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改性塑料规整填料的流体力学和传质性能研究
2019-08-30 阅读：次
引言
化工填料是填料塔的核心部件，提供塔内气液两相接触表面，为此液体应该润湿填料并充分铺展，形成两相有效接触表面。填料的润湿不取决于被分离物系的表面张力Ⅲ，也与塔内的气液负荷、填料的材质及其表面情况有密切关系。对于不锈钢填料、陶瓷填料，一般物因表面张力和密度较小，容易润湿成膜，在通常的气液负荷下，对波纹板润湿性良好。
塑料填料具有质轻、价廉、耐腐蚀、不易破碎、加工方便等点，但是其润湿性能较差，液体在填料表面易形成“溪流”或“沟流”。研究表明，液体在塑料填料表面的有效润湿面积为陶瓷材质的 40％Iz~。一些研究者对塑料润湿性的改进作了研究，结果表明，塑料填料经过表面处理后，润湿性能和传质性能得到了较大程度的提高 ，但这些方法或是污染严重、或是难以规模化处理，缺少实用价值，而且多数是研究散堆填料，对填料改J生前后性能的对比研究较少；即使对于改性塑料规整填料，几乎没有压降的性能数据报道。总之，对经过润湿改性的塑料规整填料的性能缺少系统、综合的分析研究。为此对塑料填料进行润湿改性，所用方法[61无污染，使表面处理与填料制备一体化，操作方便、成本低、具有实用性。并对用该方法获得的塑料规整填料作改性前后的传质性能和流体力学性能对比考察，进行了数据关联，并与模型计算值做了比较。研究结果可用于填料性能的评价，并为其设计提供必要的基础。
1 塑料填料润湿性表征
填料表面的润湿性通常采用静态接触角来衡量，即通过接触相界面张力的相互作用来确定，本文的评价方法采用成膜率啕来表征润湿效果，在测试成膜性时，先通过摄像然后用图像处理软件 Photo— shop CS4处理计算液膜成膜面积，成膜率即为成膜的面积占总面积的比率。图 l(a)为改性之前，图 1(b) 为改性之后，可以发现填料表面改性前后其成膜率从改性之前的20％增加到改性之后的90％，实际波纹填料中，成膜率的增加会使有效传质面积增加，从而提高传质效率。
2.实验装置及测试方法
塑料规整填料的流体力学性能和传质性能的测定是在内径为 190mm的吸收 一解吸玻璃塔内进行的，吸收塔填料用比表面积为 450m2／m，的不锈钢孔板波纹填料，高度为 0．9m，解吸塔测试段填料层高度为 0．5nl。实验物系为空气 一氧一水。水由离心泵送至吸收塔，再至顶部高位槽，在吸收塔中液相水为气相氧饱和后，经多孔排管式液体分布器均布液体从塔顶进入解吸塔。空气由离心式风机经转子流量计从解吸塔塔底进入，气液逆流接触，使水中溶解的氧解吸。试验流程见图2。
测试填料为实验室压制的孔板波纹填料，填料的详细参数见表 1，510型填料表示比表面积为 510 m2／m ，510型填料表面改性之后即为改性 5l0型填料，430型填料含义类同。实验测定了4种填料的传质性能和流体力学性能，并进行了关联。
2．1 传质性能测定
传质性能的测试采用氧解析法，在常温常压下进行。塔顶与塔底的液相氧浓度用 MetlerToledo公司的 M300溶氧电测定。经吸收塔饱和后的富氧水，再通过装有测试填料的解吸塔后，水中氧浓度下降，由此可计算出液相传质单元高度。根据双膜理论，液相总传质单元高度 是气膜传质单元高度H和液膜传质单元高度 H之和，即
氧解吸是液膜传质过程，可以忽略气相传质单元高度，即 等于H。，故
式中：z为填料层高度，m；
x、x 分别为塔顶和塔底氧浓度，mg·L ；
X 、x：分别为与塔顶和塔底气相平衡的液相氧浓度，mg·L ；
引 由于水中溶氧浓度较低，氧解析量较少，可假定气相中沿轴向方向浓度不变，即 X 等于 x}2，所以在试验中需测定 X、X2,X即可得出液相传质单元高度。因为不同的液相温度对 有较大的影响，在解吸过程中温度升高，则 H 值降低，为了便于比较填料之间的传质效果，将 在不同温度下的计算值按照Sherwood等提出的公式校正到 25℃时的传质单元高度：HL2 HL “o234(t-25)式中：t为实验环境温度，℃。
22 流体力学性能测试
流体力学性能测试是与传质性能测试同时进行的，实验填料段的压降通过上、下两横截面上的测压总管取压，用上海天沐自动化仪表有限公司的微压差计和 U形管压差计并联测定。先，测量干填料压降，然后进行预液泛，充分润湿填料后固定喷淋密度，待稳定后，调节F测定填料的压降，直到液泛为止，多次测量取平均值。
3 实验结果
3．1 表面改性对传质性能的影响
实验测定了 4种填料在 喷淋密度分别为 10、24、38m，•m之•h 时的传质单元高度，图 3表示喷淋密度为 10I／1•m •h一时 4种填料传质单元高度与 F的关系，其他喷淋密度的图类似。图 4(a)和(b)分别表示 510型和430型填料改性前后不同喷淋密度下传质单元高度的比较。虚线表示改性之前，实线表示改性之后
化工填料是填料塔的核心部件，提供塔内气液两相接触表面，为此液体应该润湿填料并充分铺展，形成两相有效接触表面。填料的润湿不取决于被分离物系的表面张力Ⅲ，也与塔内的气液负荷、填料的材质及其表面情况有密切关系。对于不锈钢填料、陶瓷填料，一般物因表面张力和密度较小，容易润湿成膜，在通常的气液负荷下，对波纹板润湿性良好。
塑料填料具有质轻、价廉、耐腐蚀、不易破碎、加工方便等点，但是其润湿性能较差，液体在填料表面易形成“溪流”或“沟流”。研究表明，液体在塑料填料表面的有效润湿面积为陶瓷材质的 40％Iz~。一些研究者对塑料润湿性的改进作了研究，结果表明，塑料填料经过表面处理后，润湿性能和传质性能得到了较大程度的提高 ，但这些方法或是污染严重、或是难以规模化处理，缺少实用价值，而且多数是研究散堆填料，对填料改J生前后性能的对比研究较少；即使对于改性塑料规整填料，几乎没有压降的性能数据报道。总之，对经过润湿改性的塑料规整填料的性能缺少系统、综合的分析研究。为此对塑料填料进行润湿改性，所用方法[61无污染，使表面处理与填料制备一体化，操作方便、成本低、具有实用性。并对用该方法获得的塑料规整填料作改性前后的传质性能和流体力学性能对比考察，进行了数据关联，并与模型计算值做了比较。研究结果可用于填料性能的评价，并为其设计提供必要的基础。
1 塑料填料润湿性表征
填料表面的润湿性通常采用静态接触角来衡量，即通过接触相界面张力的相互作用来确定，本文的评价方法采用成膜率啕来表征润湿效果，在测试成膜性时，先通过摄像然后用图像处理软件 Photo— shop CS4处理计算液膜成膜面积，成膜率即为成膜的面积占总面积的比率。图 l(a)为改性之前，图 1(b) 为改性之后，可以发现填料表面改性前后其成膜率从改性之前的20％增加到改性之后的90％，实际波纹填料中，成膜率的增加会使有效传质面积增加，从而提高传质效率。
2.实验装置及测试方法
塑料规整填料的流体力学性能和传质性能的测定是在内径为 190mm的吸收 一解吸玻璃塔内进行的，吸收塔填料用比表面积为 450m2／m，的不锈钢孔板波纹填料，高度为 0．9m，解吸塔测试段填料层高度为 0．5nl。实验物系为空气 一氧一水。水由离心泵送至吸收塔，再至顶部高位槽，在吸收塔中液相水为气相氧饱和后，经多孔排管式液体分布器均布液体从塔顶进入解吸塔。空气由离心式风机经转子流量计从解吸塔塔底进入，气液逆流接触，使水中溶解的氧解吸。试验流程见图2。
测试填料为实验室压制的孔板波纹填料，填料的详细参数见表 1，510型填料表示比表面积为 510 m2／m ，510型填料表面改性之后即为改性 5l0型填料，430型填料含义类同。实验测定了4种填料的传质性能和流体力学性能，并进行了关联。
2．1 传质性能测定
传质性能的测试采用氧解析法，在常温常压下进行。塔顶与塔底的液相氧浓度用 MetlerToledo公司的 M300溶氧电测定。经吸收塔饱和后的富氧水，再通过装有测试填料的解吸塔后，水中氧浓度下降，由此可计算出液相传质单元高度。根据双膜理论，液相总传质单元高度 是气膜传质单元高度H和液膜传质单元高度 H之和，即
氧解吸是液膜传质过程，可以忽略气相传质单元高度，即 等于H。，故
式中：z为填料层高度，m；
x、x 分别为塔顶和塔底氧浓度，mg·L ；
X 、x：分别为与塔顶和塔底气相平衡的液相氧浓度，mg·L ；
引 由于水中溶氧浓度较低，氧解析量较少，可假定气相中沿轴向方向浓度不变，即 X 等于 x}2，所以在试验中需测定 X、X2,X即可得出液相传质单元高度。因为不同的液相温度对 有较大的影响，在解吸过程中温度升高，则 H 值降低，为了便于比较填料之间的传质效果，将 在不同温度下的计算值按照Sherwood等提出的公式校正到 25℃时的传质单元高度：HL2 HL “o234(t-25)式中：t为实验环境温度，℃。
22 流体力学性能测试
流体力学性能测试是与传质性能测试同时进行的，实验填料段的压降通过上、下两横截面上的测压总管取压，用上海天沐自动化仪表有限公司的微压差计和 U形管压差计并联测定。先，测量干填料压降，然后进行预液泛，充分润湿填料后固定喷淋密度，待稳定后，调节F测定填料的压降，直到液泛为止，多次测量取平均值。
3 实验结果
3．1 表面改性对传质性能的影响
实验测定了 4种填料在 喷淋密度分别为 10、24、38m，•m之•h 时的传质单元高度，图 3表示喷淋密度为 10I／1•m •h一时 4种填料传质单元高度与 F的关系，其他喷淋密度的图类似。图 4(a)和(b)分别表示 510型和430型填料改性前后不同喷淋密度下传质单元高度的比较。虚线表示改性之前，实线表示改性之后
从图 3可 以看出喷淋密度为 10m ·in ·h 时430型填料改性后传质效率的增幅大于 510型的，分别提高 35％、30％，这是因为 430型填料表面开孔使得传质效率提高。图4分别表示 510型和 430型
填料不同喷淋密度下表面改性前后传质单元高度的变化，通过比较可见在较低喷淋密度时传质效率增幅显著，可能是由于在较小喷淋密度下，未经过表面改性的填料润湿性较差，填料表面得不到较好的润湿，液相多以液滴或者溪流的形式存在，其有效传质面积较小，所以传质效率较差。当填料经过表面改性之后，填料的润湿性能得到明显提高，液相可以铺展在填料表面，使得有效传质面积得到提高，从而使传质效率增加。而在喷淋密度较大的情况下，即使润湿性较差的填料，其表面也能得到较好的润湿，故填料表面改性前后传质效率变化相对较小。由此可见，在较低的喷淋密度和填料比表面积较小并开孔时，填料的表面改性显得更具有实际意义。按 H • 对4种填料的实验数据进行回归，系数 A、B得到如表 2所示：
3．2 流体力学性能
3．2．1 实验数据及关联
实验测定了 4种填料的干填料压降和湿塔压降。干填料压降与动能 F的关系绘于图 5(a)，喷淋密度为 l0、24、38m ·m ·h一时的湿填料压降性能分别示于图 5(b)、(c)、(d)，图中虚线表示改性之前，实线表示改性之后。
由图 5(a)发现：比表面积相同的干填料压降相等，并且为一直线，430型填料的干填料压降明显低于 5l0型填料的压降，这是因为430型填料的比表面积较小和表面开孔使其阻力较小。将实验数据用d',Z-乘法进行数学处理，得到干填料的压降与空塔气速的关系式如下：
△P430=97．52F·’ R=0．9966
式中：△P5 △P伽分别为比表面为 510型和430型填料的干填料压降，Pa／m；
F为空塔气体动能(m／s)·(kg／m3) ；
R为相关系数。
同样将湿填料压降实验数据用小二乘法进行数学处理，用如下式关联，得出湿填料压降与气液相负荷的关系：
式中：L 为液相喷淋密度，ms·ITI之·h ；
A、B、c、D系数，具体值见表 4。
表 4 湿塔压降关联式系数
通过比较可见 430型填料的阻力比51O型填料
小 30％左右，这是因为 430型填料比表面积较小，相比阻力会小，同时430型填料表面开孔 ，气体可以从孔道穿过，阻力会更小。同时也可发现 510型填料经过表面改性之后压降会，而 430型填料表面改性前后压降并没有发生较大的变化。这也许是因为填料表面润湿性的增加会使持液量增加，510型表面不开孔使得压降对持液量更为敏感，所以不开孔填料表面改性后阻力会增加。比较不同喷淋密度时的压降发现随着喷淋密度的增加压降会增加。这是因为喷淋密度增加，填料层的持液量增加，空隙率减小，通道减小，从而阻力增加。在吸收塔中，希望在较低的喷淋密度下操作，此时气体的阻力较小，同时吸收剂的处理量也会减少。而对于 430型填料在较低的喷淋密度下，压降和泛点在填料润湿改性前后并未发生明显变化，而传质效率则有大幅的提升，再次表明塑料填料的表面改性在较低喷淋密度时更具有实际意义。
结论
(1)经过改性后的塑料规整填料，在低喷淋密度时传质单元高度可减少 30％，在较高喷淋密度时可减少 20％，表面处理更有利于低喷淋密度的吸收和精馏操作过程，尤其对于吸收过程，可以减少吸收剂的用量。
(2)塑料规整填料的表面开孔能有效降低阻力，并且使得表面改性后阻力不会增加，地体现了润湿改性的越性。
(3)丰富了塑料规整填料的性能数据，并且进行了关联，与现有的模型做了对比，可提供设计参考。
3．2 流体力学性能
3．2．1 实验数据及关联
实验测定了 4种填料的干填料压降和湿塔压降。干填料压降与动能 F的关系绘于图 5(a)，喷淋密度为 l0、24、38m ·m ·h一时的湿填料压降性能分别示于图 5(b)、(c)、(d)，图中虚线表示改性之前，实线表示改性之后。
由图 5(a)发现：比表面积相同的干填料压降相等，并且为一直线，430型填料的干填料压降明显低于 5l0型填料的压降，这是因为430型填料的比表面积较小和表面开孔使其阻力较小。将实验数据用d',Z-乘法进行数学处理，得到干填料的压降与空塔气速的关系式如下：
| A P5lo=150．IF ·’ | R=0．9974 |
△P430=97．52F·’ R=0．9966
式中：△P5 △P伽分别为比表面为 510型和430型填料的干填料压降，Pa／m；
F为空塔气体动能(m／s)·(kg／m3) ；
R为相关系数。
同样将湿填料压降实验数据用小二乘法进行数学处理，用如下式关联，得出湿填料压降与气液相负荷的关系：
式中：L 为液相喷淋密度，ms·ITI之·h ；
A、B、c、D系数，具体值见表 4。
表 4 湿塔压降关联式系数
通过比较可见 430型填料的阻力比51O型填料
小 30％左右，这是因为 430型填料比表面积较小，相比阻力会小，同时430型填料表面开孔 ，气体可以从孔道穿过，阻力会更小。同时也可发现 510型填料经过表面改性之后压降会，而 430型填料表面改性前后压降并没有发生较大的变化。这也许是因为填料表面润湿性的增加会使持液量增加，510型表面不开孔使得压降对持液量更为敏感，所以不开孔填料表面改性后阻力会增加。比较不同喷淋密度时的压降发现随着喷淋密度的增加压降会增加。这是因为喷淋密度增加，填料层的持液量增加，空隙率减小，通道减小，从而阻力增加。在吸收塔中，希望在较低的喷淋密度下操作，此时气体的阻力较小，同时吸收剂的处理量也会减少。而对于 430型填料在较低的喷淋密度下，压降和泛点在填料润湿改性前后并未发生明显变化，而传质效率则有大幅的提升，再次表明塑料填料的表面改性在较低喷淋密度时更具有实际意义。
结论
(1)经过改性后的塑料规整填料，在低喷淋密度时传质单元高度可减少 30％，在较高喷淋密度时可减少 20％，表面处理更有利于低喷淋密度的吸收和精馏操作过程，尤其对于吸收过程，可以减少吸收剂的用量。
(2)塑料规整填料的表面开孔能有效降低阻力，并且使得表面改性后阻力不会增加，地体现了润湿改性的越性。
(3)丰富了塑料规整填料的性能数据，并且进行了关联，与现有的模型做了对比，可提供设计参考。
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