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散堆填料和规整填料传质性能比较
2019-06-21 阅读：次
通过对苯 -甲苯精馏传质系数的计算 , 比较了规整填料 ( 250Y ) 和散堆填料 ( 50# 鲍尔环 ) 的传质性能。结果表明 , 规整填料的传质性能于散堆填料。 这一势主要得益于前者的比表面积远大于后者。 若以传质系数 kL、 k G 来比较 , 新型散堆填料要强于规整填料。如何提高规整填料单位面积的传质强度是新型规整填料发展的重要方向。
自七十年代以来 , 新型填料包括散堆填料 (阶梯环、 矩鞍环等 ) 和规整填料 ( 如孔板波纹填料 Mellapak) 的广泛应用已成为众多化工企业塔设备技术改造的热点。 它们异的性能包括低压降、 高分离能力较一般塔板和老式填料 (如拉西环、 鲍尔环等 ) 均具有很明显的势 , 尤其以孔板波纹填料为代表的规整填料点更为突出 , 它的推广应用已十分普及 , Kunesh 等[ 1 ]指出: “近二十年 ,规整填料发挥着更大的作用是精馏领域有意义的发展”。
规整填料较新型散堆填料传质性能的势表现在它具有较低的等板高度 ( HET P) , 这种传质性能的差异主要源于前者有更大的体积传质系数 KG ae 和 KL ae。本文将应用苯 -甲苯精馏数据分别计算这两种填料的传质系数和 HET P值 , 通过对计算结果的分析 , 可以对它们传质的差异和特点有更深的认识。
1 规整填料和散堆填料精馏传质性能国内应用广的规整填料是金属孔板波纹填料 ,应用多的新型散堆填料是阶梯环和环矩鞍( Intalox )。对两种散堆填料国内已有大量传质试验数据发表 , 但多为吸收传质。 国内引用多的精馏传质数据应推 Strig le等 [2 ]对散堆填料和 Speigel 等[ 3]对孔板波纹填料提出的实验结果 , 包括金属鲍尔环、 环矩鞍和 M ellapak。由其中可以看出三种填料传质效率的差异 , 现摘部分数据于表 1。 表中对比表明 , 250Y的HET P值要低得多 , 其传质效率较两种散堆填料高70% ～ 95% 。 下面我们从具体的传质计算对这一结果作进一步的分析。
2 传质计算的公式
传质计算分离所需填料层高度 Z 可由下式决定 [5 ]:
Z= HO GN OG ( 1)
式中 N OG是气相总传质单元数 , 它由分离所需达到的浓度变化及所具有的传质推动力的大小而定。气相总传质单元高度 HO G可由下式表达:
HO G = HG + λΗL ( 2)
其中 HG 和 HL 分别是气相和液相的传质单元高度 , λ为平衡线和操作线两线斜率之比。 H G 和 H L 又可通过下式求出 [6 ]:
综合以上各式可以发现 ,在 N OG和操作工况一定时 , 决定填料层高度主要是 HG 和 HL 或 kGa 和 kL a , 也即填料的形式和特性。普通称 k L 和 kG 为传质系数 , 它们表示单位传质面积在单位推动力和单位时间内的传质量 , 而 kL ae 和 kGae 则称为体积传质系数 , 它们表示单位体积的传质强度。
关于传质系数和传质单元高度的计算公式已多有发表 , 常推荐的是 M onsanto 公式和 Onda 公式 [4 ]。Bolles和 Fair[7 ]应用了大量精馏和吸收数据 , 对这两个公式的精度进行了检验 , 进而提出了改进的 Mo nsa nto公式 , 用于环形填料时为:
上两式已经单位换算。式 ( 6) 中 d 为塔径 , 但当 d 大于 0. 6m ( 2英尺 ) 时 , 即取为 0. 6m。为了便于讨论 , 还要计算散堆填料的有效比表面
积 ae。在 Onda公式中提出了计算 aW /a 的关联式 , 但此 aw 是填料的湿润比表面积。 关于计算散堆填料 ae 的公式报导不多 , 现建议用 Brav o等提出的公式[ 8] , 即
规整填料的传质计算公式报导甚少 , 作者曾有文 章介绍 [9 ]。 现用 Brav o 等[10, 11]推出的一套公式 , 即
Brav o 等还提出了 ae /a 的计算公式 , 但此式的计算结果有时大于 1。这几位作者也指出 , 当液体流量大时 , ae /a 值才可能大于 1[12 ] ,所以他们建议用以下的简单公式得出孔板波纹填料的 e 值:
式中 f 是液泛百分率 ,在 0～ 85间取值 ,当大于 85时 , U= 1. 0。
至此可以分别计算散堆填料 (以鲍尔环为主 ) 和规整填料的传质系数、有效比表面积和传质单元高度 , 进而可求各自的 HET P值。
3 计算示例
本例题取自文献 [7 ], 并作了单位换算。有苯 -甲苯精馏塔 , 操作压力 100k Pa , 塔径 3. 04m , 液相流率 L= 25. 17kg /s, 气相流率 G= 30. 2kg /s, 其他物性参数有: 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 , 扩散系数 DL = 4. 26× 10-9 m2 /s, DG= 4. 27× 10-6 m2 /s, 平衡线斜率 m = 0. 406, 操作线斜率 0. 833, 分别计算 50# 金属鲍尔环和 250Y金属孔板波纹填料的 HE TP值。
( 1) 50# 鲍尔环
应用式 ( 5) 和 ( 6) 计算 50# 鲍尔环的 HL 和 HG , Bolles等[7 ]已给出了计算结果 ,其 HL = 0. 239m, HG=0. 609m,现 λ= 0. 486, 故由式 ( 2) 得 HO G= 0. 726m, 再由式 ( 4) 得 HET P= 1. 02m。
在此操作条件下 50# 鲍尔环的 ae 值由式 ( 7) 求之 , 得 ae /a= 0. 889, 故 ae= 99. 83m2 /m3。应用式 ( 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规整填料的有关计算主要应用式
( 8) ～ ( 11) , 但要逐步完成 , 具体见表 2。
4 讨论和结论
( 1) 此苯-甲苯精馏塔的气相动能 F= 2. 52,由此查实测得到的结果[2, 3 ] , 分别得 50# 鲍尔环的HET P为 0. 7m, 250Y的为 0. 4m。将此与计算值相比较可以发现鲍尔环的计算误差较大 , 约为 46% , 实际上 Bolles等 [7 ]在提出他们的修正式时已指出 , 其可信度在 95% 时所需的系数为 1. 70。 而 250Y的计算结果与实测值结果比较接近 , 误差不到 10% 。 Lockett [14 ]近也肯定了这种计算方法的可靠性。
( 2) 由表 3两种填料的 kG 和 kL 相比鲍尔环稍小 , 但如果考虑到它的计算值偏低 , 以及新型填料如阶梯环等的传质性能要于鲍尔环 ,可以认为 ,新型散堆填料单位面积的传质强度要高于规整填料。 这一点也为 Henrigues 等[15 ]所证实 , 他们通过氧解析实验证明散堆填料的 kL 较规整填料要高 25% ～ 51% 。
( 3) 按照理论 , 各种填料的 k L 应与 DtL 成正比 , 其中 t 是气液接触时间 , 它反映了流体表面更新的时间。正是由于散堆填料的 t 较小 , 它的 k L 就较大 , 这一观点在式 ( 9) 中也有反映 , 此式是基于理论对规整填料导出的 , 式中的 CE 就是考虑填料中没有很快表面更新的系数 , Brav o等认为可取 0. 9, 实际对不同规整填料 , 此值应有所不同。
( 4) 由式 ( 3) 可知 , 在同样 UG UL 下 , H G 和 HL 即传质效率决定于体积传质系数 k Lae 和 k Gae。 虽然 250Y的 k L、 kG 较新型散堆填料小 , 但它的 ae 值很大 , 故其 kL ae 和 kGae 仍大增 , 至使 HETP下降 , 所以规整填料具有很大的比表面积是它具有高分离效率的主要原因。
( 5) 从 ae /a值看 , 两种填料均较高 , 但 250Y稍高(分别为 0. 89和 0. 94)。这表明规整填料由于流体通道的规整排列 , 它们的几何比表面积可以得到更充分的利用。
( 6) 有意见认为规整填料不适于液膜控制系统。
这种意见可能主要源于规整填料的 k L 较散堆填料为小这一结果。但这里忽略了是 kL ae 和 k Gae 而不只是 k L 和 kG 终决定了填料的分离效率。此外 , 还应注意是液膜还是气膜控制不只是决定于 kL 和 kG 之值的差异 , 更多是决定于式 ( 2) 中的 λ, 即气液平衡关系。比如精馏通常为气膜控制 , 但在精馏塔底由于 m 值较大 , 就可能成为气液膜甚至是液膜控制。
如上所述 , 规整填料分离效率的势主要得益于它的比表面积大 ,如果再能强化其表面传质效果 ,提高传质系数 , 则其 HET P还会进一步降低 , 相信这是新型规整填料发展的一个重要方向。
符 号 说 明
a 填料比表面积 , m2 /m3 ae 有效比表面积 , m2 /m3 Cf 液泛修正
CE 填料表面更新的修正 , 取 0. 9
D 扩散系数 , m2 /s d 塔径 , m
F 空塔气相动能 , m /s ( kg /m3 ) 0. 5
Ft 填料有效面积对持液量的修正
fμ (_ L /_ W ) 0. 15 fρ (dL /dW ) 0. 15 fσ (eL /eW ) 0. 15
G 气相流率 , kg /s
G′ 单位塔截面上的气相流率 , kg / ( m2• s) g 重力加速度 , m /s2
gc 重力转换 , 取 1. 0 ge 有效重力加速度 , m /s2 H 传质单元高度 , m HET P 等板高度 , m
ht 持液量 , m3 /m3
k 传质分系数 , m /s
L 液相流率 , kg /s
L′ 单位塔截面上的液相流率 , kg / ( m2• s) m 平衡线斜率
NO G 气相总传质单元数 N TSM 每米理论板数
P 压降 , Pa
S 板波填料的波边长 , m U 空塔速度 , m /s
Ue 有效空塔速度 , m / s
Z 填料高度 , m
U 填料表面润湿比例
V 液膜和固体表面接触角 , (°) X 填料空隙率
θ 波纹倾角 , (°)
_ 粘度 , Pa• s d 密度 , kg /m3
e 表面张力 , N /m或 dy n /cm [式 ( 7) ]
O 气相传质的填料参数 , m j 液相传质的填料参数 , m
无因次准数
无因次准数
DGgc
WeL = U2dLS 液相 W eber准数
eLgc
下标
e 有效值
G 气相
L 液相
W 水
f 液泛值
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