變化曲線。

圖5　壁流量變化曲線Fig. 5　Change curves of wall flow

由圖5可見，在一定噴淋密度下，壁流量都隨氣相動能因子的增大而減小；相同的氣相動能因子，壁流量隨著噴淋密度的增大而增大。這是因為當(dāng)氣液兩相在塔內(nèi)進(jìn)行逆向接觸時，液體易從空隙率較小的填料層向下流動，氣體容易順著空隙率較大的塔壁向上流動。填料層中心區(qū)域的液體有向塔壁流動的趨勢[11-12]，但是由于塔壁處的氣體流速較大阻止了中心區(qū)域液體向塔壁流動，因此隨著氣相動能因子的增大，壁流量呈下降趨勢。當(dāng)氣相動能因子一定時，隨著液體噴淋密度的增加，流向塔壁的液體量增加，壁流量也隨之增加。

在相同條件下，立裝填料的壁流量比平裝填料平均減少了約10.7%。說明在工業(yè)大塔內(nèi)設(shè)置若干單元小塔并聯(lián)成填料段，可以降低壁流效應(yīng)。

3.3　液相總傳質(zhì)單元高度

圖6是2種填料在不同氣液相負(fù)荷下的液相總傳質(zhì)單元高度變化曲線。

圖6　液相總傳質(zhì)單元高度的變化曲線Fig.6　Change curves of liquid phase of the total height of mass transfer unit

由圖6可見，當(dāng)噴淋密度相同時，液相總傳質(zhì)單元高度都隨氣相動能因子的增大而降低。這是因為在氣速較低時，氣液兩相傳質(zhì)主要靠分子擴散完成，有效接觸面積較小，液相傳質(zhì)單元高度較高，傳質(zhì)效率較低。氣速較大時，液膜的湍動程度加劇，有效接觸面積較大，促進(jìn)了傳質(zhì)，液相傳質(zhì)單元高度較低，傳質(zhì)效果較好；當(dāng)氣相動能因子相同時，液相總傳質(zhì)單元高度隨著噴淋密度的增加逐步增大，傳質(zhì)效果變差。表明填料層中的持液量增大，并沒有使得氣液兩相的接觸面積相應(yīng)的增加。

在相同試驗條件下，立裝填料的HOL比平裝的平均降低約17.4%。說明立裝填料的傳質(zhì)性能優(yōu)于平裝填料。這是由于立裝填料與平裝相比，能有效地阻止液體在填料層內(nèi)大范圍的徑向流動，這使得壁流量有所減少，同時促進(jìn)了液體在填料表面的均勻分布，增加了氣液兩相有效的傳質(zhì)接觸面積，從而使立裝填料的傳質(zhì)效率有所提高。

4　結(jié)語

1)在同樣條件下，同樣規(guī)格的填料立裝和平裝，其壓降變化不大。

2)在相同的液相負(fù)荷下，隨著氣相動能因子的增大，立裝規(guī)整填料的壁流量、液相總傳質(zhì)單元高度減小。

3)在相同的氣相負(fù)荷下，隨著噴淋密度的增加，立裝規(guī)整填料的壓降、壁流量、液相總傳質(zhì)單元高度逐漸增加。

4)在相同的氣液相負(fù)荷下，立裝填料比平裝填料的壁流量和液相總傳質(zhì)單元高度分別降低了10.7%和17.4%。

試驗結(jié)果表明，規(guī)整填料立裝比平裝的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能有所提高。

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