（化学工程专业论文）液体降膜流动的基础研究及开窗导流式规整填料的开发.pdf

摘要 规整填料在工业生产中应用广泛，深入研究液膜在填料表面的降膜流动结 构，开发传质效率更高的新型填料，对工业生产有重要的意义。在深入研究降 膜流动过程的基础上，提出一种多板折流降膜流动结构并对其流动及传质性能 进行了理论及实验研究，在此基础上开发了一种开窗导流式规整填料并初步考 察了该填料的流体力学性能。 本文首先对填料的发展及现状进行了综述，同时介绍了计算流体力学和计 算传质学的相关知识、发展历程及其在传质过程模拟方面的应用。 本文第二部分对一种多板折流降膜流动结构进行了理论和实验研究，实验 方面，设计了三种不同结构的降膜流动装置，分别为不锈钢单板，丝网单板以 及丝网多板，利用异丙醇稀溶液在空气中的降膜解吸过程测量了不同结构下的 传质性能，结果表明以多板折流降膜流动结构为基础设计的丝网多板的传质效 果最好。理论方面，与异丙醇稀溶液在空气中的降膜解吸过程相对应，采用v o f 法建立相关过程的计算传递学模型，模拟结果与实验测量值基本一致。利用所 建立的数学模型考察了液相进口浓度、气液相流速以及气相温度条件等因素对 传质效果的影响。 在降膜流动与传质研究的基础上，提出了一种新型开窗导流式规整填料并 对其流体力学性能进行了测试。实验装置冷模塔塔径为3 8 4 m m ，测试物系为空 气和水，液体喷淋密度变化范围0 - - - 8 0 m 3 m 2 h ，气相f 因子变化范围o 2 6 m s ( k g m 3 ) 1 20 实验结果表明新型规整填料的压降明显高于传统波纹板填料，但 持液量也高于传统填料，液体在填料表面分布较传统波纹板填料分布更为均匀， 说明在相同的填料比表面积下，该填料的传质效率有可能更高，有进一步研究 的必要。 关键词： 规整填料气液两相流计算传递学降膜流动c f d 模拟 a b s t r a c t s t r u c t u r e dp a c k i n gh a sb e e nw i d e l yu s e di nc h e m i c a la n db i o c h e m i c a l i n d u s t r i e s i no r d e rt op r e d i c tt h em a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h ep a c k i n gm o r e p r e c i s e l ya n dd e v e l o pm o r ee f f i c i e n tp a c k i n g ，i t i si m p o r t a n tt oi n v e s t i g a t et h e d e t a i l e df l o wp a t t e r no ft h ef a l l i n gl i q u i df i l mf l o wo nt h es u r f a c eo fs t r u c t u r e d p a c k i n g b a s e d o no u rp r e v i o u sw o r k , f l o wa n dm a s st r a n s f e rb e h a v i o ro f m u l t i b a f f l e df a l l i n gl i q u i df i l mw a si n v e s t i g a t e db yt h e o r y c a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lm e t h o d t h e n ，an o v e ls t r u c t u r e dp a c k i n gw a sd e v e l o p e da n d i t s h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ew a si n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t i nf i r s tp a r to ft h i sp a p e r , l i t e r a t u r e sa b o u ts t r u c t u r e dp a c k i n gp u b l i s h e di nt h e l a s tf e wy e a r sw e r er e v i e w e dt h o r o u g h l y r e c e n t l yd e v e l o p e dk n o w l e d g eo nc f d a n dm a s st r a n s f e rc o n c e r n e df a l l i n gl i q u i df i l mf l o ww e r ea l s oi n t r o d u c e d i nt h es e c o n dp a r t ，t h ef l o wa n dm a s st r a n s f e rb e h a v i o ro ff a l l i n gl i q u i df i l m f l o wo nm u l t i b a f f l e dp l a t ew a si n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y i nt h e e x p e r i m e n t ，t h em a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c eo f t h r e et y p e so fp l a t e s ，i n c l u d i n gs i n g l e s t a i n l e s s - s t e e lp l a t e ，s i n g l es t a i n l e s s s t e e lg r i dp l a t ea n dm u l t i b a f f l e ds t a i n l e s s 。s t e e l g r i dp l a t e ，w a sm e a s u r e db yt h ed e s o r p t i o np r o c e s so fd i l u t es o l u t i o no fi s o p r o p y l a l c o h o lt oa i r c o r r e s p o n d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lw o r k , ac o m p u t a t i o n a lt r a n s p o r t m o d e ld e s c r i b i n gt h ef l o wa n dm a s st r a n s f e rp h e n o m e n aw a sp r o p o s e du s i n gt h e v o l u m eo ff l u i dm e t h o df o rs i m u l a t i n gt h ed e s o r p t i o np r o c e s s t h er e s u l to ft h ec f d s i m u l a t i o nw a sc o i n c i d e n c ew i t he x p e r i m e n t a ld a t a a tt h es a m et i m e t h ei n f l u e n c e o fl i q u i di n l e tc o n c e n t r a t i o n ，l i q u i di n l e tf l u x ，g a si n l e tf l u xa n dt e m p e r a t u r eo nm a s s t r a n s f o rp e r f o r m a n c ew e r ec o n s i d e r e d u s i n gt h ei d e ao f m u l t i - b a f f l e dp l a t e ，an o v e ls t r u c t u r e dp a c k i n gw a sd e v e l o p e d a n das a m p l ep a c k i n gc o r r e s p o n d i n gt om e l l a p a c3 5 0 yw a sm a n u f a c t u r e d t h e h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e o ft h en o v e lp a c k i n gw a si n v e s t i g a t e di na38 4 m m d i a m e t e rc o l u m nw i t ha i r w a t e rs y s t e m t h er a n g eo fl i q u i dl o a da n dg a sf v w e r eo 10 0m 3 ( m 2 h ) a n d0 - 2 6m s ，r e s p e c t i v e l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d t h a tt h ep r e s s u r ed r o po fn o v e lp a c k i n gi sh i g h e rt h a nt h a to ft r a d i t i o n a lp a c k i n g ( m e l l a p a c3 5 0 y ) ，b u tt h el i q u i dh o l d u pi sa l s oh i g h e r ，w h i c hi s i n d i c a t e dt h a tt h e n o v e lp a c k i n gh a sh i g h e rm a s st r a n s f e re f f i c i e n c yt h a nt h a to f t r a d i t i o n a lp a c k i n g k e y w o r d s ： s t r u c t u r e dp a c k i n g ；t w o - p h a s ef l o w ；c o m p u t a t i o n a lm a s s t r a n s f e r ；f a l l i n g l i q u i df i l m ；c f ds i m u l a t i o n 符号说明 英文符号： 啦 唧 彳 c 盔 d a g f x 如 f g g h f h h c h l h o c h e t p k 缸 鼠 托m m 符号说明 有效传质面积，m 2 m 3 填料片比表面积，m 2 m 3 气液接触面积，m 2 摩尔浓度，m o l m 3 计算域等效直径，m 分子扩散系数，m 2 s 液体在节点处的混合因子 气液界面的摩擦系数 单相流过与计算域相同直径管子时的摩擦系数 液相分布壁流因子 动量源项，n m 3 重力加速度，州s 2 沿竖直方向流动的液相流量，m 3 s 持液量，m 3 m 3 填料片或填料盘高度，m 气相气相传质单元高度，m 液相传质单元高度，m 气相总传质单元高度，m 理论板等板高度，m 湍动动能，n m 气相传质系数，m s 液相传质系数，m s 液相总传质系数，m s 理论液相总传质系数，m s 符号说明 ， 三 ，刀 玎 尸 p 4 g q s 鼢 r r e r 甜 w x y 希腊字母 a 占 矿 k p 盯 t l g 9 f 液膜流动长度，m 液相喷淋密度，m 3 ( m 2 h ) 分配系数 法向量， 压力，p a 大气压，p a 单位宽度上的液相流量，r f l 3 ( m s ) 流量，m 3 s 传质源项，k g ( s m 3 ) s h e r w e d 数 传质增强因子 r e y o n d 数 气液接触时间，s 速度，m s 质量分率 液相摩尔分率 气相摩尔分率 体积分率 液膜厚度，m n u s s e l t 液膜厚度，m 相界面曲率 分子粘度，k g ( m s ) 密度，k g m 3 表面张力系数，n m 气液界面剪应力，p a 自由表面相位角，。 传质扩散系数，k g ( m s ) 符号说明 上、下标 a 溶液中的溶质 g 气相 g i n 气相进口 g o u t气相出口 i 相界面 l液相 l i n 液相进口 l o u t液相出口 l g 气液两相 s u r f 液膜表面 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，也不包含为获得苤生态堂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：南夯签字日期：工为了年 6 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕奎盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞苤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： 南毒 导师签名： 签字曰期：洲勺年i 月7 日 签字日期：e l 月 k 歹 石 年 、孑 伽 目舌 月i j吾 精馏是过程工业中重要的单元操作之一，针对精馏等气液传质过程开发新 型、高效规整填料对于过程工业的节能降耗具有重要的意义。 目前，工业中波纹填料由于其大通量、低压降和高分离效率而被广泛应用 于的传质和分离过程。传统的波纹式结构能够为气液两相提供倾斜的流动通道， 但波纹填料用于精馏或吸收等气液传质操作时，液相沿填料表面呈膜状向下流 动，液膜在流动时，大部分液体均沿填料片的波谷流动，即填料表面波谷的液 膜较厚，而波峰及其它表面的液膜覆盖较差，而且当填料对液体的润湿性能较 差时，部分填料表面可能无液体覆盖，降低了气液有效传质面积，造成传质效 率下降。另外当液膜沿填料表面流动时，一般为层流流动，而层流状态的液膜 其表面更新较差，进而影响气液传质效率。此外，由于板波纹填料上气流呈不 对称流动，在流通通道的交叉点处气相之间产生较大摩擦，使压降增大，操作 费用提高。因此，如何通过提高填料表面利用率、减少填料对流体流动阻力， 从而提高填料的传质效率和气液相的处理能力是一个重要的研究方向。 第一章文献综述 1 1 塔设备发展概况 第一章文献综述 1 1 1 塔设备在化工生产中的地位和作用 塔设备1 1 j 作为汽液及液液之间进行传质与传热的重要设备，广泛应用于炼 油、石油化工、精细化工、化肥、农药、医药、环保等行业的物系分离，它可 以使汽液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的，塔设备 涉及蒸( 精) 馏、吸收、解吸及萃取等化工单元操作，除此之外，工业气体的冷却 和回收，气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿，减湿 等。 在化工厂，炼油厂和制药厂等厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品产 量，质量生产能力和消耗定额，以及在三废处理和环境保护等各个方面，都有 重大影响i2 | 。 通过对石化等行业装置设备投资比例统计，塔器投资均占1 5 以上，有的 高达7 5 ，通过以上各方面不难看出塔设备在化工生产中的重要地位和作用，因 此对塔设备的研究也一直是国内外各界所普遍关注的重要议题【3 1 。 1 1 2 塔设备的类型和发展现状 作为气液传质设备的塔器按其结构可分为两大类：板式塔和填料塔。两类 塔设备的内件分别是塔板和填料，两者具有不同的两相流动和气液接触特点。 塔板的主要特征为气液两相在板面上以气体鼓泡和液体喷射状态完成气液 接触，传质和传热有明显的“级”式过程。而填料中的气液两相接触主要发生在 填料表面，使传质、传热过程以“微分”式连续进俐4 1 。 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，持液量较大，但由于结构简 单，造价较低，适应性强，易于放大等特点，因而在7 0 年代以前的很长一段时 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性能源 危机促使填料塔技术在近4 0 年来取得了长足的进展。由于性能优良的新型填料 1 5 】相继问世，特别是规整填料及新型塔内件的不断开发应用和基础理论研究的 不断深入，使填料塔的放大技术有了新的突破，改变了以板式塔为主的局面， 2 第一章文献综述 尤其是最近十多年以来在蒸馏装置方面应用上气液接触的填料塔逐步取代了板 式塔而不断涌现的规整填科由于其低压降下的高传质效率而倍受青睐嘲。在 我国，随着石油化工、炼油、精细化工、化肥、农药、医药、环保等行业的不 断发展，传质分离工程学的研究日益深 ，使填料塔技术及其应用进入了一个 崭新的时期，其工业应用已与发展中国家并驾齐驱，进 世界先进行列。同样 对于作为填料塔重要组成部分填料技术的研发改进工作也受到了越来越多的关 注明。 1 2 填料的研究进展 12 1 填料的发展 填科例是填科塔的核心构件，它提供了气液两相接触传质与换热的表面， 与塔内件一起决定了填斜塔的性能。目前，填料的开发与应用仍是沿着散装填 料与规整填料两个方向进行【9 最初的散装填辩可追溯到使用焦炭、瓦砾、卵石等无定形的原始阶段。在 本世纪初拉西环的出现标志着填料塔技术的开发进入了科学轨道。散装填料种 类很多，但以环形和鞍形为主，各种填料都是基于这两种形式的改进和发展 ，如图1 1 所示。 表i - 1 散装填料的分类 j哈埃派克环i 隔板环1鲍尔环l 阶梯 卜 拉西环 i 比阿雷菠基环 环 鞋环类 短拉西环 鞍形类马鞍形矩鞍形改进矩鞍形 表1 0 常见散堆填料及其特点 散堆填料 实物圈 性能及其特点 对弧鞍形环的改进，主要区别在于将一对弧 形面改为矩形面且内外曲率半径不同，从矩鞍环 l ( i n n l o xs a d m e ) 而避免了窖易叠套的缺陷，使床层孔琼宰均 第一章文献综述 匀。改善了液体分布性能与拉西环相比液泛 点高，压降和传质单元高度较低。 吸取拉西环的优点又对鲍尔环进行改进，即 阶梯环 墨 环的高径比仅为鲍尔环的一半，关在环的一 ( c a s c a d em h l 端增加了锥形翻边。这样减少了气体通量， r i n g ) 填料的强度也提高了由于结构特点，使气 液分布均匀。 谚填科提取了环形和鞍形填料的优点，采用 共轭曲线肋片结构，两端外卷边及台适的长 共轭环 径比，填料阃或填料与塔壁间均为点接触 ( c o n j u g a t er m 曲 不会产生叠套。孔隙均匀、阻力小，乱堆时 取定向排列，故有规整填料豹特点。有较好 的流体力学和传质性能。 在矩鞍环上的改进。将记扇形面改为带锯齿 罗 边的贝壳状弧形面并增加开孔使填料内外 异鞍环 幽 表面沟通、增加流体的自由迅道，有利于液 ( s u p e r i n t a o x ) 体分布和表面更新。所以它的处理能力高， 压降小传质性能有所改善。 短阶梯环 、摹参 阶梯环的变种高径比为i3 成为短环填 ( s c m r ) 雕 科，进一步改善传质性能。 英特派克 彩 用金属薄片冲成略带弧形的内外弯片，结构 简单，强度高。是用于工业中的一种压降低， f l a t a l o xs a d d k l 高教填料。 将塑辩细条弯成一定直径的螺旋圈然后盘 花环填料 羹 成花环状在外圆环围之以增加环的刚性。与 拉西环相比，其压降和传质单元高度较低， 泛点高，堆积重量十分轻。 啥埃派克 鲺 对金属鲍尔环上的单舌片窗孔必为由上 下两对开舌片组成窗孔，从而使通量更大 m y - p a c ) 压降更低。处理能力比鲍尔环高出l o 咀 第一章文献综述 上，改善了环内气液分布，提高了传质效率。 十字隔环对勒辛环的改进类似的耳内添加隔板方式 ( c r o s s r h l 由 通常用于整砌式作第一层支撑小填料用，压 降相对较低，沟流和壁流较少。 拉西环的衍生物，在不中增加一隔板，以增 动辛环 大填料的比表面积，与拉西环无本质区别 ( l e s s i “gr i n g ) 常用于塔内整砌堆积。 将鲍尔环的矩形开孔相互倒置。开孔舌上下 比阿喾茨基环两层方向相反伸向环中心形成开口锥体 ( b i a l e c k ir m 曲 并聚于环中心。有良好的液体分布性能持 液量较小。 瓷管 口 用于备液体过滤，废承、废气处理。 过滤瓷砂 辫 主要用于环保、污水处理行业的过滤， 拉西环 篮l 填料环的外径与高度相等，结构简单、价廉。 限a h i g r i r i g ) 填料在塔内呈相互措接，形成连锁结构的弧 贝尔鞍环 一、 形气道，有利于气液流均匀分布。并减少阻 r b o r is a d m e l、“ 力。与拉西环相比之性能较好，但易叠套 己7 在叠紧址易造成沟流i 馥泛点高。在床层中 比拉西环易破碎。 在拉西环上作大改进，虽熬环外径也是等 鲍尔环 高，但环肇上开出两排带有内伸舌片。这种 结构改善了气液分布，充分利用丁环的内表 ( p a n r i n g ) 面。与拉西环相比处理量可大5 0 。, 以上 而压降低5 0 。 双弧环结台了开孔环形填料和矩鞍形填料的优点 ( i n t e r i c c , k s )开发出的新型填料，即将矩鞍环的实体变为 第一章文献综述 两面三刀条环形筋，而鞍形内侧成为有两个 仲向中央的舌片韵开孔环，因为填料层内滞 渡死区，选种结构有利用液体分布和增加了 气体通道。 托普派克 简体壁面开竖条窗孔冲出条形舌片上下交 错伸向环中心，井将筒体压成环面形，使填 ( t o p o p a k )料堆积时呈点接触，井充分利用环的内外表 面，有利甩气 裹接触和流体的忙枭和分散。 保持鞍形主体，但改翅片板为锥体开孔圆 筒，儿而结台了鞍与开孔环形填料的优点，海尔环 k 兰纠 适用于气体吸收、洗涤及化肥生产。由塑料( h e i l e xp a c k i 曲 制成 多面空心球 尸r弋 由塑料制成的两个半球合成一球形每个半 球由若干个半扇形叶片组成，上下叶片相互 ( h 扯k 叫) ki 错开捧列。比其它球形填科比表面积大。 在规整填料大量应用之前，主要有散装填料在低压分离中弥补塔板的不足， 即使在规整填料发展的初期，它也因价格优势而广泛应用。但随着规整填料【i 2 i 的发展和价格的不断降低，在大多数蒸馏应用中散装填料应用逐渐减少。然 而，当需要塑料或陶瓷材质做塔内件时，散装填料还是首选，此外，对于分离 要求不太高而叉需要大量填充体积时，仍以散装填料较为经济，此时可以充分 发挥其单位体积价格低的优点。 在散装填科发展的同时出现了规整填料【】。6 0 年代咀来，生产规模大型化 要求具有太通量，能改善液体均匀分布，以提高分离效率1 1 4 1 及克服放大效应， 降低填料层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。规整填料在整个塔截面上，几何形状规到、 对称、均匀、它规定了气液流路，改善了沟流和壁流现象，压降可以很小。在 相同的能量和压降下，与散装填料相比，可以安捧更大表面积，因此效率高1 1 q 。 由于其结构的规整性，合理的设计可以做到几乎无放大效应，经过短短的几十 年已经形成了比较完整的规整填料系列m j 。规整填科按结构特点可分类如表 卜3 。 第一章文献综述 表1 3 规整填料的分类 规整填料 波纹型1 目非波纹型 垂直波纹型水平波纹型栅格型板片型绕圈型 网状 金属丝网 塑料丝网斯普霄帕克睚延金属板填 格旦奇栅格古德洛填料 网板 ( s p r a y 阻k ) 海波费尔填料 板状：帕纳帕克多孔金属板填 ( h y 脚i ) 等 金属孔板 料等 塑料孔扳 陶瓷孔板 表】4 常见规整填料及其特点 规整填科 实物围性能及特点 从结构上看是由多块波纹陶瓷片相互沿 波纹方向9 0 度角烧结在一起。每块波纹 片上都开有小孔。有通量大、阻力小、效 率高、耐腐蚀、耐高温( 可选1 0 0 0 摄氏 陶瓷波纹填料 f 一 度以上) 、操作弹性太、放大效应不明显 等优点。特别适用于高温及腐蚀性介质的 ( c m a m i cg m e 矾c 分离过程，操作压力在ol - - 5 0 0 1 g d a 之问， 瑚c k i g ) 应用散果良好。卣化有机化台物的精馏； 对压降和理论板敦有严格要求的腐蚀性 混合物的精馏、吸收等过程：硫酸吸收、 硝酸提浓及化肥厂气体挣化等含有大量 酸性介质的塔中。 第一章文献综述 由几股金属丝织成管子状再压成般层金 属网带，井轧成波纹与轴6 0 度。然后将 金属丝波纹填料 两根金属网带的波纹方向交叉放在一起， ( s u l z e r g a u z e 卷成圆形盘状填料。效率高雁降低。等 p a c k i n g ) 扳高度低，用于太小型塔的蒸馏、吸收、 扰涤和萃取过程。 豳 这种填料由压成波纹的阿片排列而成。波 纹方向相反，且波纹片上开有小孔。在塔 金属孔板波纹填料 内填装时，上下两盘交错9 0 度叠放。常 ( m e l t a p a l e ) 圈圈 用于难分离和热敏性物系的真空精馏、常 压精馏和吸收过程。 盘属压延孔板波纹 再把刺孔扳压成波纹板片组装而成规整 填料 将金属薄板先辗压出密度很高的小剌孔， 填丰斗。由于表面特殊的剌孔结构而提高了 ( p i c e r c i n gb o l e 填料的润湿性能，并能保持金属丝网波纹 m e l l a p e l e ) 填料的性能。 金属硝孔波纹填料 蚤 在金属片上冲出菱形徽孔同时拉伸成阿 板，兼有丝网和孔板波纹填料的优点。 12 2 填料的特性 填料的几何特性| 1 w 数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价 填料性能口i 的基本参数。 ( 1 ) 比表面积单位体积填料的填料表面积称为比表面积，以a 表示，其 单位为2 抽3 。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。因此，比表 面积是评价填料性能优劣的一个重要指标。 ( 2 ) 空隙率单位体积填料中的字隙体积称为空隙率以p 表示，其单 位为m 3 ，或以表示。填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。 因此，空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。 ( 3 ) 填料因子填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即a l e3 称为填 料因子口”，以，表示，其单位为i l m 。填料因子分为干填料因子与湿填料因子， 填料未被液体润湿时的n k3 称为干填料因子。它反映填料的几何特性；填料被 第一章文献综述 液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，a 和e 均发生相应的变化，此时的a e 3 称为湿填料因子，它表示填料的流体力学性能，厂值越小，表明流动阻力越小。 1 2 3 填料的选择与评价 随着各类填料的不断涌现，各自拥有其不同的优势特点，因而在工业生产 过程中选择合适的塔填料对整个生产过程具有非常重大的意义，在其选择过程 中应根据生产工艺技术的要求进行选择【1 7 1 ，一般要综合考虑下列因素：生产能 力、分离效率、操作弹性、成本和压力降，尚需考虑物料的腐蚀性、工作温度、 填料的制造和来源等，同时对性能相近的填料应根据他们的特点进行技术、经 济评价，使所选用的填料既能满足生产要求，又能使设备的投资和操作费用最 低或较低。 评价填料通常是根据效率、通量及压降三要素衡量。对于精馏塔，也常 用在不超过允许压降下各种填料的分离能力s ( s = m 木f ) 来衡量填料的性能， 但填料的分离能力s 并不能代表填料的经济性，为此b i l l e t 引入了单位分离能 力的填料重量( w ) 及单位分离能力的填料比表面积( 口) 的概念评价填料的 性能。 w = 晰i v , 幸刁( 1 1 ) 口= 0 1 ( i v , 木刀( 1 2 ) w 单位分离能力的填料重量堙1 2 m - 1 s j 形填料密度k g m 3 m 每米填料的理论板数m o f 二动能因子m s ( k g m 3 ) n 5 a 单位分离能力的填料比表面积m s k g - 加 口填料的比表面积m 2 m 3 通过图1 1 可以看出，规整填料与散装填料相比，分离能力【2 2 】大，单位分 离能力的填料重量小，这说明采用规整填料比散装填料经济。但规整填料的单 位分离能力的比表面积并不比散装填料小，但是由于规整填料可以用薄板材从 而合理的利用了材料，比表面积比散装填料要大。 9 第一章文献综述 w 填料的比表面积口( m 2 m 3 ) 图1 - 1 鲍尔环填料与m e l l a p a k 填料的性能比较 f i g1 - 1c o m p a r i s o nw i t hp a l lp a c k i n ga n dt h em e l l a p a k - 以上也只是对填料的部分性能进行了简单的比较，填料的选择还需要根据 具体情况而定，有时在塔中不同的位置采用多种不同规格的填料，有时还应考 虑分离过程及分离对象的特点。总之在最终决定之前，综合考虑各种因素是很 重要的。 1 3 填料塔的流体力学与传质研究现状 1 3 1 填料塔的流体力学性能研究 在气液或液液呈逆流流动的填料塔内，流体连续通过填料层的流动状况， 虽因填料的结构形状不同、装填状况不同、流体的物性不同而有千差万别，但 其基本规律仍然是相同的。 填料塔的流体力学性能主要包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、 填料表面的润湿及返混等。 1 3 1 1 填料层的持液量 填料层的持液量【2 3 】是指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的 液体体积，以沏3 液体) ( 朋3 填料) 表示。持液量可分为静持液量胁、动持液量 h o 和总持液量胁。静持液量是指当填料被充分润湿后，停止气液两相进料， l o 第一章文献综述 并经排液至无滴液流出时存留于填料层中的液体量，其取决于填料和流体的特 性，与气液负荷无关。动持液量是指填料塔停止气液两相进料时流出的液体量， 它与填料、液体特性及气液负荷有关。总持液量是指在一定操作条件下存留于 填料层中的液体总量。显然，总持液量为静持液量和动持液量之和，即 h t = h s + h t( 1 3 ) 填料层的持液量可由实验测出，也可由经验公式计算。一般来说，适当的 持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益的，但持液量过大，将减少填料层 的空隙和气相流通截面，使压降增大，处理能力下降。 通过测定不同气速，液速下的持液量，可以了解其随气速，液速改变的变化 趋势，还可以测定液泛时的持液量( 最大持液量) ，以选择适宜的操作条件。 1 3 1 2 填料层的压降 在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成 膜状向下流动，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降【2 4 1 。在气 液连续呈逆流流动的填料层内，气液连续的流动状况，基本上可以用气体通过 填料床层所产生的压降随气体流速的变化关系进行描述。填料层压降与液体喷 淋量及气速有关，在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；在一定的液 体喷淋量下，气速越大，压降也越大。将不同液体喷淋量下的单位填料层的压 降厶p z 与空塔气速u 的关系标绘在对数坐标纸上，可得到如下图所示的曲线 簇。 在图1 2 中，直线0 表示无液体喷淋( 上= 0 ) 时，干填料的厶尸z “关系， 称为干填料压降线。曲线l 、2 、3 表示不同液体喷淋量下，填料层的z a p z - u 关系，称为填料操作压降线。 图中可看出，在一定的喷淋量下，压斛2 5 】随空塔气速的变化曲线大致可分 为三段：当气速低于a 点时，气体流动对液膜的曳力很小，液体流动不受气流 的影响，填料表面上覆盖的液膜厚度基本不变，因而填料层的持液量不变，该 区域称为恒持液量区。此时厶尸z 材为一直线，位于干填料压降线的左侧，且 基本上与干填料压降线平行。当气速超过a 点时，气体对液膜的曳力较大，对 液膜流动产生阻滞作用，使液膜增厚，填料层的持液量随气速的增加而增大， 此现象称为拦液。开始发生拦液现象时的空塔气速称为载点气速，曲线上的转 折点a ，称为载点。若气速继续增大，到达图中b 点时，由于液体不能顺利向 下流动，使填料层的持液量不断增大，填料层内几乎充满液体。气速增加很小 便会引起压降的剧增，此现象称为液泛，开始发生液泛现象时的气速称为泛点 第一章文献综述 气速，以即表示，曲线上的点b ，称为泛点。从载点到泛点的区域称为载液区， 泛点以上的区域称为液泛区。 0 “ 图1 2 填料层的a p z u 关系 f i g 1 - 2r e l a t i o nb e t w e e na p z u 应予指出，在同样的气液负荷下，不同填料的a p z - 一u 关系曲线有所差异， 但其基本形状相近。对于某些填料，载点与泛点并不明显，故上述三个区域间 无截然的界限。 1 3 1 3 液泛 在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连 续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量 带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至会被破坏，此种情况称为淹塔或液泛【2 6 1 。 影响液泛的因素很多，如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等。 1 3 1 4 液体喷淋密度和填料表面的润湿性能 填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形 成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的 液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能【2 7 1 。 液体喷淋密度是指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，以上表 示，单位为m 3 ( m 2 j 1 ) 。为保证填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋密度大 于某一极限值，该极限值称为最小喷淋密度，以三m i 。表示。实际操作时采用的 液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小，可采用增大回流比或采 用液体再循环的方法加大液体流量，以保证填料表面的充分润湿：也可采用减 小塔径予以补偿；对于金属、塑料材质的填料，可采用表面处理方法，改善其 表面的润湿性能。 1 2 第一章文献综述 1 3 1 5 返混 在填料塔内，气液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态，而是存在着不同 程度的返混1 2 8 】。造成返混现象的原因很多，如：填料层内的气液分布不均；气 体和液体在填料层内的沟流：液体喷淋密度过大时所造成的气体局部向下运动； 塔内气液的湍流脉动使气液微团停留时间不一致等。填料塔内流体的返混使得 传质平均推动力变小，传质效率降低。因此，按理想的活塞流设计的填料层高 度，因返混的影响需适当加高，以保证预期的分离效果。 但在实际生产过程中，对于各种不同类型、不同尺寸的填料的泛点气速及 填料层的气速压降等数据仍需实测，其具有一定的随机性和不稳定性，对填料 塔内的气液流动过程的认识和分析还有待于进一步通过各种手段和实验方法进 行不断发展和完善。 1 3 2 填料塔内传质性能研究状况 填料塔内气液相流动的过程同时也是一个传质分离的过程，在这一过程中， 物质靠扩散由一相穿过界面传向另外一相，因此构成相际间传质过程，达到使 均相混合物分离的目的。 物质由一相穿过界面向另一相的传递过程，既与两相流体间的流动状况有 关，又与流体的物理化学性质及相际之间的平衡关系有关，所以这是一个复杂 的过程。现在虽然已发展出许多有关传质【2 9 】过程的理论力图能更加完善地解 释一些复杂的传质现象，但在填料塔内，由于在填料表面能够形成具有较为固 定的相界面，两相流体的流动速度不高湍动程度亦不大，所以应用双膜理论 来解释填料塔内的传质过程，仍不失为一个较为理想的理论基础。 双膜理论是在本世纪2 0 年代初惠特曼( 形z w h i t m a n ) 通过研究气液两相 之间的吸收过程提出的描述在吸收过程中气液两相之间传质【3 0 】过程的理论。双 膜理的过程描述如图1 3 ，它包含以下几点基本假设： 相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面，在相界面两侧各有一层很 薄的虚拟停滞膜层，吸收质以分子扩散的方式通过两个膜层，由气相主体 进入液相主体。 在相界面处，气液两相达到平衡，在界面上不存在有传质的阻力。 在停滞膜以外的气液两相主体中，由于流体充分湍动，认为物质的浓度是均 匀的。 第一章文献综述 。c 檑 气啵界嘶 一、l 忙 i v ， - r 气瑛箍膜 蒴 兰体 c 1 飞 。k 1 一 1 产。t l i i z 6 一 f z l j i i 一 一 ! 一 一l 腹方忙j 相棒 图1 3 双膜理论物理模型图 f i g 1 - 3p h y s i c a lm o d e lo f t h et w of i l mt h e o r y 以双膜理论为基础，为了解决难于测定的界面浓度，可以采用两相主体浓 度的某种差值来表示总推动力，也可写出一组传质速率方程。在此方程中传质 系数改用总传质系数表示，写作k 总系数的倒数即为两相间传质的总阻力， 总阻力应是两个膜层传质阻力之和。 通过传质速率方程描述了气液两相之间的传质速率数学模型，为填料塔中 的传质过程的研究提供了参考，我们在实际应用过程中应根据不同的条件进行 选择性的使用。 以上是对填料表面的气液相流动过程以及填料塔传质分离【3 1 】过程的理论分 析，这些理论知识会帮助我们在实际生产过程中进一步了解分析和掌握各类填 料的性能及特点。 1 4 降膜流动的研究进展 1 4 1 降膜流动的实验测试方法 液膜流动的测量方法主要分为：接触式测量和非接触式测量( 表1 5 ) 。这些 测试手段各有优缺点。接触式测量技术发展比较成熟，测试成本相对较低，但 大都需要探头与测量液体直接接触。由于液膜很薄，既使非常细小的探头也会 破坏原有的液膜流动形式。上世纪六七十年代发展起来的各种非接触式流动显 1 4 第一章文献综述 示技术在液膜流场测量方面有很多应用。这些非接触式测量技术采用光学法、 示踪剂染色法、示踪粒子法等手段获得流场信息，对流场不产生或产生较小干 扰，因而能够获得较为准确的流场信息。 表1 - 5 液膜流动的测量方法 t a l b e1 - 5m e a s u r e m e n t a lm e t h o d sf o rl i q u i df i l mf l o w 鉴于非接触式测量方法的各种优越性，越来越多的学者倾向于采用这种方 法测量液膜内的流场分布。虽然非接触式测量方法对流场干扰不大，但由于需 要向流场中加入一些示踪粒子或示踪剂，于是带来微粒浓度、微粒跟随性和微 粒散射光清晰度等一系列问题；非接触式流动显示技术直接测量得到的是一些 杂乱无章的粒子图像或电信号，如何从这些无序的信号中找到有用的流场信息 是流动显示技术应用的关键所在。另外，新型流动显示技术的设备昂贵，且只 适于测量结构简单的实验室设备中的流场分布，不易实现复杂设备内的流场测 量。这些问题都制约着流动显示技术的广泛应用，相信随着这些问题的解决， 非接触式流动显示技术在测量诸如液膜流动、气泡运动等多相流问题方面的应 用会越来越有优势。 1 4 2 液膜流动的数值模拟方法 由于液膜流动自由边界的不确定性，使得数值模拟存在很大的困难。其难 点是如何将自由界面离散化，如何准确地追踪到自由界面随时间的变化，以及 如何在变化的自由界面上加边界条件等。针对这些数值模拟难点，人们提出了 以下几种自由边界的处理方法： 1 4 2 1 液膜厚度方程法( h e i g h tf u n c t i o n ) 自由边界最简便的定义方法是，给出从自由边界到某条参考线的距离随参 考线位置变化的函数。例如，在一个单元宽度为6 x ，高度为6 y 的矩形网格上， 定义h 为自由边界到每列单元最底端边界网格的垂直距离。可通过一系列的离 第一章文献综述 散x 值得到h 的一条曲线h = f ( x ，t ) 。这种定义方法使用起来非常方便，只需一维 存储列来记录自由表面的高度值。同样，自由表面的发展方程也只需进行一维 列的更新。流体自由界面随时间的发展方程用下式表示： 锄a 办 + “= u a tc o x ( 1 - 4 ) 值得注意的是方程( 1 - 4 ) 在水平方向采用欧拉处理法，在垂直方向( 近似的 界面法向方向) 采用拉格朗日处理法，求解采用有限差分法。 由于液膜厚度方程法形式简单，易于实现数值求解，因此许多学者【妊5 3 】采 用这种方法来描述液膜流动的界面波动。但是，当边界斜率d h d x 超过单元网 格的纵横比6y 6x 时，这种方法不适用，而且对多面值问题，该方法完全不 可行。这些问题严重地限制了液膜厚度方程法的广泛应用，因为许多简单的形 状，如气泡或液滴，都属于多面值问题。 1 4 2 2 线段法( l i n es e g m e n t s ) 将液膜厚度方程法推广，用线段或线段所连接的点序列来表示液膜自由表 面，称之为线段法。这种方法需要存储每个点的坐标，为了保证精度，两点间 距离必须小于网格尺寸的最小值。该方法没有单值面限制，但需要大量存储空 间。 线段序列随时间的发展很容易获得，只需考虑局部流速移动距离的序列即 可，局部流速根据点周围网格的速度采用内差法确定。从这个意义上说，线段 法类似于拉格朗日网格线，只是该方法更加灵活，因为根据最优精度的需要可 以随意增减一些有序线段，而不会出现任何逻辑问题。 线段法也有其致命缺点，就是当处理两个交叉面，或一个重叠面时，线段 序列可能因为一些序列的增减而需要重新排列。如果能预知面的交叉规律，那 么线段重列过程毫无问题，但预测面如何交叉以及确定如何重新排列并非易事。 同样，将线段法扩展到三维面上也不容易实现。