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金属矩鞍环填料的流体力学与传质性能的研究
2019-07-21 阅读：次
在 DT B Y 一 3 0 0 多功 能填料塔 实验装置 中, 以 空气一 氨气一 水 为物 系 , 对金属矩鞍环填料的流体 力学与 传质性 能进行 了研 究 , 获得 了 该填料的几何特性 参数和 P/Z一 Fv 、 H0 一 F v 、 H二G 、 H E PT 一 G 及阮一 G 等关 系曲 线 。 结 果表 明 , 该 填料具 有压 降适 中、 通量 高、 气液分布均 匀及传 质性能 稳定 等点 , 比较适 用 于 清洁 、 碱腐独性 流体的 气一液吸收 、 精馏和 等传质分离工 业过程 。
填料塔具有结构简单 、 易于 制作 、 压降小 、 传质面积大及效率高等点 , 已在化工 、 炼油 、 医药 、冶金 、 原子 能和环境等工业领域 中 , 作为精馏 、 吸收和 等分离 过程的重要设备得到广泛应用 。作为填料塔主要和基本的部分— 填料的研究开发工作也愈来愈受到工 业界的重视〔’川。 研究和开发一些流体力学和传质性能 良的新 型、 高效填料 , 已成为填料塔技术在相关工业领域推广应用的关键和迫切要求。
自填料塔用于工业生 产以来 , 填料的结构形式有重大改进 , 特别是近 二 、 三 十年来发展 更快 , 目前 , 各种类 型 、 各种规格 的填料有几 百种之 多。填料结构改进的方面可 归纳为 :
( 1) 改善流体的分布与接触 , 以 提高分离效率 ;
( 2) 增加流体的通过能力 , 以适应大规模工 业生 产的需要 ;
( 3)解决放大问题。
( 1) 改善流体的分布与接触 , 以 提高分离效率 ;
( 2) 增加流体的通过能力 , 以适应大规模工 业生 产的需要 ;
( 3)解决放大问题。
在填料塔内 , 气体由填料间的空 隙流过 , 流体在填料表面 形成液膜并沿填料间的空 隙而 下流 ,气液两 相间的 传质过程 在润 湿 的 填料表 面上 进行 。 因此 , 填料塔 的生 产能力 和传质速率与填料特性 密切相关 。 一 般填料性能的参数 由比表面 积 、 空 隙率 和 填料 构成 。 选择填料 时 , 一般要 求表面 积 和空 隙率要 大 , 填料 的湿润 性能好 , 单位体积 填料 的质量 轻 , 造价低并有足 够的机械强度 。
本次实 验是对矩鞍环填料的性能做一些 研究 。 矩鞍形填料是由薄金属 板冲成 的整体鞍环 , 结构见图 1 。 其点为 : 保留了鞍形填料的弧形 结构 , 并有内弯叶片的小窗 ; 全部表面 能被有效的利用 ; 流体湍动程度好 , 且有良好 的液体再分布性能 ; 通 过能力大 , 压强 降小 , 滞液量小 ; 堆积 密度小 , 填料层 结构均匀。
实验装置及基本流程如图 2 所示。 装置主体为不锈钢填料塔 , 其有效填料层 高度为 .2 o m , 塔内径为 .0 3 Om , 系统各相关部位设有相应的温度 、压力 或流量等测试和指示仪表 , 同时采用配套软件 由计算机在线采集 、 计算和分析处理有关数据 , 获得相应的实验结果。
本实验是在 T D B Y 一 3 0 多功能填料吸收塔实验装置中 , 以空气一氨气一水为物系进行的。
1 实验部分
L l 实验装置与流程
实验装置及基本流程如图 2 所示。 装置主体为不锈钢填料塔 , 其有效填料层 高度为 .2 o m , 塔内径为 .0 3 Om , 系统各相关部位设有相应的温度 、压力 或流量等测试和指示仪表 , 同时采用配套软件 由计算机在线采集 、 计算和分析处理有关数据 , 获得相应的实验结果。
L Z 实验条件
1. 2 . 1 吸收操作系统的气一液介质及浓度
本实验采用 清水一空气冷态 系统来研究填料层的压 降 、 动态 持液量等流体力 学特性 , 采用清水吸收混合空气中的氨气来获得填料的气相传质单元高度 H 、 、 总传质系数 K 二 、 等板高度 H E T 等传质特性参数 。 在吸收过程 中 , 为使整个操作处于等温状态和 系统 的气一液平衡关 系服从 H e l l r yr 定律 , 实验时采用了较低的氨气进 口 浓度 , 以便于数据的分析和计算。 据文献报道51[ , 氨气进口 浓度处于 .0 05 一 1 . 0 ( m lo % ) 范围较为适宜 , 本实验 中由于所安装的填料层高达 .2 0 0 m , 系统 的吸收效果好 , 因而 采用 了较高的氨气人 口 浓度 , 约为
0 . 7 0 一 1 . 0 0 ( m o l% ) 。
1. .2 2 吸收操作范围
根 据本实验装置的生产能力和相关技术指标情况 , 本研究中所采用 的操作范围如下 :空 气质量流速: 61 0 一 1创x 用k岁砂• h液体喷淋密度 : 0 一 5 0m V澎• h
L 3 实法
实验前先对系统的压力、 温度 、 流量等计量仪表进行校准 , 使其测量 误差控制在 1% 一 3% 内 , 再将塔内所装的填料预 液泛 , 以充分湿润填料。
进行流体力学实验时 , 先 固定液体在某一喷淋密度 , 改变气速 , 测定不 同气 速下填料层压值 , 然后变更液体喷淋密度 , 按此法重 复 以上的测定步骤 , 即获得相应的实验结果 。 动持液量的测定方法 为 : 在填料塔正 常操作过程 中, 同时停止气液两相加料 , 并经 适 当的时间排液 , 直至 填料层无液体滴 出 时 ,测量所排出的液体体
积。
进 行填料 的 传 质性 能 测 定时 , 先 开启 空气一水 系统 , 再开 启氨气进行吸 收操作 , 操作达到正常时 , 采用酸中和法平行 分析尾气中氨的浓度 , 根 据实验条件按 一 定方法计算填P料的各种传质参数。
L 4 实验数据处理
对于气膜控制的低浓度吸收过程 , 系统的气液平衡关系可以近似认为服从 H e n n 了 定律 , 实验数据按下列各式进行处理计算〔“ 〕:
2 实验结果及讨论
.2 1 金属矩鞍环填料的特性
实验 中, 对金属矩鞍环填料的特性进行了测定 , 结果列人表1 中。
对 比相近 规格 的鲍尔环和 阶梯环填料 ( 乱堆 ) ][9 , 可看出该填料的比表面 积约下降 5% , 空隙率则提高 .7 6% , 其中填料下 降 8 0 % 。 这 表明该填料在使用过程 中, 具有较小的流动阻力和较高的液泛气速。
2. 2 填料的流体力学性能
2. 2 . 1 单位填料层高度的压降损失与气相动能的关系实验 测定 了 环境温度 52 ℃ 和不 同液体密度下 , 气体流过单位填料层高度 的压降损失 , 并将其表示成与气相动能的关 系 , 所得结果如图 3 所示。
从 图 3 可知 : 单位填料层高度所对应的压降大小与喷淋密度及气速有关 , 液体喷淋密度越大 , 气速越大 , 其对应的值越大。 一定喷淋密度下 , 填料层压降随空塔气速的变化曲线大致可分为三 个阶段 : 在较低的空塔气速下 ( 拦液点以下 ) 时 , 填料层 压降 ( 气体流动的阻力 ) 很小 , 曲线形状基本上呈 直线性增长 ; 在高空 塔气速 (泛点以上 ) 时 , 填料层 压降随空塔气速急剧增长 ; 在载点和泛点气速之间时 , 填料层压降增长速度处于适中的状态。
根据实验观察和 图解法 , 可粗略确定出该填料的泛点特性 , 如表 2 所示。
.2 .2 2 填料动持液量与气相动能的关系
填料塔 的动持液量是 指在一定操作条件下 , 单位体积填料层 内 , 在填料表面及空隙中所积存的、 能从填料层 中自然滴出的液体体积量。 具有适当动持液量的填料对维持填料塔 的操作稳定性和促进填料表面的湿润及气液两相间的传质是有益的 , 但持液量太大 , 将减少填料层的空 隙和气相流通截面 , 使压降 , 处理能力下 降。
实验测定结果表明 : 填料动持液量受液体喷淋密度影响较大 , 但在一定的喷淋密度下 , 其随气体空 塔速率的变化较小 。 这表明在固定的喷淋密度下 , 填料表面的润湿情况和所形成的液 厚度
膜基本稳定 , 液膜侧的传 庸阳 七 拍千桐定 (见图 )4
2 3 填料的传质性能与气体质 t 流率的关系
图 5、 图 6、 图 7 给出了不同液体 喷淋密度和气体质量流率下 , 该填料传质性能的实验结果 。
从 图 、 图 6、 图 7 可 知 : 液体喷淋密度一 定时 , 低空 塔气速下填料的气相传质单元高度随气体质量流率的增加而有所 , 在接近泛点气速时 , H 、 达到大 , 随后 有迅速下降的趋势 ; 气相总传质系数 凡 在整 个过程中则几乎随气体质量流率按线性关系增加。同一 气体质量流率下 , H co随液体喷淋密度增加而下 降 , 阮 随液体喷淋密度增加而增加。
图 6 给出的该填料等板高度 H E开 与液体喷淋密度和气体质量流率的关系 , 其变化趋势主体上与 H二 的变化规律一致 , 这也说明在低粘度吸收操作 时 , 两 者 的关系基本遵循式 ( 1 ) 一 ( 4) 的理论解释。
3 结论
(l) 通过实验获得了金属矩鞍环填料 流体力学和 传质性能参数 , 并考察了这些性能参数随操作条件变化的基本规律 , 可供工业设计及工业生产过程 参考。
2( ) 研究结果表明 : 金属矩 鞍环填料具有压降适中、 通量较大、 传质性能稳定等特点。 此外 , 该填料具有较高的抗压强度 , 而且耐碱腐蚀 , 是一种较好的散堆填料 , 比较适用于清洁、 碱腐蚀气一液传质与分离过程。
符号说 明 :
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