填料塔泛点_压降模型计算比较
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01431
A 36198 66159 61118 36130 65136 81166 56194 112139 26187 48163 51170 75131 16156 21162 30183 24168 41161 31106 32152
Cp 01763 11003 01957 01698 01927 01865 01662 11242 01435 01632 01641 01882 01292 01344 01355 01295 01453 01252 01262
表 2 填料塔压降范围[1 ] 单位 : mmH2O/ m
吸收
系统不起泡 系统起泡
20～35
8～20
蒸馏 常压或加压
35～65
真空 8～35
(1) 目前 , 工程上广泛运用的散堆填料压 降计算模型是 Eckert 填料层压降通用关联图 , 总的来说 , 通用关联图具有较高的准确性 , 特别 是对于空气 —水系统 。对于大多数非水系统 , 当 流动参数 FP 在 0105～013 时 , 其准确性较高 ; 当流动参数 FP > 013 或 FP < 0105 时 , 其准确性 比较差 , 且往往偏低 。同时 , Eckert 压降通用关 联图仅适用于散堆填料 , 对于规整填料误差较 大。
从上世纪 60 年代至今 , 国内外科研人员对 各种填料进行了广泛的实验研究 , 得到了泛点 、 压降 、持液量等大量数据和计算公式[1～6 ] 。近年 来一些研究者从基本原理出发 , 综合了现代填料 的实验数据 , 提出了系统的流体力学参数和计算 关联式 , 其中国外报道运用较好的有 Billet 模型 和 S - B - F 模型 。对于国产的各类散堆和规整 填料 , Billet 模型和 S - B - F 模型在设计中的具 体运用情况未见详细报道 。
CS 21725
21627 21816 21654 21696 21846
21697 21703 21644 31157 21986 31116 31098
21610
ΔPd =
3 4
f o ε14-16ε5 dZPρV u2V
(4)
dP = 6 (1 - ε) / α
f0
=
C1
Re
V
1
+
C2
Re
μ /ρ
hLf
=
013741ε
(μWL/
L
ρ W
)
0105
适用范围 : 液相喷淋密度 U1 ∈ (011 , 200)
m3/ m2 .
h,
液相粘度μ L
> 1 ×10 - 4 Pa1s 。
11312 填料压降
填料压降ΔP 按下式计算 :
ΔP H
=ξL
α
ρμ2 VV
(ε- h ) 3 2 L
1 fs
(2) Kister[11 ]等人将规整填料的流体力学数 据按通用关联图的形式加以整理 , 提出了适用于 规整填料的通用压降关联式 。当液相为水 , 流动 参数 FP 在 0101～1 ; 当液相为非水系统 , 流动 参数 FP 在 0102～012 ; 填料因子在 20～100m - 1 之间时 , 该关联式的计算与实验值的误差绝大多 数均在 ±15 %范围内 。
V
015
+
C3
式中 , C1 、C2 、C3 是和填料有关的系数 , 见表
4 ; uV 为空塔气速 , m/ s 。 11412 湿填料阻力 ΔP
湿填料阻力ΔP 由下式计算 :
ΔP =ΔPd ×
{ 〔1 - ε [1 -
h0/ε (1 + 20
[
Δp Zρ g
]2
)
]
( 1 - ε) - 1} (2 + C) / 3
(ααh ) ReL ≥5 = 0185Ch ReL0125 FrL011
式中 , FrL 为弗劳德准数 。
114 S - B - F 泛点和压降模型[12 ][13 ]
Sichlmair 、Bravo 、Fair 根据流体通过颗粒固 定床理论提出计算散堆填料和规整填料的流体力
学模型 。
11411 干填料阻力ΔPd 干填料阻力ΔPd 由下式计算 :
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
2004 ,14 (4) 何红阳 填料塔泛点/ 压降模型计算比较 11
L
{1 -
h0/ε (1 + 20
[
Δp Zρ g
]2
)
}
4165
L
(5)
式中 , 载点以下持液量 h0 = 01555 FrL1/ 3 , 弗劳德
(3)
式中 , f s 为壁效应因子 , f s = ( 1 +α4D ) - 1 ; ξL 为湿填料层阻力系数 , 按下式计算 :
ξL = CPW
( 64 ReV
+
118 Re0V108
)
(ε-εhL ) 116
式中 , CP 为与填料结构有关的系数 , 见表 3 ; hL
为填料层持液量 , 按下式计算 :
小的新型开槽填料 , 其填料因子操作 200m - 1 , 泛点压降超过 165mmH2O/ m , 采用 Eckert 泛点 关联图较为准确 ; 对于尺寸较大的新型填料 , 其 填料因子一般在 50 ～100 - 1 , 泛点压降在 60 ～ 100mmH2O/ m 之间 , 采用 Eckert 泛点关联图来 计算泛点气速的误差则相当大 。
Cf 11580
21083 11757 11742 21064 11913
11841 11996 21178 21464 21099 21339 21464 11973
11996
Ch 01784
01719 01593 01718 01528 01770
01935 11040 11338 01960 01678 01626 01547
(2) Bain - Hougen 公式是从早期 Sherwood 等人提出的一种图解关联形式修正得到的计算
式。
log
[
u2f g
α (ε3 )
ρ ρVμ0L12 ]
=A- B
(
L
)
1 4
G
ρ
(ρV
)
1 8
(1)
L
L
式中 , uf 为泛点空塔气速 , m / s ; g 为重力加速
度,
9181 m /
业实践运用提供参考和依据 。
1 泛点和压降计算模型
111 常用泛点计算模型
目前 , 工程上运用较为广泛的泛点气速求取方 法为 : Eckert 泛点关联图和 Bain - Hougen 公式。
(1) Eckert 泛点关联图中的曲线是基于那些 泛点压降在 165～290mmH2O/ m 之间的散装填 料绘制的 。对于早期无开槽的散装填料和尺寸较
hLf ) 115
(ραρL hεLf ) 015
(2)
V
V
式中 , Cf 为与填料结构有关的系数 , 各种计算
参数见表 3 ; FP 为流动参数 , FP ≤014 时 , nf
= - 01194 , FP > 014 时 , nf = - 01708 , hLf 为 液泛点持液量 , 按下式计算 :
113 Billet 泛点和压降模型[12 ][13 ]
Billet 从填料表面流体中微元体所受重力和 摩擦力的平衡出发 , 以垂直管流模型为基础 , 提
出了系统的流体力学参数计算关联式 。
11311 泛点气速
泛点气速 uf 按下式计算 :
uf =
2 Cf
μ
nf
[ FP (μL ) 012 ]
(ε-
s2 ;
α ε3
为
干
填
料
因
子
,
m - 1; ρ 、 V
ρ 为气相及液相重度 , kg/ m 3 ; μ 为液相的粘
L
L
度 , cP; L 、 G 为液相及气相的流量 , kg/ h ;
A 、B 为与填料结构相关的系数 ; 一般取 B =
1175 , A 值[7 ]的取值见表 1 。
Ξ 何红阳 : 工程师 。1989 年毕业于云南大学化学系 。一直从事化工工艺设计工作 。联系电话 : ( 021 ) 64166564 。E2mail : HeHongyang @scidi. cn 。
本文以不同文献[9 ][14 ][15 ][16 ]报道的国产散堆 和规整填料实验数据 、关联式为基础 , 通过不同 的泛 点 模 型 ( Eckert 泛 点 关 联 图 和 Bain Hougen 公式) 和压降模型 ( Eckert 压降通用关 联图和 Kister 通用压降关联图) 与 Billet 模型及 S - B - F 模型泛点/ 压降的计算结果进行比较 , 考察 Billet 模型和 S - B - F 模型在国产填料运用 中的计算偏差 , 并提出设计建议 , 为进一步的工
10 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计 2004 ,14( 4)
设 计 技 术
填料塔泛点/ 压降模型计算比较
何红阳 Ξ 上海化工设计院有限公司 上海 200032
摘要 以文献报道的实验数据及关联式为基础 , 比较了 Billet 模型 、S - B - F 模型及常用泛点/ 压降
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
12 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计 2004 ,14( 4)
填料 鲍尔环
阶梯环
Mellapak Gempak Mont2
脉冲
材质 金属
塑料
陶瓷 金属
金属 金属 金属
金属
表 3 不同填料的 Billet 模型计算参数
尺寸和规格 α ( m2/ m3)
50
11216
38
14916
25
22315
50
11111
35
15111
25
22510
50
11615
25
17511
3
10010
115
18517
110
24914
015
35418
250
250
A2
202
B1 - 200
200
B1 - 300
300
C1 - 200
200
C2 - 300
300
250
250
ε ( m3/ m3) 01951 01952 01954 01919 01906 01887 01783 01790 0198 01972 01971 01955 0197 01979 01979 0193 01954 01900 01975
- 012552 (B = 112542) 010942 01204 010749 (B = 11446) 0135 0149 0130 01291
定着填料塔操作的可靠性和经
济性 , 其范围一般控制在 8～65mmH2O/ m 。具 体压降见表 2 。
计算模型在国产散堆和规整填料的泛点/ 压降上的计算偏差 , 并对国产散堆和规整填料的泛点/ 压降计算模 型进行了总结 。
关键词 泛点 压降 模型
填料塔具有结构简单 , 处理能力高 , 操作弹 性大等优点 , 在石油炼制 、化工 、医药 、湿法冶 金和环境工程等领域中得到了广泛的运用 。而泛 点气速 、压降是填料塔设计的重要参数 。填料塔 只有在泛点气速以下才能稳定操作 , 但如果操作 气速太低又会造成气液分布不均和投资浪费 。所 以填料塔设计的首要任务是根据选用的填料 , 计 算操作条件下的泛点气速和压降 , 从而确定适宜 的塔径 。为此 , 准确的泛点/ 压降计算模型在设 计计算中显得尤为重要 。
表 1 不同填料的结构系数
填料类型 瓷拉西环 瓷弧鞍 瓷矩鞍 瓷阶梯环 金属鲍尔环 金属阶梯环 金属环矩鞍 塑料共轭环[10 ] 塑料鲍尔环 塑料阶梯环 金属 Q H - 1 扁环[8 ] 压延孔板波纹 415 压延孔板波纹 613 CY 型金属丝网波纹 金属板波纹 (250 Y) [9 ]
常用 A 值 01022 0126 01176 012943 011 01106 0106225
u
hL = hL S
[1 + 112
(
V
uf
)
13
]
式中 , uf 为泛点气速 , m/ s ; hLS为载点持液量 。
hL S =
(12
μLα2 uL ρL g
)
∀.
(ααh ) #.
式中 , αh 为填料水力学比表面 , m2/ m3 , 实验得
到:
(ααh ) ReL < 5 = Ch ReL0115 FrL011
A 36198 66159 61118 36130 65136 81166 56194 112139 26187 48163 51170 75131 16156 21162 30183 24168 41161 31106 32152
Cp 01763 11003 01957 01698 01927 01865 01662 11242 01435 01632 01641 01882 01292 01344 01355 01295 01453 01252 01262
表 2 填料塔压降范围[1 ] 单位 : mmH2O/ m
吸收
系统不起泡 系统起泡
20～35
8～20
蒸馏 常压或加压
35～65
真空 8～35
(1) 目前 , 工程上广泛运用的散堆填料压 降计算模型是 Eckert 填料层压降通用关联图 , 总的来说 , 通用关联图具有较高的准确性 , 特别 是对于空气 —水系统 。对于大多数非水系统 , 当 流动参数 FP 在 0105～013 时 , 其准确性较高 ; 当流动参数 FP > 013 或 FP < 0105 时 , 其准确性 比较差 , 且往往偏低 。同时 , Eckert 压降通用关 联图仅适用于散堆填料 , 对于规整填料误差较 大。
从上世纪 60 年代至今 , 国内外科研人员对 各种填料进行了广泛的实验研究 , 得到了泛点 、 压降 、持液量等大量数据和计算公式[1～6 ] 。近年 来一些研究者从基本原理出发 , 综合了现代填料 的实验数据 , 提出了系统的流体力学参数和计算 关联式 , 其中国外报道运用较好的有 Billet 模型 和 S - B - F 模型 。对于国产的各类散堆和规整 填料 , Billet 模型和 S - B - F 模型在设计中的具 体运用情况未见详细报道 。
CS 21725
21627 21816 21654 21696 21846
21697 21703 21644 31157 21986 31116 31098
21610
ΔPd =
3 4
f o ε14-16ε5 dZPρV u2V
(4)
dP = 6 (1 - ε) / α
f0
=
C1
Re
V
1
+
C2
Re
μ /ρ
hLf
=
013741ε
(μWL/
L
ρ W
)
0105
适用范围 : 液相喷淋密度 U1 ∈ (011 , 200)
m3/ m2 .
h,
液相粘度μ L
> 1 ×10 - 4 Pa1s 。
11312 填料压降
填料压降ΔP 按下式计算 :
ΔP H
=ξL
α
ρμ2 VV
(ε- h ) 3 2 L
1 fs
(2) Kister[11 ]等人将规整填料的流体力学数 据按通用关联图的形式加以整理 , 提出了适用于 规整填料的通用压降关联式 。当液相为水 , 流动 参数 FP 在 0101～1 ; 当液相为非水系统 , 流动 参数 FP 在 0102～012 ; 填料因子在 20～100m - 1 之间时 , 该关联式的计算与实验值的误差绝大多 数均在 ±15 %范围内 。
V
015
+
C3
式中 , C1 、C2 、C3 是和填料有关的系数 , 见表
4 ; uV 为空塔气速 , m/ s 。 11412 湿填料阻力 ΔP
湿填料阻力ΔP 由下式计算 :
ΔP =ΔPd ×
{ 〔1 - ε [1 -
h0/ε (1 + 20
[
Δp Zρ g
]2
)
]
( 1 - ε) - 1} (2 + C) / 3
(ααh ) ReL ≥5 = 0185Ch ReL0125 FrL011
式中 , FrL 为弗劳德准数 。
114 S - B - F 泛点和压降模型[12 ][13 ]
Sichlmair 、Bravo 、Fair 根据流体通过颗粒固 定床理论提出计算散堆填料和规整填料的流体力
学模型 。
11411 干填料阻力ΔPd 干填料阻力ΔPd 由下式计算 :
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
2004 ,14 (4) 何红阳 填料塔泛点/ 压降模型计算比较 11
L
{1 -
h0/ε (1 + 20
[
Δp Zρ g
]2
)
}
4165
L
(5)
式中 , 载点以下持液量 h0 = 01555 FrL1/ 3 , 弗劳德
(3)
式中 , f s 为壁效应因子 , f s = ( 1 +α4D ) - 1 ; ξL 为湿填料层阻力系数 , 按下式计算 :
ξL = CPW
( 64 ReV
+
118 Re0V108
)
(ε-εhL ) 116
式中 , CP 为与填料结构有关的系数 , 见表 3 ; hL
为填料层持液量 , 按下式计算 :
小的新型开槽填料 , 其填料因子操作 200m - 1 , 泛点压降超过 165mmH2O/ m , 采用 Eckert 泛点 关联图较为准确 ; 对于尺寸较大的新型填料 , 其 填料因子一般在 50 ～100 - 1 , 泛点压降在 60 ～ 100mmH2O/ m 之间 , 采用 Eckert 泛点关联图来 计算泛点气速的误差则相当大 。
Cf 11580
21083 11757 11742 21064 11913
11841 11996 21178 21464 21099 21339 21464 11973
11996
Ch 01784
01719 01593 01718 01528 01770
01935 11040 11338 01960 01678 01626 01547
(2) Bain - Hougen 公式是从早期 Sherwood 等人提出的一种图解关联形式修正得到的计算
式。
log
[
u2f g
α (ε3 )
ρ ρVμ0L12 ]
=A- B
(
L
)
1 4
G
ρ
(ρV
)
1 8
(1)
L
L
式中 , uf 为泛点空塔气速 , m / s ; g 为重力加速
度,
9181 m /
业实践运用提供参考和依据 。
1 泛点和压降计算模型
111 常用泛点计算模型
目前 , 工程上运用较为广泛的泛点气速求取方 法为 : Eckert 泛点关联图和 Bain - Hougen 公式。
(1) Eckert 泛点关联图中的曲线是基于那些 泛点压降在 165～290mmH2O/ m 之间的散装填 料绘制的 。对于早期无开槽的散装填料和尺寸较
hLf ) 115
(ραρL hεLf ) 015
(2)
V
V
式中 , Cf 为与填料结构有关的系数 , 各种计算
参数见表 3 ; FP 为流动参数 , FP ≤014 时 , nf
= - 01194 , FP > 014 时 , nf = - 01708 , hLf 为 液泛点持液量 , 按下式计算 :
113 Billet 泛点和压降模型[12 ][13 ]
Billet 从填料表面流体中微元体所受重力和 摩擦力的平衡出发 , 以垂直管流模型为基础 , 提
出了系统的流体力学参数计算关联式 。
11311 泛点气速
泛点气速 uf 按下式计算 :
uf =
2 Cf
μ
nf
[ FP (μL ) 012 ]
(ε-
s2 ;
α ε3
为
干
填
料
因
子
,
m - 1; ρ 、 V
ρ 为气相及液相重度 , kg/ m 3 ; μ 为液相的粘
L
L
度 , cP; L 、 G 为液相及气相的流量 , kg/ h ;
A 、B 为与填料结构相关的系数 ; 一般取 B =
1175 , A 值[7 ]的取值见表 1 。
Ξ 何红阳 : 工程师 。1989 年毕业于云南大学化学系 。一直从事化工工艺设计工作 。联系电话 : ( 021 ) 64166564 。E2mail : HeHongyang @scidi. cn 。
本文以不同文献[9 ][14 ][15 ][16 ]报道的国产散堆 和规整填料实验数据 、关联式为基础 , 通过不同 的泛 点 模 型 ( Eckert 泛 点 关 联 图 和 Bain Hougen 公式) 和压降模型 ( Eckert 压降通用关 联图和 Kister 通用压降关联图) 与 Billet 模型及 S - B - F 模型泛点/ 压降的计算结果进行比较 , 考察 Billet 模型和 S - B - F 模型在国产填料运用 中的计算偏差 , 并提出设计建议 , 为进一步的工
10 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计 2004 ,14( 4)
设 计 技 术
填料塔泛点/ 压降模型计算比较
何红阳 Ξ 上海化工设计院有限公司 上海 200032
摘要 以文献报道的实验数据及关联式为基础 , 比较了 Billet 模型 、S - B - F 模型及常用泛点/ 压降
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
12 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计 2004 ,14( 4)
填料 鲍尔环
阶梯环
Mellapak Gempak Mont2
脉冲
材质 金属
塑料
陶瓷 金属
金属 金属 金属
金属
表 3 不同填料的 Billet 模型计算参数
尺寸和规格 α ( m2/ m3)
50
11216
38
14916
25
22315
50
11111
35
15111
25
22510
50
11615
25
17511
3
10010
115
18517
110
24914
015
35418
250
250
A2
202
B1 - 200
200
B1 - 300
300
C1 - 200
200
C2 - 300
300
250
250
ε ( m3/ m3) 01951 01952 01954 01919 01906 01887 01783 01790 0198 01972 01971 01955 0197 01979 01979 0193 01954 01900 01975
- 012552 (B = 112542) 010942 01204 010749 (B = 11446) 0135 0149 0130 01291
定着填料塔操作的可靠性和经
济性 , 其范围一般控制在 8～65mmH2O/ m 。具 体压降见表 2 。
计算模型在国产散堆和规整填料的泛点/ 压降上的计算偏差 , 并对国产散堆和规整填料的泛点/ 压降计算模 型进行了总结 。
关键词 泛点 压降 模型
填料塔具有结构简单 , 处理能力高 , 操作弹 性大等优点 , 在石油炼制 、化工 、医药 、湿法冶 金和环境工程等领域中得到了广泛的运用 。而泛 点气速 、压降是填料塔设计的重要参数 。填料塔 只有在泛点气速以下才能稳定操作 , 但如果操作 气速太低又会造成气液分布不均和投资浪费 。所 以填料塔设计的首要任务是根据选用的填料 , 计 算操作条件下的泛点气速和压降 , 从而确定适宜 的塔径 。为此 , 准确的泛点/ 压降计算模型在设 计计算中显得尤为重要 。
表 1 不同填料的结构系数
填料类型 瓷拉西环 瓷弧鞍 瓷矩鞍 瓷阶梯环 金属鲍尔环 金属阶梯环 金属环矩鞍 塑料共轭环[10 ] 塑料鲍尔环 塑料阶梯环 金属 Q H - 1 扁环[8 ] 压延孔板波纹 415 压延孔板波纹 613 CY 型金属丝网波纹 金属板波纹 (250 Y) [9 ]
常用 A 值 01022 0126 01176 012943 011 01106 0106225
u
hL = hL S
[1 + 112
(
V
uf
)
13
]
式中 , uf 为泛点气速 , m/ s ; hLS为载点持液量 。
hL S =
(12
μLα2 uL ρL g
)
∀.
(ααh ) #.
式中 , αh 为填料水力学比表面 , m2/ m3 , 实验得
到:
(ααh ) ReL < 5 = Ch ReL0115 FrL011