填料塔基础理论研究新进展
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
高压或高液相负荷下, 流体物性及流动状态发 生改变, 塔内易产生严重的返混, 造成塔效率显著降 低。张鹏等 [ 15] 用轴向一维扩散模型描述了规整填 料塔中气相的流动和混合行为, 发现气相扩散系数 随着气速的增加近乎呈线性增长, 且随着气液二相 相对速度的增大, 相间相互作用增强, 液相对气相的 夹带量增多, 从而使气相返混加剧, 但液相负荷的变 化对气相扩散系数影响不大。
气相的流动分布与返混 特性的研究较少, 高压传质、M arangon i效应, 特别是利用计算流体力学 ( CFD )模拟填料塔内
的液体流动与传质等已 逐渐成为研究的热点。
关键词: 填料塔; 规整填料; 流体分布; 返混 ; 计算流体力学
中图分类号: TQ 028. 31
文献标识码: A
文章编号: 1005-9954( 2007) 08-00 降低、放大效应不明显等优点, 其成功应用有赖于对 二相流动与 传质的深入 认识。
文中综述了规整填料塔 内的气液二相流动与分布、返混、气液二相在常压和高压下的传质特性、M arangon i效应以及
计算流体力学 ( CFD )在规整填料塔中的应用等方面 的国内外研究进展。填料塔内液 体的分布与 返混的研究 较多,
随着填料塔的大型化与新型填料的开发应用, 气体分布问题尤其是进口气流的初始分布日益引起 人们的关注。 O lujic等 [ 7 ] 以空气 /水为物系, 研究了 常压下 < 1 400 mm 规整填料塔中气体的初始不均匀 分布现象, 结果表明气体不均匀分布对填料床层的 流体力学性能有较大影响。 Petrova等 [ 8] 提出了描 述填料塔中存在液流时的气体分布扩散模型; S toter 等 [ 9] 基于气流通道交叉处的平均质量、动量和能量 平衡, 建立了波纹板填料中气体分布的离散池模型, 对气体入口、主体区和壁面区分别给出特征摩擦因 子, 该模型可预测离开填料单元或填料层的速度 分布。
第 35卷 第 8期 2007年 8月
化学工程 CHEM ICA L ENG IN EER ING ( CH INA )
V o .l 35 N o. 8 Aug. 2007
填料塔基础理论研究新进展
李红海 1, 2, 王伟文2, 王立新2, 张继炎 1, 李建隆 2
( 1. 天津大学 化工学院, 天津 300072; 2. 青岛科技大学 化工学院 , 山东 青岛 266042)
自 20世纪 70年代起, 一些大通量、低压降、高 效率的填料和塔内件相继开发应用, 极大地推动了 填料塔分离工程技术的发展。最近, Sulzer公司又 推出 Optif low 规整填料 和 M ellapakP lus规整 填料, Opt iflow 填料结构独特, 其填料板片方向不断改变, 液相在填料表面稳定流动的距离很短, 可促进液相 的分散、聚合、再分散和气液传质表面的不断更新, 因此效率和通量均较高 [ 1] 。M ellapakP lus填料在效 率、压降、流体通量方面等具有一定的优势, 结构上 具 有 流 线 型 的 特 点, 具 有 较 大 的 比 表 面 积
2. College o f Chem ical Eng ineering, Q ingdao University o f Sc ience and T echno logy, Q ingdao 266042, Shandong P rov ince, China)
Abstract: Structured pack ing co lum n w ith the advantages of h igh e ff iciency, low pressure drop and litt le scale-up effect obtains a w ide app lication ow ning to the com prehensive understand ing o f the tw o-phase flow and m ass transfer m echanism. T he prog ress of research w ork on the structured pack ing column w as elaborate ly presented, w hich includes the fluid flow and d istr ibution of gas- liqu id tw o phases, backing m ix ing, h igh pressure m ass transfer character istics, M arangoni effect as w ell as the sim ulation of flu id flow and m ass transfer by Com putational F lu id Dynam ics ( CFD ). A cco rd ing to the invest igat ion, the study on the utilization of structured packing in high pressure, the m ass transfer m echanism, the M arangoni effect and CFD simu lation w ere attracted m uch m ore attent ion. CFD becom esm ore and m ore im po rtant for the com prehensive understanding of the m echan ism o f flu id flow and m ass transfer in structured packing co lum n. Further invest igation w ith advanced techno logy such as CFD w ill bring mo re and m ore progress in the fie ld o f structured pack ing co lum n. K ey w ord s: pack ing column; structured pack ing; fluid distribution; back ing-m ix ing; CFD
作者简介: 李红海 ( 1972) ) , 女, 副教授, 博士生, 研究方向为化工传 质与分离, 电话: ( 0532) 84022752, E-m ai:l lhh _t ju@ 126. com; 李建隆, 通讯联系人, 电话: ( 0532) 84022752, E-m ai:l l ijian long@ q ingdaonew s. com. cn。
# 76#
化学工程 2007年第 35卷第 8期
2 气液相的返混特性 2. 1 液相返混特性
填料塔中液相混合行为对汽液二相的传质有显
著影响, 流体返混降低了传质推动力。目前多以一 维模型描述填料塔中的液相轴向混合行为。
MAK 等 [ 10] 采用脉冲注入示踪剂的方法研究了 规整填料塔中单相流时的轴向扩散。 Yu. K. T. ( 余 国琮 ) 等 [ 11 ] 以空气 /水为物系, 以染料为示踪剂, 研 究了 < 300 mm 的 M ellapak250Y 型板波纹填料塔中 的轴向和径向混合特性, 并以热水和染料为示踪剂 研究了 < 1 000 mm 填料塔中平行于板片和垂直于板 片的轴向混合, 并通过非线性优化方法计算了返混 系数。M acias和 F air[ 12] 采用脉冲注入技术, 考察了 规整填料塔中二相流的返混现象。结果表明气相轴 向返混系数随气速和液速增大而增大, 而液相轴向 返混随液速的增大而降低。温晓明等 [ 13] 采用非理 想脉冲注入的扰动一响应技术, 对金属鲍尔环和金 属环矩鞍的液相轴向混合特性进行了实验研究。
3 气液二相传质特性 3. 1 常压和高压传质
D ebrito等 [ 16] 测定了工业规模填料塔中规整填 料的有效表面积, 发现 125Y, 250Y 和 500Y 型填料 的有效传质面积比其几何表面积大得多, 增加的表 面积主要是由液体界面产生的波纹气流中夹带液滴 所致。朱炳辰等 [ 17] 用拟一级快速化学反应 ( N aOH 吸收低质量浓度 CO 2 混合气 ) 同时测定了拉西环填 料的有效传质表面积及容积传质系数, 得出有效传 质表面积及容积传质系数与喷淋密度的关系。进一 步用物理法测定容积传质系数的结果表明, 化学法测 得的容积传质系数大于物 理法测定值。 A roonw ilas
加压条件下规整填料塔中液相混合行为的研究 报道较少。王利东等 [ 14 ] 采用脉冲示踪法测量了在 加压 ( 0. 3, 0. 5, 0. 6 M Pa) 和不同气液流速下 250Y 型孔板波纹规整填料内液相的混合行为, 结果表明: 液相轴向返混系数主要随液速的增加而增大, 气速 对其影响不明显; 在相同气液速下, 随压力的增加液 相轴向返混程度略有增大。 2. 2 气相混合特性
Progress on the research of fundam ental theory of packing colum n
L I Hong-hai1, 2, W ANG W e-i wen2, WANG L -i x in2, ZHANG J-i yan1, L I Jian- long2 ( 1. School of Chem ica l Eng ineering and T echno logy, T ian jin University, T ian jin 300072, Ch ina;
( 256 m2 /m3 ) 和空隙率 ( 0. 998) , 比传统规整填料通 量增加 20% ) 30% ( 气相动能因子 FV 可达 4) , 使 投资和成本都有较大幅度的降低 [ 1 ] 。
尽管新型规整填料相继开发应用, 但由于对相 平衡和二相流的理解不够深入, 目前关于精馏塔工 艺和设备设计基本上还是经验性的。因此, 国内外 诸多学者已逐渐认识到规整填料塔中气液二相流动 与传质过程的重要性, 并围绕规整填料层中的二相 流动与分布、返混 与传质特性、以及计算流 体力学 ( CFD )等方面开展了大量的研究, 本文将对相关的
李红海等 填料塔基础理论研究新进展
# 75#
研究进展加以综述。
1 汽液二相在填料层内的流动与分布 1. 1 液体分布
填料塔内液体的流动分布对汽液二相的有效接 触和传质效率影响很大, 液体不均匀分布常导致局 部区域的汽液比与全塔宏观的汽液比有显著差别, 从而降低填料塔的总传质效率。
Chila和 Schm idt提出了描述散堆填料塔内流体 流动分布的扩散模型, 一些学者对该模型在规整填 料塔中的适用性持不同观 点。张泽廷 等 [ 2] 用状态 离散、时间离散的 M arkov随机过程模拟液体在填料 层内的流动, 提出了二维混合池随机模型模拟填料 塔液体流动和传质特性, 认为填料塔产生放大效应 的主要是流体的不均匀流动、轴向混合的加剧和不 完全的径向混合等所致。 Danziger对结构上类似于 板波纹填料的 Sulzer SMV 型静态 混合器中液体分 布规律提出结点网络模型。在此基础上, 一些学者 相继提出波纹板规整填料塔内液体 分布的改进模 型 [ 3] 。裘俊红等 [ 4) 5] 基于填料单元中平面节点液流 分布规律的假设, 提出了环形塔壁节点网的概念, 用 立体节点网络中液体沿网线和节点的流动情形来模 拟填料床层中的液体流动过程。填料塔内的壁流是 一种严重的液体不均匀分布现象, 张志炳等 [ 6] 分析 了填料塔内壁流产生、发展且最终达到平衡的过程, 建立了三参数壁流模型并进行了模型的参数估计, 得到不同规整填料的壁流曲线。 1. 2 气体分布
气相的流动分布与返混 特性的研究较少, 高压传质、M arangon i效应, 特别是利用计算流体力学 ( CFD )模拟填料塔内
的液体流动与传质等已 逐渐成为研究的热点。
关键词: 填料塔; 规整填料; 流体分布; 返混 ; 计算流体力学
中图分类号: TQ 028. 31
文献标识码: A
文章编号: 1005-9954( 2007) 08-00 降低、放大效应不明显等优点, 其成功应用有赖于对 二相流动与 传质的深入 认识。
文中综述了规整填料塔 内的气液二相流动与分布、返混、气液二相在常压和高压下的传质特性、M arangon i效应以及
计算流体力学 ( CFD )在规整填料塔中的应用等方面 的国内外研究进展。填料塔内液 体的分布与 返混的研究 较多,
随着填料塔的大型化与新型填料的开发应用, 气体分布问题尤其是进口气流的初始分布日益引起 人们的关注。 O lujic等 [ 7 ] 以空气 /水为物系, 研究了 常压下 < 1 400 mm 规整填料塔中气体的初始不均匀 分布现象, 结果表明气体不均匀分布对填料床层的 流体力学性能有较大影响。 Petrova等 [ 8] 提出了描 述填料塔中存在液流时的气体分布扩散模型; S toter 等 [ 9] 基于气流通道交叉处的平均质量、动量和能量 平衡, 建立了波纹板填料中气体分布的离散池模型, 对气体入口、主体区和壁面区分别给出特征摩擦因 子, 该模型可预测离开填料单元或填料层的速度 分布。
第 35卷 第 8期 2007年 8月
化学工程 CHEM ICA L ENG IN EER ING ( CH INA )
V o .l 35 N o. 8 Aug. 2007
填料塔基础理论研究新进展
李红海 1, 2, 王伟文2, 王立新2, 张继炎 1, 李建隆 2
( 1. 天津大学 化工学院, 天津 300072; 2. 青岛科技大学 化工学院 , 山东 青岛 266042)
自 20世纪 70年代起, 一些大通量、低压降、高 效率的填料和塔内件相继开发应用, 极大地推动了 填料塔分离工程技术的发展。最近, Sulzer公司又 推出 Optif low 规整填料 和 M ellapakP lus规整 填料, Opt iflow 填料结构独特, 其填料板片方向不断改变, 液相在填料表面稳定流动的距离很短, 可促进液相 的分散、聚合、再分散和气液传质表面的不断更新, 因此效率和通量均较高 [ 1] 。M ellapakP lus填料在效 率、压降、流体通量方面等具有一定的优势, 结构上 具 有 流 线 型 的 特 点, 具 有 较 大 的 比 表 面 积
2. College o f Chem ical Eng ineering, Q ingdao University o f Sc ience and T echno logy, Q ingdao 266042, Shandong P rov ince, China)
Abstract: Structured pack ing co lum n w ith the advantages of h igh e ff iciency, low pressure drop and litt le scale-up effect obtains a w ide app lication ow ning to the com prehensive understand ing o f the tw o-phase flow and m ass transfer m echanism. T he prog ress of research w ork on the structured pack ing column w as elaborate ly presented, w hich includes the fluid flow and d istr ibution of gas- liqu id tw o phases, backing m ix ing, h igh pressure m ass transfer character istics, M arangoni effect as w ell as the sim ulation of flu id flow and m ass transfer by Com putational F lu id Dynam ics ( CFD ). A cco rd ing to the invest igat ion, the study on the utilization of structured packing in high pressure, the m ass transfer m echanism, the M arangoni effect and CFD simu lation w ere attracted m uch m ore attent ion. CFD becom esm ore and m ore im po rtant for the com prehensive understanding of the m echan ism o f flu id flow and m ass transfer in structured packing co lum n. Further invest igation w ith advanced techno logy such as CFD w ill bring mo re and m ore progress in the fie ld o f structured pack ing co lum n. K ey w ord s: pack ing column; structured pack ing; fluid distribution; back ing-m ix ing; CFD
作者简介: 李红海 ( 1972) ) , 女, 副教授, 博士生, 研究方向为化工传 质与分离, 电话: ( 0532) 84022752, E-m ai:l lhh _t ju@ 126. com; 李建隆, 通讯联系人, 电话: ( 0532) 84022752, E-m ai:l l ijian long@ q ingdaonew s. com. cn。
# 76#
化学工程 2007年第 35卷第 8期
2 气液相的返混特性 2. 1 液相返混特性
填料塔中液相混合行为对汽液二相的传质有显
著影响, 流体返混降低了传质推动力。目前多以一 维模型描述填料塔中的液相轴向混合行为。
MAK 等 [ 10] 采用脉冲注入示踪剂的方法研究了 规整填料塔中单相流时的轴向扩散。 Yu. K. T. ( 余 国琮 ) 等 [ 11 ] 以空气 /水为物系, 以染料为示踪剂, 研 究了 < 300 mm 的 M ellapak250Y 型板波纹填料塔中 的轴向和径向混合特性, 并以热水和染料为示踪剂 研究了 < 1 000 mm 填料塔中平行于板片和垂直于板 片的轴向混合, 并通过非线性优化方法计算了返混 系数。M acias和 F air[ 12] 采用脉冲注入技术, 考察了 规整填料塔中二相流的返混现象。结果表明气相轴 向返混系数随气速和液速增大而增大, 而液相轴向 返混随液速的增大而降低。温晓明等 [ 13] 采用非理 想脉冲注入的扰动一响应技术, 对金属鲍尔环和金 属环矩鞍的液相轴向混合特性进行了实验研究。
3 气液二相传质特性 3. 1 常压和高压传质
D ebrito等 [ 16] 测定了工业规模填料塔中规整填 料的有效表面积, 发现 125Y, 250Y 和 500Y 型填料 的有效传质面积比其几何表面积大得多, 增加的表 面积主要是由液体界面产生的波纹气流中夹带液滴 所致。朱炳辰等 [ 17] 用拟一级快速化学反应 ( N aOH 吸收低质量浓度 CO 2 混合气 ) 同时测定了拉西环填 料的有效传质表面积及容积传质系数, 得出有效传 质表面积及容积传质系数与喷淋密度的关系。进一 步用物理法测定容积传质系数的结果表明, 化学法测 得的容积传质系数大于物 理法测定值。 A roonw ilas
加压条件下规整填料塔中液相混合行为的研究 报道较少。王利东等 [ 14 ] 采用脉冲示踪法测量了在 加压 ( 0. 3, 0. 5, 0. 6 M Pa) 和不同气液流速下 250Y 型孔板波纹规整填料内液相的混合行为, 结果表明: 液相轴向返混系数主要随液速的增加而增大, 气速 对其影响不明显; 在相同气液速下, 随压力的增加液 相轴向返混程度略有增大。 2. 2 气相混合特性
Progress on the research of fundam ental theory of packing colum n
L I Hong-hai1, 2, W ANG W e-i wen2, WANG L -i x in2, ZHANG J-i yan1, L I Jian- long2 ( 1. School of Chem ica l Eng ineering and T echno logy, T ian jin University, T ian jin 300072, Ch ina;
( 256 m2 /m3 ) 和空隙率 ( 0. 998) , 比传统规整填料通 量增加 20% ) 30% ( 气相动能因子 FV 可达 4) , 使 投资和成本都有较大幅度的降低 [ 1 ] 。
尽管新型规整填料相继开发应用, 但由于对相 平衡和二相流的理解不够深入, 目前关于精馏塔工 艺和设备设计基本上还是经验性的。因此, 国内外 诸多学者已逐渐认识到规整填料塔中气液二相流动 与传质过程的重要性, 并围绕规整填料层中的二相 流动与分布、返混 与传质特性、以及计算流 体力学 ( CFD )等方面开展了大量的研究, 本文将对相关的
李红海等 填料塔基础理论研究新进展
# 75#
研究进展加以综述。
1 汽液二相在填料层内的流动与分布 1. 1 液体分布
填料塔内液体的流动分布对汽液二相的有效接 触和传质效率影响很大, 液体不均匀分布常导致局 部区域的汽液比与全塔宏观的汽液比有显著差别, 从而降低填料塔的总传质效率。
Chila和 Schm idt提出了描述散堆填料塔内流体 流动分布的扩散模型, 一些学者对该模型在规整填 料塔中的适用性持不同观 点。张泽廷 等 [ 2] 用状态 离散、时间离散的 M arkov随机过程模拟液体在填料 层内的流动, 提出了二维混合池随机模型模拟填料 塔液体流动和传质特性, 认为填料塔产生放大效应 的主要是流体的不均匀流动、轴向混合的加剧和不 完全的径向混合等所致。 Danziger对结构上类似于 板波纹填料的 Sulzer SMV 型静态 混合器中液体分 布规律提出结点网络模型。在此基础上, 一些学者 相继提出波纹板规整填料塔内液体 分布的改进模 型 [ 3] 。裘俊红等 [ 4) 5] 基于填料单元中平面节点液流 分布规律的假设, 提出了环形塔壁节点网的概念, 用 立体节点网络中液体沿网线和节点的流动情形来模 拟填料床层中的液体流动过程。填料塔内的壁流是 一种严重的液体不均匀分布现象, 张志炳等 [ 6] 分析 了填料塔内壁流产生、发展且最终达到平衡的过程, 建立了三参数壁流模型并进行了模型的参数估计, 得到不同规整填料的壁流曲线。 1. 2 气体分布