（化学工程专业论文）高压下规整填料中气液传质性能与混合特性的实验研究.pdf

中文摘要 本文首先在内径为1 9 r a m 的精馏塔内对丝网型波纹规整填料在高压下的传 质性能进行了测试。实验的操作压力为0 7 1 9 m p a ，实验物系为正丁烷异丁 烷，实验在全回流条件下进行。实验测得的丝网规整填料等板高度数值在0 0 5 0 1 2 m 范围之间；通过对数据的分析发现，在所有测试压力下，随着气相负荷的 增加，在恒持液区填料分离效率呈现略微增大的趋势；并且随着压力的增大。填 料的分离效率也有所提高。并将实验结果与天津大学以前的实验结果以及f r i 的实验结果进行了比较，发现本文数据与有些文献数据存在一定的差异，本文认 为这主要是由实验装置的规模和填料塔内件的不同造成的。对“效率驼峰”出现 的机理和可能原因进行了分析。本文认为由各种因素引起的不均匀流动及气液相 返混是其发生的根本原因。 通过对物系物性对传质过程影响的定佳分析，得出了较小的表面张力，较低 的液相粘度、密度和气相粘度以及较高的气相密度这些因素对传质过程都是有利 的。利用一维轴向扩散模型，根据精馏过程中实测的浓度剖面计算了气相轴向返 混系数。结果显示，气相轴1 向返混系数随着气相速度、液相速度的增大而增大， 压力对其基本没有影响。最后给出了实验条件下的气相轴向返混系数的关联式， 并对比了计算值和实验值，发现它们的平均偏差小于1 5 。 关键词：丝网规整填料，高压，精馏，等板高度，轴向返混，气相返混系数 a b s t r a c t 1 1 1 e p e r f o r m a n c e o f g a u z ec o r r u g a t e d s t r u c t u r e p a c k i n g i nd i s t i l l a t i o n a p p l i c a t i o u sa tp r e s s u r e sr a n g m g 丘o m0 7t o1 9 m p ah a db e e na n a l y z e d t h e s ed a t a w e r eo b t a i n e di na1 9 m md i a m e t e rd i s t i l l a t i o nc o l u m n o p e r a t e d w i t h n - b u t a n e ，i - b u t a n es y s t e ma tt o t a lr e f l u x t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tw i t ht h e i n c r e a s eo fo p e r a t i n gp r e s s u r e ，t h es e p a r a t i n ge f f i c i e n c yi n c r e a s e da l s o u n d e r t h es a m eo p e r a t i n gp r e s s u r e ，t h eh e t p ( h e i g h te q u i v a l e n tt oat h e o r e t i c a lp l a t e ) v a l u e sd e c r e a s e ds l i g h t l yw i t ht h ei n c r e a s eo ff f a c t o ri nt h el o a d i n ga l - e ab u t i n c r e a s e db e f o r ef l o o d i n gp o i n t t h eh e t pv a l u e sv a r i e df r o m0 0 5 mt oo 1 2 m w i t hp r e s s u r e da n df - f a c t o rc h a n g e d b yc o m p a r e dw i t he a r l ye x p e r i m e n t a l d a t ao ft i a n j i nu n i v e r s i t ya n df r i ( f r a c t i o n a t i o nr e s e a r c hi n c ) ，i tc o u l db e f o u n dt h a tt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd i f f e r e dw i t hd a t af r o ms o m eo fl i t e r a t u r e s i tw a sb e l i e v e dt h a tt h e s ed i f f e r e n c e sw e r eb r o u g h ta b o u tb yd i s c r e p a n c yo f p i l o tp l a n ts c a l ea n dp a c k i n gc o l u m ni n t e r n a l sb e t w e e nt h e m a f t e rm e c h a n i c sa n dr e a s o n so fe f f i c i e n c yh u m pw e r ea n a l y z e d ，i tc o u l db e f o u n dt h a tt h em a i nr e a s o l l sw e r em a l d i s t r i b u t i o ni n d u c e db yv a r i o u sf a c t o r sa sw e l la s b a c km i x i n go f v a p o ra n dl i q u i d t h ee f f e c t so fp h y s i c a lp r o p e r t yo fs y s t e mo nm a s st r a n s f e rp r o c e s sw e r e i n v e s t i g a t e d ；i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a ts o m ef a c t o r sw e r eb e n e f i t e dt om a s s t r a n s f e rp r o c e s s ，s u c ha sl o w e rs u r f a c et e n s i o n ，m i n o rv i s c o s i t ya n dd e n s i t yo f l i q u i d ，l e s sg a sv i s c o s i t ya n dh i g h e rg a sd e n s i t ya n ds oo n w i t ht h ea c t u a l l ym e a s u r e dc o n c e n t r a t i o np r o f i l eo ft h eg a sd u r i n gd i s t i l l a t i o n , t h ea x i a lb a c k - m i x i n gc o e f f i c i e n to f g a s p h a s ew a sm e a s u r e db yt h e1 da x i a ld i f f u s i o n m o d e l s t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h ea x i a lb a c k - m i x i n gc o e f f i c i e n to fg a sp h a s e i n c r e a s e dw i mt h ev e l o c i t yo f t h eg a sa n dl i q u i dp h a s e , a n dt h a t t h ep r e s s u r eh a dl i t t l e i m p a c to ni t f i n a l l yt h ec o r r e l a t i o ne q u a t i o no ft h ea x i a lb a c k m i x i n gc o e f f i c i e n to f g a sp h a s ew a sg i v e ni nt h e s ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s t h ec a l c u l a t e dv a l u e sw e r e c o m p a r e d 谢t ht h ee x p e r i m e n tv a l u e sa n dt h ea v e r a g ed e v i a t i o nb e t w e e nt l l e mw a s l e s s t h a n1 5 k e yw o r d s ：g a u z es t r u c t u r e dp a c k i n g ，h i g hp r e s s u r e ，d i s t i l l a t i o n , h e t p ，a x i a l b a c k - m i x i n g ，a x i a ld i f f u s i o nc o e f f i c i e n t 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，也不包含为获得鑫鲞盘茎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。爱初刁暂签字日期：妒彳年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫生太堂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) 学位论文作者繇关硝 签字日期：。6 年月日 导师魏彳7 司瑶 签字日期：劾彩年z 月i i 细 天津大学硕士学位论文 前言 前言 自从上个世纪五十年代开始，国外先后出现了许多新型填料，到七十年代得 到了发展和应用，尤其进入八十年代以后国内外开发了一些新型高效的规整填 料，使其在分离技术中得到了普遍重视，给填料塔的工业应用带来了无限生机。 目前，填料塔作为一种重要的传质和传热设备，已广泛地应用于精馏、吸收、解 吸、萃取、洗涤、冷却等过程，尤其是规整填料塔无论是在新塔的设计还是在老 塔的改造中都备受青睐，其应用领域也不断拓宽。 规整填料塔因其独特的几何形状、表面性质使其具有通量大、分离效率高、 压降低、操作弹性大以及低持液量等诸多优点。在低压以及中常压下规整填料的 性能相当好，在工业上也取得了许多非常成功的应用实例。但在加压或者高压工 况下，其结果与人们预想或期望的还相差很大。通常认为在高压下，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性能明 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 液接触面积下降、传质推动力降低，最终使传质效率降低。 近年来随着对低碳烃类物质分离量要求的增加以及对老塔改造的需要，因而 对高压设备的需求也日益增多，人们迫切希望规整填料在高压精馏领域中也能够 发挥出其优点，获得满意的分离效果，因此对高压精馏领域的研究尤为紧急。另 一方面，由于填料塔整体的综合性能比板式塔高，因此填料塔设备的设计和改造 也逐日增多，就需要对填料塔设备进行准确地设计和控制，这就要求我们对填料 塔的传质分离过程有较为准确的理解和描述。而目前有关这一领域的研究在国内 外都比较少，鉴于高压精馏操作在现代分离工业中的重要地位，加强高压下规整 填料塔内流体力学行为和传质行为的研究具有重要意义。 本文共分四章来研究高压下规整填料塔内流体流动行为和传质行为。第一章 为文献综述；第二章为高压下高比表面丝网规整填料塔内的传质行为研究；第三 章为由稳态浓度剖面计算气相轴向混合系数；第四章为结论及建议。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 填料塔作为传质分离设备，被广泛应用于石油化工、石油炼制、天然气加 工、化肥、农药、精细化工、医药及环保等领域，涉及精馏、吸收、萃取、吸附、 干燥、蒸发、结晶、过滤、离子交换和膜分离等单元操作过程。同传统的板式 塔相比，填料塔具有效率高、处理量大、压降小、持液量小等优点；但同时也因 为其价格较高、对初始分布敏感、隔一定高度需要装收集分布器装置、中高压操 作的传质性能较差等特点使其应用受到限制，因此，七十年代以前，在大型塔器 中板式塔的开发及应用较为普及。七十年代初出现能源危机后，填料塔技术才 得到重视，并在近几十年中取得了飞跃性的发展，出现了各种新型高效填料，特 别是波纹填料的开发成功及基础理论研究的进展，使填料塔应用和发展更迅速， 并日益大型化，取得了显著的经济和社会效益，这是当前国际上塔器研究与应用 的一个重要突破。美国著名学者f a i r 教授认为最近十年精馏装置的突破式进展 是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倍受青 陕。 1 1 规整填料的发展概述 上世纪六十年代后，随着生产规模大型化，工业上要求增大填料的通量，提 高其分离效率、解决放大效应，降低填料层阻力及持液量以起到节能效果。而规 整填料在这方面具有独特的优势。规整填料具有几何形状规则、对称、均匀的特 点，它规定了气液流路，克服了沟流和壁流现象，再加合理的设计，可以做到几 乎无放大效应。在相同的通量下和比表面积下，与散堆填料相比，规整填料压降 更低。目前在大型塔器中以板式塔为主的局面已经被规整填料的横空出世所改 变。瑞士苏尔寿( s u l z e r ) 公司用规整填料改造过的塔，其塔径达1 2 4 m ”，我国天 津大学也用规整填料改造过乙烯装置中的汽油分馏塔，塔径为6 8 m 2 。1 9 9 8 年 天津大学与广东茂名石化公司合作，采用国内高新技术，设计了直径为8 4 m 润 滑油型减压填料塔并一举成功，这是我国在大型塔器和大型成套装置实现国产化 的重要标志。过去认为填料塔只适用于小直径塔的概念现在已经彻底的改观了。 并且规整填料也不再局限于常、减压操作，在高压工况也有所涉及。 2 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 虽然早在1 9 3 7 年就出现了以s t e d m a n 命名的金属丝网规整填料及以后的 s p r a y p a k 等，但由于对其认识不足，使其的发展一度受到了限制，直到上世纪六 十年代苏尔寿公司开发金属丝网波纹填料以后规整填料才真正具有了生命力。此 后规整填料的研究和开发十分活跃，新品种目不暇接。1 9 7 7 年苏尔寿公司又推 出了板波纹型的m e t l a p a k 填料，紧接着八十年代各大填料生产厂家又陆续推出 了具有竞争力的新式产品，如格里奇( g l i t c h ) 公司的g e m p a k ，诺顿( n o r t o n ) 公司 的i s p ( i n t a l o xs t r u c t u r e dp a c k i n g ) ，雅格q a e g e o 公司的m a x - p a k 、奎尼( k u h n i ) 公司 的r o m b o p a k 口】、蒙茨( m o n t z ) ，日耳曼( o e r m a n e i ) 公司的p y r a p a k ，拉西( r a s h i n g ) 公司的r a l u - p a k 等填料，日本三菱商社的m c - p a k 填料，柯克( k o c h ) 公司也从苏 尔寿公司转让了m d l a p a k 的技术并更名为f l e x i p a c 。上述这些填料【4 】彼此非常类 似，大部分都是以m e l l a p a k 为雏形。另外，苏尔寿公司前几年又推出了可用在 化学反应器里的k a t a p a k ，该填料是以双层丝网制成的波纹填料，丝网的夹层内 装有催化剂。九十年代苏尔寿公司又推出了o p d f l o w 规整填料，该填料与常规 塔板和填料相比，在保持相同效率时，可提高2 5 的处理能力；如果让它们具有 相同的处理能力，则可提高分离效率5 0 左右【5 1 。但o p t i f l o w 填料同时又具有材 料利用率低、造价高、刚度小等缺点，因而其在实际应用过程中又受到很大的限 制。规整填料中还有一种格栅型的填料，因为格栅不易堵塞，适用于物料较脏的 场合，如用于减压塔的脏洗段，格栅型填料其中较著名的有格里奇公司的g l i f s h g r i d 、柯克公司的f l e x i 鲥d 、纳脱公司的s m a p 鲥d 。 我国在规整填料开发和研究方面也取得了不少突破。天津大学与英国a s t o n 大学联合开发了以u n a p a k 命名的脉冲规整填料；天津大学填料塔新技术公司 1 9 9 1 年引进了苏尔寿公司的m e l l a p a k 生产自动线，并自己开发了碳钢渗铝板波 纹填料；清华大学与上海化工研究院分别开发了压延板网波纹填料；天津市新天 进科技开发公司开发了板花规整填料，其8 0 型( 比表面8 0 m 2 r n - 3 ) 的传质效率 与m e l l a p a k3 5 0 y ( 比表面积3 5 0 m 2 m 一) * i i n ；中石化洛阳工程公司开发了l h 型 规整填料。这些都在工业中得到了成功的应用。1 9 9 5 年天津大学填料塔新技术 公司又开发了c h n t d z 组片式波纹填料，该填料独特的结构及开孔形式使其与 同型号的m e l l a p a k 相比，比表面积提高8 1 2 ，开孔率增高2 0 4 0 ，分离效 率提高1 0 以上，通过能力提高2 0 以上，压力降减少3 0 以上【6 】，前面提到的 广东茂名石化公司5 0 0 万屯年原油常减压装置塔径为8 4 m 的润滑油型减压塔采 用的就是该填料。表1 1 列出了国内外现代规整填料的主要类型和规格。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 表1 1 国外现代高效规整填料的类主要类型和规格 t a b l e1 - 1t h em a i nt y p ea n ds i z eo f t h ef o r e i g nm o d e r ns a u c t u r e dp a c k i n g s 4 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 德国 m o n t z 德国 r a s e h i n g 德国 d d r 德国p a u lr a ns e h o r t 英国 j a e g e r p r o 日本日本住友公司 日本月岛机械 日挥公司 苏联各种波纹填料 m o n t z - p a k a 3 m o n t z - p a kb l m o n t z - b 5 m o n t z - c l r a l u - p a k 2 5 0 y c p y r a p a kg l y r a p a kf p e r f o r mg r i d i m p l u s e p a c k i n g m a x - p a e 各种s u l z e r 填 料 r o m b o p a k p e r f o r m g r i d 带孔波纹板 波纹状穿孔板 波纹状穿孔板 板片 带缝隙波纹板 板网片 不锈钢 不锈钢 不锈钢 聚四氟乙烯 不锈钢 碳钢 不锈钢等 网孔格栅不锈钢 脉冲填料 不锈钢等 1 8 0 3 5 0 1 2 经典流体力学和传质模型 1 2 1b i l l e t 模型 1 9 9 5 年，b i l l e t 7 1 通过对实验研究和理论分析，得出了一个适用于散堆填料 的经典传质模型b i l l e t 模型。这个模型认为填料塔是由一个许多互相平行、 垂直的通道的湿壁塔组成，认为液相是以液膜的形式在填料床层内流动，其流通 体积与填料床的自由体积相同。其流道的几何尺寸可以用床层的有效空隙率和填 料的比表面积来描述。 b i l l e t 模型结合渗透理论预测气液两相之间的传质。其特征尺寸采用填料的 o 0 0 o o 姗 姗 姗 抛 0 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 水利直径，模型还用到了两个填料的特性常数c 。和c l ，为了求解这个模型方程， 就需要知道填料的这两个特性常数，b i l l e t 在文献中给出了许多散堆填料的这两 个特性常数，但是没有提供相应规整填料的特性参数。因此对大多数规整填料来 说，这两个常数需要我们通过实验来确定。f i t z t s l 在0 0 2 2 7 6 b a r 的压力范围内， 对规整填料做了实验研究，并比较了他的实验数据与b i l l c t 模型的计算值，发现 在非常低的压力下计算值偏，而在低高压时，b i l l e t 模型计算的效率值过高。1 9 9 9 年b i l l e t 等人【9 j 又对表面张力的计算做了相应的改进，模型预测的准确性得到了 改善。 1 2 2s r p ( i ) 和s r p ( i i ) 模型 1 9 8 5 年，b r a v o 等人1 1 0 】提出了第一个预测规整填料传质性能的模型，这一模 型与b r a v o “】提出的预测泛点以下压降的关联式一起组成了s r p ( i ) 模型。与 b i l l e t 模型不同，s r p 模型认为填料床层由一系列平行、倾斜的湿壁塔构成，其 当量直径等于波纹的边长。这个模型用从实验数据回归的系数和干板压降的摩擦 因子来表达不同类型和规格的规整填料之间波纹和表面性质差异的对传质效果 造成的影响。s r p ( i ) 模型是相对于丝网规整填料提出的，并假设传质过程填料表 面完全被润湿，因此其有效相传质面积等于填料的表面积。但对板波纹填料来说， 这假设往往不能成立，因为板波纹填料在较低的气液相速度下，常常是部分润 湿状态。 后来，r o c h a t l 2 , 1 3 注意到了这一点，于是后来在他提出的传质模型中引入了 一个校正因子，通过对总持液量的校正来反映填料的润湿情况，这一系列预测板 波纹填料传质过程的公式组成了s r p ( i i ) 模型。s r p ( t i ) 模型将压降和质量传递用 持液量关联了起来。从流体力学角度来看，气液两相中任何一相的速度增加，都 会使液膜厚度、持液量增多，从而使压降增大；从传质角度来看，持液量的增加 会增大有效传质界面积，从而加快传质速率。 s r p ( i i ) 模型对板波纹填料在低压下的预测精度较高，但当拿它用来预测高 压精馏的传质效率时，其预测精度大大的降低，这可能是因为s r p ( n ) 模型是通 过在压力范围为0 0 5 4 1 4 大气压的中低压的实验数据基础上得出的。而高压精 馏液相负荷、气速等流体力学特点都发生了较大变化，气液相的许多物化性质也 有较大的改变，所有这些都不同于在低压过程中的情况，许多研究者认为在高压 精馏过程中气、液相返混加剧，因此高压下的有效传质面积和推动力都比在低压 下要小，造成了s r p ( i i ) 模型在高压下预测值偏高的结果。g u a l i t 0 1 14 】对此作出 了修正，他引入了一个校正因子改进对有效相传质界面积的计算，在低压工况下 这个校正因子并不影响有效传质界面积计算值的大小，但它却使高压下的有效面 6 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 积计算值减小了许多，因此，提高了修正s r p ( ) 模型在中高压阶段的预测能 力。 1 2 3d e l f t 模型 d e l f t 模型是o l u j i c 等人【”，1 6 ，1 刀提出的一种针对规整填料波纹几何形状的模 型。填料的特征尺寸为水利直径。与s r p ( d 模型一样，d e l f t 模型也假设填料表 面完全润湿，因此持液量可由填料表面积和平均液膜厚度计算出来。 d e l f t 模型和s r p 模型都是建立在双膜理论基础上的传质模型，虽然其模型 的预测值较为接近，但二者在本质上还是有一定区别的，f a i r 1 8 1 对此作了分析。 他认为第一个区别是两模型对气相传质系数计算结果不同，d e l f t 模型计算的气 相传质系数只有s r p 模型计算值的一半；第二个区别是液相传质系数计算结果 不同，虽然都是使用渗透理论来估计，但是使用d e l f t 模型当量直径计算出的液 相传质系数值要高于s r p 模型的计算值。第三，两模型所预测的有效相传质界 面积不同。在s r p 模型中，载点以下填料的润湿表面随着液相负荷的增加而迅 速增加，而d e l f t 模型假设在载点以下填料表面是完全润湿的，因而与液相负荷 无关。 1 2 4 高压下预测h e t p 的简捷模型 最近，gq w a n g 等人【1 9 】提出了一个针对于规整填料在高压下效率的预测模 型。该模型假设传质过程的阻力主要集中在气相侧，即传质过程为气相控制，这 一假设对高压下的传质过程来说是合理的。根据双膜理论把模型简化为气侧的传 质，接着他又把气侧的传质看作是一个湿壁塔的传质过程，这样就把气相的传质 系数与对压力敏感的气相的参数( 包括气相粘度，扩散系数以及气相速度等) 联 系了起来。同时该模型方程还涵盖了填料的几何参数、液相的物理性质以及两相 流的流体力学性能。其模型中的传质面积计算采用了s i m i n i e e a n u 2 0 1 提出的半经 验关联式，这是因为此关联式是建立在大量不同操作条件下板波纹规整填料的实 验数据基础上的。该模型对不同的实验物系、设备尺寸、填料类型和大小的实验 数据进行了预测，结果显示在常压到高压范围内，其预测值的偏差都小于2 0 。 1 3 高压精馏研究现状 低沸点的烃类物质由于其在常压下都是气相，其分离难度比较大，在工业中 一般是在高压下将其变成液相以后再进行精馏分离。如甲烷、乙烯乙烷、丙烯 丙烷精馏塔的操作压力分别是临界压力的7 0 、4 0 5 5 、3 5 5 0 左右。 7 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 另外，对于某些分离系统，为实现节能和节约费用的目的，对换热系统进行最优 合成，因而某些精馏过程也需要设计在高压下进行。此外，精馏过程往往希望压 力的提高来降低传质阻力、提高设备的传质效率【2 1 ) - 2 1 ，从而可以节约费用，带来 更多的经济效益。 然而，在高压工况下操作经常会发生很多人们始料不及的现象【2 3 】，例如对 于传统的板式塔而言，常常出现过早液泛现象；而对于新型的填料塔特别是规整 填料塔来说，经常出现分离效率极低或“效率驼峰”现象。而同样是高压操作中的 气液传质过程，填料塔在吸收过程中已经有很多在工业上应用中成功的实例 2 4 1 ， 而用在精馏过程的效果却经常不尽人意，出现了效率降低的现象。此外，研究发 现设备尺寸大小对高压下填料塔的分离效率有着明显的影响，天津大学【2 5 】在塔 径为0 1 5 m 的规整填料塔上，其高压精馏实验结果表明，随着压力的增大，传质 效率呈略微增大的趋势，并没有出现分离效率下降或“效率驼峰”现象；但在大直 径( i d l m ) 的填料塔中，却出现过在3 0 m p a 下等板高度h e t p 达到1 5 2 o m 【2 6 j 高度的例子。表1 2 列举了部分工业应用实例。 表1 2 规整填料高压精馏工业应用实例 t a b l e1 - 2 t h ei n d u s t r i a le x a m p l eo f s t r u c t u r e dp a c k i n ga th i g hp r e s s u r ed i s t i l l a t i o n 过去，高压精馏多采用板式塔，近几十年来填料塔才开始涉及高压精馏领域， 但其应用效果并不理想，经历了很多次失败，其主要原因是实验数据的不足和理 论指导上的缺乏，改造以及设计都带有较大的经验性和盲目性。近些年，随着新 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 型填料的层出不穷和在工业应用领域的不断拓宽以及低碳烃类物质分离量要求 的不断增加，近年来学者们对填料塔用于高压精馏的研究也逐渐增多，国外 f r i ( f r a c t i o n a t i o nr e s e a r c hi n e ) 做了很多理论和实验研究8 2 1 ，2 7 2 8 】，国内只有天津 大学做了一些研究【2 5 2 9 , 3 0 ，3 1 捌。 k u r t z p 3 】最早研究了高压精馏过程中规整填料的传质与流体性能，分析了压 力对传质效率、填料中流体流动和分布、气体动能和液体动能之比的影响。根据 高压精馏气液相负荷的特点，在常压下通过空气一水体系的冷模模拟实验测量了 其停留时间分布，分析了液相负荷的变化对气相返混的影响，实验结果表明：在 相同的f 因子下，随着液相负荷的增加气相返混加剧。后来，他研究了液相负荷 对气相径向分布的影响，发现随着液相负荷的增加，气相的径向不良分布也呈现 出加剧趋势。 z u i d e r w e g 等人1 3 4 】实验研究了在高压下散堆填料2 5 # n u t t e r 环的传质效 率。其压力操作范围为o 7 3 0 m p a ，实验物系为正丁烷异丁烷，填料床层高度 为3 6 m ，塔径为1 2 m 。其实验结果显示：在1 o 3 0 m p a 压力范围内，填料的 分离效率几乎不变。通过理论分析，他认为高压下散堆填料中效率下降主要原因 是由液相不良初始分布引起的“大尺度气相返混”。他将总的等板高度分为无返 混影响的“真实等板高度”和由返混造成的“返混单元高度”，分析发现：无返混影 响的“真实等板高度”值随着压力的增加而呈线性减小，并且理论推导了当气液密 度比为1 时，其值趋向于零，说明如果没有返混影响的情况下，其传质效率将随 着压力的提高而增加，并不会出现分离效率下降的现象，理论上证明了返混是散 堆填料效率下降的主要原因。 b r i e r l e y t 2 6 】根据工业应用和实验研究的结果，总结了板式塔、散堆填料塔和 规整填料塔三种不同类型的设备在高压精馏中的应用，讨论了它们在高压工况下 的流体流动、分布以及传质特点。根据压力改变后对流动参数的影响，分析了流 动参数的变化对物系物理性质和传递性质的影响，解释了在高压精馏过程中的特 殊性。 1 9 9 9 年，f i t z 等人【8 】发表了在o 0 0 2 2 7 6 m p a 压力范围内在全回流操作条 件下规整填料m e l l a p a k2 5 0 y 的传质实验数据。他分别以邻二甲苯x 寸- - 甲苯、环 己烷正庚烷、正丁烷屏丁烷作为实验物系，在直径为1 2 m 、填料高度为3 7 8 m 的填料塔中测试了填料在操作压力为0 6 9 、1 1 4 、2 0 7 和2 7 6 m p a 下的分离效率。 实验过程中出现了一个“奇异”的现象，当压力超过1 1 4 m p a 后，在恒持液区中随 着f 因子的增加，填料的分离效率并不是像低压工况下那样呈现单调增加的趋 势，而是在f 因子一h e t p 图上出现了一个“驼峰”形状的图形( 如图1 1 所示) ， c a i l 2 8 】称之为“效率驼峰”( e f f i c i e n c yh u m p ) 。而且压力越高这种现象越明显。但 9 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 降低了液体分布器的安装位置、并增加了回流液引流管后，“效率驼峰”或者消失 或者改变了出现的位置。 许多研究者对“效率驼峰”现象的出现作了解释。z u i d e r w e g 2 r l 经过分析认为 填料分离效率下降的可能原因有三种：( 1 ) 气相返混( 2 ) 液体不均匀分布( 3 ) 液相返混。他从理论上分析了前两种原因的不可能性，认为很可能是液相返混造 成了“效率驼峰”现象的出现。而后他用实验证实了在与f i 乞，5 】实验中具有相同气 液负荷的情况下，填料床层内确实有着很大的液相返混。对传质过程而言，液相 返混又具有两面性，它一方面使液相传质推动力的下降，对传质造成不利；另一 方面液相返混增加了填料之间额外的持液量，而在散堆填料中额外持液量的增加 将会提高填料的传质效率。z u i d e r w e g 认为，当液相返混在规整填料塔内发展至 整个填料层时，返混对传质造成的负面影响比其对传质造成的正面影响要大，这 种情况下h e t p 值就会增加；而当持液量增加至某一临界点以后，因返混造成的 持液量增加的正面效应将超过了返混带来的传质推动力下降的负面效应，此时 h e t p 值又将开始下降直至发生液泛，因此就在唧p 图上出现了“效率驼峰”现 象。z u i d e r w e g 对h e t p 突然改变的临界负荷进行了计算，发现所有压力下这一 数值都有着相似的规律，即都在最大负荷的7 0 左右，这一预测后来被模拟实验 所证实。 图1 - ih u2 7 6 m p a 下m e l l a p a k2 5 0 y 传质实验结果 f i g 1 - 1f r i m e l l a p a k 2 5 0 y e f f i c i e n c y a t t o t a lr e f l u x u n d e r 2 7 6 m p a 1 9 9 7 年，n o o o e n 等人【3 6 】对f i t z 的全回流实验数据进行了分析，运用与 z u i d e r w e g 2 7 分析散堆填料相同的方法，把等板高度分为两部分。他比较了“真 实的等板高度”的数值后，认为“小尺度气相返混”、液体不良分布都不可能是造 成”效率驼峰”现象的主要原因；认为可能是另一种情况引起高压下”效率驼峰”现 象的出现一即由液体不良初始分布导致的“大尺度气相返混”，这一推断也与 z u i d e r w e g 分析散堆填料分离效率下降的原因相同。 1 0 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 2 0 0 3 年，c f i 2 8 j 在同一设备上使用相同的测试物系和填料重复了f i t z 在 1 1 4 m p a 下的高压实验，不同之处在于他使用了相对较短的填料床层高度 ( 1 6 9 m ) 。在他的实验结果中，h e t p - - f v 图上也出现了“效率驼峰”现象，但与 f i 乜的实验结果恰好相反，其填料下段效率高于填料上段效率( 如图1 - 2 所示) ， 暗示着这两个实验中“效率驼峰”的出现有着不同的机理背景。c a 把这次实验中 “效率驼峰”的出现归因于气相返混造成了。而高压精馏过程具有喷淋密度大、气 相速度低等特点，在高液相负荷下，不良液体分布会形成填料横截面上出现液体 速度局部过高或过低的现象，甚至造成个别波纹通道被液体堵塞，同时也造成了 气相的径向分布不均，这些不利因素都将易使高速的液体夹带气体或气泡被而 下，导致气相返混。在相同的液相负荷下，小波纹通道比大波纹通道的填料更易 被液相堵塞，发生气相返混，因此c f i 推测波纹通道比m e l l a p a k2 5 0 y 大的填料 有可能不出现“效率驼峰”现象。c f i 的这一设想也被实验所证实，他用波纹通道 比m e l l a p a k2 5 0 y 大的i n t a l o x4 t ( 比表面积为1 3 3 m 2 m 3 ，床层高度为3 8 1 m ) 填料在同一设备上做了与m e l l a p a k2 5 0 y 相同的压力下的实验，发现在f 因子 h e t p 图上果真没有出现“效率驼峰”现象( 如图1 3 ) 。 f v ( m s 1 ) ( 酶一) ” 图1 2c a i1 - 1 4 m p a 下m e l l a p a l 【2 5 0 y 填料测试结果( 文献值) f i g 1 - 2b e de f f i c i e n c yi c 4 ，n c as y s t e m 1 1 4 m p a t o t a lr c f l u x 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 图1 - 3c a il 1 4 m p a 下i n t a l o x4 t 与m e l l a p a k2 5 0 y 的结果对比( 文献值) f i g 1 3m e l l a p a k 2 5 0 y a n d i n t a l o x 4 t e f f i c i e n c y , i c 4 n c 4s y s y t e m ，1 1 4 m p a , t o t a lr e f l u x 目前国内只有天津大学对高压精馏领域做了部分的实验研究工作。刘春江印】 用内径为0 1 5 m 的填料塔，有效填料装填高度为2 o m ，在为0 3 2 o m p a 压力 范围内测试了m e l l p a k2 5 0 y 的传质效率，其实验结果表明：当压力小于1 0 m p a 时，等板高度随压力的增加而略有下降，其变化范围为0 3 3 o 3 6 m 。当压力大 于1 o m p a 时等板高度随压力的增加而增加，其变化范围扩大到o 3 3 o 5 1 m ： 唐忠利【2 5 】在压力范围为0 7 1 9 m p a 下以正丁烷和正戊烷为测试物系，在相同的 设备上测试了m e u a p k3 5 0 y 填料传质性能，他发现在所有的压力下，随着f 因 子的增加，在载液区填料分离效率呈略微增大的趋势，当接近泛点气速时填料分 离效率开始下降；张鹏【3 1 1 在同样的设备上采用同样的物系用h t u n 1 u 法，计 算了o 3 2 0 m p a 压力范围内的返混单元高度h b u o ，结果显示随着压力从 1 0 m p a 增大到1 9 m p a ，h b u o 从o 1 2 m 增大到o 3 4 m ，他认为在高压下由于气 相返混，填料塔的全塔效率逐渐降低；陈江波【3 2 】在同一设备上，用正丁烷和异 丁烷作为实验物系重复了前人的实验，实验结果表明随着操作压力的提高，h e t p 呈略微减少的趋势，同时随着f 因子的增大，h e t p 也在减少。但他发现在1 9 m p a 压力下有类似“效率驼峰”现象的出现。 1 4 填料塔中流体轴向混合行为的研究现状 1 4 1 流体轴向混合行为的数学模型 常用来描述填料塔中流体轴向混合行为的数学模型主要有轴向扩散模型、一 维混合池模型、具有质量交换的活塞流模型。 1 2 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 4 1 1 轴向扩散模型 早在1 9 5 3 年，d a n c k w e r t s l 3 8 】就提出了一维轴向扩散模型。此模型是在以下 三个假设的基础上得出的理论模型： ( 1 ) 浓度只有轴向分布，没有径向浓度分布，即径向浓度为一个固定值 ( 2 ) 沿流体流动方向以及与之垂直的每一截面上，流体速度和扩散系数均为一定 值 ( 3 ) 浓度为流体流动距离的连续函数 在以上三个假设的基础上，仿照f i c k 定律中的分子扩散系数d ，用一个包含分 子扩散系数和涡流扩散系数的有效扩散系数( d 。) 来表征一维流动的返混特性， 其数学模型为： 石a c = 乜虿0 2 c 一嘻 其中模型参数为有效扩散系数d c 和有效速度u ，根据假设这两个模型参数 与浓度c 、轴向位置z 、时间t 无关。其边界条件为： c ( z ，o ) ：等占( z ) 且 l i mc ( z ，f ) = 0 根据以上边界条件，l e v e n s p i e la n ds m i t h l 3 9 】给出了解析解： ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) 仁赤e x p 一鲤4 d d m 4 ， 4 4 正印lj 、 式中m 为加入示踪剂的总量，为填料塔的横截面积， 三为填料长度。 该模型自提出以来，许多研究者在研究一维混合行为时都广泛采用，其适 用性已被大量的实验结果所证实。通过长时间的应用，人们发觉这种模型 特别适用于描述返混程度不太大的系统，如管式、塔式以及其它非均相系 统。但h e n n i c o 等【4 0 也指出扩散模型不能用来描述浅填料床层内流体的轴 向返混。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 4 1 2 一维混合池模型 一维混合池模型是把填料塔看成沿轴向方向上的栉个串连的混合池，混 合池的数目n 与塔内的涡流混合程度有关。这个模型假设每个混合池内流 体混合均匀，流体在相邻的混合池间存在反向流动。如果定义返流比厂为 返流量与主体流动量之比，那么对j 级的i 组分作物料衡算就可以得到： i h 瓦a c 一( 1 + f ) v c j q + ( 1 + 2 f ) v c j 一v c j + l = o ( 1 - 5 ) 其中厅为塔高，矿为混合池体积。 这些模型参数可以根据实验数据 得到。 这个模型有三个模型参数：即r 、工d e 。 ( 停留时间分布，稳态浓度分布等) 计算 钱字对轴向扩散和一维混合池这两个模型的一致性准则进行了研究，得到了 以下结论： ( 1 ) 当一维混合池模型与扩散模型的参数满足式( 1 - 6 ) 时，两者在二阶精度 上一致。 ( 1 + 2 f ) n = 2 d , v h ( 1 6 ) ( 2 ) 在用一维混合池模型描述实际流动过程时，若级数n 趋于无穷时，则返流 比亦同阶地趋于无穷，此时混合池模型与扩散模型趋于完全一致。 ( 3 ) 一维混合池模型用于描述相际传质过程时，与扩散模型保持一致的必要条 件是： n 2 h | d e h 。 式中风，为气相传质单元高度。 1 4 1 3 具有质量交换的活塞流模型 ( 1 - 7 ) 该模型假设填料床中存在流动区和滞流区两个液体区域，轴向混合只 发生在流动区内，滞流区主要存在于填料之间的接触部分，在两