规整填料和散堆填料传质性能比较_黄洁

( 2) 250Y M ellapak 250Y 规整填料的有关计算主要应用式 ( 8) ～ ( 11) , 但要逐步完成, 具体见表 2。
步骤 1 2 3 4 5 6 7
表 2 250Y 规整填料的传质计算
公式
Ft =
29. 12( W eL Fr L ) S 0.15 0. 359 ReL 0. 2 0. 6( 1 - 0. 93cos ) ( sin ) 0.3
可通过下式求出[ 6] :
HG=
UG kGa e
和
H
L
=
UL k L ae
( 3)
当已知 H OG 可以求出 HET P:
HET P =
H OG
1n -1
( 4)
综合以上各式可以发现, 在 N OG 和操作工况一定时, 决 定填料层高度主要是 H G 和 H L 或 kG a 和 k La, 也即填 料的形式和特性。普通称 kL 和 kG 为传质系数, 它们表 示单位传质面积在单位推动力和单位时间内 的传质
表 1 不同填料的传 质效率
50# 鲍尔环 50# 环矩鞍
2 50Y
F / m/ s·( kg / m 3) 1/2 1 2 1 2 1 2
HET P/ m
0. 75 0. 55 0. 65 0. 65 0. 33 0. 38
2 传质计算的公式 传质计算分离所需填料层高度 Z 可由下式决
定[ 5] :
( 7)
规整填料的传质计算公式报导甚少, 作者曾有文
章介绍[ 9] 。现用 Brav o 等[ 10, 11] 推出的一套公式, 即
kG =
0.
054
DG S
UG e +
U Le)
G
GS
0. 33
G
DG G
( 8)
kL=
2
D LU Le SCE
0. 5
( 9)
Br av o 等还提出了 ae/ a 的计算公式, 但此式的计
关键词: 规整填料 散堆填料 等板高度 传质系数
自七十年代以来, 新型填料包括散堆填料 ( 阶梯 环、环矩 鞍等) 和规 整填 料 ( 如孔 板波 纹填 料 M ellapak) 的广泛应用已成为众多化工企业塔设备技 术改造的热点。它们优异的性能包括低压降、高分离 能力较一般塔板和老式填料 ( 如拉西环、鲍尔环等) 均 具有很明显的优势, 尤其以孔板波纹填料为代表的规 整 填料优 点更为突 出, 它的 推广应 用已十 分普及, K unesh 等[ 1] 指出: “近二十年, 规整填料发挥着更大的 作用是精馏领域最有意义的发展”。
( 2) 由表 3 两种填料的 kG 和 kL 相比鲍尔环稍小, 但如果考虑到它的计算值偏低, 以及新型填料如阶梯 环等的传质性能要优于鲍尔环, 可以认为, 新型散堆填 料单位面积的传质强度要高于规整填料。这一点也为 Henrig ues 等[ 15] 所证实, 他们通过氧解析实验证明散 堆填料的 k L 较规整填料要高 25% ～51% 。
规整填料的传质系数、有效比表面积和传质单元高度, 进而可求各自的 HET P 值。
3 计算示例 本例题取自文献 [ 7] , 并作了单位换算。有苯-甲
苯精馏塔, 操作压力 100kPa, 塔径 3. 04m , 液相流率 L = 25. 17kg / s, 气相流率 G= 30. 2kg / s, 其他物性参 数有: L= 807kg/ m 3, G = 2. 71kg / m3 , L= 0. 31×10-3 kg/ ( m·s) , G = 0. 00906×10-3kg / ( m ·s) , L= 0. 021N / m, 扩散系数 D L= 4. 26×10-9m 2/ s, D G = 4. 27× 10-6m2 / s, 平衡线斜率 m= 0. 406, 操作线斜率 0. 833, 分别计算 50# 金属鲍尔环和 250Y 金属孔板波纹填料 的 HET P 值。
1 规整填料和散堆填料精馏传质性能 国内应用最广的规整填料是金属孔板波纹填料,
应 用 最 多的 新 型 散 堆填 料 是 阶 梯环 和 环 矩 鞍 ( Intalo x) 。对两种散堆填料国内已有大量传质试验数 据发表, 但多为吸收传质。国内引用最多的精馏传质 数据应推 St rigle 等[ 2] 对散堆填料和 Speig el 等[ 3] 对孔 板波纹填料提出的实验结果, 包括金属鲍尔环、环矩 鞍和 M ellapak。由其中可以看出三种填料传质效率的 差异, 现摘部分数据于表 1。表中对比表明, 250Y 的 HET P 值要低得多, 其传质效率 较两种散堆填料 高 70% ～95% 。下面我们从具体的传质计算对这一结果 作进一步的分析。
结果 U Gf = 2. 0m / s[12]
= 0. 945 ae = 236. 4m2/ m3
H G = 0. 264m H L = 0. 0986m H OG= 0. 312m
HET P= 0. 437m
·15 ·
将以上计算结果汇于表 3。
表 3 两种填料的传质性能
kG/ m/ s kL / m/ s a/ m2/ m3 ae/ m 2/ m3 H G/m H L/ m H L/ m H OG/ m HETP/ m
ge = g{ (
L-
L
G) [ 1 - (
/ /
)
]
f
}
ht =
(4
Ft S
) 2/3(
3 Ls
L
in
UL g
e
)
U Ge =
UG ( 1 - ht) sin
UL e =
UL ht sin
公式( 8) 求 kG
公式 ( 9) 求 k L
结果 Ft = 2. 08 ge = 4. 88m / s2 ht = 7. 4% U Ge = 2. 42m / s U Le = 0. 085m / s kG = 2. 46 × 10-2m/ s kL = 1. 85 × 10-4m/ s
黄 洁等 规整填料和散堆填料传质 性能比较
·13 ·
规整填料和散堆填料传质性能比较
黄 洁 曾 斌 张 学 张军保 王 辉
( 天津市博隆科技公司, 天津 300193) ( 天津市化工设计院)
通过对苯-甲苯精馏传质系数的计算, 比较了规整填料 ( 250Y ) 和散堆填料 ( 50# 鲍尔环) 的传质性 能。 结果表明, 规整填料的传质性能优于散堆填料。这一优势主要得益于前者的比表 面积远大于后者。若以传 质系数 k L 、kG 来比较, 新型散堆填料要强于规整填料。如何 提高规整填料单位面积的传质强度是新型规整 填料发展的重要方向。
( 1) 50# 鲍尔环 应用式 ( 5) 和 ( 6) 计算 50# 鲍尔环的 H L 和 H G , Bo lles 等[ 7] 已给出了计算结果, 其 H L = 0. 239m , H G = 0. 609m , 现 = 0. 486, 故由式 ( 2) 得 H OG= 0. 726m , 再由式 ( 4) 得 HET P = 1. 02m 。 在此操作条件下 50# 鲍尔环的 ae 值由式 ( 7) 求 之, 得 ae/ a= 0. 889, 故 ae= 99. 83m2 / m3 。 应用式 ( 3) 可得它的 kG = 2. 45×10-2m / s, kL= 1. 7 ×10-4m / s。
规整填料较新型散堆填料传质性能的优势表现在 它具有较低的等板高度 ( HET P ) , 这种传质性能的差 异 主 要 源于 前 者 有 更 大 的 体 积 传 质 系 数 K Gae 和 K Lae。本文将应用苯-甲苯精馏数据分别计算这两种填 料的传质系数和 HET P 值, 通过对计算结果的分析, 可以对它们传质的差异和特点有更深的认识。
为了便于讨论, 还要计算散堆填料的有效比表面
积 ae。在 O nda 公式中提出了计算 aW/ a 的关联式, 但
此 aw 是填料的湿润比表面积。关于计算散堆填料 ae
的公式报导不多, 现建议用 Bravo 等提出的公式[ 8] , 即
0. 5
ae/ a =
0. 310(
L
Z0.
4
)
( CaLRe G) 0. 392
( 5) 从 ae/ a 值看, 两种填料均较高, 但 250Y 稍高 ( 分别为 0. 89 和 0. 94) 。这表明规整填料由于流体通道 的规整排列, 它们的几何比表面积可以得到更充分的 利用。
( 6) 有意见认为规整填料不适于液膜控制系统。 这种意见可能主要源于规整填料的 kL 较散堆填料为 小这一结果。但这里忽略了是 kLae 和 kG ae 而不只是 kL 和 k G 最终决定了填料的分离效率。此外, 还应注意是 液膜还是气膜 控制不只是决 定于 kL 和 kG 之值的 差 异, 更多是决定于式 ( 2) 中的 , 即气液平衡关系。比 如精馏通常为气膜控制, 但在精馏塔底由于 m 值较 大, 就可能成为气液膜甚至是液膜控制。
Z= H N OG O G
( 1)
式中 N O G是气相总传质单元数, 它仅由分离所需
达到的浓度变化及所具有的传质推动力的大小而定。
气相总传质单元高度 H OG 可由下式表达:
H OG = H G +
L
( 2)
其中 H G 和 H L 分别是气相和液相的传质单元高
度, 为平衡线和操作线两线斜率之比。H G 和 H L 又
50# 鲍尔环 2. 45×10-2 1. 7×10-4
112. 3 99. 8 0. 609 0. 239 0. 116 0. 726 1. 02
250 Y 2. 46×10-2 1. 85×10-4
25 0 236. 4 0. 264 0. 098 0. 045 0. 312 0. 437
4 讨论和结论 ( 1) 此苯-甲苯精馏塔的气相动能因子 F= 2. 52,
算结果有时大于 1。这几位作者也指出, 只有当液体流 量大时, ae / a 值才可能大于 1[ 12] , 所以他们建议用以下
的简单公式得出孔板波纹填料的 ae 值:
ae= a
( 10)
= 0. 5 + 0. 0058f
( 11)
式中 f 是液泛百分率, 在 0～85 间取值, 当大于 85 时, = 1. 0。 至此可以分别计算散堆填料 ( 以鲍尔环为主) 和
量, 而 kLae 和 kG ae 则称为体积传质系数, 它们表示单
· 14 · 化 学 工 程 2000 年第 28 卷第 3 期
位体积的传质强度。
关于传质系数和传质单元高度的计算公式已多有
发 表, 常 推荐的 是 M onsant o 公式和 O nda 公式[ 4] 。 Bo lles 和 Fair[ 7] 应用了大量精馏和吸收数据, 对这两 个 公 式的精度进 行了检验, 进而 提出了改进 的
由 此 查实 测得 到 的结 果[ 2, 3] , 分别 得 50# 鲍 尔环 的 HET P 为 0. 7m , 250Y 的为 0. 4m 。将此与计算值相比 较可以发现鲍尔环的计算误差较大, 约为 46% , 实际 上 Bolles 等[ 7] 在提出他们的修正式时已指出, 其可信 度在 95% 时所需的安全系数为 1. 70。而 250Y 的计算 结 果 与 实 测 值 结 果 比 较 接 近, 误 差 不 到 10% 。 L ocket t[ 14] 最近也肯定了这种计算方法的可靠性。
黄 洁等 规整填料和散堆填料传质 性能比较
步骤
公式
8
lg
(
UGf2 g
a
3
G L
L 0.2) =
0. 291 -
1. 75
L G
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1/ 4
1/8 G L
9
公式( 11) 求
10
公式( 10) 求 ae
11
公式( 3) 求 H G 和 H L
12
公式( 2) 求 H OG
13
公式( 4) 求 HET P
规整填料导出的, 式中的 CE 就是考虑填料中没有很快 表面更新的系数, Bravo 等认为可取 0. 9, 实际对不同 规整填料, 此值应有所不同。
( 4) 由式 ( 3) 可知, 在同样 UG U L 下, H G 和 H L 即传质效率唯一决定于体积传质系数 kLae 和 kG ae。虽 然 250Y 的 kL、kG 较新型散堆填料小, 但它的 ae 值很 大, 故其 kLae 和 kG ae 仍大增, 至使 HET P 下降, 所以 规整填料具有很大的比表面积是它具有高分离效率的 主要原因。
M onsant o 公式, 用于环形填料时为:
0. 15
H L = 0. 846 CflZ Sc L
( 5)
H G = 8. 55 d1. 24Z1/ 3 ( L f f f ) -0. 6 S cG ( 6)
上两式已经单位换算。式 ( 6) 中 d 为塔径, 但当 d 大
于 0. 6m ( 2 英尺) 时, 即取为 0. 6m。