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复合塔板传质敛率模型摘要 摘要 l 复合塔板是一种新型的塔板，它是由一层舰整填料紧贴在穿流筛板下面组 成。、，一7 j 本文在3 0 0 2 0 0 r a m 的方塔中，以空气水为物系，在常压条件下，测定了不 同结构参数的穿流筛板和2 5 0 y 型规整板波填料组成的各种复合塔板在传质过程 中泡沫区的气液接触比表面积a 的值；并且运用因此分析方法建立了a 有关于 r e 、耽、乃等无因次准数的数学模型，用该模型计算得到的a 值与试验测得值 的平均标准偏差为9 1 。研究结果表明：气液接触比表面积a 与气液的密度、 粘度、表面张力等物性参数和穿流筛板的孔径、丌i l 率等结构参数密切相关，密 度对其影响最大。 复合塔板的传质主要集中在液膜区和泡沫区。本文推导得到了这两个区域的 传质效率模型和复合塔板总传质效率的墼堂枣达式。根据在内径3 0 0 加脚的塔内， 以酒精一水为物系，常压、全回流条件下测得的不同结构参数( 开孔率和孔径) 的穿流筛板和规整板波填料复合而成的复合塔板的传质性能数据，对液膜区和泡 沫区的传质效率进行了试算，8 0 个实验值中的8 5 以上的数值与模型值的偏差 在1 5 以内。研究结果表明：( 1 ) 复合塔板结构参数相同的情况下，泡沫区的 传质效率随着空塔动能因子f 的增大而增大；( 2 ) 复合塔板结构参数相同的情况 下，液膜区的传质效率随着空塔动能因子f 的增大而减小；( 3 ) 复合塔板结构参 数相同的情况下，复合塔板的总传质效率随着空塔动能因子f 的增大而增大： ( 4 ) 穿流筛板结构参数和空塔动能因子f 相同的情况下，复合塔板的总传质效 率随着填料层高度的增大而增大。 关键词：复合塔板；传质效率；模型 r 、一产 浙江t 业人学硕i ：学位论文 易 堡垒堕堡堡堕塾登堡型 垒! ! ! 坠! ! a b s t r a c t c o m p o u n dt r a y i sa h i g h e f f i c i e n t g a s l i q u i d c o n t a c t o rw h i c hh a s r e c e n t l yb e e nd e v e l o p e d t h ec o m p o u n dt r a yr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri s c o m p o s e do f ad u a l f l o wt r a ya n das t r u c t u r e dp a c k i n g ，t h el a t t e ri sf i x e d d i r e c t l yu n d e r t h e t r a y w i t ha c o m p u t e ri n t e l l i g e n t i d e n t i f i c a t i o n s y s t e m , t h e i n t e r f a c i a l a r e a s ( a ，m 2 m 3 ) o fv a p o r l i q u i di nc o m p o u n dt r a y sa r ee x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e di na 3 0 0 x2 0 0 r a md i s t i l l a t i o nc o l u m n u s i n ga i r - w a t e rs y s t e m s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tai sas t r o n gf u n c t i o no ft h eo p e nh o l ea r e aa n d t h ed i a m e t e ro fh o l ei nd u a l - f l o wt r a y , v a p o r l i q u i dl o a d ，v a p o r l i q u i d p r o p e r t i e ss u c h a sd e n s i t y 、s u r f a c et e n s i o na n d v i s c o s i t y am a t h e m a t i c a l m o d e li sd e v e l o p e dt op r e d i c ta t h ep r e d i c t i o ni sf o u n dt oa g r e ew i t ht h e m e a s u r e dd a t aw i t ha na v e r a g er e l a t i v ee r r o ro f9 1 b a s e do nm a s s t r a n s f e re f f i c i e n c y m o d e l s p r o p o s e d f o rd u a l f l o wt r a y a n ds t r u c t u r e dp a c k i n g ，m a s st r a n s f e re f f i c i e n c ym o d e l sa r ed e v e l o p e dt o p r e d i c t t h et r a n s f e re f f i c i e n c i e sb o t hi np a c k i n gr e g i o na n di nf r o t hr e g i o n f o rc o m p o u n dt r a y e v e n t u a l l y , ac o m p r e h e n s i v em o d e li sp r o p o s e dt o p r e d i c to v e r a l le f f i c i e n c yf o rt h ec o m p o u n dt r a y 8 5 o f t h ep r e d i c t e d e f f i c i e n c i e sf o rc o m p o u n dt r a y a g r e ew i t hm e a s u r e dv a l u e sw i t h i n 1 5 k e y w o r d s ：c o m p o u n dt r a y , m a s st r a n s f e re f f i c i e n c y , m o d e l , c o m p u t e r 浙江工业大学硕士学位论文 复合塔板传质效率模型 第一章：前言 第一章前言 在工业生产中，气液传质的设备主要有板式塔和填料塔两大类。自1 8 1 3 年 c e l l i e r 提出泡罩塔至今1 8 0 多年间，塔设备得到了很大的发展和应用。期间跨 越了四个里程碑，即：食品和医药生产阶段、能量( 煤油) 生产阶段、石油化 工生产阶段和节能要求阶段。在过去的几十年间，板式塔和填料塔的发展速度 各有快慢。7 0 年代以前，塔板的研究、开发和应用均处于优势；7 0 年代以后， 由于i n t a l o x 金属环矩鞍乱堆填料和金属规整板波填料的开发应用，使填料和塔 板处于平行发展的阶段。进入8 0 年代后，由于板波填料和气液分布技术的同益 成熟，放大效应也基本上得到克服，适应了大型塔器节省能耗、提高效率的要 求，使填料塔的开发研究速度明显快于板式塔。因此，在许多老塔改造中，板 式塔不断被填料塔所取代，并取得显著效果。 填料塔虽然具有效率高、压降小、持液量小等优点，但是填料塔( 尤其是 高效规整填料) 的投资远远高于板式塔，而且填料塔存在着液体分布不均匀、 中高压操作的传质性能较差及壁流等问题，其应用受到一定程度的限制。而板 式塔具有结构简单、适应性强、易于放大、造价较低等特点。因此板式塔和填 料塔各有长短，它们必将在各自适用的范围内发挥各自的优势，致力克服不足 之处，它们将会长期存在、共同发展。 本论文所要研究的复合塔板是将规整板波填料紧贴在穿流筛板下面构成的 一种新型塔板。它在一定程度上发挥了塔板与填料各自的优势，使气液接触达 到较理想的状态，设备投资却比填料塔低得多。 复合塔板上气液两相流动状态十分复杂，浙江工业大学已就复合塔板的流 体力学性能和传质性能与机理作了大量的研究。研究结果表明：复合塔板雾沫 央带极小，气液两相分布均匀，传质性能良好；选择高的穿流筛板开孔率有利 于塔板的稳定操作：适宜的填料高度可获得较高的板效；塔板上液膜区、泡沫 区、淋降区三区中，液膜区的h e t p 为泡沫区的l 2 左右，为淋降区的1 1 0 左 右，复合塔板板效可高达1 3 0 ，与高效填料相当，远高于常用塔板。在实际工 业中，复合塔板也已取得了良好的效果。 我们已经知道影响复合塔板传质效率主要出操作条件( 温度、压力和气液 两相流量) 、复合塔的结构参数( 塔径、板间距、穿流筛板的孔径和丌孔率等) 浙江t 业大学硕i 学位论文 复_ 合塔板传质效率模型第一章：前言 和系统的物性( 气液两相密度、粘度和扩散系数等) 决定。但是由于各因素对 传质效率影响太复杂，截止目前为止，针对复合塔板传质效率模型的研究较少。 在实际工业应用中缺乏一个可靠的效率模型对传质效率进行定量计算，这就给 工业设计带来了很大的不便。 本文重点是对复合塔板的穿质性能进行研究，在有关穿流筛板和规整板波 填料传质效率模型研究的基础上，建立复合塔板传质效率模型，并对该模型计 算得到的传质效率模型值与通过实验得到的实验值进行比较；对于泡沫区中气 液接触比表面积a 的正确测定这一研究难点，采用了与信息工程学院联合丌发 的人工智能辩识系统进行拍摄，统计，根据得到的数据建立关于复合塔板传质 过程中气液接触比表面积a 的数学模型；本文中为了正确描述塔板上的实际穿 孔气速和液速对于传质效率的影响，考虑了复合塔板在传质过程的气通率r 。和 液通率r 被。 本论文是省自然科学基金项目的一部分。 浙江t 业大学硕士学位论文 、 复合塔板传质效率模型 第二章：文献综述 第二章文献综述 2 1 板式塔的发展概况 板式塔是逐级接触型的气液传质设备，气相通过塔板时，穿越板上的液层 进行传质过程。板式塔的空塔速度比填料塔高，因而生产能力大，但压降较高。 板式塔在工业上最早使用的是泡罩塔( 1 8 1 3 ) 和筛板塔( 1 8 3 0 ) ，发展到现 在，已具有成熟的工业设计与操作经验。二十世纪中期，各种浮阀塔板蓬勃发 展。1 9 5 1 年，美国p h i l i p s 石油公司创造了n u t t e r 条形浮阀塔板以后，相继出现 了a 型和t 型圆盘型浮阀塔板、重盘式浮阀塔板等等。其特点是浮阀能随气 速变化而上下移动，因此具有较高操作弹性，在生产上很快得到应用推广。与 此同时，喷射型塔板因其气速高，通量大，压降低也日益得到发展，被认为是 颇具发展前途的板型。 在近四十年里，塔板是按泡罩、筛孔和浮阀三种基本类型发展起来的。一 些新开发的塔板，如l i n d e 塔板、m d 塔板、斜孔塔板、角钢塔板等，大多数是 这三种塔板的改进型，它们均具有气体分散相的特点。真正具有创新的是本世 纪6 0 年代推出的一些液体分散相塔板，如德国的p e r f o r m 塔板和日本的新垂直 筛板( n e wv s t 塔板) 等高气速塔板以及70 年代推出的液体并流型塔板，如 美国m c c a n 公司发明的p a r a s t i l l a t i o n 塔板【2 1 它们的出现是塔器发展的重大 进步。出于其较多的考虑了节能要求p l 【4 l ，因此一问世就普遍受到关注。到了 八十年代，这一趋势更加明显，节能、高效和优质成为发展塔器的总要求，国 内外相继出现了一大批高效、大通量、节能型塔板，如蒸汽多股流并流塔板l 、 s c r e e n 塔板” 、g 1 i t s e h 公司的n y e 塔板”1 和s u p e r f a c e 塔板、k o c h 公司的 u 1 t r a - f r a c 塔板和m a x f r a c 塔板、n u t t e r 公司的m v g 塔板哺 、u o p 公司的e c i * d 塔板以及我国的d j 塔板阳 【i “等等。 以上介绍的塔板都设有降液管，汽液成错流流动。在塔器的应用中还有一 类汽液成逆流流动的不设降液管的塔板，如穿流筛板、栅板、逆流浮阀，这 类塔板结构较为简单、造价较低、通量大、清洗方便，在适宜操作条件下效率 也较高，理应受到人们的欢迎，但由于其操作弹性小，并且随着气速的增加， 塔板上清液层高度不均匀程度增加，因而应用范围受到限制。针对这一缺陷， 国内外相继出现了波纹穿流筛板、双孔径穿流筛板、非均匀开空率穿流筛板、 浮阀型穿流筛板、升举穿流筛板等塔板来改善其操作特性。特别是我校徐祟嗣 教授等1 研制的复合塔板，在穿流筛板的下面悬挂一层规整填料，改善了气 液分布，更好地利用了塔内空间，在较大的气速范围内，塔板上也能达到稳定 操作，从而提高了塔板效率。 塔板的结构在一定程度上决定了操作时的流体力学状态和传质性能，具体 体现在：( 1 ) 塔板的处理能力；( 2 ) 塔板的效率；( 3 ) 操作弹性；( 4 ) 塔 板压降；( 5 ) 造价：( 6 ) 操作是否方便、设计是否成熟。要满足所有这 些要求是非常困难的，因此选择板型时需要考虑其主要因素，但这并不是绝对 的，有时各种因素互相牵连，这就需要结合实际情况，分清主次，综合考虑。 表2 一l 给出了几种塔板的性能比较( 表中没有列出新型塔板) “3 。 浙江t ：业人学坝l 学位论文 ， 一， 复台塔板传质效率模型 第二章：文献综述 表2 一l 塔板性能比较 浮阀塔板 筛板 导向筛板 穿流筛板 斜孔筛板 固舌塔板 浮蛇塔板 浮喷塔板 网孔塔板 注 ：a 优，b 良，c 差。角标“+ ”表示稍好；角标“一”表示稍差。 2 2 填料塔的发展概况 填料塔是最常用的一类汽液传质设备，已有百余年的历史。最早被用作塔 填料的是石块，焦炭，玻璃球等，1 9 0 7 年拉西环的出现是一个变革，但在本世 纪6 0 年代以前，填料塔仅适用于小直径塔。近二三十年来，随着研究的深入， 各种新型高效高通量的散装填料和规整填料，以及相应的分布器等塔内件的开 发成功，填料塔的设计技术也进入了新阶段，填料塔只能用于小直径塔的历史 已告结束。掘文献报道，目前矩鞍填料塔的最大直径达2 0 m ，金属板波纹填料 塔直径达1 3 4 m 。填料塔在气液传质设备中发挥着十分重要的作用。 填料塔最主要的性能为塔的分离效率，处理能力和压降。填料是填料塔的 主要构件，塔的特性主要由它决定。工业上采用的填料形式有很多，总体上可 分为散装填料，规整填料和格栅填料三类。 从散装填料的发展沿革看，它已近历了三代发展阶段。从1 9 0 7 年到5 0 年 代初发展出了以拉西环和弧鞍型填料为代表的第一代填料；随后到7 0 年代相继 开发出了鲍尔环和矩鞍型填料为代表的第二代填料；从7 0 年代起又开发出了以 环矩鞍，阶梯环和纳塔环等为代表的第三代填料。第一代填料是随后开发的各 种填料的基础，但因其性能差，工业上现在几乎不再应用，第二代填料目前还 在工业上广泛应用，而第三代填料因其具有更优良的性能，正在获得越来越广 泛的应用。 与散装填料发展的同时，多种规整填料得到了研究和开发。第一个规整填 料一斯特曼( s t e d m a n ) 填料于1 9 3 7 年出现，它由金属丝网作成，之后又出现 了帕纳帕克( p a n a p a k ) 等一些填料。但是，这些填料并未在工业中得到较广泛 的应用。直到5 0 年代后期，古得洛( g o o d l o e ) 盘绕式丝网填料，苏尔采( s u l z e r ) 板波丝网填料相继开发，并开发成功了板波纹填料麦勒派克( m e l l a p a k ) 。随后， 另一些公司又开发成功了一些板波纹填料，因为板波纹填料具有压降低，处理 能力大和效率高的特点，再加上对填料塔广泛的研究，对于塔中汽液分布情况 浙江_ t 业大学硕j ：学位论文 旷卜叶卜肛叶a a a a a a a a b 叶c b 旷卜b b a a a c a b 叶c 卜 0 0斛叶叶叶叶卜 b b b叶叶叶叶卜a 复合塔板传质效率模型第二幸：文献综述 及其对效率的影响等有了深入的认识，相继开发出分布性能优良的液体分部器 等内件，使规整填料不再局限于应用在小塔，在大规模生产中得到了越来越广 的应用，在有些场合，特别在高真空精馏中有取代板式塔的趋势。 木质和塑料格栅填料长期以来用于凉水塔中，也用于分离程度低的吸收和 蒸馏塔中。直至6 0 年代，出现了新的格栅填料，随之开发出了多种形式。格栅 填料的主要特点是有很大的敝丌空间，从而具有高通量，低压降和不宜堵塞的 特点，但分离效率较差。 对一种填料性能优劣的评价，压降和传质效率的高低是两个很重要的评价 指标。压降低则要求填料有很大的空隙率，传质效率高则要求填料有良好的液 体分布性能和很大的比表面积。根据我国学者m i 应用模糊数学的方法，针对9 种填料的l o 项性能指标进行了综合性能评价，结论见表2 2 。 表2 - 2儿种填料的综合性能评价 由表可见上述几种填料中，丝网波纹填料，孔板波纹填料具有较好的综合 性能，虽然规整填料比散装填料贵3 5 5 0 ，但生产能力和分离效率则比后者提 高1 0 - 2 0 。 2 3 复合塔板的研究 2 3 1 复合塔板的研究概况 一个设计合理的塔并不只是装备了某种被认为是最高效的塔内件，而应是 针对不同工艺和塔内不同截面的气液负荷采用最经济合理的不同的高效塔板或 填料，使塔的整体费用与投资费用之和最省。按照这一原则，一个塔内可以装 有不同塔板或不同填料【3 ”，发挥各自优势。 目前，主要存在着以下几种塔内件复合方式： 一：板内件之间的复合。如将泡罩和筛板相组合发挥泡罩塔弹性大、筛板塔通 量大优势的h a g b a r t h 塔板，又如旋流塔板将降液管改成锥形百叶窗式后，已 使板效大大提高，这在相当程度上将无效空间转化为有效空间，气液在原来降 液管所占的空间内又一次接触3 】。还有浮阀一筛板网孔一筛板、百叶窗阀一筛 板1 等等板内件组合型塔板，在提高效率或增大操作弹性等方面取得了很大效 果。 二：填料之间的复合。较为经典的例子有苏尔寿公司在改造塔径为4 1 0 0 m m 的 原油常压燃料蒸馏塔时，将进料上方的1 4 0 0 m m 的格栅填料换成了m e l l a p a k 板 波填料，使减压瓦斯( v o g ) 收率增加了5 ，这是不同填料的匹配技术。 浙江t 业人学硕卜学位论文 复合塔板传质效率模型 第二章：文献综述 三：塔板与填料的复合。根据塔扳与填料安装位置不同，塔板与填料的复合型 式比较复杂。目前，基本上存在着三种形式： ( 1 ) 塔板段与填料段的复合。 如化工部上海化工研究院对一套6 5 0 0 吨年的环氧丙烷常压精馏装置进行 技术改造。原精馏装置包括一座直径为8 0 0 m m 的粗馏塔和两座直径分为8 0 0 m m 和6 0 0 m m 的精馏塔( 三塔均为5 0 块浮阀塔板) ，将三座浮阀塔改造成为一座直 径8 0 0 m m 的金属i l 板波纹填料塔，其中精馏段为1 6 m 孔板波纹填料，分为五 段，中间设专用液体收集分布器，提馏段为2 0 块浮动喷射板( 板间距4 0 0 ) 。 改造后获得成功，实现了环氧丙烷成品质量达到部颁优级品，釜底排液环氧丙 烷含量1 ，直接排至二氯沉降槽。在塔截面和回流比相同的情况下，生产能 力提高2 5 4 0 ，能耗显著下降，蒸汽消耗是原精馏装置的三分之一，每年为 企业增加收益约2 3 0 万元，装置的改造费用仅1 8 万元m 】。 ( 2 ) 填料直接放在筛板上方的复合。 m i xa n de r i e k s o n ( 1 9 7 5 ) t ”i 最早提出在筛板上放置填料可以消除液面波动， 防止低气速下漏液以及提高传质效率。加拿大的s p a g n o l o 和c h u a n g ( 1 9 8 4 ) 率先 报导了在生产重水的吸收塔内，由于在筛板上放置了2 5 r a m 高的丝网填料，而 使塔板效率增加了3 - 2 0 ，他们把这解释为在放置丝网填料的筛板上形成了更 小并且更均匀的鼓泡，使气液相接触面积比筛板提高了2 4 倍，气液相接触时 间增加l l7 i 。另外，流体力学实验表明，这种复合板的雾沫夹带量减少，压降增 大。后来c h u a n g 等人又以甲醇一水为体系在直径1 5 3 m m 、板间距为3 1 8 m m 的 塔内作实验，得到了大致相同的结果【1 ”。钱嘉林、叶泳恒和c h u a n g ( 1 9 9 3 ) 1 1 9 | 在直径为6 0 0 m m 的有机玻璃塔内，以水一空气为物系，对放置网孔填料层的筛 板和普通筛板进行了流体力学性能对比实验。研究发现，在普通筛板上加一层 厚度为 5 0 m m 的网孔填料，可以使雾沫夹带量明显减少，负荷上限提高5 0 8 0 。 上述是在表面张力正系统的情况下进行的研究，由于表面张力f 负系统对 传质效率会产生不同的结果，因此s a l e m l 2 0 i 又在表面张力中性系统中，以丙酮 甲醇为物系，对拉西环或丝网填料放置于筛板的上方所组成的复合塔板分别 进行了试验，结果发现：塔板效率增加情况表面张力正系统高于其它系统；对 于相同高度的填料，丝网填料与筛板的复合后的塔效高于拉西环与筛板的复合 后的塔效。 f 3 ) 填料放在筛板下方的复合。 板式塔真正起传质作用的泡沫层，而泡沫层上方的空间对传质几乎没有贡 献。举例说明：一般工业用板式塔的板间距为4 5 0 m m 6 0 0 m m ，以常用的5 0 0 m m 为例，假设泡沫层高度为1 5 0 r a m ，板效率为7 5 ，则泡沫层的h e t p 为2 0 0 m m ， 也就是说，每米泡沫层相当于5 块理论板，可见泡沫层的传质效率是非常高的。 然而泡沫层上方的空间为3 5 0 m m ，这就使板式塔的h e t p 高达6 6 6 6 7 m m ，即 5 0 0 m m 的高度只相当于o 7 5 块理论板，这就使传质效率大大降低。所以，若能 将此空间加以有效利用，则板式塔的传质效率将会大幅度提高。用填料来占据 塔板间的无效空间已被实践证明是可行的。徐崇嗣与c h u a n g 弛”在甲醇一水系统 的蒸馏实验中，在丌孔率为2 0 的穿流筛板下放了高度为l o o m m 的规整板波填 料，据初步实验，当塔板上甲醇浓度为4 0 ( 分子) 左右时，其板效率高达1 3 0 ， h e t p 仅为2 4 4 m m 。作者认为主要原因是：( 1 ) 将填料置于与塔内气相空问， 使塔板问的无效传质空间转为有效；( 2 ) 穿流筛板对下面的填料层起到液体均 匀分布的作用，而规整板波填料则可起到气体均匀分布作用，这使泡沫层和填 浙江1 业人学坝i 学位论文 一一 _ 复合塔板传质效率模型第二章；文献综述 料层都处于良好的气液接触状态；( 3 ) 填料的存在还同时起到了除沫作用，基 本消除了塔板间的雾沫夹带：( 4 ) 由于复合塔板不设降液管，其穿流筛板开孔 率高达1 5 3 0 ，而普通筛板开孔率仅为空塔截面积的5 左右，因此复合塔板 的流动阻力小，通量可以得到提高。本论文的研究对象就是这类复合塔板。 2 3 2 复合塔板传质效率的研究 本论文所要研究的复合塔板是由均匀开孔的穿流筛板的下方固定一块规整 板波填料组成，该复合塔有其特有的气液传质过程，其操作状态示意图如图2 。1 所示。气相自上而下流动，液相自下而上流动，相互逆流。对于每一层塔板气 液两相的接触可以分为三个区域：在多孔穿流筛板上为泡沫区；在板波填料内， 液体以液膜状沿着填料表面流下，为液膜区；在填料层下面，液滴均匀下降， 与上升的气体接触，为淋降区，三区对传质均有贡献。 目前，各国科研工作者对于 这种复合塔板的流体力学性能 已作了较为深入的研究，至于其 传质性能，由于上述三个区域对 i “ 传质的作用涉及到泡沫、液膜和 。 液滴等不同状态下的质量传递 过程，显然比一般板式塔和填料 塔内的传质情况要复杂得多，因 此到目前为止研究不多。浙江工 业大学的于凤文老师”“”曾对 复合塔板的三个区域对总传质 的贡献，以及穿流筛板的开孔 率、孔径、填料类型及填料层高 度等诸因素对复合塔板各区传 质效率的影响作了较为细致的 研究，结果表明传质主要在塔板 上的泡沫区及填料段的液膜区内 进行，而淋降区的贡献甚小。但 卜澎i 西2 - n l m g ； 滞眩 图2 - 1 复合塔操作状态示意图 是由于时间的限制，没有建立复合塔板各区传质效率的数学模型。截止目前为 止，学术界尚未有关于复合塔板传质效率的数学模型的公开发表。 本论文主要目的是结合前人对穿流筛板、规整板波填料的传质效率数学模型 推导建立的经验，试图建立可靠的关于复合塔板传质效率的数学模型。 2 321 复合塔板传质效率的表示方法 关于板式塔与填料塔的传质效率表示方法有很多，具体如下： 板式塔的效率，有以下几种不同的定义：全塔效率岛；板效率；点效率 e o 。而其中最常用的是莫弗里( m u r p h r e e ) 板效率( 或e 虬) 。所谓一个理论板 就是指当离开塔板的气相与离开塔板的液相达到热力学平衡的接触过程。而实 际上的浓度变化与平衡时应达到的浓度变化之比，即称为板效率。 对于气相，板效率的表达式如下： 浙江工业大学硕士学位论文 净$ 了 复合塔板传质效牢模型 第一二帝：文献综述 e m = 一y 尝 y 。y 。i ；占麓及第。+ i 扳的气相浓度，摩尔分率 ( 2 1 ) 。，：离开第”及第”+ i 扳的气相浓度，摩尔分率 、6 “ y 。：j x 。平衡的气相浓度，摩尔分率 x 离开第”扳的液相浓度，摩尔分率 填料塔的效率表达方法，常用的有传质单元高度h t u 和等板高度h e t p 。传 质单元高度h t u 是具有一个传质单元的填料层高度，是根据传质速率方程推导 得到的，常用的有气相总传质单元高度( h t u ) 。；而等板高度h e t p 是用能够达 到一块理论塔板传质程度的填料层高度来表示填料的传质性能，只考虑相平衡 关系，不计传质动力学因素。填料塔的效率越高则h e t p 和 i t u 越小，b e t p 和 ( h t u ) 。间存在以下关系： h e t p = ( h t 蔫 ( 2 训 式巾a j , j 吸收冈f - ，a = l g m 奠j 操作线斜率和5 r 衡线斜率之比。 若要对不同填料进行比较，以用h t u 较为合适。但是将填料与塔板相比较 时，又以用h e t p 较好，因为t l e t p 直接与填料层的理论板数相联系。 我们已经知道复合塔板上泡沫区、液膜区、淋降区等三区对于复合塔板的 传质都有贡献，因此计算复合塔板三区的传质效率，最好能使用统一的表达方 式。于风文在其硕士论文中用复合塔板上三区所测得的液体浓度变化计算出各 自所需的理论塔板数，并以此来表示三区的传质效率。另外也可以用h e t p 来表 示复合塔板及其各区的传质效率，只要将上述计算得到的各区的理论塔板数用 该区的高度除之即可，具体表达式如下所示： 传质区高度传质区高度 ( 2 3 ) 。 该区理论塔板数与该区相当的传质效率 下面以复合塔板的泡沫区为例，列出其等板高度h e t p 的表达方法： 胍巩矿酾蒜篙( 2 - 4 ) 液膜区与淋降区的h e t p 的计算同理。 本论文中采用等板高度h e t p 和理论塔板数n ，两种方法来表示复合塔板上泡 沫区与液膜区传质效率。 2 3 2 2 复合塔板的三区传质效率的影响因素 2 3 2 2 1 泡沫区传质效率的影响因素 一穿流筛板的传质性能的研究 穿流塔板是一种结构简单、加工容易、投资省并且生产能力大的板型，没 有降液管，塔板上开有筛7 l ，操作时气液两相同时逆流通过，液体在塔板上为 上升的气体搅混，形成了泡沫，传质就在塔板上的泡沫层中进行。 传质性能主要表现在传质效率上，影响穿流筛板的传质效率的因素很多， 综合国内外对穿流筛板塔的传质效率的研究情况，主要表现在以下几个方面： f 1 ) 空塔气速 根据章寿华1 在丌j l 率：2 0 2 3 的常压精馏塔中的研究结果表明：穿流筛板 一般在空塔气速大于o 8 m s 时丌始拦液，以后随气速的提高，塔板上泡沫层厚 度增加，塔板效率液随之升高，最后有一个最佳值。如果进一步提高气速，由 浙江t 业人学顶i 学位论文 复合塔板传顾效率模型 第二章：文献综述 于雾沫夹带增加等原因，板效率反而降低了。 ( 2 ) 丌孔率 丌孔率是决定塔板持液量的重要因素，对板效率有明显的影响。大量的研 究表明，降低塔板的开孑l 率，可以提高塔板上的清液层高度，从而提高板效率。 ( 3 ) 孔径 ， 研究表明8 4 讣孔径的穿流筛板在较宽的气速范围内有较高的传质效率，而 大孔径的穿流筛板的高效传质区l e , d , s f l 径的气速范围要小。 ( 4 ) 表面张力 f a n e 和s a w i s t o w s k i 口5 1 认为穿流筛板在低的气相负荷下，液体是连续相，具 有表面张力f 系统的比具有表面张力负系统的物系有较高的传质效率，因为前 者具有较大的界面。但是在高气速下，液相变成了分散相，这时，表面张力负 系统的传质效率就比表面张力正系统的高。 ( 5 ) 液体密度 液体密度将影响泡沫层高度和泡沫的密度，从而影响气液接触时间和气液 的表面接触面积。加拿大学者k t c h u a n g 等人研究表明在较高的甲醇浓度 下，液体密度较小，导致了较小的泡沫层密度和较高的泡沫层高度。对于给定 的f 因子，气液接触时间和气液的表面接触面积随着泡沫层高度的增加而增加。 因此我们可以预见穿流筛板的传质效率将随着物系浓度的增加而增加。 ( 6 ) 板间距 m h a r t m a n t 2 7 坤旨出随着板间距增大，穿流筛板塔的传质效率也会相应增大。 ( 7 ) 回流比 f o l d e s ，p p sp , e l l i s 和h a r d w i c k l 2 9 1 的研究表明，穿流筛板在全回流时效率最 高。 二影响复合塔板泡沫区传质效率的因素 穿流筛板与板波填料复合后，复合塔板的传质性能主要取决于穿流筛板的 结构参数和填料的类型以及试验物系的物理性质。根掘上述有关穿流筛板的传 质效率的影响因素的总结，以及于凤文的研究( 1 9 9 5 ) ，假设试验中物系为全回 流的，在固定复合塔板间距、填料类型和高度的情况下，影响复合塔板泡沫区 的传质效率的因素主要有以下几方面：( 1 ) 穿流筛板的孔径；( 2 ) 穿流筛板的 开孔率；( 3 ) 液体的表面张力；( 4 ) 液体的密度；( 5 ) 气体的密度；( 6 ) 液体 的粘度；( 7 ) 空塔气速。 2 3 2 2 2 液膜区传质效率的影响因素 一金属板波纹填料的传质性能的研究 波纹填料按材质结构可分为板波纹和网波纹两大类。板波纹填料按材质成 分又可分为：金属、塑料和陶瓷等。板波纹填料是一种通用型的规整填料。 盒属板波纹填料是由瑞士苏尔寿公司首创，国内第一次公开报导是1 9 7 7 年。 金属板波纹填料的结构、几何尺寸等与金属网波填料相似，差别在于用金属板 片代替了金属丝网，加工时先在板片上碾压出一定密度的小孔，然后把多孔板 片压制成波纹板片。薄板上的小孔用来粗分配流下的液体，同时改善了液相的 横向混合，而薄板上附加的沟纹可以起到细分配液体的作用，这样就增强了液 体的均布和填料的润湿性能，因此金属板波纹填料具有效率高、负荷大、压降 低、滞液量小、不宜堵塞等优点。 浙江t 业人学硕f j 学位论文 复台塔板传质效率模型 第二章：文献综述 本论文中使用的是2 5 0 y 型规整金属板波纹填料。 影响填料的传质效率的因素很复杂，综合国内外对填料的传质效率的研究 情况，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 填料的类型和尺寸 填料表面敞开而易被润湿，且对于气液的均布有利的填料，例如金属板波 纹填料，其效率较高：同一类型的填料中，比表面积大的效率高。 ( 2 ) 气液相负荷 在回流比恒定的条件下，气相负荷于载点以下区域时，对于散装填料，h e t p 基本上与气速无关( 在保证液体负荷大于最小喷淋密度的前提下) ：对于规整填 料，h e t p 随气速增大而增大。 ( 3 ) 回流比 精馏效率试验大多在全回流的条件下进行，实验证实，对于散装或规整填 料，在部分回流时的效率与全回流时基本相同。 操作压力 ( 4 ) 压力大于1 0 k p a 到常压操作，h e t p 基本上与操作压力无关。压力小于1 0 k p a 的高真空蒸馏，h e t p 随压力下降有所增大，其原因是操作压力和温度的下降， 不利于传质，还可能是因为液体喷淋量太小，填料未能达到充分润湿而造成的。 高压的操作条件下，填料塔的h e t p 将升高，特别对于规整填料1 1 i 。 ( 5 ) 物性 许多实验测定表明，h e t p 与物性的关系甚小。对于规整填料，发现不少 含水高的物料h e t p 比不含水的物料h e t p 要高得多，其它高表面张力和高液 相粘度的物系其h e t p 也高口2 1 。至今尚无法对这些结果作出满意的解释，认为 这些液相在填料表面分布性能差是一种解释，但对高液相粘度无法说明。但是 这种影响不应造成h e t p 很大的差异。 ( 6 ) 塔径和填料层高度 不少实验研究发现p “，如果能保证塔内气液两相的均布，分离效率将与塔 径和填料层高度无关。经常提到的，随塔径放大和填料层高度增大效率将会降 低，这是因为气液相不良分布造成的。 二影响复合塔板液膜区传质效率的因素 以上针对填料特别是规整填料的传质性能影响因素的研究对于本论文复合 塔板液膜区传质效率的研究具有很大的指导意义。假设试验中物系为全回流的， 在固定复合塔板间距、填料高度的情况下，结合于凤文的研究结果，复合塔板 液膜区传质效率的影响因素归纳如下：( 1 ) 气液相的物理性质；( 2 ) 气液相负 荷；( 3 ) 塔径；( 4 ) 规整填料的类型( 特性参数) 。 2 3 2 2 3 淋降区传质效率的影响因素 根据谭晓红的实验结论”，复合塔板在达到操作上限时，泡沫层高度为 2 0 0 2 5 0 m m ，将板间距( 4 0 0 m m ) 减去泡沫层及填料高度( 5 0 1 0 0 r n m ) 后，仍有 1 0 0 m m 左右的气液分离空问。而穿流筛板的气液分离空间高度为8 0 1 0 0 m m 左右 。因此复合塔板的这段气液分离空间是必需的，以保证复合塔板基本上没有 雾沫夹带的现象。 另一方面，根据于风文的研究结果，淋降区对复合塔板总传质的贡献非常 小，约占l o 左右。对于淋降区的传质效率的影响不是本论文的研究重点。 浙江t 业人学硕1 ：学位论文 复合塔板传质效牢模型第二章：文献综述 2 3 2 3 复合塔板传质效率数学模型的研究 2 3 2 3 1 复合塔板传质效率数学模型的研究概况 根据目前所掌握的资料，有关复合塔板传质效率数学模型的研究结果的报 导非常少。已有的少量的几个有关复合塔板的传质效率的数学模型的研究对象 虽然也是复合塔板，但是与本论文研究的复合塔板的复合方式有区别。他们所 研究的复合塔板是在筛板的上方填充一块网状填料复合而成。而我们所研究的 复合塔板是在穿流筛板的下方固定一块规整板波填料复合而成。但是，对其模 型的建立的思维方式的总结显然对本论文中穿流筛板与规整板波填料相复合的 复合塔板的传质效率数学模型的建立有所裨益。现总结如下： t h e n g x 等人”在直径1 5 0 m m 的塔内，利用甲醇一水体系对网状填料与筛 板复合的塔板的传质效率进行了研究，发现复合塔板的效率可以提高5 0 左右。 c h e n g x 还在p r a d o 和f a i r 的关联式o ”的基础上，提出了一个适用于预测填充 式筛板塔的传质效率的数学模型【：”“。其模型的假设是液相在该复合塔板上完 全混合。 徐占平等人。川在直径3 0 0 m m 的塔内利用空气一水系统对填充式筛板的传质效 率进行了研究，并且建立了可以预测填充式筛板传质效率的数学模型。值得一 提的是，它继承了p r a d o 和f a i r 模型的基础，即充分考虑了影响气液两相接触 面积的诸多因素，而这正是大多数现存的有关筛板效率模型的欠缺之处。该模 型将填充式筛板塔的有效传质区域划分为两块：区域l ( 网状填料内部) 被称 为液膜区。在该区域，气泡被网孔切割，泡沫由平均直径为5 m m 的小气泡组成： 区域2 ( 网状填料上方) 称为泡沫区。在该区域，泡沫层分别由直径为5 m m 的 小气泡和2 5 m m 的大气泡组成。这和h o f e r 等人 ：“1 的观察结果相一致。在建立 传质效率数学模型的过程中，上面描述的两个区域被分别考虑，但是由于传质 过程是连贯的，因此总的气相传质单元可以划分为两个不同区域的传质单元贡 献的和，即： n c 。n ( 1 ( ；i + n ( m f 。：复合塔板总的气相传质单元数 n o 。：液膜区的总气相传质单元数； 。，：泡沫区的总气相传质单元数。 而复合塔板的点效率可以表示为：臣。j = 1 0 一e x p ( - j v 。) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 这就给我们一个重要的提示，对于本论文所要研究的复合塔板传质效率的 数学模型，是否也可根据复合塔板泡沫区、液膜区和淋降区三区的传质效率的 数学模型结合而成。而复合塔板三区的传质效率的数学模型的研究与填料塔、 穿流筛板的传质效率数学模型的研究密不可分。因此我们有必要对填料塔、穿 流筛板的传质效率数学模型的研究作一个总结。 2 3 2 3 2 填料传质效率数学模型的研究概况 长期以来填料塔中的传质一直是重要的研究课题。由于填料塔内的两相流 动状态十分复杂，因此对于填料塔内的物质传递机理，有过许多不同的假说， 浙江t 业人学坝i j 学位论文 复台塔板传质效率模型 第二幸：文献综述 提出了许多传质模型，如：膜模型、渗透模型、表面更新模型及膜一渗透模型川 等等。1 9 6 0 年c o r n e l l 等人提出的气相和液相传质单元高度模型和1 9 6 8 年o n d a 提出的有效比表面积和气液相传质分系数模型比较有名1 3 6 】，但由于提出年份较 早，对于后来丌发出来的新型填料不大适用。此后，有人对上述两种模型作了 修f ，有人提出了新的模型。鉴于填料塔中传质过程十分复杂，影响因素太多， 至今尚未得到通用又正确的模型，更加完善的模型有待于进一步的研究和开发。 下面简要介绍几个较适用于第二，三代填料的规整填料的模型。 ( 1 ) b r a v o 和f a i r 模型 该模型于1 9 8 2 年提出，是对o n d a 模型的修f 。模型仍沿用o n d a 提出的 气相和液相传质分系数的关联式( 式2 7 和2 8 ) ，仅对于有效比表面积重新建 立了关联式。具体关联式如下： 似r _ t ) ：5 2 3 ( 导) 07 ( s c 。) ，( 鸭) _ 2 ( 2 - 7 ) a ) ，a “， 1 t t 馈) 3 = 0 0 0 5 1 ( 去) 2 ” n )g “| ?a 。拉5 铲卯9 l d ( 雾胎l r ) o 3 9 2 式中。和s c 分别为气相和液相的施密特数 s c ，、：韭 。 d ( ；d ：j r 。气相雷诺数 & ：且 1 p j d f j r e 一旦 a 酗( ； 液相毛细作用数： t = 紫 g s ：气相的质量速度，k n ( m 2 s ) ： l s ：液相的质量速度，k g ( m 2 s ) ； k 。：气相传质分系数k m o l ( m 2 h p a ) ； k ，：液相传质分系数k m o l ( m 2 h k m o l m 3 ) ； a ：填料的比表面积，m 2 m 3 ； a ：填料的有效比表面积，m 2 m 3 ； r ：通用气体常数，r = 8 3 1 4 k j ( k m o l k ) d 。：汽相扩散系数，m 2 s ： d ：液相扩散系数，m 2 s ： d p ：填料公称直径，m 。 ( 2 9 ) 该模型仅适用于精馏塔，并且仅包含第二代散装填料。根据该模型丌发者 浙江t 业大学硕1 学位论文 复合塔板传质效率模型第二章：文献综述 所作的可信度分析可知，应用此模型的预测结果可达到9 5 的可信度，应取的 安全系数为1 6 ，而o n d a 模型的安全系数则需2 2 3 。 ( 2 ) 规整填料的b r f 模型 b r a v o 和f a i r 于1 9 8 5 年首先开发了适用于苏尔采丝网波纹填料的传质模型， 随后b r a v o 和f a i r 计及了板波纹填料表面润湿情况的差异，将模型推广应用到 了板波纹填料。但是，以上两个模型仅能适用于载点以下的区域。1 9 9 2 年b r a v o 等人又将该模型成功地推广到了载点及泛点区域，成为适用于板纹规整填料的 通用传质模型。 b r f 模型设想了填料塔中的两相传质的最基本的物理图象，认为气体向上流 动通过相连着的湿壁通道，每流经一层填料单元，通道产生一次转折，而通道 的截面则当作为三角形( 图2 2 ) 液体则沿通道壁成膜向下流动，两相在逆流过 程中发生传质。这一幅图象虽有些过分简化了复杂的流动和传质过程，但恰恰 提供了预计传质速率的合理基础。 三角形截面 ， 、。i 哪拥 蘸面 7 、一i _ ，j j j 砑画黼i 1 、 流粕i 遘布置 图2 - 2 规整板波填料流动通道的几何结构 图2 2 所示流道的当量直径： 沈。= 西2 b h ( 2 - 1 0 ) 当截面是直角三角形时，峨= 西2 s s = s ( 波纹的