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鲍尔环与共轭环在过程中的应用研究
2019-07-30 阅读：次
摘要：在 O120mm的塔中分别测试了 O16共轭环和 O16鲍尔环的流体力学性能和传质性能 , 结果表明 , 共轭环的两方面性能均于鲍尔环 , 同时对此作了分析。
填料塔结构简单 , 造价低廉 , 操作方便 , 在石油炼制、 化学工业、 医药卫生等方面得到应用。 早期的填料如拉西环 , 处理量小、 传质效率低。 因此在五十年代 , 填料塔被转盘塔、 脉冲塔等带械搅拌的塔所取代。 而机械搅拌塔的轴向返混严重 , 尤其是对低界面张力体系 , 使塔效率明显下降。 近十几年来 , 由于新型高效填料的不断发展 , 使填料塔处理能力和传质效率有较大的提高。 填料塔的应用和研究又重新得到了重视 , 有些工业装置中已经用高效填料塔取代转盘塔等。
共轭环填料是华南理工大学化学工程研究所自行研制的一种高效散堆填料 , 它在汽-液传质过程中具有通量大、 阻力小、 传质效率高等点 , 已在精馏和吸收过程中得到广泛应用 , 但在过程中还未得到应用 , 主要由于缺少液-液传质过程中的两相流动和传质数据。
本文在 O120mm的塔中 , 分别测试了O16mm共轭环和 O16mm鲍尔环的流体力学和传质性能 , 并作了分析比较 [1～ 3 ]。
1 实验装置及实验技术
1. 1 实验装置及流程
图 1为 O120mm塔流程图。水相由耐腐磁力泵由塔顶入口送入 , 相用离心泵由塔下部进口送入 , 进出口流量用转子流量计计量并调节 , 控制连续相 (水相 ) 出口流量以保持相界面恒定。
1. 2 实验体系与填料特性数据
( 1) 填料特性数据见表 1。
( 2) 实验体系
试验采用正丁醇-丁二酸-水体系 , 是欧洲化学工程联合研究会推荐的传质实验标准体系。 物性数据见表 2。
实验体系的平衡关系由实验标定 , 回归后得
1. 3 实验技术
实验中分散相和相中的丁二酸浓度采用滴定法测定 , 用酚酞作指示剂。 分别测定两相的进出口浓度。
分散相存留分数的测定通常采用体积转换法 , 本试验从塔底接一塔外细管和塔体平行 , 和塔体形成一 U型管 , 塔外细管上有精确到毫米的刻度 , 根据实验中不同的读数和填料空隙率可计算出分散相的存留分数。 测试过程是 , 当塔内两相流动完全稳定后 ,同时关闭连续相的进出口阀 ,关闭分散相进口阀 , 待塔内两相完全分层后 , 读出塔外图示测压管读数。
液泛速度是塔的一个重要参数 , 在一定的水相流速下 , 缓慢提高相的流速 , 直到界面无法稳定 , 水相中有严重夹带 , 此时即为液泛速度。
2 流体力学测试结果与讨论
2. 1 实验结果
本实验中 , O16共轭环的分散相存留分数与两相流速关系见图 2。O16鲍尔环的分散相存留分数与两相流速关系见图 3。 两种填料的液泛速度比较见表 3。
2. 2 填料塔的两相流动关联式
四十多年来 , 柱式设备中的两相流动特性 的 研究取得了很 大 进 展。 五 十 年代 ,H. R. C. Pratt 和 J. D. Thornton[4 ]提出了利用特性速度 vo 关联柱内两相流速和分散相存留分数的基本关系式:
Laddha[5 ]等人在 1961年又提出对于填料塔 , 其特性速度 v0 与体系特性有如下关系:
本文通过回归试验数据得到:
2. 3 结果分析
由实验结果可知 , 相同的两相流速下 , 共轭环填料的分散相存留分数较小 , 并且共轭环的液泛速度比鲍尔环大。 原因有两点:
一方面 , 从表 1我们可以知道 , 由于共轭环的空隙率比鲍尔环大 , 在相同的两相流速下 , 其特性速度 v0 较小 , 所以在两相流速时 , 分散相在共轭环填料中的存留分数增加慢 , 而在鲍尔环中增加较快 , 因而鲍尔环易于液泛。
另一方面 , 由于鲍尔环填料是柱形结构 , 易于产生与塔体方向垂直的截面 , 在塔中起到拦液的作用 , 而共轭环填料由于其特殊的构造 , 垂直于塔体方向的填料截面少 , 所以共轭环的通量大 , 液泛速度大。
从上图可知 , 共轭环填料的传质性能于鲍尔环 , 表观的传质单元高度比鲍尔环小 20% 左右 , 主要由于共轭环填料的空隙均匀 , 填料表面有自然的倾斜表面 , 从而减少了返混 , 而鲍尔环的空隙均匀程度就不如共轭环 , 而且其垂直于塔体方向的截面必然使返混程度 , 从而降低了传质效率。
4 结论
共轭环填料不在吸收、精馏等汽-液传质中是一种性能越的高效填料 , 而且实验证明其在液-液过程中也具有较为越的性能 , 应进一步完善其液-液传质方面的数据 , 以便尽快使共轭环应用于液-液工业过程中。
符 号 说 明
a 比表面积 , m2 /m3 c 常数
D 分子扩散系数 , m2 /s e 空隙率
g 重力加速度 , m2 /s
Hox p 表观传质单元高度 , m m 平衡分配系数
Nox p 表观传质单元数
n ( 1- O) 的指数 v 表观速度 , m /s vo 特性速度 , m /s
分散相存留分数
ρ 密度 , kg /m3
μ 粘度 , kg / ( N· s)
γ 界面张力 , N /m 下标
c , x 连续相 d , y 分散相 f 液泛点
填料塔结构简单 , 造价低廉 , 操作方便 , 在石油炼制、 化学工业、 医药卫生等方面得到应用。 早期的填料如拉西环 , 处理量小、 传质效率低。 因此在五十年代 , 填料塔被转盘塔、 脉冲塔等带械搅拌的塔所取代。 而机械搅拌塔的轴向返混严重 , 尤其是对低界面张力体系 , 使塔效率明显下降。 近十几年来 , 由于新型高效填料的不断发展 , 使填料塔处理能力和传质效率有较大的提高。 填料塔的应用和研究又重新得到了重视 , 有些工业装置中已经用高效填料塔取代转盘塔等。
共轭环填料是华南理工大学化学工程研究所自行研制的一种高效散堆填料 , 它在汽-液传质过程中具有通量大、 阻力小、 传质效率高等点 , 已在精馏和吸收过程中得到广泛应用 , 但在过程中还未得到应用 , 主要由于缺少液-液传质过程中的两相流动和传质数据。
本文在 O120mm的塔中 , 分别测试了O16mm共轭环和 O16mm鲍尔环的流体力学和传质性能 , 并作了分析比较 [1～ 3 ]。
1 实验装置及实验技术
1. 1 实验装置及流程
图 1为 O120mm塔流程图。水相由耐腐磁力泵由塔顶入口送入 , 相用离心泵由塔下部进口送入 , 进出口流量用转子流量计计量并调节 , 控制连续相 (水相 ) 出口流量以保持相界面恒定。
1. 2 实验体系与填料特性数据
( 1) 填料特性数据见表 1。
( 2) 实验体系
试验采用正丁醇-丁二酸-水体系 , 是欧洲化学工程联合研究会推荐的传质实验标准体系。 物性数据见表 2。
实验体系的平衡关系由实验标定 , 回归后得
| 到如下关系式: | |
| X = 1. 0261y - 1. 4144y2 | |
| ( 0. 01N ≤ y ≤ 0. 2N ) | ( 1) |
1. 3 实验技术
实验中分散相和相中的丁二酸浓度采用滴定法测定 , 用酚酞作指示剂。 分别测定两相的进出口浓度。
分散相存留分数的测定通常采用体积转换法 , 本试验从塔底接一塔外细管和塔体平行 , 和塔体形成一 U型管 , 塔外细管上有精确到毫米的刻度 , 根据实验中不同的读数和填料空隙率可计算出分散相的存留分数。 测试过程是 , 当塔内两相流动完全稳定后 ,同时关闭连续相的进出口阀 ,关闭分散相进口阀 , 待塔内两相完全分层后 , 读出塔外图示测压管读数。
液泛速度是塔的一个重要参数 , 在一定的水相流速下 , 缓慢提高相的流速 , 直到界面无法稳定 , 水相中有严重夹带 , 此时即为液泛速度。
2 流体力学测试结果与讨论
2. 1 实验结果
本实验中 , O16共轭环的分散相存留分数与两相流速关系见图 2。O16鲍尔环的分散相存留分数与两相流速关系见图 3。 两种填料的液泛速度比较见表 3。
2. 2 填料塔的两相流动关联式
四十多年来 , 柱式设备中的两相流动特性 的 研究取得了很 大 进 展。 五 十 年代 ,H. R. C. Pratt 和 J. D. Thornton[4 ]提出了利用特性速度 vo 关联柱内两相流速和分散相存留分数的基本关系式:
Laddha[5 ]等人在 1961年又提出对于填料塔 , 其特性速度 v0 与体系特性有如下关系:
本文通过回归试验数据得到:
对共轭环 C = 0. 695; 对鲍尔环 C = 0. 672。关联式计算值在接近液泛时和实测值误差较大 大为 12% 。
2. 3 结果分析
由实验结果可知 , 相同的两相流速下 , 共轭环填料的分散相存留分数较小 , 并且共轭环的液泛速度比鲍尔环大。 原因有两点:
一方面 , 从表 1我们可以知道 , 由于共轭环的空隙率比鲍尔环大 , 在相同的两相流速下 , 其特性速度 v0 较小 , 所以在两相流速时 , 分散相在共轭环填料中的存留分数增加慢 , 而在鲍尔环中增加较快 , 因而鲍尔环易于液泛。
另一方面 , 由于鲍尔环填料是柱形结构 , 易于产生与塔体方向垂直的截面 , 在塔中起到拦液的作用 , 而共轭环填料由于其特殊的构造 , 垂直于塔体方向的填料截面少 , 所以共轭环的通量大 , 液泛速度大。
3 两种填料的传质性能比较表观传质单元高度的计算
边界条件:
X 表示连续相浓度 , X* 表示平衡浓度 , H 是填料层高度 , xF 进口连续相浓度 , xR 出口连续相浓度 , yE 分散相出口浓度 , yS 分散相进口浓度 ,通过测定两相的进出口浓度及相平衡关系 ,则可以用下式计算出表观传质单元高度 N oxp
两种填料的传质比较见图 4。
从上图可知 , 共轭环填料的传质性能于鲍尔环 , 表观的传质单元高度比鲍尔环小 20% 左右 , 主要由于共轭环填料的空隙均匀 , 填料表面有自然的倾斜表面 , 从而减少了返混 , 而鲍尔环的空隙均匀程度就不如共轭环 , 而且其垂直于塔体方向的截面必然使返混程度 , 从而降低了传质效率。
4 结论
共轭环填料不在吸收、精馏等汽-液传质中是一种性能越的高效填料 , 而且实验证明其在液-液过程中也具有较为越的性能 , 应进一步完善其液-液传质方面的数据 , 以便尽快使共轭环应用于液-液工业过程中。
符 号 说 明
a 比表面积 , m2 /m3 c 常数
D 分子扩散系数 , m2 /s e 空隙率
g 重力加速度 , m2 /s
Hox p 表观传质单元高度 , m m 平衡分配系数
Nox p 表观传质单元数
n ( 1- O) 的指数 v 表观速度 , m /s vo 特性速度 , m /s
分散相存留分数
ρ 密度 , kg /m3
μ 粘度 , kg / ( N· s)
γ 界面张力 , N /m 下标
c , x 连续相 d , y 分散相 f 液泛点
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