（化学工程专业论文）孔板波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性能的影响.pdf

摘要 开孔率、倾角及盘高是孔板波纹填料的主要结构参数，对其流体力学及传质性 能影响较大。本文研制了具有不同开孔率、倾角及盘高的孔板波纹填料，并在内径 中3 0 0 m m 的填料塔中，以空气一氨一水为物系，对所研制填料的流体力学及传质性 能进行了研究。研究结果表明，孔板波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性 能有一定的影响。填料层压降 , p z 随开孔率庐、盘高日的增加以及倾角卢的减小 而降低i 气褶总传质单元高度岛。随倾第声的增大和盘高耳的减小两降低，开孔 率妒与气相总传质单元高度。无单调的比例关系，而有一个适宜值，该适宜值 约为6 8 。 本文采用回归分析法对实验数据进行了分析处理，分别得出了填料层压降 a p z 与开孔率矿、盘高日、倾角卢的关联式，以及气相总传质单元高度h o a 与盘 高日、倾角声的关联式，为孔板波纹填料的开放与设计提供了基础。 本文从孔板波纹填料的结构特征及液体在填料层内昀流动机理分析入手，对孔 板波纹填料的结构参数影响其流体力学及传质性能的机理进行了探讨，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；流体力学性能；传质性能；结构参数 a b s t r a c t t h eo p e n i n gr a t i oa n dt h ei n c l i n a t i o na n g l ea n dt h eu n i th e i g h to ft h ep a c k i n ga r e m o s t l ys 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 g ，t h e yl a i dg r e a ti m p o r t a n c eo n t h ep e r f o r m a n c eo fm a s st r a n s f e ra n dh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ep a c k i n gt o w e r 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 ro f p l a s t i c sc o r r u g a t e dp l a t ep a c k i n go n p e r f o r m a n c eo f m a s st r a n s f e ra n dh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ew e r ei n v e s t i g a t e di n 3 0 0 m ni dp a c k i n gt o w e rw i t ha i r - h 2 0 - n h 3s y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o fp l a s t i c s c o r r u g a t e dp l a t ep a c k i n gh a sc e r t a i n e f f e c to n h y d r o d y n a m i ca n dm a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c e ，t h ep r e s s u r ed r o pa p zd e c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n go p e n i n gr a t i o 圣，u n i th e i g h tha n dd e c r e a s i n gi n c l i n a t i o na n g l e 口；t h eh e i g h t o fm a s st r a n s f e ru n i t1 4 0 0d e c r e a s e dw i l hi n c r e a s i n gi n c l i n a t i o na n g l e8a n dd e c r e a s i n g u n i th e i g h to ft h ep a c k i n gh ，a n di n f l u e n c eo fo p e n i n gr a t i o 圣o nt h eh e i g h to fm a s s t r a n s f e ru n i th o oh a das u i t a b l ev a l u e ，w i t c hw a sa b o u t6 - 8 。 i nt h i sp a p e r , t h r o u g hr e g r e s s i n ge x p e r i m e n t a ld a t a , t h ec o r r e l a t i v ee x p r e s s i o no f t h e p r e s s u r ed r o po fp a c k i n gl a y e r p 隰a n dt h eh e i g h to fm a s st r a n s f e r u n i th o gw a s o b t a i n e d t h er e s u l tc o u l db eo fv a l u et od e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fp l a s t i cc o r r u g a t e d p l a t ep a c k i n g i nt h i sp a p e r , t h em 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 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 go nh y d r o d y n a m i ca n dm a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c ew a sd i s c u s s e dw i t h s t r u c t u r a lp e r f o r m a n c eo fc o r r u g a t e dp 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 m i np a c k i n gl a y e nt 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 no f p a c k i n g t 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 ；h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e m a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c 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，也不包含为获得盘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：签字日期：呻歹年7 月；o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘茔有关保留、使用学位论文的规定。特 授权墨鲞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 苍磊 签字日期：彬年7 月；d 曰 导师签名： 签字日期：沙母年7 月) f 日 天津大学硕士学位论文孔板波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性能的影响 第一章前言 现代化工生产通常要求各种传质分离过程的压降更低、操作通量更大、分离 程度更高、放大效应更小。板式塔由于压降大，通量小以及效率低等，在一些传 质分离场合难以满足现代化工生产要求，填料塔作为连续接触式的气液传质设 备，它具有结构简单，压5 犟f 氐，通量大、效率高、便于用耐腐蚀材料制造等特点，因 此，在工业上得到了广泛的应用。尤其在近年来，随着新型塔填料、塔内件的研 究开发和填料塔设计技术的发展，填料塔的应用日益广泛，它已成为气、液传质 的重要设备。在石油化工、精细化工等分离过程中，一些板式塔已逐渐被填料塔 所取代。填料塔性能的好坏直接与填料塔中使用的填料、液体分布器等塔内件的 性能有关，面填料的性能尤其具有决定性的作用。因此，填料塔的发展和改进主 要就是反映在填料的发展和改进上。 塔填料( 简称填料) 是填料塔的核心组成部分，为塔内气、液两相接触中的 传质元件，其作用主要是为气、液两相提供充分接触面，并为强化其液体流动的 湍流程度创造条件，使传质系数增大，相应等板高度降低，从而使传质效率大大 提高。经过数十年的研究开发，适用于不同用途的各种高性能填料广泛应用于化 工等众多行业，取得了良好的社会效益和经济效益。填料的研发工作也愈来愈 受到工业界的重视。研究和发展一些流体力学和传质性能优良的新型、高效填 料，己成为填料塔技术在相关工业领域推广应用的关键。为追求更好的填料性 能，国内外众多的生产企业和研究单位仍在不断地开发研究新型填料，并取得了 可喜的进展。 填料的性能主要是从填料的流体力学性能及传质性能两方面来研究的。流体 力学性能主要是研究压降韵大小，在定操作条件下，气速和液速与泛点填料 因子和压降因子的关系。传质性能则主要是对液膜传质系数和气膜传质系数的 研究。 波纹型填料是目前性能最好、应用最为广泛的规整填料。它分为丝网波纹填 科和板波纹填料两大类。孔板波纹填料是近年来开发出来的一种商效规整填料，其 应用非常广泛。孔板波纹填料的结构参数包括盘径d 、盘高凰峰高h 、波距s 、波 长，、齿形角a 、波纹与塔轴的倾角芦及开孔率庐等。通常，孔板波纹填料按比 天津大学硕士学位论文孔板波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性能的影响 表面积不同分为1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 5 0 、5 0 0 等规格。当填料的规格一定时，其蜂 高、波距、波长、齿形角等是一定的，但开孔率、倾角及盘高等可有不同的选择。开 孔率、倾角及盘高是孔板波纹填料的主要结构参数，对填料的轴向混合特性、流体 力学及传质性能影响较大。在轴向混合特性的研究方面，关于散装填料的研究报 道较多，而新型规整填料的研究报道较少；在流体力学及传质性能的研究方面，不 同规格、不同材质的孔板波纹填料的流体力学和传质性能已有大量的研究报道，其 有关数据可从手册中查得。但开孔率、倾角及盘高等结构参数对流体力学和传 质性能的影响研究报道极少。本文选用具有不周开孔率、倾角及盘高的填料，分别 对其流体力学和传质性能进行测定，以探讨孔板波纹填料的结构参数对其性能 的影响。该研究对进一步探讨填科层的液体流动机理及对孔板波纹填料的开发 与应用具有一定的理论意义和实际意义。 天津大学硕士学位论文 孔板波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性能的影响 第二章文献综述 2 1 填料流体力学性能的研究 流体力学性能主要是指持液量、载点、液泛点和压降等。填料塔中汽、液两相 呈逆向流动，在正常操作时气相是连续相，液相作为分散相，以液膜形式分布在填 料表面。汽、液两相在填料层的流动和分布规律是研究填料塔流体力学性能的基础 和重点。压力降、泛点及持液量是填料塔设计中最基本的参数，这些流体力学性能 是影响塔传质效率的关键之一。伴随每种新型填料的出现，人们首先是测量它的压 降、泛点及持液量等数据，因此从过去到现在累积了大量的经验和半经验公式。 2 1 1 填料的持液量 持液量是指在一定操作条件下，在单位体积填料层中包含的液体体积，是表征 填料流体力学性能的重要参数，以f 液体y ( r n 3 填料) 表示。它直接影响填料的压降、传 质效率、屉大处理能力及能耗。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。持液量由三部分组成：填料表面的膜流、填料接触点上的积液以及填 料层自由空间的液流。其中，液流表面的膜流使填料的几何表面积成为活性表而 积，在传质中发挥着主要作用。另外，持液量还可分为静持液量风、动持液量日。 和总持液量鼠。静持液量是指液相在填料表面的表面张力与其所受重力相平衡时滞 留于床层中的液量。操作时的总持液量与静持液量之差为动持液量，动持液量是指 填料塔停止气液两相进料时流出的液体置，它与填料、液体特性及气液负荷有关。也 是目6 口人们研究的重点。 一般压降和传质系数的计算都涉及到持液量，填料层的持液量通常由实验测 出，也可由经验公式计算。因而国内外有许多学者对其进行了广泛的研究( 如 b e r i n e r r l 】；t a k l a n a s k i 2 】；佟泽民 3 】；王施力州；r o c h a 5 】；b i l i “6 。】；w a 印c r 【”及王利 东即等) 。但出于汽、液两相在填料层( 尤其是规整填料) 中逆向流动过程复杂，迄 今尚无反映持液量变化之公认理论，只是根据大量实验数据整理得出各种经验和半 经验关联式。下面简单介绍几种较为常用的填料持液量计算模型。 对散装填料主要有w a 鄹c r _ s 雠h l m a i r _ f l i i r 吲模型： 对散装填料主要有w a g n e r - s f i c h l m a i r - f a i r i 2 1 模型： ”卜出) 2 沼t ， 天津大学硕士学位论文孔板波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性能的影响 第二章文献综述 2 1 填料流体力学性能的研究 流体力学性能主要是指持液量、载点、液泛点和压降等。填料塔中汽、液两相 呈逆向流动，在正常操作时气相是连续相，液相作为分散相，以液膜形式分布在填 料表面。汽、液两相在填料层的流动和分布规律是研究填料塔流体力学性能的基础 和重点。压力降、泛点及持液量是填料塔设计中最基本的参数，这些流体力学性能 是影响塔传质效率的关键之一。伴随每种新型填料的出现，人们首先是测量它的压 降、泛点及持液量等数据，因此从过去到现在累积了大量的经验和半经验公式。 2 1 1 填料的持液量 持液量是指在一定操作条件下，在单位体积填料层中包含的液体体积，是表征 填料流体力学性能的重要参数，以( m 3 液体) ，( i n 3 填料) 表示。它直接影响填料的压降、传 质效率、最大处理能力及能耗。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。持液量由三部分组成：填料表面的膜流、填料接触点上的积液以及填 料层自由空间的液流。其中，液流表面的膜流使填料的几何表面积成为活性表面 积，在传质中发挥着主要作用。另外，持液量还可分为静持液量聪、动持液量凰 和总持液量凰。静持液量是指液相在填料表面的表面张力与其所受重力相平衡时滞 留于床层中的液量。操作时的总持液量与静持液量之差为动持液量，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。也 是目前人们研究的重点。 一般压降和传质系数的计算都涉及到持液量，填料层的持液量通常由实验测 出，也可由经验公式计算。因而国内外有许多学者对其进行了广泛的研究( 如 b e 衄0 1 ；t a k l a n a s k i t 2 】；佟泽民 3 】；王施力州；r o e h a 5 】；b i l l e t e 6 7 ；w a g n e r 8 1 及王利 东i v 等) 。但由于汽、液两相在填料层( 尤其是规整填料) 中逆向流动过程复杂，迄 今尚无反映持液量变化之公认理论，只是根据大量实验数据整理得出各种经验和半 经验关联式。下面简单介绍几种较为常用的填料持液量计算模型。 对散装填料主要有w a g n e r - s t i c h l m a i r - f a i r 8 】模型： 岛= + z 0 ( p t i 。p ；) 2 c z t ， 天津大学硕士学位论文 孔板波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性能的影响 ”o s s s 【劳j 式中h ，填料持液量，m 3 m 3 ； 。泛点持液量，m 3 m 3 ； p 一单位填料高度压降，p a m ； m 液体密度，k g m 3 ； g 重力加速度，n a y s 2 ； 呀一填料比表面积，m 2 m 3 ； “厂液体表观流速，m s ； s 填料空隙率，m 3 m 3 。 对规整填料主要有r o c h a - b r a v o f a i r 5 1 模型 岛= ( 4 ( 意 驴g ( 警 ( 一最) 1 式中s 规整填料波长，m ； 掣液体粘度，p a s ； 蚍r 一液体表观流速，m s ； 比液相密度，k v 4 m 3 ； p 广气相密度，k g m 3 ； 口填料倾角( 与水平方向) ，。； 鳓有效重力加速度，m s 2 a p 单位填料高度压降，p a m 。 2 1 2 填料层压降 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。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。目前，大体上对于填料塔压力降关联可分为 如下三类。 2 121 通用压降关联图( g p d c ) 通用压降关联图是由s h e r w o o d 1 0 1 与l e v a n 1 最早建立，以普遍化图的形式关联 了散装填料床层压降与液泛速度。因为该图表具有直观方便、能同时确定液泛速度 的特点而被广泛采用。其后，许多学者对其进行了修正( 如e c k e r t i ”】；l e v a ”】及 s t r i n g l e f l 4 j 等) ，使它能应用到各种新型散装填料和规整填料中去。为便于计算机使 ) ) ) 心 ” 天津大学硕士学位论文孔板波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性能的影响 用，一些学者( 如c h e l l 1 5 1 ；h s u 1 6 】；陈林君【1 7 1 ：金祖源 1 8 】及冯善良 1 9 1 等) 将s he ：r w o o d 液泛线及等压降线回归关联成公式的形式。 2 1 2 2 压力降气速关联图 压力降气速关联图即通过对某类型和尺寸的填料进行实验测定，得到压降与 空塔气速、动能因子、质量速度或能力因子的关系曲线。这是最基本的关联方法，也 称为e c k e r t 关联图( 由e c k e r t l - 2 ；m e r s m a n n t 2 1 ；f a i r t 2 2 】及s t r i n g l e l l4 】等人提出) 。这 类关联图一般是以空气和水为实验物系，在实验规模塔中标定所得，推广至工业应 用时，会有一定的偏差，并且对使用计算机计算者极为不便。 2 1 2 。3 经验一半经验关联式 经验一半经验关联式是以范宁型公式为基础，先计算出于填料层的压降，再计 算湿床层的压降，至今己有大量的关联式出现，它们建立在所选用的数据库基础上，适 用于不同的填料形式及实验条件，由于需要各自的常数，计算较为复杂。 对散装填料，一些学者( 如b u c h a n a 2 习；b e r m 一1 t ：b i l l e t 2 4 1 及k i s t e r 2 5 1 等) 己 经成功地得到了如下压降关联式： r1 5 廿= 峨 高 ) 胆：坐丛( 2 - 6 ) ” 占 2 式中a p 单位填料高度压降，p a m ； 乃一单位干填料高度压降，p a m ； 所一单位体积填料液体持液量，m 3 m 3 足常量，与填料类型和尺寸有关； 牙一范宁摩擦系数； 占填料空隙率，m 3 m 3 ； 矿一填料的比表面积，m z m 3 ； “，气相表观气速，m s ； 瞳气相密度，k g m 3 。 对规整填料，主要有b r a v o - r o c h a f a i r 模型 2 6 1 2 7 】： j 妻；j i “芦2 + s 8 8 ： 。7 4 。缸a _ _ _ _ _ l 日“静 一蟹 ，一( 0 6 1 4 + 7 1 3 5 s ( 苇l r 卜i , o ls i n 鼬酽半 ( 1 _ 刳 1 ” = 0 ( 2 7 ) 天津大学硕士学位论文 孔板波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性能的影响 兄翊1 2 呐) ：”面0 2 0 6 商赢耐0 3 2 - 8 ) 式中 一规整填料波长，m ； s 填料空隙率，m 3 m 3 ； 口填料倾角，o ： “心气相表观流速，m s ； “心一液体表观流速，m s ； g 一重力加速度，m s 2 ； 腑一气体粘度，p a s ； p 厂_ 液体密度，k g m 3 ： p 加盯一液泛压降，p a m ； a 液体表面张力，n m ； 臃l 液相w e b e r 准数； 乃厂一液相f r o u d c r 准数： r 8 液相r e y n o l d s 准数； c o s y 参数，当o 0 0 5 5 n m 时，c o s y = 5 2 1 1 x 1 0 1 6 _ 8 3 5 。 通过迭代求解即可得到规整填料层的压降p 。 2 1 3 泛点气速 泛点气速对填料塔的设计至关重要，它也是填料塔设计的基本依据。但至今泛 点仍很难有一个确切的定义，s h e r w o o d 和p i g f o r d 2 8 】得出了三个定义法；s i l v e y 和 k e l l e r t 2 9 1 列举了文献中至少有的1 0 个定义；k i s t e r 和g i l l 2 5 】贝4 统计出了泛点的1 9 个定义。液泛本身是一种不稳定状态，其影响因素很多，因此得到的实验数据极为 离散。王利东等f 9 】还在加压条件下测定了不同气速和液速下规整填料层内液相的混 合行为，发现随精馏操作压力的增加，汽相行为更接近于液相，理论上此时汽、液相际 传质阻力应不断下降，传质效率不断增加，直至混和物的临界压力时，趋近1 0 0 。然 而在实际应用中，无论是板式塔还是填料塔，在高压下( p 1 0 0 0 k p a ) 都背离了此规 律，填料塔更是如此。通过对板式精馏塔在高压条件下塔板及降液管中的液体特性 的分析发现，由于汽相在高压下密度及粘度的增加，自扩散能力下降，它们以乳 化态的形式存在于液相中而难于自行脱离，这样液体的体积大大膨胀，堵塞降液 管，导致液泛的发生而使塔效率下降。迄今为止，计算泛点气速主要有以下两类 方法。 天津大学硕士学位论文孔板波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性能的影响 2 1 3 1 以因次分析为基础的关联方法 这种方法最早由s h e r w o o d 1o 提出，在此基础之上，经e c k e r t 2 0 1 改进，形成目 前的通用关联图。由于这种关联图具有使用方便，计算简捷，通用性强等优点而为 设计者广泛采用。不过这种关联图液泛线和等压降线采用了同一种填料因子，将通 用关联图中准数不能反映的多种影响因素归结到填料因子上，使得填料因子成为一 个非常复杂的统计量。由于填料表面润湿的理论尚不成熟，进行的实验也很有限，从 而使填料因子的数据很不齐全，因此使用通用关联图经常会出现3 0 的误差【3 0 。 麦本熙 3 h 对填料因子进行了修正，提出了填料通量因子的概念，效果较好。金 祖源f 3 2 】分析了e c k e r t 关联图产生误差的原因，重新绘制了新的通用关联图。上述 这些均以图的形式存在，不适合于现在的计算机计算应用，因此许多学者( 如温 远平【3 3 】；夏博娅等) 后来将曲线回归成了方程的形式。此外，作为s h e r w o o d 关 联式变形的b a i n 和h o u g e n 3 5 】关联式，也是经常采用的计算泛点气速的关联式。 2 1 3 2 半经验半理论方程 此类方程以b e r n o u l l i 方程为基础，从液泛条件下气、液流动分析出发推出的半 理论液泛速度关联式，为b e r t e t t i 36 1 、d e l l 和p r a n 3 7 1 所提出；国内有吕淑芳网等也 利用这种方法建立了泛点关联式。 2 2 填料传质性能的研究 表示填料层传质性能的参数有两种：传质系数( 或传质单元高度) 和理论板当 量高度( 或单位高度的理论板数) 。典型的气、液传质过程分为三种情况，气膜阻力可 忽略，液膜阻力可忽略以及两阻力都不可忽略。若气膜阻力可忽略不计，则称该过 程为液膜控制；反之，则称为气膜控制。 探讨填料传质规律常借助传质模型，目前，化学工程师要设计计算能完成某一 分离任务所需之填料精馏塔的高度和直径，一般都采用平衡级模型方法，即 船肝 _ 卵法( 等板高度理论板法) 。国内有王绍亭等人d g 对h e t p 概念进行过研 究，并建立了适用于i m t p 填料的h e t i p 模型。 平衡级模型将填料塔由上至下划分为一系列汽、液相完全混合之平衡级，每个 平衡级相当于一块理论板。通过联立求解m e s h 方程组，得到精馏塔内每块理论板 上的汽液两相的浓度、温度和流量以及所需之理论板数。将所得之理论板数与等板 高度相乘就得到所需的填料层高度。此种方法将影响填料塔中所有流体力学和传质 传热参数均归并于等板高度h e t p 上，通常假设等板高度对所有组成均相同 ( c _ r r o a r k 4 0 】) 。事实上，等板高度的数值与具体精馏的物系、填料及操作条件均有 关，影响其大小的因素非常复杂。当前计算等板高度的常用方法只考虑汽液间的传 质状况。当相平衡关系和操作线均为线性关系时，等板高度可由传质单元高度日彤 天津大学硕士学位论文 孔扳波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性能的影响 得出： h e t p 氓，等 式中a 气提因子，a = k v l 。 总传质单元高度月叩的计算方法为 h d r = h r + a l l h e = u r v 口s # h ：兰生 k l a 5 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 式中 两一气相传质单元高度，m ； 啦液相传质单元高度，m ； k 一相平衡常数； 上液相摩尔流率，k m o l h r ； 产_ 汽相摩尔流率，k m o l h r ； 厂一汽相传质系数，m s ； 如液相传质系数，m s ； “灯一汽相表观流速，m s ； “心一液相表观流速，m s ； 啦有效汽液相界面积，m 3 m 3 。 上述等板高度计算式中需要有汽相和液相的传质系数以及汽、液相界面积，对 传质系数的研究主要集中在经验关联式上。几十年来有许多填料塔中传质系数和 汽、液相界面积的经验关联式发表( 如d a v i d s o n 4 1 】；n o r m a n 4 2 】；m i k a 4 3 17 ；o n d a t 删； b r i d g e w a t e r l 4 5 】；m a n g e r s 4 6 ；b r a v o 4 7 1 4 8 11 2 7 ；e c h a r t e 4 9 1 ；s e v e r a n c e 5 0 b i l l e t 5 1 【6 吐 r o c h a 5 2 1 及w a g n e r t 8 1 等) 。下面介绍几种目前较为常用的经验关联式。 2 2 1 散装填料塔 目前计算散装填料塔传质系数最为常用的方法是o n d a “ 公式，汽相传质系数 计算公式为 k p = a a p d rr e 争7 3 3 3 ( 口p d p ) 屯 ( 2 1 3 ) 式中彩为填料表观尺寸；昂为填料比表面积：当哆 o 。0 1 2 m ，参数a = 2 。0 ，否 则a = 5 2 3 ；汽相中r e y n o l d s 数r c ，和汽相s c h m i t 数s c r 定义式为 r e ，：丝 ( 2 1 4 ) , u v a p 髓。= 兰l ( 2 - 1 5 ) p v d v 8 查鎏查兰堡圭竺垡笙苎 塾堡鎏竺苎塑塑笙塑童垫翌苎鎏堡垄兰塑笪垦堡堂塑墅堕 式中u v 指汽相表观速度；比为汽相粘度。 汽相传质系数缸用下式计算： 驴o 0 0 5 1 l 急j 黜少7 对5 p ) 0 4 ( 2 _ 1 6 ) 液相s c h n 缸t 数s c l 定义式为 l = 旦( 2 1 7 ) 几d l 一 基于汽液相界面口液相r e y n o l d s 数定义为 r e z = 盟( 2 1 8 ) a l a 汽液相界面积由下式计算： n = 口， 1 一中 一，4 s 【詈j 0 7 5 r - e 1 嘶“。5 阡旌2 式中0 为液体表面张力；以为填料的临界表面张力。 算出。 液相f r o u d e 数f r l 定义为 n ，：生堕 “ g 液相w e b e r 数w e l 定义为 肫，：丛生 。 a b 盯 2 2 2 规整填料塔 ( 2 1 9 ) 其值可由o n d a “1 模型计 ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) 较为准确和常用的规整填料塔传质系数的计算方法为b r a v o 4 8 及r o c h a 5 2 1 提 出的公式。汽相的传质系数由下式计算： b ：o 0 3 3 8 孕r e ；s 尹( 2 - 2 2 ) a 。 式中如为填料的当量直径，建议用下式计算： d。：一46(2-23) 式中s 为填料空隙率，a 为填料比表面积。 液相传质系数赶用基于溶质渗透理论的方法计算： k l = 2 j 警 协z 4 ， 式中，仇为液相扩散系数，s 为停留时间。 天津大学硕士学位论文孔板波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性能的影响 汽液相界面积建议用下式计算： 垒= 1 5 ( a d 。) m 5r e ：0 2 耽! f 坛0 4 5 式中，r e l 由下式定义： r e ，：! ；! ! 。 儿 w e l 由下式定义： 肫，：竺i 型! “ d f r l 由下式定义： n ，：堕 g d 。 2 3 孔板波纹填料的研究状况 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 2 3 1 孔板波纹填料的特点 孔板波纹填料是规整填料的一种。它是由若干彼此平行，垂直排列表面有沟纹 的孔板片组成，波纹与塔轴方向成一定夹角，相邻板片波纹方向相反，使板片间形 成交叉三角形通道，因此具有以下特点： ( 1 ) 填料由板片组成，板片有较大波峰相错排列，板片排列整齐，因此空隙 大，气体通过阻力小、通量大。 ( 2 ) 填料表面润湿率高，无沟流现象，传质效率高，持液量少。气液两相在填 料中不断呈z 型运动，混合均匀，气液接触充分，效率高、抗污染能力强。 ( 3 ) 孔板波纹填料除用金属和塑料制造夕 ，还可以用陶瓷制造，以适应耐腐 蚀、耐高温等特殊要求。 2 3 2 孔板波纹填料的分类 2 。3 。2 。1 金属孔板波纹填料 金属孔扳波纹填料是瑞士苏尔寿公司7 0 年代后期，继金属丝网波纹填料后开 发成功的一种重要新型通用规整填料，称为麦勒派克( m e l l a p a k ) 填料。研制的目 的是克服金属丝网波纹填料的局限性，进一步扩大在精馏、吸收等方面的应用。该 填料保持金属丝网波纹填料的几何规则结构特点，改用表面有沟纹的孔板制成，其 性能介于金属丝网波纹填料与散堆填料之间。 ( 1 ) 填料的几何结构与特点 孔板波纹填料的结构类似于金属丝网波纹填 料。它的每个单元是由带斜齿的波纹填料薄片组成的圆柱体，在薄片上冲有小孔，可 以粗分配薄片上的液体，加强横向混合；薄片上加沟纹起到细分液体的作用，增强 1 0 天滓大学硕士学位论文 孔板波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性能的影响 了液体均布和填料润湿功能，提高传质效率。金属孔板波纹填料依比表面积不同又 分成许多规格，波纹对塔轴的倾角有3 0 。和4 5 。两种，分别用x 和y 表示。 ( 2 ) 适用范围 金属孔板波纹填料具有通量大，阻力小、效率高、造价便 宜、抗污染能力较强等优点。特别适用于常压和中等真空度及有污染危险的有机物 蒸馏，如乙醇、乙苯苯乙烯、脂肪醇、乙二胺、环乙烯环己醇、乙二醇，苯胺、氯 甲苯( 对邻) 、脂肪酸、混合二甲苯、环氧乙烷、环氧丙烷及其它烃类等。并适用 于常压级加压逆流吸收过程，例如吸收c 0 2 、h 2 s 、h c l 、c 1 0 2 、c 1 2 等。在设计新 塔及改旧塔中，它用来代替鲍尔环之类的散装填料和某些板式塔。尤其是在大型塔 器改造中，对提高产品的产量和质量，减低能耗都有明显的经济效果。 2 3 2 2 塑料孔板波纹填料 对于吸收操作，除各种金属填料外，瑞士苏尔寿公司研制的麦勒派克( m e l l a p a k ) 也 可用各种塑料制造。材质有聚丙烯( p p ) 、聚偏氟乙烯( p v d f ) 、聚氯乙烯( p v c ) 等。聚丙烯可耐温1 1 0 ，聚偏氟乙烯可操作到1 5 0 ，主要优点是耐腐蚀、质轻、价 廉、阻力小、效率高，类似于金属孔板波纹填料。目前主要有1 2 5 y 和2 5 0 y 两种 规格，它们适用于各种吸收和解吸过程，也用于废气净化及大液体负荷和高操作压 力的过程和提高现有塔器的生产能力，还适用于易起泡沫的物系。 ( 1 ) 几何特性塑料板波纹填料与金属板波纹填料结构相似，是由彼此平行、交 叉后垂直排列的波纹板片组成盘型的规整填料。填料板片上可开有小孔以提高分离 能力。组成盘状的填料在塔中上、下相邻的两盘应交错9 0 。未经处理的塑料一般 有憎水性能，必要时可通过物理、化学等方法来改善塑料的润湿性能。 塑料板波纹填料的基本特性参数主要取决于填料板片的波纹峰高，而决定波纹 形状的主要参数尚有倾角、波距、板厚等因素，其原理与金属板波纹填料相似。 ( 2 ) 适用范围塑料板波纹填料可以在适宜条件下替代通用填料及某些板式 塔。由于具有较大的通量、低的压降、高的比表面积，所以在提高产量、扩大使用 范围、降f 氐能耗、提高效率上有较大优势。尤其因采用塑料材质，其耐腐蚀| 生强、寿命 长。突出缺点是在伴有换热要求的塔器中不适用。另外，由于采用规则排列的板片 组成规则填料，含有的固相颗粒可通过填料的波纹底排出，在填料中不易累积，因 此抗堵塞性能有所改善。当塔器设计合理时其操作弹性比一般通用塔器大，在一定 场合下用来代替某些板式塔、散堆填料塔可提高生产能力或效率各2 5 和5 0 。 2 3 2 3 压延刺孔板波纹填料 我国1 9 7 7 年研制成功了具有压延剌孔板的波纹填料。它与金属丝网波纹填料 的差别在于用金属板片代替金属网。金属板经碾压出密度很高的小剌孔，然后把多 刺孔板压制成波纹板片。它与金属板波纹填料的区别主要是没有在金属板片上冲制 小孔。其成盘、装塔要求等均与网波纹、孔板波纹填料相同。发展至今，以4 5 型 天津大学硕士学位论文孔板波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性能的影响 和6 3 型两种为主。产品已应用于炼油、医药等工业中，取得满意效果，是我国开 发研制的规整填料之一。 ( 1 ) 几何结构金属压延刺孔板波纹填料是在金属薄片上以每平方厘米刺微 孔7 0 个的密度进行压延刺孔，然后再研制成板波纹填料。加工中省去冲孔工序，其 它制盘、装塔技术无特殊要求。 ( 2 ) 应用范围金属压延刺孔板波纹填料由于表面特殊的刺微孑l 结构，增强 了填料的毛细作用，使填料的润湿性增高，所以在精馏与吸收的试验中呈现出良好 的分离性能，经过预液泛后可增加填料效率。现在主要有4 5 、6 3 、1 0 型三种，其主 要特点是流量较大时基本保持了金属丝网波纹填料的优良分离功能，又省去了拉丝 编网的复杂工序，降低了填料造价。4 5 型、6 3 型适用于分离要求较高的精细化工、溶 剂回收、化工产品精制等领域；而1 0 型填料属于通量大、压降小的通用型规整填 料，在一般化工、石油化工、化肥、环保等领域有着广泛的应用前景。 2 3 2 4 陶瓷孑l 板波纹填料 金属、塑料波纹填料具有优良的技术经济性能，但对于高温( 5 0 04 c ) 和腐 蚀性介质的蒸馏、吸收等分离，显然不能胜任。而陶瓷孔板波纹填料不仅具有波纹 填料优良的综合性能外，还具有陶瓷的耐酸、碱腐蚀性和良好的表面润湿性能，又耐 高温和低温，适用于较强腐蚀性物系的物料分离。陶瓷的造价也比较便宜。 汇总起来，陶瓷孔板波纹填料的主要适用范围是： ( 1 ) 对压降和理论塔板数有严格要求的腐蚀性混合物的精馏、吸收( 1 q - 吸) 等； ( 2 ) 绝压从1 0 0 p a ( 1 m b a r ) 起的真空操作； ( 3 ) 由于特殊钢、玻璃和搪瓷塔内，不锈钢、玻璃与石墨常用于制作分离器、收 集器和支撑栅格等塔内件； ( 4 ) 卤化有机化合物的糖馏是主要应用范围： ( 5 ) 用作换热器、除雾器或催化剂载体。 值得注意的是有大量含水无机酸和碱存在的场合，该填料应用受限制或不宜应 用，此外，尚有重量大、装拆清洗不便等不足之处。 2 2 3 孔板波纹填料的应用 查长福等1 5 3 l 介绍了孔板波纹填料在乙炔净化中的应用，原t q - 1 0 1 、t q - 1 0 2 塔 装填为5 0 x 5 0 的拉西环填料，气体通过能力低，阻力大，液体到达环内比较困难，润 湿不够充分。同时乙炔气夹带电石渣、三聚乙醛等粘浊物，产生堵塔，使生产能 力急剧下降，严重影响塔操作稳定，缩短了更换填料的周期。t q 1 0 1 塔采用次氯 酸钠溶液作为洗涤液，利用它的氧化性除去乙炔气中的杂质，而氯离子腐蚀性大，对 不锈钢也不例外，故此塔采用耐腐蚀的陶瓷孔板波纹填料。t q 一1 0 2 塔采用不锈钢 1 2 天津大学硕士学位论文孔板波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性能的影响 孔板波纹填料后，一段碱洗段三聚乙醛等粘性物堵塔的现象得到解决，同时除醛效 果更好；二段采用该填料后提高了产量和效率，两塔更换填料运行后表明，其生产 能力提高了约4 0 ，塔压降降低5 0 ，从气液分离器中排出水减少约3 0 4 0 ，反 应液中乙醛含量由原来1 5 左右降至1 左右，大大降低了原料消耗，提高了反应 液的质量和v a c 的产量。 朱夏霖等【5 4 介绍了网孔板波纹填料( 采用c 1 5 材料) 在油脂酸精馏塔中的应 用，油脂酸在精馏分离过程中选用防腐蚀材料是一大难题。采用上海材料研究所的 c 1 5 材料制成的网孔板波纹填料具有很好的耐腐蚀性能，该填料分离效果好，并且 每立方米材料与压延孔板波纹填料相比质量减少了3 0 ，因此能大大降低成本。 曹小明等【5 卸介绍了孔板波纹填料在苯乙烯精馏装置中的应用，兰化合成橡胶厂 将s h 一2 5 0 y 孔板波纹填料应用于苯乙烯精馏装景上，代替原有的斜孔塔盘苯乙烯精 馏装置，生产能力是直径相近斜孔塔的三倍，阻力降约是斜孔塔的1 4 ，操作温度 降低2 0 ，回流比由9 0 降低至6 8 ，蒸汽单耗降低2 3 。 任伟民 5 6 】等介绍了孔板波纹填料在铜洗塔的应用，连城县氨合成厂系年产1 5 万吨合成氨厂，精炼工段铜洗塔塔径为4 5 0 m m ，精炼尾气中c o + c 0 2 含量经常超 标，严重时铜塔甚至带液，应用孔板波纹填料代替鲍尔环，并对塔内件作了较大改 动，原料气气量由原来5 1 0 0 r n 3 h 提高至现在的6 7 0 0 m a h ，合成氨生产能力达2 2 v h ，铜 液喷淋量由原来的9 m 3 h 下降至5 m a h ，全塔压降也比原来降低近1 3 ，c o + c 0 2 的 含量小于2 5 p p m ，效果非常明显。 1 3 天津大学硕士学位论文孔板波纹填料的结构参数对其流体力学和传质性能的影响 3 1 实验装置与流程 第三章实验部分 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 r a m ，塔高 3 6 0 0 r a m ，填料层高度1 1 0 0 m m 。塔的内部结构可由图3 1 看出，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