鞍环填料的新构型--双鞍环性能分析.doc

鞍环填料的新构型双鞍环性能分析摘要 介绍新型鞍环填料 双鞍环填料的构型和特点。通过性能试验与对比分析,表明其基本性能和若干技术经济指标优于环矩鞍填料, 可代替传统填料用于塔的节能改造以及热敏性物系分离与真空精馏的填料塔设计。关键词 双鞍环填料 性能分析 环矩鞍填料1 概况塔填料的进化形成散装填料和规整填料两大系列。若以综合性能论, 散装填料不及规整填料,但在投资省,装卸简易, 对塔内件制作、 安装的要求平和等方面独具优势, 因而十分广泛地应用于工业分离过程。两种填料互补互济, 呈并行发展。另外, 因散料填装新型的效率、 通量和压降等基本性能明显优于传统的塔盘, 故越益频繁地用于旧塔改造,以追求扩产增容、 节能降耗的目标。填料技术的进展体现在填料构型的不断改进、 完善和创新。从拉西环到鲍尔环, 从环形填料到鞍形填料以及环鞍联体结构的出现, 现代填料节节攀上高效、 低阻、 大通量的新水平, 结构渐趋成熟,形成以下特点:( 1 )环壁开孔 如在传统拉西环环壁开 窗!,构成鲍尔环, 使壁内外沟通, 内表面有效率提高;气流通畅,阻力降低等。与拉西环相比, 鲍尔环处理量高出50% 100% ;压降降低 50% 70%。( 2) “扁环”结构 “扁”是指环体高径比趋小,从初时的1变为0.5或更小。环体趋扁,填料重心下降,卧置填料在床层中的几率减小, 而卧置填料的阻力最大。“扁”亦有利于气液湍动, 活化内表面。作为 扁环!的阶梯环是鲍尔环的改进型,其性能比鲍尔环明显提高,通量高出10% 20%,压降低30% 40%,分离效率高5% 10%。( 3)环鞍联体 这类填料结构亦环亦鞍, 取环体之高通量、 鞍形之良好布液功能。环矩鞍类填料达到更高水平。对比鲍尔环, 其通量高出15% 30%,压降低40% 70% ,分离效率高约10%。本文推出自行开发的双鞍环( SA 系列) 填料在保留上述结构特征并考虑液流在床层的聚散机制与填料的堆积情况, 从而改善床层的整体性能。本填料已获专利,专利号ZL972 14344.0。2 双鞍环的构型双鞍环, 外观如两只大小不同的环矩鞍并连。矩鞍连一体,环圈呈台阶。或者, 可视为半个鲍尔环,从内壁向外冲出直径不等的两个环圈; 半圆柱面的中腰有凸缘;两头有翻边。 图1 双鞍环填料外形图这一构型既有开窗亦属 扁环环鞍合壁。它有矩鞍环的雏型, 也有纳特( Nut ter) 环的构思 1,具备了以下特点:( 1)在水力学上的合理性环壁和环圈促成液流在内外表面多次循环,液表更新;环内相搭的翅头将液流从环壁导向各个方向; 环壁中腰的凸缘促使液流向两侧均匀拉开,润湿表面。( 2)良好的堆积性能填料的水力学和传质性能是床层宏观的统计学结果。填料塔性能的优劣不仅要看填料单体结构,更要考虑由这些填料堆积床层的整体性能。例如,同一种填料的乱堆和整砌的两种床层的性能完全不同,说明床层疏密均匀极为重要。SA 环单体中大小环圈结构一改散装填料结构对称性的特点,使填料堆积成床时避免套叠, 空隙均匀, 气流阻力减小;多枚翅条均匀切割环内空间,更利于液流在表面集散。SA 填料形成的良好床层结构体现在后面的性能测试数据分析中。( 3)提高强度重量比填料在床层中受温热、 挤压作用, 承受其上结构的重负, 须保证必要的强度( 和刚度)。填料尺寸越大,要求材质越厚。双鞍环由于两头翻边, 尤其是中腰冲有凸缘的自身梁结构; 可采用薄材加工。在保证必要的强度同时, 加工材料较其它填料减薄 0. 2mm 0. 3mm, 不仅节省材料, 而且减少塔的重量。提高填料的强度重量比原本是一项重要的技术经济指标,这对SA 填料是一个优势。3 双鞍环填料性能测定双鞍环流体力学传质性能测试在 500 塔中进行,以空气 水为介质进行。该普通不锈钢填料床高1m,液体分布器为多孔排管式, 布点密度大于300 点/ m2。传质实验采用氧解析法。实验范围,气相动能因子F= 1. 0 4. 5m/ s( kg / m3)0. 5;液相喷淋密度L= 0 60m3/ m2h。3.1 双鞍环填料几何特性双鞍环填料的几何特性如表1 所示。表1 双鞍环填料几何特性3.2 比压降P( mmH2O/m)整理实验结果, 将比压降与气相动能因子F 的关系绘于图2 与图 3。用Leva方程进行关联式中, L 为喷淋密度, m3/ m2h; F 为气相动能因子, m/ s( kg/ m3)0. 5; A1B1C1 为关联系数, 可从表2查取。表2 比压降关联系数 在载点、 泛点的操作范围内, ( 1) 式对 SA 25/ 40和 SA 40 的最大计算误差分别为 15% 和16%。 图2 SA 25/ 40P F关系曲线 图3 SA 40 P -F关系曲线比压降可用另一种方法, 即Eckert 通用关系图查算。图算时需用压降填料因子P。P值与填料结构、 材质和液体负荷有关。可根据实验数据,归纳出P的关联式。表3 压降填料因子 P实验值由表3 数据回归: 式中, A2、 B2 为关联系数,可由表4 查取。表4 P的关联系数在F= 1. 0 4. 0 范围内, ( 2)式最大计算误差对SA- 25/ 40 和SA40分别为 0. 9%和15%。经过核算, Leva法和 Eckert 图法都有较高精确度,前者计算简便,不含查图误差,较为方便。3.3 泛点由实验观察和 P F 图查定在不同喷淋密度L 下的泛点动能因子Ff,查定数据列于表5。表5 泛点动能因子散装填料的液泛气速通常用BainHoag en 方程进行关联: 式中, 为气相泛点速度, m/ s; a 为填料比表面,m2/ m3; 为填料空隙率, m3/ m3; 为液体粘度,mPas; G、 L 为气、 液密度, kg / m3; G、 L 为气、 液质量流速, kg/ m2h; A 为体现填料通量大小的特性参数, 由实验确定。对于双鞍环填料, A = 0.145,在范围内, ( 3) 式最大误差为11%。用Eckert 通用关联图查算具体条件下的泛点气速也是常用的方法。查算时所用的泛点填料因子 f 通常由实验确定,或者由关联式算出。由实验结果归纳整理不同喷淋密度 L 下的 f 数据列于表6。表6 泛点填料因子 f 实验值为便于计算,可按下式计算具体条件的 式中,A3、 B3 为关联系数, 可在表7 查取。表7 f的关联系数 在 F= 1. 0 4. 0 范围内, ( 4) 式对 SA-25/ 40和SA-40 的最大误差分别为8.6%和0.5%。上述两种计算方法的准确性与喷淋密度有关。B-H 法在L 低时误差小, L 高时误差略高; 而Eckert 图算则相反。B-H 法计算简便, 较为适宜。当然, L 高时也可考虑采用Eckert 图算。3.4 传质性能在喷淋密度为20 50m3/ m2h 的范围内,做氧解析实验。氧解吸为液膜控制过程,液流率的影响为主导。将实验结果整理后列表并绘出传质单元高度HOL与液体喷淋密度L 的关系图,见表8及图4。图4 SA填料的传质单元高度 表8 传质单元高度与液相负荷由实验结果归纳, SA 填料的传质单元高度Hol可通过下式估算:式中系数A、 B 由实验确定,见表9。表9 传质单元高度关联系数在实验范围内, ( 5) 式对 SA-25/ 40 和 SA-40的最大误差分别为5.2%和2.0%。3.5 传质单元压降完成一个传质单元分离过程的床层压降称传质单元压降即 !P/ NoL, 是传质和水力学的综合参量,可用以评价塔的综合性能, 提供设计依据。将SA- 25/ 40 和SA40 在气相动能因子F= 2 时各种喷淋密度下的实测数据归纳在表10 中,用表10数据绘成SA 填料的传质单元压降图,见图5。图5 SA填料的传质单元压降表 10 SA填料的传质单元压降4 性能分析凡优秀填料, 都应有合理的构型,构筑均衡有致的床层,建立良好水力学和传质条件。SA 填料的基本性能已在上面各项研究实验结果中得到充分证明。为了对 SA 填料作进一步分析, 选环矩鞍填料作参比对象。环矩鞍自70 年代以来广泛用于石油炼制、 精细化工各种分离过程,是公认的最佳散装填料之一。另外, 从结构分析, SA 填料可视为环矩鞍的改进型, 具有独到的可比性。4.1 负荷能力填料的负荷能力体现在一定的液流条件下泛点(气速或动能因子)的高低。将SA 填料的实验值与文献 2, 3 提供的环矩鞍测定值对照,结论是:在通常条件下 SA 填料的负荷能力比环矩鞍平均高出约 10%。液荷越小,增率越高(最高达 20%) 。详见表11。表11 泛点气速对比4.2 比压降由实验对比, SA25/ 40 较 Intalox Dg40 的比压降P 减小 10% 20%。在大液荷条件下, 压降减小更为明显。液流增大, 一般填料的滞液量迅速增加, 局部气阻增大, 比压降陡然上升。但SA 填料床层均匀疏密有致,局部气速与平均气速靠近,仍保持较低压降。表12 比压降对比4.3 传质效率填料的传质性能反映在氧解析测试(冷态)中。由于对口的数据难觅, 仅以清华大学 4Dg40矩鞍的实验结果作对比, 见表13。表 13 传质性能对比 表13 表明,在和F= 2. 5 的液气负荷条件下, SA 填料的传质效率约高出17%以上;综合水力学和传质性能的传质单元压降 !P/ NoL , SA 填料则下降近 40%。这对于节能改造,尤其对热敏物系分离和减压精馏塔设计非常有价值。随着液荷增加, 比压降的下降率还要提高,将更有利于P/ NoL的下降。从以上对比可知, SA 填料的基础性能已超过环矩鞍,是极富竞争力的新型高效填料。4.4 技术经济性能现代填料在追求高技术性能的同时,必须注重经济性。试以分离因子( 分离功) D、 比密度 以及表面积单耗评述SA 填料的技术经济性能。表14 技术经济性能对比分离因子D 通常作为填料的一项综合技术指标 D= F/ HETP式中, F 为允许的空塔动能因子; HETP 为对应的等板高度( m)。因此, D 综合体现了填料的负荷能力和分离效率。表14 表明SA 填料的综合技术性能大体上较环矩鞍提高25%。由BILLET 5提出的填料单位分离能力的堆密度 &表示用材的指标,即 &= p/ D式中, p 为填料的堆密度, kg/ m3。表中, SA-25/40 填料的比密度差不多比环矩鞍 Dg40 减少一半。这反映了 SA 填料结构和性能优势, 由于填料具有很高的强度重量比, 故可选用薄材加工。这一点在表面积单耗 p/ a的比较中也得到印证。构成每平方米填料表面的材耗, SA -25/ 40 要比环矩鞍Dg40 降低近43% ,其经济性十分可观。5 结语综上所述, 双鞍环新型高效填料具有如下优势:( 1) 双鞍环在结构上属于开孔环、 鞍环,既包含环矩鞍的构成,又融入纳特环的构思。由于突破一般填料的对称性, 有利于构成较为均衡的床层,提供良好的水力学和传质的硬件条件。( 2)双鞍环的基本性能全面优于环矩鞍。负载能力提高约10%; 比压降下降 10% 20%; 分离效率提高约 17%。尤其是传质单元压降减小近40%, 这对于塔的节能改造、 热敏性物系的分离以及真空精馏设计具有较高的实用价值。( 3)在若干技术经济指标的对比上,双鞍环不仅有较高的综合技术指标,而且在节省材耗和提高强度重