基于不同模型的规整填料塔设计计算

Abstract: In view of the cha racteristics of structu red p ack ing and its recen t advance in resea rch, the behavio rs of
flu id dynam ics and in ter 2 p ha se m a ss tran sfer a re investiga ted. T he co rrela tion s, u sed to p red ict p ressu re d rop , flood ga s velocity o r heigh t equ iva len t to a theo retica l p la te (H ET P ) fo r structu red p ack ing co lum n, a re com p a red w ith each o ther.
Key words: p ack ing co lum n; p ressu re d rop; m a ss tran sfer; design
符 号 说 明 a e —— 填料有效表面面积, m 2 m 3
2 3 ap —— 填料表面面积, m m
S —— 填料宽度, m
u ge —— 气体速度, m s u gs —— 气体表观速度, m s u le —— 液体速度, m s u ls —— 液体表观速度, m s W e l —— 液体 W eber 数
规整填料塔是由一定高度的规整填料层组成, 每一层含有许多带孔的波纹板, 相互间交叉叠放在 一起。 多数标准规整填料板波纹倾角为 45° 或 60° , 为了使气液流过填料层后有较大的混合效应, 各层 ( 对 45° 填料波纹板波纹倾角相互成 90° 波纹板) , 在 填料层中, 液体在表面张力的作用下, 以液膜的形式 下流, 气体沿波纹间隙向上流过, 气液通过填料层 时, 流道的改变形成了流体混合, 强化了传质, 但是 也增大了填料层的压力降。 气液流体在填料塔中的流动形式除与填料自身 流道几何形状和填料材质相关外, 还与两相流速及 物理性能有关。 由于影响因素较多, 虽然许多学者对 其进行了广泛研究, 但目前仍然没有完全掌握其内 在规律, 从工程设计角度看, 设计模型适用范围受到 限制。 对于给定的分离任务, 规整填料塔设计的主要 参数是确定塔内径、 压力降及填料层高度。 它们都与 两相流体动力学存在密切关系, 但是在较早提出的 第 I 代模型中, 一般把传质计算与压力降的计算独 立开来。以前工程设计中常采用 Eckert 通用关联图 (GPDC ) 来计算填料塔的压力降及泛点气速[ 1 ]。 1. 1 规整填料塔液泛 通过对某种类型的填料进行流体力学试验, 就 可以得到如图 1 所示的曲线组, 它反映出气体流过 单位高度填料层的压力降与气速的关系。图中 B 、 C 线代表了气体流经湿填料层的情况, B 线中液体淋 洒密度小于 C 线中液体淋洒密度, 点 1 代表载液 点, 点 2 代表液泛。 对于具有一定液体淋洒密度的填 料, 随着气速的增加, 填料层内的持液量随之增大。 当气速达到载点后, 液体持液量和压力降随气速增 加的幅度有所变化, 达到或接近点 2 时, 填料层内就 会出现液泛现象。 液泛规定了填料塔操作气速的上 限, 设计中必须考虑。 该图是建立在大量乱堆填料实验基础上, 除可
1 1 - C o F rl
5 0. 05
其中, 液体无量纲 F roude 数 F r l = u l2 (S g ) ; C o 为规 整填料常数。 该模型没有考虑气体速度对液体持液 量的影响, 只能适用于恒持液量区。 St ich lm eir 在流化床压力降模型的基础上, 考 虑气体速度对液体持液量影响, 提出了一种压力降 模型 [ 6 ]: ∃ p d {1 - Ε[1 - ho Ε( 1 + 20 ( ∃ p ( Θlg ) ) 2 ) ] ( 1 - Ε) } (2+ c) 3 ∃p = {1 - ho Ε[1 + 20 ( ∃ p ( Z Θlg ) ) 2 ]}4. 65 ∃ p d = 0. 75f
图 1 填料塔压力降曲线图
1. 2 规整填料压力降
由于 GPDC 法过于简单, 无法准确考虑不同填 料对气液流动行为影响, 进行新型填料设计误差较 大[ 3 ] , 目前, 工程上采用另外一种具有较大通用性的 设计计算方法, 该方法基于压力降模型。 压力降模型 最初仅使用于乱堆填料, B em er 和 Ka lis 在对乱堆 填料压力降模型进行分析时 [ 4 ] , 通过改变乱堆填料 压力降模型中的某些参数, 使其也能够预测规整填 料压力降。同样基于这一思想, B ravo 等提出了计算 规整填料压力降模型[ 5 ] , 称为 SR P ( I) 模型: 0. 171Θ 92. 7Λg g 2 ∃p d = u gs 2 2 u gs + 2 S Ε sin Η S Ε sin Η ∃pw = ∃p d
基于不同模型的规整填料塔设计计算
刘建新1 , 白 鹏2 , 王世昌2
( 1. 扬子石化研究院有机所, 江苏 南京 210048; 2. 天津大学化学工程研究所, 天津 300072)
摘要: 针对规整填料塔的特点和近年来的研究进展, 分析了规整填料内的流体力学和相间传质行 为。 对规整填料塔内压力降、 液泛及气液传质设计计算公式进行比较。 关 键 词: 填料塔; 压力降; 传质; 设计 中图分类号: TQ 053. 5 文献标识码: A
第 30 卷 第 1 期 石 油 化 工 设 备 Vol . 30 N o. 1 2001 年 1 月 PETRO 2 CH EM ICAL EQU IPM EN T J an. 2001
技术综述
文章编号: 100027466 ( 2001) 0120030204 α
第 1 期 刘建新, 等: 基于不同模型的规整填料塔设计计算
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达 12. 4 m , 但还没有形成一种通用的设计方法。 高效规整填料的迅速发展, 对其设计的准确性 提出了越来越多的要求。 规整填料内部有序的结构, 使得建立具有一定理论基础的设计模型成为可能。 随着人们对其不断地深入研究, 它的设计朝着更加 普遍化和精确化方向发展。 结合近年来国内外学者 对规整填料研究的成果, 笔者对规整填料设计的方 法进行阐述, 通过设计方法的对比, 为规整填料塔的 应用提供了理论基础。
1 流体力学性能
从图中读出液泛气速外, 还可以读出相应压力降。 Eckert 在此引入湿填料因子来表征不同类型填料 尺寸效应。 K ister 和 G ill 将大量压力降、液泛数据 与该曲线组相对比[ 2 ] , 找出了该曲线组对不同填料、 操作条件与液体系统的准确程度, 虽然提出了一套 针对不同情况运用此图的方法, 但是近 20 年来已渐 少用。
塔中, 其工业应用范围受到限制。 20 世纪 70 年代 后, 新型高效规整填料问世以来, 填料塔的研究取得 较大进展, 它打破了填料塔只能使用于小塔的传统 观念, 目前, Su lzer 公司应用的规整填料最大直径可
α
收稿日期: 2000203224 作者简介: 刘建新 ( 19682) , 男 ( 汉族) , 内蒙古人, 工程师, 博士, 从事化工分离过程研究工作。 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
D g —— 气体扩散系数, m D l —— 液体扩散系数, m d p 或 d hg —— 填料当量直径, m F t —— 持液量修正因子 F se —— 表面强化因子 h l —— 持液量
2 2
s s
—— 密度, kg m 3 Θ Λ—— 粘度, Pa ・ s Ε—— 空隙率 —— 波纹填料倾斜角 Η —— 汽提因子 Κ Χ—— 液体与固 sin Η
2 0. 2 0. 6
0. 177 5Θ g
2
u gs +
2
88. 774Λg u gs 2 S Ε sin Η
R el
29. 12 (W e lF r l ) 0. 15S 0. 359 ) ( sin Η ) 0. 3 Ε ( 1 - 0. 93co s Χ
或等板高度 H ET P, 设计中使用的计算方法常有传 质系数法、 传质单元高度法及等板高度法。 由于工程 设计中一般都用理论板数表示, 故按等板高度计算 较为方便, 而等板高度的方法经常与传质单元高度 法相互混用, 即首先在一定的理论基础上, 求取总的 传质单元高度, 进而转化为 H ET P。 影响气液两相传质的因素很多, 主要包括填料 特性、 气液流量、 系统性质和传递特征 4 个方面, 填 料塔的传质研究主要分析以上 4 个因素对气液体积 传质系数的影响程度。20 世纪 50 年代以前, 传质系 数多是指体积传质系数, 目前更多是对气液局部传 质系数和有效界面面积进行独立的研究, 在设计方 法上也采取同样方式, 以求提高预测的准确性。 散堆填料广泛使用的计算体积传质系数关联式 是 恩 田 和 M on san to 方 法[ 8, 9 ] , 而 对 于 规 整 填 料, B ravo 在双膜理论的基础上, 提出了计算网状规整 填料的 H ET P 设计模型, 后来考虑不同填料润湿特 征, 提出了计算波纹板规整填料 H ET P 模型 [ 7 ]:
石 油 化 工 设 备 2001 年 第 30 卷 ・3 2 ・
R eg = C =
) 6 (1 - Ε
ap
Θ gu g Λ g
C2 f
o
-
C1 R eg
2R eg 0. 5
式中, C 1 , C 2 , C 3 为规整填料常数。 该模型在计算中 需要较多的填料常数, 而且压力降是隐式表达式, 计 算工作量较大。 Rocha 考虑液体持液量的变化对压力降和传质 的影响[ 7 ] , 在 SR P ( I) 模型的基础上, 提出了新模型 SR P ( II) , 该模型动力学部分设计计算方法为: ∃p d =
k g —— 气体传质系数, m s k l —— 液体传质系数, m s
∃ p d —— 单位干填料塔高压力降, Pa ∃ p w —— 单位湿填料塔高压力降, Pa
填料塔是化工、 石油炼制等工业过程中广泛使 用的气液接触设备。20 世纪 70 年代前, 板式塔一直 占统治地位, 由于存在放大效应问题, 实验室内小直 径填料塔中取得的实验数据很难推广到工业规模的
D esign of structured pack ing column ba sed on d ifferen t m odel
LI U J ian 2x in 1 , BA I Peng2 , W AN G Sh i2chang2 ( 1. O rgan ic Chem istry D ep a rtm en t, R esea rch In stitu te of YangZi Petrochem ica l Co. , L td. , N an jing 210048, Ch ina; 2. Chem ica l Eng ineering R esea rch Cen ter, T ian jin U n iversity , T ian jin 300072, Ch ina )
d p = 6 (1 f
o o
1- Ε
4. 65 Ε
2 Θ dp gu g 3
) a p h o = 0. 555 F r l1 Ε =
C1 C2 + 0. 5 + C 3 R eg R eg
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