（化学工程专业论文）加压条件下规整填料传质特性研究.pdf

中文摘要 为了了鳃加压条件下规整填料精馏塔的传质性能，准确预测整塔传质效率， 本文通过实验就压力对传质效率的影响进行了研究，并且通过建立相应的模型对 传质效率和有效相界面积进行了预测，另外对加压条件下规整填料的“效率驼峰” 的机理进行了初步讨论。 实验首先在高压精馏热模实验装置上进行，塔径为1 5 0 m m ，测试填料和物系 分别为m e l l a p a k3 5 0 y 和正丁烷异丁烷，压力范围为0 7 1 9 m p a 。实验结果表明 在实验条件的范围内，随着气相负荷的增加，填料的分离效率呈增加的趋势，而 随着操作压力的增加，平均的分离效率亦呈增加的趋势，并且通过轴向浓度分布 情况评价了填料塔的传质性能。本文得到的数据与f r i 的存在着明显的差异，通 过分析认为这个差异主要是由于实验设备因素造成的。根据上述实验数据，建立 了一个预测规整填料效率的简捷方法，并利用文献中的数据对提出的方法进行了 验证，结果表明对于绝大部分的实验数据点，预测的误差均小于2 0 ，因此能够 较好的预测实验结果。 同时采用小直径热模精馏塔进行了压力对传质效率影响的实验，塔径为 1 9 m m ，填料为比表面积约为1 4 0 0 m 1 的丝网规整填料，实验测试物系为甲醇乙醇 和正丁烷异丁烷，测试压力范围为0 1 o 7 m p a ( 甲醇乙醇) 和0 7 1 9 m p a ( 正 丁烷异丁烷) 。从实验结果看出，在实验的全部操作压力范围内( 0 1 1 9 m p a ) ， 随着气相负荷的增加，填料的分离效率呈增加的趋势，而随着操作压力的增加， 平均的分离效率亦呈增加的趋势。利用f 砒的实验数据对r o c h a 模型进行了修正， 提出了一个规整填料有效相界面积的计算模型。利用本文两次的实验数据和文献 中的数据，对提出的模型进行了验证，并与g u a l i t o 模型进行了对比，结果表明本 文提出的模型较g u a l i t o 模型能够更好的预测板波纹规整填料的实验结果，但是二 者对于丝网填料，尤其是高比表面积的丝网填料的有效相界面积预测结果均欠佳。 对加压条件下规整填料的等板高度“驼峰”现象的分析表明，对于这一反常 的现象成因，目前还没有统一的认识。本文在分析现有的研究成果的基础上，认 为“驼峰”现象和气液两相的返混有关，而两相的返混取决于操作、物系、填料 以及设备尺寸等诸多因素。由于返混主要来自两相流体的分布不均，因此加压条 件下，气液两相尤其是液相的分布是非常关键的。 关键词：规整填料加压传质效率有效相界面积等板高度“驼峰”返混 a b s t r a c t 。t o b e t t e ru n d e r s t a n dt h em a s st r a n s f e r p e r f o r m a n c eo fs t r u c t u r e dp a c k e d d i s t i l l a t i o ne o l u m mu n d e re l e v a 蜮lp r e s s u r e si so fg r e a ti m p o r t a n c ef o rm o l ea c c u r a t e l y p r e d i c t i n gt h e i rm a s st r a n s f e re f f i c i e n c y i nt h i st h e s i s ，e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e d t d i n v e s t i g a t et h el ：l r 既s l l r ee f f e c to nm a s st r a n s f e re f f i c i e n c ya n dc o r r e s p o n d i n gm o d e l s w e l ee s t a b l i s h e dt op r e d i c tm a s st r a n s f e re f f i c i e n c ya n dt h ee f f e c t i v ei n t e r r a c i a la l e ao f s t r u c t u r e dp a c k i n g s i na d d t i o n , t h et h o r e t i e a lm e c h a n i s mo f “e f f i c i e n c yh u m p o f s t r u c t u r e dp a c k i n g su n d e re l e v a t e dp l e $ $ u i e $ w a sd i s c u s s e dp r e l i m i n a r i l y a tf i r s tt h ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e do nh i 曲p r e s s u r eh o tm o l d i n gd i s t i l l a t i o n e q u i p m e n t si nac o l u m no f1 5 0 m mi dw i t hmo p e r a t i n gp r e s s u r er a n g eo f o 7 - 1 9 m p a t h e t e s t i n gs t r u c t u r e dp a c k i n ga n ds y s t e mw e r em e l l a p a k3 5 0 ya n dc 4 i - c 4r e s p e c t i v e l y , r e s u l t ss h o wt h a tw i t h i nt h er a n g eo fe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s 晰血t h eg a sl o a d i n c r e a s es e p a r a t i o ne t t i c i e n e yo fp a c k i n gi n c r e a s e sa n da v e r a g eh e t pd e c r e a s e sw i t h t h ep r e s s u r ei n c r e a s e a ne v a l u a t i o no nm a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h ec o l u m nw a s a l s om a d eo nt h eb a s i so fa n a l y z i n ga x i a lc o n e e n t r a d o np r o f i l eo fl i g h tc o m p o n e n t e x p e r i m e n t a ld a t ao b t a i n e db yu so b v i o u s l yd i f f e rf r o mt h o s eo ff r i ，w h i c hc a l lb e a t t r i b u t e dt ot h es i z eo ff a c i l i t i e s b a s e do na b o v ed a t a , as h o r t c u tm e t h o dw a sp r o p o s e d t oe s t i m a t et h em a s st r a n s f e re f f i c i e n c yo fs t r u c t u r e dp a c k i n g t h i sm e t h o dw a s v a l i d a t e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t af o u n di nt h el i t e r a t u r e t h em a j o r i t yo fd a t ah a sa d e v i a t i o ns m a l l e rt h a n2 0 ，w h i c hs u g g e s t st h a tt h i sm e t h o dc a nm o r ea c c u r a t e l y r e p r o d u c ee x p e r i m e n t a lr e s u l t su n d e re l e v a t e dp r e s s u r e s a tt h es a m et i m ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sa b o u tt h ee f f e c to fp r e s s u r e0 1 3 t h e m a s st r a n s f e re f f i c i e n c yw i l t sc a r r i e do u ti nas m a l l e rc o l u m no f1 9 m mi d 诵mg a u z e p a c k i n gw i t hh i 班s p e c i f i cs u r f a c ea r e a ( c a 1 4 0 0 m ) t h et e s t i n gs y s t e m sw e l o m e t h a n o l e t h a n o la n dc d i - c , 4 w i t ho p e r a t i o np r e s $ 1 1 r e $ o fo 1 o 7 m p aa n do 7 1 9 m p ar e s p e c t i v e l y i tc a nb es e e nf r o me x p e j i m e n t a lr e s t l t st h a tw i t h i nt h et o t a lr a n g e o fo p e r a t i o np r e s s u r e s ( 0 1 1 9 m p a ) ，h e t pd e c r e a 船$ w i t ht h eg a sl o a di n c r e a s ea n d t h em a s st r a n s f e re f f i c i e n yi n c r e a s ew i t ho p e r a t i o np r e s s u r ei n c r e a s e c o r r e c t i o nw a s m a d l ：0 1 3r o c h ae ta lm o d e lb a s e do nf r id a t aa n dan e wm o d e lw a sp r o p o s e dt o p r e d i c tt h ee f f e c t i v ei n t e r r a c i a la r e ao fs t r u c t u r e dp a c k i n gu n d e re l e v a t e dp r e s s u r e s t h e p r o p o s e dm o d e lw i t sv e r i f i e dw i t ho u re x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dd a t ai nt h el i t e r a t u r e a t s a m et i m eb yc o m p a r i s o nw i t hg u a l i t oe fa l m o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e d m o d e lc a l lg i v eb e t t e rp r e d i c t i o no ft h ee f f e c t i v ei n t e r f a c i a la r e ao fs h e e tc o r r u g a t e d s l r u e t u r e dp a c k i n gt h a ng u a l i t oe ta 1 m o d e l b u tf o rg a u z i n gs t r u c t u r e dp a c k i n g ，t h e e s t i m a t i o n so f b o t hm o d e l sa l en o ts a t i s f a c t o r y a n a l y s i so f “e f f i c i e n c yh u m p ”s h o w st h a t ，t h em e c h a n i s mo ft h i sa b n o r m a l p h e n o m e n a ni s s t i l ls u b j e c tt om a n ya r g u m e n t s a c c o r d i n gt ot h ec o m p r e h e n s i v e a n a l y s i so fe x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t s ，w eh o l d st h a tt h eh u m pi sr e l a t e dt og a sa n dl i q u i d p h a s eb a c k m i x i n g ，w h i c hd e p e n d so nm a n yf a c t o r s ，s u c ha so p e r a t i o nc o n d i t i o n , t e s t i n g s y s t e m , p a c k i n ga n de q u i p m e n t b a c k m i x i n gm a i n l yr e s u l t sf r o mt h em a l d i s l r i b u t i o no f g a sa n dl i q u i dp h a s e ，t h e r e f o r et h eg o o dd i s t r i b u t i o no ft w op h a s e ，e s p e c i a l l yl i q u i d p h a s ei sv e r yi m p o r t a n tu n d e re l e v a t e dp r e s s u r e s k e yw o r d s ：s t r u c t u r e dp a c k i n g ，e l e v a t e dp r e s s u r e ，m a s st r a n s f e re f f i c i e n c y , e f f e c t i v ei n t e r f a e i a la r e a , h e t p h u m p ，b a c k m i x i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘生或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：之于舍签字日期：二诉2 月冽咽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权盘 壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：立于爹 签字日期：j 舌，g 年) 月才日 天津大学博士学位论文加压条件下规整填料传质特性研究 刖舌 填料塔作为重要的气液传质设备，已广泛的应用于蒸馏、吸收、解吸、 萃取、洗涤、冷却等过程。虽然自上世纪5 0 年代国外先后出现了许多新型 填料，但是7 0 年代的世界能源危机迫使填料塔技术的应用产生了真正的飞跃。 在其后的几十年里，由于性能优良的新型填料的相继出现，特别是规整填料和新 型塔内件的不断开发应用，和基础理论研究的不断深入，填料塔的放大技术有了 新的突破，改变了工业蒸馏长期以来以板式塔为主的局面。尤其是8 0 年代以来 一些新型高效规整填料的开发和使用，使填料塔的应用领域不断扩大，也给 填料和填料塔的理论和实验研究带来了无限生机。 尽管随着填料塔的推广应用，人们对填料塔的认识也越来越深刻，但由 于填料塔内部流体流动及传质过程的复杂性，致使填料塔的设计仍停留在经 验与半经验的水平，同时随着生产的不断发展，新的问题和要求不断出现， 因此有关填料塔技术的进一步研究仍需加强。 规整填料因具有通量大、压降低、操作弹性大、分离效率高等优点而倍 受青睐，但这通常是对常减压的操作而言，在加压精馏过程中，规整填料的 分离效率却往往较低。通常认为在加压下，因气体的密度、粘度、表面张力 等物性都发生了很大的变化，使气液两相的流体力学行为明显不同于常减压 的情况，流体的非均匀流动- 现象增多、返混程度加剧，导致气液接触面下降、 传质推动力降低，最终使传质效率降低。鉴于目前有关这方面的研究在国内 外都比较少，而加压精馏操作在现代分离工业中又占有重要地位，因此开展 加压下规整填料传质性能的研究具有重要意义。 本文共分七部分来研究加压下规整填料的传质特性。第一部分详细回顾 了填料的发展历史和最新进展，填料的气液相传质系数和有效相界面积的研究 成果，阐明了加压精馏的特殊性以及研究现状；第二部分通过试验塔加压精馏 实验对板波纹规整填料传质性能进行了研究；第三部分提出了简捷预测方法 对加压条件下规整填料传质效率进行估算，并对简捷预测法进行了检验；第 四部分通过小塔的加压精馏实验考察了压力对大比表面积规整填料传质性 能影响。第五部分建立了预测模型对加压条件下规整填料有效相界面积进行 估算，并对模型进行了验证；第六部分对加压条件下规整填料等板高度“驼 峰”现象的进行了初步的探讨；第七部分总结了本文研究所得到的结论，同 时对规整填料传质研究领域的前景进行了展望。 天津大学博士学位论文 加压条件下规整填料传质特性研究 1 1 填料塔的发展历史 第一章文献综述 塔设备是化工和炼油等生产中的一种重要传热传质设备，在蒸馏、吸收、解吸、 萃取、化学交换、洗涤、冷却、混合反应和生化处理等过程中都有着广泛的应用。 据统计l l j ，塔设备在许多工业中占去总投资的2 0 5 0 ，而作为应用最广泛的分离 技术蒸馏又是耗能的大户，约占化学工业的2 5 ，而且效率极低( 仅约5 ) 。因 此蒸馏技术的进展一直受到国内外的普遍关注。同时，世界各国对塔器的研究和 应用也十分重视，每5 1 0 年召开一次专业性会议，并且相继建立了塔设备的专业 研究机构，如美国的精馏研究公司f r i ( f r a e t i o n a t i o nr e s e a r c hi n e ) ，英国的传质 公司等。许多的塔器制造公司还建有自己的试验研究基地，开展塔板、填料与塔 内件的开发，进行应用试验等，如瑞士的s u l z e r 公司，美国的g l i t s c h 公司等。到 目前为止，蒸馏技术领域在改进设计方法、开发新型蒸馏装置和扩大原有蒸馏装 置的适用范围以及故障诊断技术等方面已经取得了重要的进展。 众所周知，塔器量大面广，种类繁多，但对于蒸馏来讲，归纳起来只有两类： 板式塔和填料塔。板式塔有泡罩塔、筛板塔、浮阀塔以及其衍生种类，填料塔有 散堆填料塔和规整填料塔。板式塔的研究起步较早，其流体力学和传质模型比较 成熟，数据可靠。尽管与填料塔相比效率较低，通量较小，压降较高，操作弹性 小，持液量较大，但是由于结构简单，造价较低。适应性强，易于放大等特点， 因而在7 0 年代以前的很长时间里，塔板的开发研究一直处于领先地位。然而7 0 年代初期出现的世界能源危机迫使填料塔技术在其后的几十年来取得了长足的发 展。由于性能优良的新型填料的相继出现，特别是规整填料和新型塔内件的不断 开发应用，和基础理论研究的不断深入，填料塔的放大技术有了新的突破，改变 了工业蒸馏长期以来以板式塔为主的局面【2 】。以精馏为例【l 】，填料塔约占3 0 ，若 把液液萃取，吸收和洗涤液包括进去，则填料塔约占5 0 左右，也就是说，两类 塔器在工业中的比例差不多。由于填料塔中、高压操作的传质性能较差，所以在 目前运行的塔器中，仍以板式塔为主，开发应用则以现代填料塔为主导。美国t e x a s 大学的著名学者j 1 lf a i r 教授认为最近十几年蒸馏装置的最新动态是汽液接触的 填料塔逐步取代板式塔，规整填料作为低压降下具有高传质效率的装置备受青睐 例。国际著名蒸馏专家a s t o n 大学的k e p o r t e r 教授1 9 8 9 年在天津大学讲学时指 第一章文献综述 出：“近五十年来，在蒸馏和吸收领域最突出的变化是新型填料，特别是规整填料 在大直径塔中开始广泛应用，这标志着塔填料、塔内件和填料塔综合技术进入了 一个新的阶段 4 1 。”这些评价都是符合现代填料塔分离技术进展实际情况的。 进入了新世纪之后，我们回顾近十几年来的填料塔技术进展可以发现，传质机 理研究并没有重大突破，这在很大程度上阻碍了新型几何结构填料的开发，也限 制了填料塔技术应用和发展的进一步扩大。尽管如此，我们仍然可以看出填料塔 技术应用和发展的若干趋势： ( 1 ) 填料塔在耦合复合分离过程中获得了新的应用，例如，催化精馏、反应萃 取、膜精馏、化学吸收等。这些新型耦合技术，因综合了多种技术的优点而具有 独特优势，在很多的化工领域具有广阔的应用前景。一个耦合的典范就是美国 e a s t m a n 化工产品公司开发的高度耦合的乙酸甲酯生产过程，采用乙酸甲酯复合 塔，把精馏、萃取精馏和反应精馏等过程耦合在一个塔中，大大简化了流程，减 少了设备数目，降低了成本【5 】。由于耦合技术往往比较复杂，设计放大比较困难， 因此也推动了化工数学模型和设计方法的研究。 ( 2 )硬件和软件结合，积极开拓新型填料的应用领域。填料专业公司由过去单 纯出售填料等硬件，发展成为现今提供试验设计制造安装投产一条龙技术服务 和整套塔装置的状况。产品不再仅是塔器硬件，还包括软件。当前新型填料的应 用范围从一般的化工扩大到炼油和石油化工、化肥、环保等领域，形成了大规模 取代传统散堆填料和部分板式塔的局面，从精馏、吸收( 解吸) 、萃取等操作扩 大到生化处理和环境保护。对精馏而言，从真空精馏、常压精馏一直发展到加压 精馏操作。 ( 3 )工艺与塔板，填料、其他内件的一体化匹配。针对不同工况采用最合理的塔 内件组合，并且对整塔进行精心设计、制造、安装和操作，使塔的整体操作费用 与投资费用总和最低。同时工业操作经验的积累和计算机辅助设计的发展推动了 塔器设计方法的理论化、普遍化和精确化，反过来这些方法进一步指导塔器的设 计工作。 ( 4 )塔板与填料的结构、材质的改进和更新。对塔板而言，主要是优良塔板的 深入研究和应用，和某些特殊要求的研究( 低压降，大通量) ，填料和塔板结合 的复合塔也有一定的发展。对填料而言，规整填料尤其是波纹填料的研究备受重 视，包括几何结构、表面状态与表面处理技术及材质的选择、耐腐蚀性能等。 ( 5 )塔器故障的在线监测和过程诊断技术现代化。8 0 年代以来，美英等国开始 利用y 射线扫描技术对工业塔进行了“透视”，进而诊断故障。它能对塔内部构件 和流体相状态进行无干扰透视，有助于现场操作的板式塔和填料塔的流体力学研 究和监测诊断。时至今日，x 射线扫描、放射性示踪、中子缓和法和各种断层造 4 天津大学博士学位论文加压条件下规整填料传质特性研究 影技术，如x 射线造影术、电容造影术，以及一些复合的诊断技术，如s p e c ts c a n 、 c a ts c a n 和t r a c e r c op r o f i l e r ，都开始应用于工业塔的检测和故障诊断过程中嘲。 这些技术必将与计算机模拟技术样有较大发展，成为塔器优化设计与操作的有 力工具。 ( 6 ) 实验室热模大型冷模一计算机模拟放大路线及工业塔操作数据积累。综合 利用从小型热模试验和大型冷模试验得到的数据和关联式，再加上以适当理论模 型为依据的软件系统，通过计算机模拟即可进行放大设计。这种“小型热模大型 冷模一计算机模拟”的放大路线已经逐渐形成和发展起来，但是有时需要参考类似 物系工业装置操作数据方能保证有效性，因此对工业数据的积累提出了更高的要 求。美国f r i 已经成立了专门的“d e s i g n p r a c t i c e s c o m m i t t ”的工作部门，来开 展这方面的工作。 1 2 填料的发展历史 塔填料是填料塔的核心部件，它提供了塔内汽液两相接触进行传质、传热的表 面，其性能往往决定了塔器的应用，因此对于塔填料的研究十分活跃。填料塔结 构简单，阻力小，装置灵活，特别是新型填料的开发，显著提高了分离效率。在 基本解决了放大效应后，塔填料的工业应用日益扩大。新型高效填料取代了旧有 的填料和部分塔板，在技术改造中取得了显著的效果，日益引起人们的关注。这 种发展趋势可以从国际精馏和吸收会议中，填料和塔板研究论文的相对数量( 表 1 i ) 看出来。 表1 一l 国际精馏和吸收会议中塔板和填料论文数量比较 t a b l e1 - 1c o m p a r i s o no f p a p e r sa b o u tt r a ya n dp a c k i n gi nd i s t i l l a t i o n & a b s o r p t i o nc o n f e r e n c e s 会议年代 1 9 6 01 9 6 91 9 7 9 1 9 8 71 9 9 21 9 9 72 0 0 2 大多数塔填料在分离效率压降方面优于塔板。对于给定的分离要求，较高分离 效率及较低的压降意味着需要的精馏回流比降低，节约能耗和适于热敏物料的分 离。填料除了效率高，压降低，通量大之外还有如下优点： ( 1 )操作弹性大填料可在更宽的气液流率范围内操作而不会液泛、漏液或者 夹带。 ( 2 )能处理起泡物系填料单元能使泡沫破碎，所以填料比塔板更适合于高起 泡性物料。 第一章文献综述 ( 3 )能处理含固体的物料大空隙填料( 格栅类) 可以处理含大量悬浮固体的 物料，而一般的错流塔板会被堵塞。 ( 4 )持液量小大多数板式塔气体是分散相，液体是连续相，具有固定的静液 层，所以持液量大。而填料塔在操作的过程中，液体是分散相，气体是连续相， 汽液呈膜式接触，不但阻力小，而且持液量小，特别适合于热敏物料的真空糖馏。 ( 5 )陶瓷塑料填料耐腐蚀，价格便宜。规整填料综合效益高，改造费用可以很 快回收。 但是填料塔也有如下局限： ( 1 )换热不便从填料塔取出或者加入热量不如板式塔方便。因为板式塔中可 以在板间或者板上设置加热冷却管，而填料塔的结构使得从塔内流股取热或者加 热十分麻烦。 ( 2 )侧线抽出较难填料塔的结构不适合有许多侧线采出。 ( 3 )沟流隐患填料塔对流动不均匀十分敏感，填料中的轴向返混也比板式塔 严重。 ( 4 )抗腐蚀性差目前大塔中的高效填料多是采用很薄的金属板制成，因此耐 蚀周期不如塔板长。 ( 5 )工程控制较难商效填料持液量很低，对过程控制来说是个难题。 填料通常分为散堆和规整的两种。人们普遍认为虽然规整填料比散堆填料成本 高3 5 5 0 ，但是生产能力和分离效率却可提高1 0 - 2 0 。从塔器技术改造费用看， 采用规整填料要多一些，但从缩小塔体积和节能受益看，费用可以很快回收。目 前，填料的开发和应用仍是沿着散堆填料和规整填料两个方向进行。下面分别就 两种填料的发展历史做一个简要的回顾。 1 2 1 散堆填料 最初填料塔使用的主要是散堆填料【l ，2 ，7 1 。第一代的散堆填料主要是环形填料及 其衍生种类。最早出现的是拉西环( r a s e h i n gr i n g ) ，而后鲍尔环( p a l lr i n g ) 、阶 梯环( c a s c a d em i n ir i n g ) 、泰勒环( t e l l e rr o s e t t e ) 等填料相继出现，这些环形填 料至今仍有应用和研究。随着环形填料的演化发展，又出现了第二代的散堆填料 鞍型填料，包括弧鞍( b e ds a d d l e ) 、矩鞍( i n t a l o x s a d d l e ) 、改进矩鞍( s u p e r i n t a l o x s a d d l e ) 填料等。这两类填料中，环形填料的通量高，但是存在着严重的沟流和壁 流现象，液体分布性能差；鞍型填料虽然具有比较好的液体分布性能，但是通量 又不及前者，因此综合两者的优点就成了开发新填料的出发点。例如，2 0 世纪9 0 年代初研制的金属矩鞍环( i n t a l o xm e t a lt o w e rp a c k i n g 简称i m t p ) 、半环 ( l e v a p a k ) 和纳特环( n u t t e rr i n g ) 填料就具有上述两类填料的优点，成为第三 6 天津大学博士学位论文加压条件下规整填料传质特性研究 代散堆填料的代表。 进入9 0 年代又出现了被称为第四代的新型散堆填料。文献中见诸报道的这类 填料只有两种，一种在1 9 9 4 年的a c h e m a 展览会上 美国科克公n ( k o c h ) 展示 的弗莱西麦克斯【8 ，9 】( f l e x i m a x o , 图1 - 1 a ) 。该填料是在拉西环、鲍尔环和后来开 发的许多高效填料基础上推出的，它是将金属薄片冲成长条缝隙，然后将金属条 片交替向内外弯摺伸展，并将整个填料弯成圆弧状，弧形外侧的条片上下弯摺并 排列成扇形状且条片较内侧的宽，而内侧弯摺的条片伸展方向上下交错。这种结 构具有较高的空隙率和比表面积，同时有利于气液的分布和接触，因而具有更低 的压降和非常高的分离能力。美国t e x a s 大学的能量研究中心实验表明，与通常的 鲍尔环填料相比，在效率相当的条件下负荷可以提高1 5 ，在负荷相当的条件下， 效率可以提高3 0 ，因此该公司称其是当时最先进的散堆填料之一。据报道该填 料在化工、石油化工等生产中，如醋酸蒸馏、氨吸收、脱甲烷、丁烷和丙烷、硫 化氢吸收等，以及炼油工业中的原油常减压蒸馏中获得了广泛的应用。 另一种是德国r a s c l 1 i g 公司在1 9 9 5 年开发的改进的拉西环( r a s c h i g s u p e r - r i n g ，图1 - 1 b ) 填剃地1 1 】。在1 9 9 8 年f r i 对这种填料的性能进行了测试， 结果表明与5 0 m m 的鲍尔环( 第一代) 和n o 2 纳特环( 第三代) 填料相比，该填 料的压力损失分别减少了6 0 和4 0 ，负荷能力分别提高了3 0 和1 5 ，而传质 效率与5 0 m m 的鲍尔环填料相当；而与比表面积相当的m e l l a p a k 填料相比，传质 效率提高了大约2 5 。这些测试结果说明该填料具有低压降、高通量和传质性能 优良的特点。据报道，德国b a s f 公司采用这种填料改造1 ，3 丁二烯萃取塔、甲醛 吸收塔和甲苯二异氰酸酯t d i ( t o l u e n e d i i s o c y a n a t e ) 精馏塔均取得了很好的效果， b a y e r 和d e g u s s a 公司分别采用该填料替换规整填料改造b e n f i e l d 塔和真空精馏塔 同样取得了成功。 - 散堆填料的发展历史沿袭见图1 2 。但是，随着工业的发展，工业应用对塔设 备不断提出新的要求，比如分离热敏物质，技术改造提高生产能力和产品质量， 降低回流比以求节能，便于三废处理等等。在这种情况下，板式塔和散堆填料往 往难以满足这种要求，因而结构与排列整齐的规整填料应运而生，并且得到了较 快的发展和广泛的应用。 1 2 2 规整填料 在散堆填料发展的同时出现了规整填料。在上个世纪6 0 年代以后，生产规模 大型化要求填料具有大的通量，能改善两相流体分布，以提高分离效率及克服放 大效应，降低填料层流动阻力及持液量，以起到节能效果。规整填料在这方面有 独特的优点，因此各类规整填料应运而生。规整填料就结构和形式而言，有的着 第一章文献综述 眼于气液流道的合理安排，使流体尽可能均匀分布；有的侧重于气液两相接触面 积增大；有的主要考虑降低阻力；有的则为了适应技术改造的要求和降低成本。 髂降醉釜藩嚣环1 堂筮窒熊皇l = 二= 二= i i 型型! !f p 滕l j 譬坌要匕阿丽 厮 1 垫量堑卜h 一琵爵菩薪基环h 嵩笳筹“。 l 勒辛环i p 达鲎亘刊十字格环l l 螺旋环 簋= 岱 i 拉西环h fi 金属网e 环 p 蝤塑星丝叫弹簧丝螺旋环 il 刺孔环 蒸三拉 箍三岱 泰勒花环 麦勒环 海尔环 鲤啦匣匦 垂叵亟垂囤 图1 2 散堆填料的历史发展沿袭 f i g 1 - 2h i s t o r yo f t h ed e v e l o p m e n to f c h a r a c t e r i s t i cr a n d o mp a c k i n g s 总之，规整填料的开发着眼点是强化膜式和喷雾传质，降低阻力并促进两相流体 均布，使规整填料具有高效、低阻力、高通量和便于放大的特点【“。 天津大学博士学位论文加压条件下规整填料传质特性研究 规整填料的几何结构和在塔内的排列方式尽管不同，但是其共同之处在于在整 个塔截面上，几何形状规则均匀，形成了许多并列耦合、空间对称的传质小单元。 这种人为规定的相同结构的气液流路和接触传质途径，大大增加了空隙率和有效 接触面积，强化了两相的横向混和，减小了沟流和壁流现象，因而能够在很大程 度上克服了两相流体分布不均，消除了放大效应，显著提高了分离效率和通量。 它与散堆填料互有长短，各有其适用范围，共同组成了适用性强，分离性能很宽 的塔填料系列。规整填料的发展大体经历了三代： 第一代规整填料( 6 0 年代以前) 主要是丝网填料1 7 】，其中包括水平波纹型，单 元接触型和丝网绕卷型填料等。 最早出现的规整填料是斯特曼( s t e d m a n ) 金属丝网填料，一般是由金属纱网 制成，属于单元接触型填料。斯特曼填料具有液体自分布性能，是液膜式接触传 质，适用用于真空精密精馏。随后出现了帕纳帕克( p a n a - p a k ) 、斯普雷帕克( s p r a y p a k ) 两种水平波纹型规整填料，这种填料是用金属丝网或者压延金属板做成波纹板片， 而后按照一定的方式水平排列于塔内。液体在填料表面形成很薄的液膜，当气体 穿过填科网孔时形成以喷雾方式为主的接触传质，因此属于喷雾型传质填料，适 用于较高气速的操作条件。接着出现了以古德洛( g o o d l e ) 、海泊菲尔( h y p e r f i l ) 填料 为代表的绕卷型填料。这类填料是由金属丝网绕卷而成填料单元，装于塔内构成。 由于丝网的毛细作用，极易为液体润湿，在填料表面形成很薄的液膜或者细小的 液滴，因此气液接触比表面积很大。但是这类填料的缺点是对液体初始分布均匀 程度比较敏感。为了保证分离效率，要求液体分布必须均匀，因而要采用相应的 专门分布和再分布器。总之，绕卷型丝网波纹填料制造简单，若配以专门设计的 液体分布器，可以取得高效率、低压降的效果，特别适用于真空精馏。 第二代规整填料( 6 0 8 0 年代) 主要是苏尔寿的金属丝网填料、孔板波纹填料 及其衍生系列和栅格填料【2 】。 现代规整填料的奠基者应该首推瑞士苏尔寿公司( s u l z e rb r o t h e rl i d ，) 。该公 司1 9 6 1 年首先研制成功了金属丝网波纹填料( s u l z e rg a u z ep a c k i n g ) ，揭开了研制 与应用垂直波纹型规整填料的历史。随后苏尔寿公司又以实验为基础，着重研究 规整填料的放大效应。研究结果表明，采取合理的措施可以使放大效应基本消除， 从而为规整填料的工业化奠定了坚实的基础。金属丝网波纹填料虽然具有较高的 效率和较低的压降，但其缺点是成本高，易堵塞。1 9 7 7 年苏尔寿和美国k o c h 公司 合作推出了通用的廉价金属孔板波纹填料( s u l z e r 公司称m e l l a p a k ，k o c h 公司称 f l e x i p a c ) ，因其成本低、效率高、压降低、不易堵塞等优点而获得了大范围的推 广应用，构成了现今世界上最重要的规整填料系列。随后规整填料的研究十分活 跃，新品种层出不穷。k u h n i 公司的朗博派克( r o m b o p a k ) 、g l i t s c h 公司的吉姆派 9 第一章文献综述 克( g e m p a k ) 、s u l z e r 公司的陶瓷填料凯勒派克( k e r a p a k ) 、m o n t z 公司的蒙茨派克 ( m o n t z - p a k ) 、g e r m a n i a 公司的培若派克( p y r a p a k ) ，j a e g e r 公司的麦克斯派克 ( m a x p a k ) 、r a s e h i g 公司的拉鲁派克( r a l u p a k ) 、n o r t o n 公司的英特洛克斯( i n t a l o x s 砸i c c i 删p a c k i n g ) 等相继出现，这些填料彼此相似，多以m e l l a p a k 为雏形。 规整填料中还有一种栅格型规整填料 7 1 ，比如g l i t s c h 公司的格里奇栅格( g l i t s c h g r i d ) 、g e r m a n i a 公司网孔栅格( p e r f o r mg r a d ) 、n u t t e r 公司的斯纳泼栅格( s n a pg r i d ) 、 s u l z c r 公司的m e l l a g r i d 、k o c h 公司的弗莱克西栅格( f l e x ig r i d ) 等。这类填料是由 特定结构的栅格条单元构件规则排列而构成，这样可以将塔内分割成规则排列、 相互连通的空间结构，气液两相于其中逆流流动，气速较低时，两相呈液膜和液 滴两种接触传质状态；气速超过喷射点( 压降线的转折点) 后，两相呈喷射式接 触传质状态。因此负荷上限不是由液泛控制，而是由雾沫夹带量所控制。般而 言，这种填料空隙率较高、通量大、压降小、不易堵塞，可用于原油减压蒸馏塔、 催化裂化分馏塔、气体急冷塔及气体洗涤塔等。 第三代规整填料( 9 0 年代至今) 主要是一些开发的新型填料和改进的填料。 苏尔寿公司在多年来开发b x 金属丝网填料和m e l l a p a k 的基础上，采用计算 机对流体在填料中流动行为进行数值模拟而找出最优的结构，推出了多通道型的 优流填料( o p t f l o w ，图1 3 a ) 1 8 ，1 2 1 ，并在1 9 9 4 年的a c h e m a 展览会上展出。这 种填料由压有横向液流沟纹、中央开小孔的菱形薄片搭成上下有气流通道的空间 八面体，成为填料的基本单元，进而组合成填料。菱形八面体上下斜方体上有两 侧交替的未被菱形片盖上，成为气流通道，而相邻菱形体上气流通道也是相互镨 开的。这种结构的气流通道可以有效减少气体的漩流损失，并能达到对传质有利 的理想流动效果。菱形体对角线方向均相同，因此四个方向进入的主气流可以达 到理想的横向混和，同时在菱形八面体的顶端处，液体不断的汇集又重新分散， 液体可以达到理想的混和。优流填料这种完美的几何结构形式和各方向高度的对 称性，使所有的流动方向均匀对称，进而气液逆流接触时达到分散和混和的理想 组合，因而具有非常高的效率。据报道优流填料与常规塔板和填料相比，在保持 相同效率的条件下，可提高处理能力2 5 ；在相同处理能力下，可提高效率5 0 。 在2 0 0 0 年的a c 脏m a 展览会上，德国r t m 公司( r e a l t t i o n st e c h n i km a n t e u f e l a g ) 和日本长冈公司( n a g a o k a i n t e m a t i o n a l c o ) 联合推出了s u p e r x 。p a c k 规整填 料( 图1 - 3 b ) t ”，一4 1 ，在许多填料制造厂家中引起了轰动。这种填料最初是由德国工程 i j i i m a n t e u f e l 设计的，该填料由悬挂于整个塔高度内的1 2 0 束细线( 对于直径为5 m 的塔) 组成，每束有2 万根线，这些细线以三角形( 3 x ) 或四方型( 4 x ) 的模式 相互连接，在每束的末端，这些细线紧紧缠绕在一起，通过专门设计的适配器 ( a d a p t o r ) 与分布器的管道相连。在填料的下段，通过专门设计的收集器( c o l l e c t o r ) l o 天津大学博士学位论文加压条件下规整填料传质特性研究 将细线上液体收集起来。采用这种设计，液体在网线上呈连续均匀的流动，细线 的四周均可以润湿，这样避免了溪流和液滴的形成。由于该填料不存在喷淋和分 布不均的问题，因此中间不需要分配器，而一般情况下4 - i o m 应设置_ = 个再分布 器，因此其压降仅为常规规整填料的1 3 1 2 。由于细线提供的比表面积约是板片 的两倍，因此这种填料可以在尽可能少的制造材料情况下，达到非常高的比表面 积，同时提供较大的自