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散堆填料和規(guī)整填料傳質(zhì)性能比較
2019-06-21 閱讀：次
通過(guò)對(duì)苯 -甲苯精餾傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算 , 比較了規(guī)整填料 ( 250Y ) 和散堆填料 ( 50# 鮑爾環(huán) ) 的傳質(zhì)性能。結(jié)果表明 , 規(guī)整填料的傳質(zhì)性能于散堆填料。 這一勢(shì)主要得益于前者的比表面積遠(yuǎn)大于后者。 若以傳質(zhì)系數(shù) kL、 k G 來(lái)比較 , 新型散堆填料要強(qiáng)于規(guī)整填料。如何提高規(guī)整填料單位面積的傳質(zhì)強(qiáng)度是新型規(guī)整填料發(fā)展的重要方向。
自七十年代以來(lái) , 新型填料包括散堆填料 (階梯環(huán)、 矩鞍環(huán)等 ) 和規(guī)整填料 ( 如孔板波紋填料 Mellapak) 的廣泛應(yīng)用已成為眾多化工企業(yè)塔設(shè)備技術(shù)改造的熱點(diǎn)。 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(huán)、 鮑爾環(huán)等 ) 均具有很明顯的勢(shì) , 尤其以孔板波紋填料為代表的規(guī)整填料點(diǎn)更為突出 , 它的推廣應(yīng)用已十分普及 , Kunesh 等[ 1 ]指出: “近二十年 ,規(guī)整填料發(fā)揮著更大的作用是精餾領(lǐng)域有意義的發(fā)展”。
規(guī)整填料較新型散堆填料傳質(zhì)性能的勢(shì)表現(xiàn)在它具有較低的等板高度 ( HET P) , 這種傳質(zhì)性能的差異主要源于前者有更大的體積傳質(zhì)系數(shù) KG ae 和 KL ae。本文將應(yīng)用苯 -甲苯精餾數(shù)據(jù)分別計(jì)算這兩種填料的傳質(zhì)系數(shù)和 HET P值 , 通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析 , 可以對(duì)它們傳質(zhì)的差異和特點(diǎn)有更深的認(rèn)識(shí)。
1 規(guī)整填料和散堆填料精餾傳質(zhì)性能?chē)?guó)內(nèi)應(yīng)用廣的規(guī)整填料是金屬孔板波紋填料 ,應(yīng)用多的新型散堆填料是階梯環(huán)和環(huán)矩鞍( Intalox )。對(duì)兩種散堆填料國(guó)內(nèi)已有大量傳質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)表 , 但多為吸收傳質(zhì)。 國(guó)內(nèi)引用多的精餾傳質(zhì)數(shù)據(jù)應(yīng)推 Strig le等 [2 ]對(duì)散堆填料和 Speigel 等[ 3]對(duì)孔板波紋填料提出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 , 包括金屬鮑爾環(huán)、 環(huán)矩鞍和 M ellapak。由其中可以看出三種填料傳質(zhì)效率的差異 , 現(xiàn)摘部分?jǐn)?shù)據(jù)于表 1。 表中對(duì)比表明 , 250Y的HET P值要低得多 , 其傳質(zhì)效率較兩種散堆填料高70% ～ 95% 。 下面我們從具體的傳質(zhì)計(jì)算對(duì)這一結(jié)果作進(jìn)一步的分析。
2 傳質(zhì)計(jì)算的公式
傳質(zhì)計(jì)算分離所需填料層高度 Z 可由下式?jīng)Q定 [5 ]:
Z= HO GN OG ( 1)
式中 N OG是氣相總傳質(zhì)單元數(shù) , 它由分離所需達(dá)到的濃度變化及所具有的傳質(zhì)推動(dòng)力的大小而定。氣相總傳質(zhì)單元高度 HO G可由下式表達(dá):
HO G = HG + λΗL ( 2)
其中 HG 和 HL 分別是氣相和液相的傳質(zhì)單元高度 , λ為平衡線(xiàn)和操作線(xiàn)兩線(xiàn)斜率之比。 H G 和 H L 又可通過(guò)下式求出 [6 ]:
綜合以上各式可以發(fā)現(xiàn) ,在 N OG和操作工況一定時(shí) , 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(chēng) k L 和 kG 為傳質(zhì)系數(shù) , 它們表示單位傳質(zhì)面積在單位推動(dòng)力和單位時(shí)間內(nèi)的傳質(zhì)量 , 而 kL ae 和 kGae 則稱(chēng)為體積傳質(zhì)系數(shù) , 它們表示單位體積的傳質(zhì)強(qiáng)度。
關(guān)于傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)單元高度的計(jì)算公式已多有發(fā)表 , 常推薦的是 M onsanto 公式和 Onda 公式 [4 ]。Bolles和 Fair[7 ]應(yīng)用了大量精餾和吸收數(shù)據(jù) , 對(duì)這兩個(gè)公式的精度進(jìn)行了檢驗(yàn) , 進(jìn)而提出了改進(jìn)的 Mo nsa nto公式 , 用于環(huán)形填料時(shí)為:
上兩式已經(jīng)單位換算。式 ( 6) 中 d 為塔徑 , 但當(dāng) d 大于 0. 6m ( 2英尺 ) 時(shí) , 即取為 0. 6m。為了便于討論 , 還要計(jì)算散堆填料的有效比表面
積 ae。在 Onda公式中提出了計(jì)算 aW /a 的關(guān)聯(lián)式 , 但此 aw 是填料的濕潤(rùn)比表面積。 關(guān)于計(jì)算散堆填料 ae 的公式報(bào)導(dǎo)不多 , 現(xiàn)建議用 Brav o等提出的公式[ 8] , 即
規(guī)整填料的傳質(zhì)計(jì)算公式報(bào)導(dǎo)甚少 , 作者曾有文 章介紹 [9 ]。 現(xiàn)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(jì)算公式 , 但此式的計(jì)算結(jié)果有時(shí)大于 1。這幾位作者也指出 , 當(dāng)液體流量大時(shí) , ae /a 值才可能大于 1[12 ] ,所以他們建議用以下的簡(jiǎn)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(dāng)大于 85時(shí) , U= 1. 0。
至此可以分別計(jì)算散堆填料 (以鮑爾環(huán)為主 ) 和規(guī)整填料的傳質(zhì)系數(shù)、有效比表面積和傳質(zhì)單元高度 , 進(jìn)而可求各自的 HET P值。
3 計(jì)算示例
本例題取自文獻(xiàn) [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(shù)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(kuò)散系數(shù) DL = 4. 26× 10-9 m2 /s, DG= 4. 27× 10-6 m2 /s, 平衡線(xiàn)斜率 m = 0. 406, 操作線(xiàn)斜率 0. 833, 分別計(jì)算 50# 金屬鮑爾環(huán)和 250Y金屬孔板波紋填料的 HE TP值。
( 1) 50# 鮑爾環(huán)
應(yīng)用式 ( 5) 和 ( 6) 計(jì)算 50# 鮑爾環(huán)的 HL 和 HG , Bolles等[7 ]已給出了計(jì)算結(jié)果 ,其 HL = 0. 239m, HG=0. 609m,現(xiàn) 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(huán)的 ae 值由式 ( 7) 求之 , 得 ae /a= 0. 889, 故 ae= 99. 83m2 /m3。應(yīng)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(guī)整填料的有關(guān)計(jì)算主要應(yīng)用式
( 8) ～ ( 11) , 但要逐步完成 , 具體見(jiàn)表 2。
4 討論和結(jié)論
( 1) 此苯-甲苯精餾塔的氣相動(dòng)能 F= 2. 52,由此查實(shí)測(cè)得到的結(jié)果[2, 3 ] , 分別得 50# 鮑爾環(huán)的HET P為 0. 7m, 250Y的為 0. 4m。將此與計(jì)算值相比較可以發(fā)現(xiàn)鮑爾環(huán)的計(jì)算誤差較大 , 約為 46% , 實(shí)際上 Bolles等 [7 ]在提出他們的修正式時(shí)已指出 , 其可信度在 95% 時(shí)所需的系數(shù)為 1. 70。 而 250Y的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值結(jié)果比較接近 , 誤差不到 10% 。 Lockett [14 ]近也肯定了這種計(jì)算方法的可靠性。
( 2) 由表 3兩種填料的 kG 和 kL 相比鮑爾環(huán)稍小 , 但如果考慮到它的計(jì)算值偏低 , 以及新型填料如階梯環(huán)等的傳質(zhì)性能要于鮑爾環(huán) ,可以認(rèn)為 ,新型散堆填料單位面積的傳質(zhì)強(qiáng)度要高于規(guī)整填料。 這一點(diǎn)也為 Henrigues 等[15 ]所證實(shí) , 他們通過(guò)氧解析實(shí)驗(yàn)證明散堆填料的 kL 較規(guī)整填料要高 25% ～ 51% 。
( 3) 按照理論 , 各種填料的 k L 應(yīng)與 DtL 成正比 , 其中 t 是氣液接觸時(shí)間 , 它反映了流體表面更新的時(shí)間。正是由于散堆填料的 t 較小 , 它的 k L 就較大 , 這一觀點(diǎn)在式 ( 9) 中也有反映 , 此式是基于理論對(duì)規(guī)整填料導(dǎo)出的 , 式中的 CE 就是考慮填料中沒(méi)有很快表面更新的系數(shù) , Brav o等認(rèn)為可取 0. 9, 實(shí)際對(duì)不同規(guī)整填料 , 此值應(yīng)有所不同。
( 4) 由式 ( 3) 可知 , 在同樣 UG UL 下 , H G 和 HL 即傳質(zhì)效率決定于體積傳質(zhì)系數(shù) 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(guī)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(guī)整填料由于流體通道的規(guī)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(jiàn)認(rèn)為規(guī)整填料不適于液膜控制系統(tǒng)。
這種意見(jiàn)可能主要源于規(guī)整填料的 k L 較散堆填料為小這一結(jié)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(yīng)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(guān)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(guī)整填料分離效率的勢(shì)主要得益于它的比表面積大 ,如果再能強(qiáng)化其表面?zhèn)髻|(zhì)效果 ,提高傳質(zhì)系數(shù) , 則其 HET P還會(huì)進(jìn)一步降低 , 相信這是新型規(guī)整填料發(fā)展的一個(gè)重要方向。
符 號(hào) 說(shuō) 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(kuò)散系數(shù) , m2 /s d 塔徑 , m
F 空塔氣相動(dòng)能 , m /s ( kg /m3 ) 0. 5
Ft 填料有效面積對(duì)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(zhuǎn)換 , 取 1. 0 ge 有效重力加速度 , m /s2 H 傳質(zhì)單元高度 , m HET P 等板高度 , m
ht 持液量 , m3 /m3
k 傳質(zhì)分系數(shù) , 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(xiàn)斜率
NO G 氣相總傳質(zhì)單元數(shù) N TSM 每米理論板數(shù)
P 壓降 , Pa
S 板波填料的波邊長(zhǎng) , 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(rùn)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(zhì)的填料參數(shù) , m j 液相傳質(zhì)的填料參數(shù) , m
無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)
無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)
DGgc
WeL = U2dLS 液相 W eber準(zhǔn)數(shù)
eLgc
下標(biāo)
e 有效值
G 氣相
L 液相
W 水
f 液泛值
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