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散堆填料和規整填料傳質性能比較
2019-06-21 閱讀：
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通過對苯 -甲苯精餾傳質系數的計算 , 比較了規整填料 ( 250Y ) 和散堆填料 ( 50# 鮑爾環 ) 的傳質性能。結果表明 , 規整填料的傳質性能于散堆填料。 這一勢主要得益于前者的比表面積遠大于后者。 若以傳質系數 kL、 k G 來比較 , 新型散堆填料要強于規整填料。如何提高規整填料單位面積的傳質強度是新型規整填料發展的重要方向。
自七十年代以來 , 新型填料包括散堆填料 (階梯環、 矩鞍環等 ) 和規整填料 ( 如孔板波紋填料 Mellapak) 的廣泛應用已成為眾多化工企業塔設備技術改造的熱點。 它們異的性能包括低壓降、 高分離能力較一般塔板和老式填料 (如拉西環、 鮑爾環等 ) 均具有很明顯的勢 , 尤其以孔板波紋填料為代表的規整填料點更為突出 , 它的推廣應用已十分普及 , Kunesh 等[ 1 ]指出: “近二十年 ,規整填料發揮著更大的作用是精餾領域有意義的發展”。
規整填料較新型散堆填料傳質性能的勢表現在它具有較低的等板高度 ( HET P) , 這種傳質性能的差異主要源于前者有更大的體積傳質系數 KG ae 和 KL ae。本文將應用苯 -甲苯精餾數據分別計算這兩種填料的傳質系數和 HET P值 , 通過對計算結果的分析 , 可以對它們傳質的差異和特點有更深的認識。
1 規整填料和散堆填料精餾傳質性能國內應用廣的規整填料是金屬孔板波紋填料 ,應用多的新型散堆填料是階梯環和環矩鞍( Intalox )。對兩種散堆填料國內已有大量傳質試驗數據發表 , 但多為吸收傳質。 國內引用多的精餾傳質數據應推 Strig le等 [2 ]對散堆填料和 Speigel 等[ 3]對孔板波紋填料提出的實驗結果 , 包括金屬鮑爾環、 環矩鞍和 M ellapak。由其中可以看出三種填料傳質效率的差異 , 現摘部分數據于表 1。 表中對比表明 , 250Y的HET P值要低得多 , 其傳質效率較兩種散堆填料高70% ～ 95% 。 下面我們從具體的傳質計算對這一結果作進一步的分析。
2 傳質計算的公式
傳質計算分離所需填料層高度 Z 可由下式決定 [5 ]:
Z= HO GN OG ( 1)
式中 N OG是氣相總傳質單元數 , 它由分離所需達到的濃度變化及所具有的傳質推動力的大小而定。氣相總傳質單元高度 HO G可由下式表達:
HO G = HG + λΗL ( 2)
其中 HG 和 HL 分別是氣相和液相的傳質單元高度 , λ為平衡線和操作線兩線斜率之比。 H G 和 H L 又可通過下式求出 [6 ]:
綜合以上各式可以發現 ,在 N OG和操作工況一定時 , 決定填料層高度主要是 HG 和 HL 或 kGa 和 kL a , 也即填料的形式和特性。普通稱 k L 和 kG 為傳質系數 , 它們表示單位傳質面積在單位推動力和單位時間內的傳質量 , 而 kL ae 和 kGae 則稱為體積傳質系數 , 它們表示單位體積的傳質強度。
關于傳質系數和傳質單元高度的計算公式已多有發表 , 常推薦的是 M onsanto 公式和 Onda 公式 [4 ]。Bolles和 Fair[7 ]應用了大量精餾和吸收數據 , 對這兩個公式的精度進行了檢驗 , 進而提出了改進的 Mo nsa nto公式 , 用于環形填料時為:
上兩式已經單位換算。式 ( 6) 中 d 為塔徑 , 但當 d 大于 0. 6m ( 2英尺 ) 時 , 即取為 0. 6m。為了便于討論 , 還要計算散堆填料的有效比表面
積 ae。在 Onda公式中提出了計算 aW /a 的關聯式 , 但此 aw 是填料的濕潤比表面積。 關于計算散堆填料 ae 的公式報導不多 , 現建議用 Brav o等提出的公式[ 8] , 即
規整填料的傳質計算公式報導甚少 , 作者曾有文 章介紹 [9 ]。 現用 Brav o 等[10, 11]推出的一套公式 , 即
Brav o 等還提出了 ae /a 的計算公式 , 但此式的計算結果有時大于 1。這幾位作者也指出 , 當液體流量大時 , ae /a 值才可能大于 1[12 ] ,所以他們建議用以下的簡單公式得出孔板波紋填料的 e 值:
式中 f 是液泛百分率 ,在 0～ 85間取值 ,當大于 85時 , U= 1. 0。
至此可以分別計算散堆填料 (以鮑爾環為主 ) 和規整填料的傳質系數、有效比表面積和傳質單元高度 , 進而可求各自的 HET P值。
3 計算示例
本例題取自文獻 [7 ], 并作了單位換算。有苯 -甲苯精餾塔 , 操作壓力 100k Pa , 塔徑 3. 04m , 液相流率 L= 25. 17kg /s, 氣相流率 G= 30. 2kg /s, 其他物性參數有: dL= 807kg /m3 ,dG= 2. 71kg /m3 , _ L= 0. 31× 10-3 kg / ( m• s) , _ G= 0. 00906× 10-3 kg / ( m• s) , eL= 0. 021N /m , 擴散系數 DL = 4. 26× 10-9 m2 /s, DG= 4. 27× 10-6 m2 /s, 平衡線斜率 m = 0. 406, 操作線斜率 0. 833, 分別計算 50# 金屬鮑爾環和 250Y金屬孔板波紋填料的 HE TP值。
( 1) 50# 鮑爾環
應用式 ( 5) 和 ( 6) 計算 50# 鮑爾環的 HL 和 HG , Bolles等[7 ]已給出了計算結果 ,其 HL = 0. 239m, HG=0. 609m,現 λ= 0. 486, 故由式 ( 2) 得 HO G= 0. 726m, 再由式 ( 4) 得 HET P= 1. 02m。
在此操作條件下 50# 鮑爾環的 ae 值由式 ( 7) 求之 , 得 ae /a= 0. 889, 故 ae= 99. 83m2 /m3。應用式 ( 3)可得它的 k G= 2. 45× 10-2 m /s, k L= 1. 7 × 10-4 m /s。
( 2) 250Y
Mellapak 250Y規整填料的有關計算主要應用式
( 8) ～ ( 11) , 但要逐步完成 , 具體見表 2。
4 討論和結論
( 1) 此苯-甲苯精餾塔的氣相動能 F= 2. 52,由此查實測得到的結果[2, 3 ] , 分別得 50# 鮑爾環的HET P為 0. 7m, 250Y的為 0. 4m。將此與計算值相比較可以發現鮑爾環的計算誤差較大 , 約為 46% , 實際上 Bolles等 [7 ]在提出他們的修正式時已指出 , 其可信度在 95% 時所需的系數為 1. 70。 而 250Y的計算結果與實測值結果比較接近 , 誤差不到 10% 。 Lockett [14 ]近也肯定了這種計算方法的可靠性。
( 2) 由表 3兩種填料的 kG 和 kL 相比鮑爾環稍小 , 但如果考慮到它的計算值偏低 , 以及新型填料如階梯環等的傳質性能要于鮑爾環 ,可以認為 ,新型散堆填料單位面積的傳質強度要高于規整填料。 這一點也為 Henrigues 等[15 ]所證實 , 他們通過氧解析實驗證明散堆填料的 kL 較規整填料要高 25% ～ 51% 。
( 3) 按照理論 , 各種填料的 k L 應與 DtL 成正比 , 其中 t 是氣液接觸時間 , 它反映了流體表面更新的時間。正是由于散堆填料的 t 較小 , 它的 k L 就較大 , 這一觀點在式 ( 9) 中也有反映 , 此式是基于理論對規整填料導出的 , 式中的 CE 就是考慮填料中沒有很快表面更新的系數 , Brav o等認為可取 0. 9, 實際對不同規整填料 , 此值應有所不同。
( 4) 由式 ( 3) 可知 , 在同樣 UG UL 下 , H G 和 HL 即傳質效率決定于體積傳質系數 k Lae 和 k Gae。 雖然 250Y的 k L、 kG 較新型散堆填料小 , 但它的 ae 值很大 , 故其 kL ae 和 kGae 仍大增 , 至使 HETP下降 , 所以規整填料具有很大的比表面積是它具有高分離效率的主要原因。
( 5) 從 ae /a值看 , 兩種填料均較高 , 但 250Y稍高(分別為 0. 89和 0. 94)。這表明規整填料由于流體通道的規整排列 , 它們的幾何比表面積可以得到更充分的利用。
( 6) 有意見認為規整填料不適于液膜控制系統。
這種意見可能主要源于規整填料的 k L 較散堆填料為小這一結果。但這里忽略了是 kL ae 和 k Gae 而不只是 k L 和 kG 終決定了填料的分離效率。此外 , 還應注意是液膜還是氣膜控制不只是決定于 kL 和 kG 之值的差異 , 更多是決定于式 ( 2) 中的 λ, 即氣液平衡關系。比如精餾通常為氣膜控制 , 但在精餾塔底由于 m 值較大 , 就可能成為氣液膜甚至是液膜控制。
如上所述 , 規整填料分離效率的勢主要得益于它的比表面積大 ,如果再能強化其表面傳質效果 ,提高傳質系數 , 則其 HET P還會進一步降低 , 相信這是新型規整填料發展的一個重要方向。
符 號 說 明
a 填料比表面積 , m2 /m3 ae 有效比表面積 , m2 /m3 Cf 液泛修正
CE 填料表面更新的修正 , 取 0. 9
D 擴散系數 , m2 /s d 塔徑 , m
F 空塔氣相動能 , m /s ( kg /m3 ) 0. 5
Ft 填料有效面積對持液量的修正
fμ (_ L /_ W ) 0. 15 fρ (dL /dW ) 0. 15 fσ (eL /eW ) 0. 15
G 氣相流率 , kg /s
G′ 單位塔截面上的氣相流率 , kg / ( m2• s) g 重力加速度 , m /s2
gc 重力轉換 , 取 1. 0 ge 有效重力加速度 , m /s2 H 傳質單元高度 , m HET P 等板高度 , m
ht 持液量 , m3 /m3
k 傳質分系數 , m /s
L 液相流率 , kg /s
L′ 單位塔截面上的液相流率 , kg / ( m2• s) m 平衡線斜率
NO G 氣相總傳質單元數 N TSM 每米理論板數
P 壓降 , Pa
S 板波填料的波邊長 , m U 空塔速度 , m /s
Ue 有效空塔速度 , m / s
Z 填料高度 , m
U 填料表面潤濕比例
V 液膜和固體表面接觸角 , (°) X 填料空隙率
θ 波紋傾角 , (°)
_ 粘度 , Pa• s d 密度 , kg /m3
e 表面張力 , N /m或 dy n /cm [式 ( 7) ]
O 氣相傳質的填料參數 , m j 液相傳質的填料參數 , m
無因次準數
無因次準數
DGgc
WeL = U2dLS 液相 W eber準數
eLgc
下標
e 有效值
G 氣相
L 液相
W 水
f 液泛值
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