（化学工程专业论文）孔板波纹填料的结构参数对液相轴向混合特性的影响.pdf

摘要 放大效应是填料塔设计中值得注意的问题，填料塔的放大效应主要是 由于气液两相在填料层内的轴向混合造成。为了改进填料塔的设计，使设 计更为规范、可靠，进行填料塔的轴向混合特性研究是非常必要的。 本文在内径 3 0 0 m m 的填料塔中，以空气一水为物系，k c l 溶液为示 踪剂，采用“激励一响应”技术测定液体在填料层内的停留时间分布，并 依据一维扩散模型，用时间域最小二乘法估算模型参数，系统地研究了孔板 波纹填料的结构参数对液相轴向混合特性的影响。研究结果表明，孔板波 纹填料的结构参数对液相轴向混合特性具有明显的影响。轴向返混参数 p p 随填料的开孔率p 、倾角p 的增加及盘高日的减小而增加，也即填料 塔内的液相轴向混合程度随着填料开孔率妒和倾角的增大而减弱，随着 填料盘高的增大而增强。 本文采用不同的液体喷淋密度，测定了填料的开孔率妒、倾角及盘高 日对轴向返混参数p p 的影响。通过对实验数据的回归分析，首次建立了包 含开孔率妒、倾角及盘高日等结构参数的轴向返混参数p p 的计算模型，该 计算模型对孔板波纹填料的开发与应用具有重要的指导作用。 本文从孔板波纹填料的结构特性及液体在填料层内的流动机理分析 入手，对孔板波纹填料的结构参数对液相轴向混合特性影响的机理进行了 探讨，为进一步研究填料塔内气液两相的流动行为，优化填料塔的设计提 供了一定的理论依据。 关键词：填料塔；孔板波纹填料；轴向混合；轴向返混参数p e ；结构参数 a b s t r a c t m a g n i f y i n ge f f e c tis an o t i c e a b l ep r o b l e mi nt h ed e s i g no fp a c k i n g t o w e r t h em a g n i f y i n ge f f e c to fp a c k i n gt o w e ri s m a i n l yc a u s e db yt h e a x i a lm i x i n go fl i q u i dp h a s ea n dg a s p h a s e t oi m p r o v et h e d e s i g n o f p a c k i n gt o w e ra n dm a k et h ed e s i g n m o r en o r m a t i v ea n dr e l i a b l e ，t h e s t u d y o nt h ea x i a l m i x i n gp e r f o r m a n c e o f p a c k i n g t o w e ri s v e r y n e c e s s a r y i nt h i sp a p e r ，t h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fc o r r u g a t e d p l a t ep a c k i n g o n p e r f o r m a n c e o fa x i a l m i x i n g i n l i q u i dp h a s e w a s i n v e s t i g a t e di n 0 3 0 0 r a mi dp a c k i n gt o w e rw i t ha i r h 2 0s y s t e m ，a n d t h et r a c e ri sk c ls o l u t i o n s t h e l i q u i dr e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o ni n p a c k i n gl a y e rw a sm e n s u r a t e db yt h e s t i m u l u s r e s p o n s e t e c h n i q u e ； a n dt h em o d e lp a r a m e t e rw h i c ha c c o r d so n e d i m e n s i o n a lm o d e lw a s es t i m a t e db yt h el e a s ts q u a r em e t h o dw i t h i nt i m ed o m a i n t h er e s u l t s s h o w nt h a ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fc o r r u g a t e dp l a t ep a c k i n ga f f e c t e d c l e a r l y t h e p e r f o r m a n c e o fa x i a l m i x i n g i n l i q u i dp h a s e t h e a x i a l b a c k m i x i n gp a r a m e t e rp ei n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h ed r i l l i n gr a t e 妒 a n dt h ei n c l i n a t i o na n g l e 卢a n dw i t hd e c r e a s i n gt h eu i n th e i g h to ft h e p a c k i n gh ，t h a tis ，t h ed e g r e eo fa x i a lm i x i n gi nl i q u i dp h a s ew e a k e n s w i t h i n c r e a s i n g t h e d r i l l i n gr a t e 伊a n d t h ei n c l i n a t i o n a n g l e ，a n d e n h a n c e sw i t hi n c r e a s i n gt h eu i n th e i g h to ft h ep a c k i n gh i nt h i sp a p e r ，t h ei n f l u e n c eo ft h ed r i l l i n gr a t e 妒，t h ei n c l i n a t i o n a n g l e 卢a n dt h eu i n th e i g h to ft h ep a c k i n gh o nt h ea x i a lb a c k m i x i n g p a r a m e t e rp ew a sd e t e r m i n e da t d i f f e r e n t i n s u f f l a t i o n - d e n s i t y i n l i q u i d p h a s e t h r o u g hr e g r e s so ne x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ec o m p u t i n gm o d e lo ft h e a x i a lb a c k m i x i n gp a r a m e t e rp ei n c l u d i n gt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s 9 ，p a n dhw a sb u i l tf i r s t l y w h i c hw a so fv a l u et ot h ee x p l o i t a t i o na n d a p p l i c a r l o no fc o r r u g a t e dp l a t ep a c k i n g i nt h is p a p e r ，t h e m e c h a n i s mo ft h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r a l p a r a m e t e r so fc o r r u g a t e dp l a t ep a c k i n go np e r f o r m a n c eo fa x i a lm i x i n g i nl i q u i dp h a s ew a sd is c u s s e dw i t hs t r u c t u r a lp e r f o r m a n c eo f c o r r u g a t e d p l a t ep a c k i n ga n da n a l y z i n gl i q u i df l o wm e c h a n i s mi np a c k i n gl a y e r t h et h e o r e t i cf o u n d a t i o nw a so f f e r e di ns t u d y i n gt h ef l o wb e h a v i o ro f l i q u i dp h a s ea n dg a sp h a s ei np a c k i n gt o w e ra n do p t i m i z i n gt h ed e s i g n o f p a c k i n gt o w e r k e y w o r d s ：p a c k i n gt o w e r ；c o r r u g a t e dp l a t ep a c k i n g ；a x i a lm i x i n g a x i a lb a c k m i x i n gp a r a m e t e rp e ；s t r u c t u r a lp a r a m e t e r s 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，也不包含为获得苤盗盘芏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巾 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 参会绛 签字日期：泐年，2 月2 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘茔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 萎z 仑绎 l 导师签名： 妫仪 签字日期：五僻，2 月砣日签字日期：朋2 年三月2 2 日 第一肇前言 簧一鬻蓠富 现代化工生产邋常露求各种传质分离过程的压降更低、操作通燮更 大、分离程度更毒、放大薤瘟委小。援式塔鸯于压泽丈、道爨夺臻及效率 低等，在些传质分谢场合难以满足现代化工生产要求。域料塔作为连续 接触式的气液传质设错，它具有结构简单、压降低、通量大、效率高、便 予蘑耐感镪耪粒爨造等蒋点，蠢j 逡，在工盈一l 簿舞t 广泛翁寝蹙。尤其在 近年来，髓蕾薪垂塔瀵料、塔内件的研究开发和镇料塔设计技术的发展，填 料塔的应用日益广泛，在石油化_ = ：f = 、精细化工镣分离过程中，一些板式塔 已逐港被壤越塔辑取代。 塔填瓣( 麓称填辩) 是填辩塔鹃基本褐 孛，其牲能筑劣囊接影响壤辩 塔的分离效果。在填料塔内，液体在填料表面形成液膜并沿填料间的空隙 浚下，气体趣填糕瓣的空陵瀛过，气、液两樱润黥佳质过程在滤湿的蟪辩 表蘧主述行。塔凄瓣邋常劳为教装填鞲移援整壤辩秀类。般来说，散装 填料的放大效应较大，传质效率较低，但抗污堵性能较强，便于拆装和清 洗。规婺壤料的几傍结构秘在塔内的排列方式尽管不同，但簸共冠之处在 于天为避嫂定了穗弱结稳翡气、液遗鼹帮接黢傣质方式，溪大了空骧率鞠 有效接触浓面积，改辫了气、液两相的流动状况，减小了髓流和沟流等现 象，显著克服了放大散应。 藏犬效应是接瓣垮设诗孛篷褥注意懿麓题。在壤瓣塔海，气、滚嚣楱 流体的流动通常是非平推流流动，即在流动方向上存在着流体质点间的混 合轴向混合。轴向混合的存在使得传质推动力减小，传旗效率降低。通 常在填辩塔蕊设计中，为了篱纯计算，一箴驭警罐滚受基戳，为了考虑辘 向混台作用的影响，在设计中取定的安全系数。安全系数一般凭经验选 取，故具谢一定的局隰性，使得设计存在不安垒因素。为了改进填料塔的 设诗方法，使设计更为援范、可霾，对填瓣塔麓疆蠢混合特性进行研究怒 非常必簧的。 近几十年来，许夥研究者开鼹了填料塔轴向混合特性的研究工作。大 量的研究络暴表竣，壤辩簿类登、矮格帮形状对壤料塔弱液糖辘彝浸含有 一定能彩晌。一些研究者通过辩实验数据的闰溜分析，褥是了不丽类黧填 第一章前言 料，在不同流动状态下的液相轴向混合特性参数的关联式。这些研究鳞聚 对进一步探讨填辩塔淘气、液嚣稠的流动瓿理，优纯填料漆的设计怒到了 积极的作用。但是，前人关于填料塔的轴向混合特性的研究多局限于散装 填料，对于新型规整竣料轴向混合特性的研究则较少。 本文叛甄毳扳波纹填餐为磁究对象。渡纹鍪蔑整填糕愚强前性麓最 好、应用最为广泛的规整填料，它有丝网波纹壤料和孔板波纹填料两种类 型。孔板波纹填料是近年来开发出的一种高效规懿填料，其应用非常广泛。有 关毳板波纹壤精夔演体力学洼戆、接震整蓬等方嚣载磅究髓久已送行了大 量的工作，已有大量的研究报导，但涉及到孑l 板波纹填料的轴向混合特性 的研究报导则较少，尤其在孔板波纹填料的结构参数对其轴向混合特性的 影嘲方| ! l | ；满无礤究羧导。巧强率、顿角、盘蔫避琵援波纹壤攀善戆主要缝搀 参数，对填料的性能影响较大，研究孔板波纹填料的开孔率、倾角、舷高 等结构参数对其轴向混合特性的影响。对进一步探讨填料塔内气、液两相的流 动壤理、後讫壤瓣塔黪设毒卡手曩指导魏援波纹填瓣的麴工兵有藏要静 乍嗣。为 此，本文进行了该方颟的研究工作，采用的研究路线是，通过测定其有不 同倾角口、开孔率p 以及盘高h 的孔板波纹填料在不同实验条件下的响应 蓝线，诗簿蠢辘自混合参数p 。，邋过对实验数撰的匿归，褥出辘起返滋参 数& 与渣相雷诺数歉。气相雷诺数r e 。以及倾角声、开孔率妒、盘商的 关联式，从而研究探讨孔板波纹填料的结构参数对其液相轴向混合特性的 影响。 第二雏文献综述 第二耄文羲综述 气液阏相在填料塔中的返混埘传质效率有煎大影响，例如在高压下填 辩塔豹簸零裁低。填越塔建返混椽性戆磅究对掇讨凄辩塔内、滚嚣穗的 流动梳理，优仡填辩灞的设计具有爨要翡俸羽。表2 1 孛列出了磊豁斌料 塔内混合特性的研究状况。 表2 ，l 壤料塔蠹瀑台特蛙敬磅窕状强 t a b l e2 1s t u d i e so nm i x i n gi np a c k e dt o w e l 研究状 见参考文献 h a d e m a i l 强r u i n e r l l j e d w a r d s 和r i c h a r d s o n i 2 1 只考虑轴向返混忽略径向返混h i s a n g 翱h a y n e s 3 l a h n 等涨 m o n t i l l e r 簿1 5 】 f a i h i e a 和s m i t h l 6 1 只考虑经商运混忽咯辘商逗滢 r o e m e f 嚣 7 1 t a n a k a 翮i n o u e i 3 l b e r n a r d 翔w h i l h e l m 9 1 g u n n 热p r y c e ! 。 z i o t k o w s k i 等 1 1 1 同时考穗轴向径向遨混 h a n 等1 1 2 1 f o u m e n y 等 3 1 张泽纛 4 1 上述有关返混特性的研究大多钟对气相，而针对液相邋混的研究报邀 较少。壤瓣塔滚蘧辘囱混合鹊研究跳较复杂，遘常蓑要逶过鼷述这一蕊蒙 的数学横黧、实验技术、参数估计三者相结合的方法，求褥代表液相瀚向 混合的参数，才能有效地描述液相轴向混合。避年来，许多学者在这方丽 散了大量黪孵完工 乍，在数学模型媳建立及求解、实验技术救更瓶及改逐 帮覆墅参数耱蘩冀等方面提出了一魏缦有螽蕊鹣疆究方法。菸中，磷究酶 主要问题怒在液相返潞系数上。 第二嚣文献综述 2 1 数学模型的逡点 纯王过程翡开我载大离不拜数学模型，在避行填羁珞液耀混合特性瀚 研究过稷中，建立并封之解能够较好地描述填料塔液相流动和混合特性的数 学模型是一项基础工作。许多学者在研究描述灞合特性的数学模型方蕊佟 了大量豹王襻，鬟爨了若干撬连填料袋漫台特性黪数学搂型m “，这鹫糗 型能够从不同侧面描述液相的混台特性，对予研究轴向混合有很强的指导 意义。翻日，研究液榴混合的模型主要是以扩散模型为基础。 2 。1 ，1 一缝扩鼗貘避 在所有描述轴向瀹合特性的数学模型中，以d a c k w e r t s 提出的扩散模 型最为麓攀，其数学式翔下： 皿窑一u 要：i c w ( 2 1 ) 或 i 1 窑墨：善 ( 2 + 2 )“ & 惫2惫嚣参 。 式中心为彼克涮数( p e = u z d 。) ，是表 难液相返溉糨度的模型参 数，c 为示踪剂的浓鏖，己厂为填料层内流体的速度，0 = ，肛，r 为平 均箨蟹时阍，z = 彰h 。 浚禳漤是基于欲下暇设褥到鹘： f 1 1 扩散过程是礁的，径向无浓度梯度； f 2 ) 塔廊液相缝隙遮度f 为常浆； f 3 j 躲渖注a 蓠主髂滚袭无影酾，示踩裁豹羹在过程孛守瞧。 该模型基本思想魁仿造费克窳律的形式，将液体理解为单相均匀流与 维扩散的迭加，虽然用这样一个模型来描述填料塔内复杂的话相流动和 漫台特注过于篱蕈露臻怒馥，茏英对耪太妻经辩壤糕塔来说，缺点更为突 出。但楚，该模型其有简单、方德、实用等特点，角一个参数总括了引起 轴向混台的诸因素，将复杂的两梢流轴向混合仅视为物质的扩散问题，使 离题简化，因此，该模型较为符合小塔液体鲍流魂，在各霉申他工过程秘遐 渥霹究中褥戮了最为f “泛赘应曩。 2 1 2 假一维扩散横毅 张泽愁鞋书经逶磷究议为，漠瓣璐液穗熬瀛劲分毒簿含状态离鼓、时瓣 离散的m a r k o v 方程。张泽廷等 2 0 l 在此基础上摁出了考虑沿填料塔的襁向 毒 ，笙三黧，茎壁堡鲨一。 具有不同轴向混合的假维扩教模型，幂来描述填料塔渡掇的混合。该模 型妇嚣2 - l 菠示。 l c t f p 警船 。t 、。一f j 二一 ：氯。纛：慧窖。鼎书 译譬渺警警4 - 譬 霎孽享攀弯誉0gi| 警 1 e ；享茹；“逢二 c 十等理争+ 警癣黯 阁2 一l 假一雅扩散过程示意图 该搂燮将填鼙垮的瀛萄滚蒋分为若于母弱心囊，每令满心嚣或瑟拜饩 表一个状怒，并假定： ( 1 ) 流动液体为邋续相； 2 ) 在蝼粒塔蘑一横截嚣上，滚槎流速，经商滚度鞋瀵会系鼗在藤一 状态内均为常数，覆淹狡态丽交； ( 3 ) 幽量混合系数d 。在全塔范阑内为常数。 基于、b 述假设，对图2 一l 中的塔徽元段徽憨将辩衡算，褥： 掣= g 学一磊掣( 2 - 3 ) 武中：丽= 三始 式( 2 3 郾为簇一维扩鼗壤墅戆数学表达式。它与受典黔壤扩数摸囊 的不同之处在于：一怒它用综合塔内不同状态轴向混合的当国混合系数d 。 5 第二章文献综述 来表征液相的混合：= 是浚模型盼示踪剂的浓度为平均浓度，故其考虑了 径向滚痰礴度。显然，若令馥为不考虑径囱浓度梯度懿维扩鼓穰爨中 的轴向混台系数，则本模型就退化为一维扩散模型，故一维扩散模型可以 说是本模型的个特例。同时，根据过程的特点和图2 1 有： e 、) = 霉c ( 趵 ( 2 - 4 ) 作者利用自行研制的激光光罨纤维检测仪和微型计算机实时采集数 据系统，溅定壤糕层不藏辘向帮径囱1 6 个位置点姓滚趋豹傍爨时阙分布，愿 时闻连续状态连续的m a r k o v 过程对该模型进行了求解，并对模型解析解 和试验估计值进行优化计算得到了计算当量p e c l e t 准数的关联式，见式 f 2 5 1 。 ( p e 卜譬观2 9 4 4 r e 。”1 0 ”5 4 一- r e g ( 嘉广”。 江5 ) 通过分析，作者认为：该模型陡经典的维扩散模型前进了一步，特 囊是对悫径较大静瑗籽塔更为逶掰。 2 1 3 二维扩散模拟 张泽廷等1 2 1 1 在鼓藤研究静辇礴上，把填料塔中的液季搴黉 乍一维流动二 维扩散，将假维扩散模型扩展为同时考虑液相轴向和径向混合的二维扩 散模型，其数学表达式为； 百o c ：万0 2 c 堪e 窘+ ；争一百篆 ( ：固 在该模型的试验研究中，作者认为如果示踪剂采取连续的点源稳态注 入，且在注入点下游任意位置处敬示踪裁浓发郄达至l 稳定麓，方避暂数据 采集，则上式变为： 坫d 虿8 2 c + q 矿0 2 c + ；1o 泖c ) 玎篆= 。 ( 2 忉 方程f 2 6 ) 的边界条件为： _ o c i ：0 ( 2 8 ) i ，= ” 篓| ：0浯8 a ) a z l 卢o 、 6 第二奄文献综述 c ( r ，z ) c 。 扩) 屯彬) 鲁誓 2 一躺1 f 2 堪c 该模型较为接近蠛料塔内的混合臆况，尤蕻对于大直径的填料塔具有 较好翁篌瘸徐篷。佟髫激臻瑟斡测试手段承跷热采露连续点瀛稳态注入熬 方法) ，获褥大量的填料层中各检浏点处的示踪荆无因次浓廉值，与模型解 析解相匹配，通过非线性规划有约柬的最优化方法一可变昝菠法来估计混 合参数，褥裂了滚糖浚合p e c l e t 准数浆嚣翔方程，是式( 2 9 ) 。 p e ( z ) = 兰姐8 5 9 1 ，r e l 04 5 6 5 1 0 ”8 “”，r e g 磕5 】( 2 - 4 0 ) 并提出了新型填料的模型参数计算方法。同时利用实验数嘏对模型在 耨型填籽土的应瘸绩况送行了捻验。结暴轰弱，以壤料基豹承力学当量妻 径为基穑熬尹g 窝r e 髓够较静圭蠡关联不隧尺寸酶盒属缝尔环帮金羁环矩装 填料的水相牟由向扩散系数数据，而且利用g u n n 的概率模型描述新型高孔 敞攀填料塔的轴向混合特性行为是可行的。 张茳彦等l 靠霹复台筑整壤餐戆滚捂瀑舍薅毪避行了臻窕，安羧舞瓣夔 簸台规整填料怒由两种疏密不同的2 5 0 y 合1 2 5 x 壤料复合丽成，1 2 5 x 填 料与2 5 0 y 填料相错9 0 0 ，迭放于2 5 0 y 填料上，熬间构成一个蠛料单元， 2 5 0 ￥荬辩每擞藩壅凌为2 0 0 r a m ，t 2 5 x 填鹈高凄约为1 2 0 r a m ，矫浏壤秘致 融4 段填料单元构成，高缎l ，3 m 。实验采雳空气一承物系，激赢浓度酶k c i 淄液为示踪剂，示踪剂从塔顶脉冲注入，采用电导法测量液体停留时f 司分 搬。实验采髑维流动仅考虑轴向扩数的扩教模型鞠一缍流动阅对考虑轴 国帮径彝扩敞瀚扩数挨黧，霜露闻壤最奎二黍法对模型参鼗遴章亍话算，簿 到了轴向、襁向扩散系数。在实验范围内，轴向、襁向扩散系数随液速的 增加而增加，气速对其影响不明显。 藩运文簿择3 j 鏖廷冀褒怒鼹 串注灭。鼹纛捡嚣蓑术，飕零5 0 璃瓷楚鞍、0 5 0 陶瓷阶梯环弱辔3 8 塑料涎鞍、0 3 8 塑料共轭环i i 黧等四种填料液稆轴向返 淞特性进行的研究，实验采用空气一水物系，以0 1 n n a c i 溶液为示踪剂，用 电导涟测量汞踩粼鹁箨镪时翔分布驹线，采蠕擎参数轴怠扩散活塞滚 ( a d p f ) 搂蘩，霜霞纯蕊投艇量法蕊诗参数模型，应耀疆枣二乘法多元线缝 第二章文献综述 回归得到计算p p 的关联式，见式( 2 - 4 1 1 。 p e d = 0 2 3 8 9 ( r e d ) e 。7 ”5 ( 器) l 0 1 5 3 8 ( r e d ) 6 ”4 ” ( 2 4 1 ) 实验表明，最具实用性的模型仍是以彼克列数_ p p 为参数的轴向扩散 活塞流模型。 卢世荣等 5 4 1 在装填阶梯环的填料塔内，研究了粘度对液相轴向混合的 影响，实验物系气相为空气液相为水和不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液，示踪 剂为饱和氯化钠溶液，采用非理想脉冲示踪剂注入、两点检测的实验方法，测 定空气和不同粘度水溶液系统的液相停留时间分布。用计算机直接采集处 理数据，数学模型采用一维扩散模型，用加权矩量法进行模型参数的估计，经 多元回归得到p p 的关联式，见式( 2 4 2 ) 。 p e d = 2 0 8 9 f r o3 3 4 加2 ”1 0 “4 ”r c 6 ”0 0 0( 2 - 4 2 ) 实验结果表明，喷淋密度增加，轴向返混参数p p 增大，在载点前，轴 向混合随气速变化缓慢，在载点一泛点间，气速增大轴向混合减小趋势加 大，轴向返混参数p e 增加趋势加大。粘度增加，轴向混合加大，轴向返 混参数p p 与粘度的0 2 1 1 次方成正比。 2 5 子l 板波纹填料的研究状况 张近等 55 对聚丙烯孔板波纹填料进行了改性研究，采用液相化学法对 聚丙烯孔板波纹填料进行表面改性，并对改性后的填料作了表面粗糙度、表 面结构、临界表面张力和传质性能等方面的测试。经过对测试前后填料性 能的比较，作者认为，用液相化学法改性聚丙烯填料表面，可以改变填料 表面的分子结构，提高填料表面的粗糙度，增加填料表面张力，从而改善 了填料表面的润湿性能，使填料塔的相际接触面显著增加，传质效率大大 提高。 栾国颜等【56 j 介绍了北京化工大学传质分离教研室开发的改进型孔板 波纹填料一桥孔板波纹填料，认为，桥孔板波纹填料具有以下结构优势： ( 1 ) 克服波纹填料结构不对称性，强化气流径向扩散； f 2 ) 加强波纹板面上两相的湍动，促进传质过程； ( 3 ) 保留了1 0 的填料有效表面，为气液传质提供更大的表面积。 作者对桥孔板波纹填料的流体力学性能和传质性能进行了实验研究。流 体力学性能测试采用空气一水物系，得到了填料层的干态压降、湿态压降 第二章文献综述 和液泛气速的关联式为： 干态压降：p = 4 07 7 f 1 9 4 0 湿态压降：a p = 3 2 1 6 1 0 0 ”7 f 26 7 。 液泛气速：1 9 了u i 2 7 ai p g 一。o _ 2 = 。2 6 4 一1 7 5 ( 争巧( 每) f 2 - 4 3 1 ( 2 4 4 ) f 2 - 4 5 ) 传质性能测试采用传统的氧解吸法，测定了不同喷淋密度、空塔气速 对传质单元高度的影响，并在喷淋密度为2 0 m 3 ( m 2 h ) ，气速范围为 1 2 m s 3 5 m s 与孔板波纹填料进行了比较，桥孔板波纹填料的传质单元 高度明显低于孔板波纹填料的值，在测试范围内，桥孔板波纹填料传质效 率一般提高2 0 。 孙津生等【5 研究了金属孔板波纹填料的操作性能和负荷性能。利用文 献报道的有关金属孔板波纹填料的性能数据，讨论了规整填料的气、液负 荷的上、下限，对它的操作弹性进行了分析，同时绘出了m e l l a p a k 2 5 0 y 填料的负荷性能图。从中发现金属孔板波纹填料m e l l a p a k 2 5 0 y 的气相负 荷弹性约为5 ，1 ，液相操作弹性可达1 0 0 左右。 潘国昌等【58 】用冷、热模实验研究了b g 一1 0 型压延孔板波纹填料的流 体力学和传质性能。在内径为5 8 0 m m 的有机玻璃塔中，用空气一水体系 测定了填料的泛点和压降，用计算机回归实验数据得出了载点前后填料层 压降的关联式。同时，利用氧解吸实验，通过测定解吸前后水中氧气的浓 度计算解吸传质速率及每米填料的传质单元数n o z ( 其倒数即为传质单元 高度1 。同时，在相同条件下与m e l l a p a k 2 5 0 y 填料进行了比较，在同样操 作条件下，b g 一1 0 型压延孔板波纹填料比m e l l a p a k 2 5 0 y 填料压降平均低 1 0 2 0 ，泛点高1 5 2 0 ，氧解析传质效率高1 5 。通过对实验 结果的分析，作者认为，b g 一1 0 型压延孔板波纹填料具有生产能力大、压 降低、传质性能优良等优点，是一种性能优良的规整填料。 第三章轴向混合特性的测定 第三章轴向混合特性的测定 3 1 实验装置流程 实验装置流程如图3 1 所示。其主体设备为填料塔，塔内径3 0 0 m m ，填 料层高度1 1 0 0 r a m ，液体分布器为双层多孔管式。由图3 1 可看出塔的内 部结构。填料层上有压板，下有支撑板。压板及支撑板均为栅板式，使其 自由截面积足够大，确保其不先于填料层液泛。喷淋装置是专门设计制作 的双层多孔支管式喷淋器，能在较大的喷淋密度变化范围内保证液体的初 始均匀分布。喷淋装置直接安放在水平的填料压板上，这样可消除淋洒空 间，避免淋湿填料层上方的塔壁，尽量减少端效应。塔底中央为一根垂直 的降液管，从填料层底部流下的液体立即收集到降液管内，直接引到塔底，以 尽量减少其与进口气体接触，塔底处的液面用浮动板盖住，使液面与从塔 底部通入的气体脱离接触，塔底有液封。 实验物系为空气一水物系，示踪剂为k c i 饱和溶液。 实验测试范围如下： 液体喷淋密度：l = 6 18 m 3 ( m 2 h ) 气体质量速度：g = 3 0 0 0 1 7 0 0 0 k g ( m 2 h 1 空气经离心式8 18 1 0 l 型鼓风机，经由塔底的气体分布器，用内径 8 0 m m 、长3 m 的管道通入塔内填料层。气体分布器由5 个升气管组成，用 以调整各点进气速度基本相同。管道前段为收缩段，其后为长度为3 0 0 m m 的整流段，该段管内装有由薄壁小管构成的整流子，用以缩短对稳定段的 长度要求。整流段之后的管道为稳定段，稳定段长2 6 m ，皮托管位于稳定 段1 8 m 处，距塔底进气口0 8 m 。 空气流量由蝶形阀调节，由皮托管流量计测定管中心流速。空气 流量的具体数据根据r o t h f u s 等人建立的光滑管内u m 。与r p 。关联曲 线求平均流速，进而换算求得。实验采用自来水，经流量计计量后从 塔顶进入塔顶喷淋器内，在填料层内与气体充分接触，流至塔底后经液封 排入地沟。 实验中用x m z 型数字温度计( 测量范围为0 1 0 0 。c ) 测量气体入口 及出口温度，室温、液体入口温度及出口温度均用普通温度计测量。 塔内压降、塔底绝压、皮托管压差、进气管绝压均用u 型管压差计测 量，以水为测量介质。 2 0 第三章霉囊囱 l 妻台特桎弱瓣定 】一鼓风鞔；2 一皮螽管滚量诗；3 熬滚子；4 一u 登压差诗：5 一凄精瑟； 6 一塔体：7 电磁阀；8 一示踪剂储罐；9 一液体分布器；1 0 填料压板； 1 1 水转予流量计； 1 2 一填料支撵板；1 3 一铂电极；1 4 一气体压缩机； 1 5 滚馋取糕器：1 6 一秀气管；i 7 一终液警；1 8 一渡位指示诗：1 9 一隶泵 图3 1 试验装置流程图 f i g 3 1 t h ef l o wc h a r to fe x p e r i m e n t 承量麓3 个量程、糖凌蔷不稳弱瓣玻璃转予溅堂诗溺量，箕錾号援穆 如下： l z b 一2 5量程：l o o 1 0 0 0l h精度：2 0l h l z b 4 0 量程：0 。1 6 1 。6 一，h精发；o ，0 4m 3 h l z b - - 5 0 量程：o 6 6 0 m 3 h 精度：o 0 6 m 3 ，h 3 2 实验壤料的制备 我国在7 0 年代中期即开始研究和应用波纹填料，8 0 年代初开始全面 推广，在化工、石化、炼油、制药、环傈等行业都有应用，尤其是用于老 蹬改造懿箍凑产量、簿氮熊耗蟊或) 瓣蔫产品瑟溪，魏褥了蘸大豹社会经 2 1 第三章轴向混合特性的测定 济效益，在苯乙烯蒸馏塔、原油辩、减压精馏塔等方面的应用达到国际先 遗东平。不同厂家生产的波纹填料豹形靛结鞠大同小吴。鬻既性靛也眈较 相近。孔板波纹填料怒近年来开发出来的一种高效规整填料，其外观如图 3 - 2 所示。 图3 - 2 孔擞波纹填料的外观 f i g 3 2 s k e t c ho ft h ec o r r u g a t e dp l a t ep a c k i n g 孔缀波纹填料的兹构参鼗色旗盘高日，峰离a ，渡蹲s ，波长，荫形 角d ，波纹与塔轴的倾角声以及开孔率妒等，通常，孔板波纹填料根据比 表面积的不同分为15 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 、3 5 0 、5 0 0 等规格，当填料的规 穆一定雾誊，荬漳裹、波距、渡长、畿彩燕等楚一定豹，毽开魏率、颓楚秘 盘高可以有不同的选择。开孔率、倾角和盘商怒孔板波纹壤料的主要结构 参数，对填料的性能影响较大。孔板波纹填料的结构参数示意图如图3 ，3 _ 薅示。 本次实验所采塌豹填料为2 5 0 y 塑料孔板波纹填科( s k b 2 5 0 y ) ，葵基 本参数如下： 理论板数： 2 2 51 m 篦表嚣穰： 2 5 0搬。m 压力降：3 1 0 4 m p a m 堆积密度： 7 5 k g m 3 液钵受蕊：0 。2 8 0 m 3 ( m 2 h 最大f 因子：2 6 ( m s ) ( k g m 3 ) 。5 第三章轴向混合特性的测定 锄协? 缴协勺嘶? 叭 ：一 三一波长：d 一盘径；s 一波距；日一盘高：矗一峰高 口一齿形角；一波纹与塔轴的倾角 图3 - 3 孔板波纹填料的结构参数 f i g 3 3 s k e t c ho ft h es t r u c t u r a lp a r a m e r t e r so ft h ec o r r u g a t e dp l a t ep a c k i n g 为了研究孔板波纹填料的结构参数对液相轴向混合特性的影响，本文 制备了1 0 种具有不同开孔率妒、倾角卢和盘高灯的填料，填料材质为聚 丙烯。实验所用填料列于表3 1 。 表3 1 实验所用填料的结构参数 t a b l e3 - l t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f p a c k i n g 填料 ( )( 。)h ( m m ) 1 #o 04 58 0 2 群6 54 58 0 3 #8 84 58 0 4 拌1 3 o4 5 8 0 5 群6 51 58 0 6 社6 53 08 0 7 群 6 56 08 0 8 #6 54 54 0 9 群6 54 51 2 0 1 0 群 6 5 4 5 1 6 0 1 44 填料的倾角口和盘高h 相同，但开孔率f , o 不同，通过对1 4 4 填料所测定的实验数据的分析，即可得出开孔率口对轴向混合特性的影 第三章轴向混合特性的测定 响；2 。、8 4 、9 4 和1 0 “壤料的开孔率妒和倾熊相同，但盘离h 不同，通 过对2 4 、8 4 、94 窝1 0 4 填辩掰测定麓实验数据的分罄彳，郓可褥出盘离筇 对轴向混合特性的影响；2 。、5 ”、64 和74 开孔率口和盘高h 相同，但倾 角卢不同，通过对2 。、5 。、64 和74 填料所测定的实验数据的分析，口口可 得鲞 委爨掺黠毒壹自游会特鞋懿影瀚。 3 3 实验方法 3 ，3 。l 实验漂理 传统的以检测示踪剂浓度为手段的“激励一响应”技术是一种公认的 研究填料蟒中混合较可靠的方法，简单可行。宅的基本操作方式是，在液 薅上游突然注入示踩羯，麸瑟对液事搴产生一个“激藏”，在缕精塔下游液 体出口处设置一个捡测口，进行迄续采样，检测液体中示踪剂浓度随时问 的变化，以获得“响应”讯号，从而可以得到液体的停留时间分布曲线。分 布篷线毯含蓉表薤遭疆蕊诤多谖纛，经蓬分捉处理蜃，可褥爨_ ；莠零懿过程 参数。 采用热水为示踪剂，以检测示踪剂温度为手段的实验，其温度检测比 较褰易实瑷，篷鬏点在予示踩裁蠲爨较浓褰法大，嚣豆垂予涤壁荠j 宪全 绝热并且填料本身有一定的热容豢，因此不可避免会有热损失，相应的温 度变化也不一定是混合引起的，同时，温度探头可能会干扰流场，温度传 感可能会产生涝惹误蓑，疑鞋测愆数蹇不太霹露。 本文实验物系为窝气一永物系，以检测示踩剂浓度为试验手段，并做 如下假设： ( 1 ，褒援整壤瓣漤内凌传渡凌蒺弓 起斡浚髂浓度之闻懿混合远大予囊 分子扩散所引起的浓魔混合，对于该假设h a n l l 2 1 已经进行证明，他的研 究表明：d 月d # r # 的数量级介于1 0 3 1 0 5 。 f 2 ) 在溪辩塔任意是邦数元镑肉，示踪裁滚渡和主俸滤体达到完全潺 合，剐幽实验检测到的局部示踪粥浓度c 可幽下式求得： c ：! 型! ! ：望皇f 3 1 1 g 。册+ 譬 第三章轴向混合特性的测定 c - - c t ：q c m ( c o - - c t ) q 。+ 吼 ( ? + ：盟：塾： c o c fg 。一g f 式中： 可。粥部示踪剂液体流量，m 3 ，s ； q ，局部主体液体流爨，m 3 s ； o 试验梭测到的示跺剡是部浓度，m o l m 3 ； e 。示蹿荆溶液的初始浓度，m o l m 3 ； c ，主体液体的进口浓度，m o l m 3 ； c 无围次浓度。 3 3 2 示踪剂注入方式 ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 在脉冲示踪法中，冬秘方法的区别在予示踪裁鲍选择瓣捡测手段的不 同。在选样示踪裁时，除了要求墓不与主流体发生反应补，还应遵循以下 原则： ( 1 ) 示踪刘浓度易于检测，除了显著区别予主流体的浆一可检测性质 外，示路测应当尽可锈与主流棒商籀同的耪理性质。 ( 2 ) 示踪剂用量尽量少，从而对系统主流体的流动状态基本无影响。 ( 3 ) 示踪刘应易予和主液体滚为一体，与系统中的物料不发生化学反 应，在浏定过程中不挥发，不藕辩。 本次实验选用k c l 饱和溶液作为示踪剂。 示踪测的注入方式一般有稳态示踪法、理想脓冲法、任意注入法、盼跃 法、正弦液法等多静方法。参融j 串试验技术检澜便琴j ，受气鞠予魏较少，是 切实可行的研究填料滕液相轴向混合的方法，蕊时间域、变换域估算参数的 计算公式基本相同，陡于其仅霄一条响应越线，因此，计箕方法较为简 警，麴线缀台方法巍较为直蕊。豳就，本次试验选埔每球冲试验技术。澎子 实验中理想占脉冲( 即，= o 时，烈t ) = 。，r o 时，o ( r ) = o hr8 ( t ) d t ；1 ) 很难实 现，为了使示踪剂的注入接近理想脉冲，注入时间控制在平均停留时间的 3 班两。 本次实验将示踪剂的注入时间控制在o 1 0 2 秒。实骏时，在时问继 第三章轴向混合特性的测定 电器和电磁阀的控制下，依靠空气压缩机提供的示踪剂储罐中的压力，突 然向塔内进行示踪剂的d 脉冲注入。示踪剂与水混合后经液体分布器分布 流入填料层。示踪剂注入方式示意图如图3 4 所示。 1 空气压缩机：2 一示踪剂储罐；3 一电磁阀：4 填料塔；5 时间继电器 图3 4 示踪剂注入方式示意图 f i g 3 4 s k e t c ho ft h em o d et oi n p u tt r a c e r 3 _ 3 _ 3 检测及数据采集系统 3 3 3 1 浓度检测系统 检测系统示意图如图3 5 所示。 液体出口 1 填料塔：2 铂电极；3 一电导仪；4 一数字电压表；5 一输入接口；6 微型机系统 图3 5 浓度检测系统 f i g - 3 5 t h es y s t e mo ft e s tc o n s i s t e n c y 第三章轴向灌合特性的测定 为了检测填料层内液体停留时间分布，在填料层底部紧接填料层支撑 板下面安装液体收集器，铂电极接在收集器的下方，通过铂电极检测流出 液体中示踪剂的浓度。在收集器内液体的流速较大，停留时间小于平均停 留时间的1 ，这样，就可以使时间滞后引起的误差很小。为加快数据的 处理，用一输入接口将计算机与数字电压表和电导仪联机，构成本实验的 数据自动采集、记录、处理系统。经电导仪及计算机采集系统采集数据，即 可绘出停留时间分布曲线。 3 3 3 2 电导测定装置 电导测定装置主要由电导仪、电导电极和自动平衡记录仪组成。 电导仪的测量是一种基于“电阻分压”原理的不平衡测量方法，其基 本原理如图3 - 6 所示。稳压电源输出一个稳定的直流电压，供给振荡器和 放大器，使它们工作在稳定状态。振荡器由于采用了电感负载式的多谐振 荡电路，具有很低的输出阻抗，其输出电压不随电导池电阻b 的变化而变 化，从而为电阻分压回路提供一个稳定的音频标准电压矿。 r 2 图3 - 6 电导仪测量原理图 f i g 3 6 s k e t c ho fm e a s u r ep r i n c i p l e 根据欧姆定律： 。= v ( e 。+ r 。) 由于矿和r 。都是恒定不变的，假设r ， r ，则可得 ，o c l r ， 第三章轴向混合特性的测定 由上式可以看出：测量电流厶的大小正比于电导池两极间溶液的电阻 ，佃，从而把对溶液的电导1 r 。的测量变换成对电流厶的测量了。调节测 量电阻箱r ， 0( 3 - 7 ) 仰是与示踪剂注入方式有关的脉冲响应函数，当示踪剂以j 脉冲方式 注入时，它是模型参数p e 和r 以及时间r 的函数，即，( 臼) = c ( p e ，r ，) 。 3 4 2 轴向返混参数p e 的估算 由实验测得的停留时间分布曲线，可以用矩量法、加权矩量法、时间 域最小二乘法等方法进行拟合处理，估算出轴向返混参数p e 。文献【4 6 1 通 过对部分实验数据进行各种方法处理，结果表明，矩量法虽然简单，运算 第三章轴向混合特性的测定 速度最快，但所得轴向返混参