（化学工程专业论文）高压下规整填料塔的计算传递和传质性能.pdf

高压下规整填料塔的计算传递和传质性能 n u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo f t r a n s f e rp h e n o m e n ai nas t r u c t u r e d p a c k e dc o l um na th i g hp r e s s u r e ( 国家自然科学基金资助项目，2 0 1 3 6 0 1 0 ) 学科专业：化学工程 研究生：陈江波 指导教师：余国琮教授 天津大学化工学院 二零零六年一月 天津大学博士学位论文 摘要 为加强对高压下规整填料塔的传质机理的研究，在内径为1 5 0 m m 的填料塔 内，分别测试了o 7 0 、1 1 0 、1 3 0 、1 5 0 、1 7 0 和1 9 0 m p a ( 绝压) 六个操作压力 下m e l l a p a k3 5 0 y 型金属板波纹规整填料的传质性能，实验为全回流，测试物系 为正丁烷异丁烷混合物，液相的负荷范围为1 0 4 5 - 6 7 1 4 m 3 ( i n 2 - h ) 。实验测得填 料的等板高度的数值在0 1 5 - 4 ) 6 1 m 之间。分析实验数据发现：在0 7 0 1 7 0 m p a 的操作压力范围内，当压力一定时，随着f ，因子的增加，填料的效率增大；而 在1 9 0 m p a 时，填料的效率在液泛前的一段操作范围内发生恶化。 建立了三维c f d 模型，对规整填料内液相单相流流场进行了模拟。为了验 证模拟计算的结果，利用三维l d v 技术对规整填料内液相单相流流场进行了测 量。实验结果表明，本文提出的模型能够较好地模拟流体的流动趋势。这说明 c f d 模型能够较好的模拟规整填料内的单相流动行为。在此基础上，对加压下内 径为1 5 0 m m 的填料塔内气相单相流的返混行为进行了模拟，操作压力范围为 0 3 0 1 8 0 m p a ，并将其结果与实验值进行了对比。计算结果表明，模型预测的气 相返混系数与实验测量值的趋势一致，但在数值上偏小。 在上述研究的基础上，采用v o f 法初步建立了加压下规整填料塔内气、液 两相逆流流动模型，模拟物系和条件均与高压精馏实验一致。模型中考虑了影响 液膜流动的两个重要作用力：表面张力和气、液相间作用力。根据模型计算了不 同操作压力以及不同气相f ，因子下填料内气、液相的流动过程，并根据结果讨 论了操作压力和气相f ，因子对液相流动的影响，同时还根据计算结果估算了填 料内的持液量和有效润湿比表面积。 在流体力学模型的基础上，对加压下规整填料内气、液相间的传质过程进行 了模拟，模型中采用c 2 一s ，模型取代常用的施密特类似律法来计算湍流扩散系 数。根据计算得到的浓度分布计算了规整填料的传质效率，并与实验数据进行了 对比。对比结果表明本文建立的模型计算得到的h e t p 值与实验值吻合较好，其 平均相对误差为2 5 。 关键词： 计算流体力学( c f d ) ；规整填料；高压精馏；激光多普勒( l d v ) ；两相流；计算传 递；传质 天津大学博士学位论文 a b s t r a c t t 0b e t t e ru n d e r s t a n dt h em a s s - t r a n s f e rb e h a v i o r si nt h es t r u c t u r e d p a c k e d c o l u m n sa th i 曲p r e s s u r e ，t h ep e r f o r m a n c eo fs t r u c t u r e dp a c k i n gm e l l a p a k3 5 0 yw a s u n d e r t a k e ni nad i s t i l l a t i o nc o l u m nw i t ha n8 0 mh e i g h ta n d15 0 m mi n n e rd i a m e t e ra t h i 曲一p r e s s u r ea n du n d e rt o t a lr e f l u x t h en b u t a n ea n di s o b u t a n ew e r eu s e da st h e t e s ts y s t e m t h eo p e r a t i n gp r e s s u r er a n g ew a s0 7 0 1 9 m p a t h el i q u i df l o wr a t e s w e r ev a r i e df r o m10 4 5t o6 7 i4m 3 ( m 2 h ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es e p a r a t i o n e f f i c i e n c yo ft h ep a c k i n gi n c r e a s e d 、析mt h ei n c r e a s eo ft h eo p e r a t i n gp r e s s u r e b e l o w 1 7 0 m p a , t h ev a l u e so fh e t pd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fg a sf - f a c t o ra tc o n s t a n t o p e r a t i n gp r e s s u r e a t1 9 0 m p a , h o w e v e r , t h ee f f i c i e n c yd e t e r i o r a t e db e f o r ef l o o d i n g p o i n t a s i n g l e p h a s et h r e e d i m e n s i o n a lc f d m o d e li sb u i l tt on u m e r i c a l l yc a l c u l a t et h e l i q u i dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nt h es t r u c t u r e dp a c k i n g t ot e s tt h ec a l c u l a t e dr e s u l t s ，t h e v e l o c i t yp r o f i l ew i t h i nt h es t r u c t u r e dp a c k i n gi se x p e r i m e n t a l l ym e a s u r e du s i n gt h e l d vm e t h o d t h ec o m p a r i s o ni n d i c a t e st h a tt h ec f ds i m u l a t i o ni sc o n f i r m e dv e r y w e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lf l o wp a t t e r n b a s e do nt h i sf i n d i n g ，t h eb a c k m i x i n g b e h a v i o ro ft h eg a s p h a s ef l o wi ss i m u l a t e da th i 曲p r e s s u r e t h ep r e s s u r er a n g ei s o 3 0 - 1 8 0 m p a t h es i m u l a t e dr e s u l ti sc o m p a r e d 、析mo u rp r e v i o u se x p e r i m e n t a ld a t a i ti sf o u n df r o mt h ec o m p a r i s o nt h a tb o t hi n d i c a t es i m i l a rt e n d e n c yo nt h ee f f e c to ft h e o p e r a t i n gp r e s s u r ea n dg a sf l o wr a t eo nt h eg a sb a c k m i x i n gc o e f f i c i e n t , 6 h t h e e x p e r i m e n t a ld a t aa r eh i g h e rt h a nt h es i m u l a t e dr e s u l t s u s i n gt h ev o l u m eo ff l u i d ( v o f ) m e t h o d ，at w o - p h a s ef l o wc f dm o d e li s d e v e l o p e df o rt h ep r e d i c t i o no ft h et o t a ll i q u i dh o l d u pa n d t h ee f f e c t i v ew e t t e da r e ai n g a s l i q u i d c o u n t e r c u r r e n tc o l u m n sc o n t a i n i n gs t r u c t u r e dp a c k i n g s t h es i m u l a t e d s y s t e m a n dc o n d i t i o n sa r ee x a c t l yt h es a m ea si n t h eh i 曲一p r e s s u r ed i s t i l l a t i o n e x p e r i m e n t s i nt h ep r e s e n tm o d e l ，t w os o u r c et e r m sa r ea d d e di n t ot h em o m e n t u m t r a n s p o r te q u a t i o nt od e s c r i b et h ee f f e c t so fs u r f a c et e n s i o na n di n t e r f a c es t r e s ss h e a r o nt h ef l o w t h ec a l c u l a t e dl i q u i dh o l d u pa n de f f e c t i v ew e t t e da r e aa r ec o m p a r e dw i m t h ev a l u e sp r e d i c t e db yg u a l i t om o d e l b a s e do nt h eh y d r o d y n a m i c ss i m u l a t i o nw o r k , t h em a s st r a n s f e rp r o c e s sw i t h i n t h es t r u c t u r e dp a c k e dd i s t i l l a t i o nc o l u m n si sa l s os i m u l a t e da th i 曲p r e s s u r eo p e r a t i o n 天津大学博士学位论文 1 1 1t h es i m u l a t i o n s ，t h e c 2 一s cm o d e l ，r e p l a c i n gt h ec o m m o ns c h m i d tn u m b e r a n a l o g y , i si n t r o d u c e dt oc a l c u l a t et h et u r b u l e n td i f f u s i o nc o e f f i c i e n t b yt h em o d e l c a l c u l a t i o n s ，t h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nc a l lb eo b t a i n e d ，a n ds u b s e q u e n t l yb yt h e f e n s k ee q u a t i o n , t h eh e t p sa r ee s t i m a t e d t h em o d e l i n gr e s u l t sa g r e er e a s o n a b l y w i t he x p e r i m e n t a ld a t a , a n dt h em e a nr e l a t i v ed e v i a t i o ni s2 5 k e yw o r d s ：c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，s t r u c t u r e dp a c k i n g ，h i 曲p r e s s u r e d i s t i l l a t i o n ，l d v , t w o p h a s ef l o w , c o m p u t a t i o n a lt r a n s f e r , n l a s st r a n s f e r 天津大学博士学位论文 英文符号 彳 a v 2 6 c 磊 d a b d 唾 d g d l d t 五g f r f s z f t 凡 g g a g 唾 h h h e t p 玩 h t u o v i k 砧 勉 符号说明 填料塔横截面积，m 2 有效传质面积，m 2 m 3 规整填料比表面积，m 2 m 3 规整填料峰间距，m 组分质量分率 规整填料当量直径，m 有效传质扩散系数，m 2 s 轴向返混系数，m 2 s 气相分子扩散系数，m 2 s 液相分子扩散系数，m 2 s 湍流扩散系数，m 2 s 气、液相间摩擦因子 f r o u d e 数，无因此 填料表面增强因子，无因次 总持液量因子，无因次 气相动能因子，( m s ) ( k g m 3 ) o 5 重力加速度，m s z g a l i l e o 数 有效重力加速度，m s 2 填料层高度，m 规整填料峰高，n l 等板高度，m 持液量，m 3 岔 气相总传质单元高度，n l 湍动强度， 湍动能，n m 气相体积传质系数，r n s 液相体积传质系数，m s 天津大学博士学位论文 希腊字母 仅 仅删 s c s 口 气、液平衡系数 示踪剂总质量，k g m 3 a 组分的摩尔质量，k g k m o l 气、液相间传质速率，k g ( m 3 s ) 流道转向次数 理论板数 压力，p a 干板压降，p a 操作压力，m p a 液相流率，m 2 s 液相质量流率，k g s r e y n o l d 数，无因次 规整填料波纹边长，r f l 湍流s c h m i d t 数 s h e r w o o d 数，无因次 时间，s 沸点， 脉动速度，m s 有效速度，m s 有效气相速度，m s 有效液相速度，m s 液相表观速度，m s 运动粘度，m 2 s w e b e r 数，无因次 液相中轻组分摩尔含率 气相中轻组分摩尔含率 体积分率，无因次 平均相对挥发度 耗散率，n s 浓度耗散率，n s 规整填料空隙率，m 3 m 3 m m尥呦m尸蛾g纽胎s鼢跏，乃矿 睨y耽 x y 天津大学博士学位论文 p p 唾 p f p 九 9 咖 仃 6 ， 7 7 。 f k l 石 y 甲 髻出 考皿 考g g 毒埘 q 下标 b o t t o m f l g l l a m s t o p t u r b 分子粘度，k g ( m s ) 有效粘度，k g ( m s ) 湍流粘度，k g ( m s ) 密度，k g m 3 提馏因子，无因次 波纹板倾斜角，o 速度势，m 2 s 表面张力，n m 液膜厚度，m 液体和填料表面的接触角， 填料表面润湿率 接触时间，s 液膜表面曲率 常数，3 1 4 2 阻力因子，无因次 流函数 流道的变向所引起的压头损失因子，无因此 气、液相间摩擦因子，无因此 气相间的摩擦因子，无因此 总摩擦因子，无因此 填料表面开孔率，无因此 填料 泛点 气相 液相 层流 载点 填料 湍流 底部 顶部 天津大学博士学位论文 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，也不包含为获得苤鲞盘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：储、乡液 签字日期：伽占 年工月劢日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘查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：叩宣，三2 ；a 签字日期：狮2 年2 月矽日签字日期：训年口月如日 天津大学博士学位论文 j 。l l 刖吾 尽管规整填料在减压和常压精馏中都得到了越来越广泛的应用，但规整填料 塔的设计目前仍以经验法为主，而且规整填料塔在高压条件下( 如低碳烃混合物 的分离) 与常减压相比传质分离效果很差，其原因到目前为止仍不清楚【l j 。因此 有必要对高压下规整填料塔内的气液两相流动与传质机理进行深入的研究。 与常压相比，在高压下，由于气、液密度差减小，气、液相间作用力增大， 填料层内的流体力学行为发生了很大的变化，进而对气、液相间的传质过程产生 了很大的影响。因此，高压下规整填料塔内的气液传质规律与常压相比会有很大 的不同，到目前为止，人们对这方面的研究还很少，公开报导的数据也非常匮乏。 针对这种状况，本文的对高压下m e l l a p a k3 5 0 y 型金属板波纹规整填料的传质性 能进行了实验研究，其获得的数据将为规整填料在高压精馏中的应用、高压下传 质机理的研究以及高压规整填料塔的设计提供理论基础和实验依据。 随着计算机运行能力的不断提高和计算流体力学技术的发展，对化工过程常 见的内部结构比较复杂的反应器或分离设备内发生的多相流动、传质及传热等过 程进行比较准确的量化描述已逐步成为可能。然而，就现阶段而言，采用直接数 值模拟( d n s ) 的方法模拟规整填料塔内的流动和传质过程所需要的运算能力是 现在还无法提供的。因此，目前的研究多通过模拟填料层内一些代表性的结构单 元内的气、液相的流动和传质过程，用以近似描述宏观填料层流体力学行为和传 质行为。本文的主要工作就是结合计算流体力学的方法，利用商用计算流体力学 软件，对规整填料内部一种代表性结构单元特征单元内的气、液两相流动及 传质行为进行数值模拟。 本文共分为七章，第一章为文献综述；第二章为加压下规整填料塔的性能研 究；第三章为规整填料内液相单相流流场的测量；第四章为加压下规整填料内气 相单相流返混行为的c f d 模拟；第五章为加压下规整填料内气、液两相流动行 为的c f d 模拟；第六章为加压下规整填料内气、液两相流传质行为的c f d 模拟； 第七章为结论与展望。 第一章文献综述 第一章文献综述 在炼油、化工、食品、医药及环保等部门中，塔设备都是最重要的分离设备， 目前，塔设备己广泛应用于蒸馏、吸收、萃取、吸附以及混合等单元操作中。因 此，塔设备的研究一直受到很高的重视。 按塔内件的结构划分，塔设备可分为两大类：板式塔和填料塔。由于板式塔 研究起步较早，对其流体力学行为及传质行为的研究比较成熟，因而在二十世纪 7 0 年代以前，塔板的研究开发以及应用一直处于领先地位。然而，7 0 年代后由 于受到世界性能源危机的影响，相比于板式塔具有低压降、高效率、生产能力大、 持液量低等优点的填料塔的地位显得越来越重要，对其的研究取得了很大的发 展，尤其在最近2 0 多年里，一些新型高效填料，尤其是规整填料的成功开发， 填料塔在化学工业上的应用越来越广泛1 2 ，3 j 。目前，在涉及精馏、吸收及传热等 过程的气、液接触设备的设计上，填料己成为设计者们的普遍选择 4 1 。 通常，填料分为散堆填料和规整填料两类。散堆填料为具有特定几何外形的 颗粒型，一般乱堆于塔内，也称为颗粒填料；而规整填料则具有规则、对称及均 匀的几何形状，结构与排列整齐，它规定了流体的流道，改善了沟流及壁流等不 良现象，还能大幅度地降低压降、节省能耗。因此，规整填料在工业分离领域的 作用越来越重要。 规整填料一般分为两种类型：丝网填料和板波纹填料。早期的规整填料大多 为金属丝网波纹填料，如g o o d l o e 、h y p e r f i l 等等，这种填料具有较高的分离效 率和较低的压降，成功的应用于真空精馏领域；但由于造价高，而且容易受固体 颗粒的堵塞，处理量小，这些都限制了丝网波纹填料的应用。上世纪7 0 年代后 s u l z e r 等公司先后推出了多种板波纹型规整填料，如m e l l a p a k 、m o n t z 、g e m p a k 及f l e x i p a c 等，最近成功开发的新型规整填料包括k a t a p a k 和o p t i f l o w 等。规 整填料的波纹倾斜角( 相对于水平方向) 一般为4 5 0 或6 0 0 ，比表面积在1 0 0 - - ， 7 5 0 m 2 m 3 范围内，最常用的为2 5 0m 2 m 3 和3 5 0m 2 m 3 。规整填料的材质主要有 金属、塑料和陶瓷的，根据分离物系的性质来采用不同材质的规整填料，这些填 料的开发着眼点是强化膜式和喷雾传质、降低阻力、提高比表面积，并促进两相 流体均匀分布1 5 】，使其具有高效率、低压降、低持液量、高通量及容易放大等优 点。 一般来说，填料塔的设计参数主要有塔径、填料层高度和压降，分别对应于 2 第一章文献综述 通量、分离效率和能耗。这些参数在很大程度上受填料层的流体力学行为如气 液相分布、持液量、气液相界面积等的影响。因此，研究填料层的流体力学行 为和研究填料塔的传质性能同样很重要。本文的研究着重于板波纹规整填料，对 散堆填料和板式塔可参考王树楹【3 】和毕力特【6 】等其他文献。 目前，对规整填料内流体流动流体力学行为和传质行为的研究已有大量的研 究，w a n g 等【7 】总结最近几十年来，有关填料塔传质行为方面的研究进展。根据 其研究的