规整填料压降研究新进展

这说明该模型与传统的压降模型是相容的，同时也
说明了这种思想的合理性。当然这个模型还有许多
需要进一步研究的问题，如流道尺寸、操作负荷和气
相物理性质如何影响（ #p / H）wd 的值，如何定量预测 气相和液相分布不均对传质性能造成的影响，塔中
气液二相和填料相互作用的机理等。
!. ". " Delft 模型 Delft 模型［11—12］的压降计算是基于液膜在倾斜
这种流动模式的二分思想重点突出了重要流体
力学特征变量，由图 1（ b）可知，这 3 个变量是填料
表面润湿分数 !e、总持液量 hL、湿填料压降 -（ !p / H）。这个模型的理论基础是基本的力学规律，即通
过对 2 个区内的气相分别进行流动方向和垂直于流
动方向的动量衡算，同时引入无因次质量力：
气相无因次质量力
Abstract：A comprehensive summary of researches on pressure drop caIcuIation methods and modeIs for structured packing was presented. TheoreticaI aspects and appIicabiIity of the modeIs were anaIyzed. The traditionaI modeIs reviewed for structured packing were mainIy derived from correIations for random packing or the modeI for wettedwaII coIumn. Then recent research deveIopment on mechanicaI modeIs based on basic phenomena of process was emphasized. Compared to traditionaI modeIs，the generaIity，appIicabiIity and accuracy of the mechanicaI modeIs are generaIIy improved. In addition，the possibIe research subjects for further improvement were aIso suggested. Key words：packed coIumn；structured packing；pressure drop modeI
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化学工程 2005 年第 33 卷第 3 期
气液接触区（ 湿区），全部的液体（ hL ）和一部分气体 通过。图 1（ b）为 Hiiuta 等给出的模拟填料表面气液 接触状况的物理模型。
图 ! 部分润湿填料表面流动模式［14］ Fig. 1 Gas-iiguid fiow pattern in partiaiiy wetted structured packings
"g = -（ !p / H）（/ #gg）- 1 液相无因次质量力
（3）
"L = -（ !p / H）（/ #Lg） 1
（4）
以此为基础经过推导，得到模型的主要方程，然后结
合其他辅助关系（ 如壁摩擦因子，界面雷诺数等）对
模型方程进行迭代求解。Hiiuta 模型适用于恒持液
量区的逆流填料塔，其特点是定量突出了 3 个流体
1 规整填料压降的研究现状 1. 1 传统的规整填料压降模型
文献中关于规整填料压降研究，主要集中于应 用最为广泛的板波纹填料。规整填料压降的研究可 类比散堆填料压降的确定方法。第 1 种是散堆填料
基金项目：国家自然科学基金资助项目（20136010 ） 作者简介：王广全（1978—），男，博士研究生，主要从事高压下填料塔传质性能研究，E-maiI：wangguangguan@ eyou. com；袁希钢，通讯联系
波纹板上流动推导出来的，而且明确考虑了影响填
料性能的若干宏观几何参数。Delft 压降模型的基
本思想是把载点前压力损失分为 3 个部分：气液作
用、气气作用、气流方向改变。各部分的计算均采用
了范宁摩擦方程的形式：
（
#p H
）preload
=（
"g u2ge 2
）（
#
GL
+ #GG
+ #DC ）（2）
上式中的压力损失系数 # 由填料的几何参数和流动
人。
王广全等 规整填料压降研究新进展
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的通用压降关联图（ GPDC），Kister 等［3］对其进行了 修正，得到了规整填料的 GPDC。第 2 种是针对散 堆填料的干压降 / 液相（ 持液量）校正关联式，文献 中发表的许多模型和方法都基于这种方法，不同的 只是校正项及其指数。如 Stichlmair 模型［4］的指数 是 - 4. 65，Spigel 模型［5］的指数是 - 2. 5，SRP（ !， "）模型［6—7］的指数是 - 5. 0。此外，规整填料压降 研究也可以从填料表面气液二相作用机理出发，再 结合基本的流体力学规律就可以得到适用范围较 大、通用 性 较 好 的 模 型，例 如 Billet 模 型［8］、BP 模 型［9］等。
SRP（ !）模型［6］是最早的规整填料压降模型， 适用于波纹填料和丝网填料，假定液相是以液膜的 形式在与填料床层具有相同的自由体积的一束圆柱 形的流道内层流流动，与上升的气相逆流接触，此即 湿壁塔物理模型。Stichlmair 模型［4］适用于逆流操 作的填料塔，它是基于流化床理论的粒子模型。压 降的计算是根据流化床的流体力学规律得到干填料 压降，然后进行适当校正。Spigel 模型［5］最初是根 据 Mellapak 填料性能测试结果得到的，经过修正能 够较好应用于液相负荷较高的高压精馏操作。SRP （ "）模型［7］是对 SRP（ !）模型的修正，引入了有效 重力加速度的概念，而且持液量也不再类比散堆填 料。该模型通过压降、持液量和有效传质面积三者 的预测体现了流体力学和传质性能相互关联的本 质。Billet 模型［8］是一个较严格的理论模型，考虑到 物性、操作和设计参数对气液二相流动的影响，能够 应用于整个操作负荷范围。BP 模型［9］也是基于湿 壁塔思想的机理型计算方法，但由于其理论基础是 基本的力学规律，因此该模型适用于较宽的操作范 围和不同的操作方式，另外还易推广用于其他不同 类型填料压降的预测。 !. " 规整填料压降研究新进展
文章编号：1005-9954（2005）03-0004-04
Recent progress in researches on pressure drop of structured packing
WANG Guang-guan，YUAN Xi-gang，LIU Chun-jiang，ZENG Ai-wu，YU Guo-cong （State Key Laboratory of ChemicaI Engineering，ChemicaI Engineering Research Center， Tianjin University，Tianjin 300072，China）
由于规整填料几何形状高度规则、表面利用率
高、空隙率大、持液量小，所以规整填料塔在保证较 高传质效率的同时具有较低的压力降。因此压力降 在设计中是一个比较敏感的参数，特别是在减压或 低压精馏等特殊场合，设计中微小的估算误差会导 致产率、能耗等指标的较大偏差。本文对规整填料 压降研究进行了综述，为提高国内规整填料塔的设 计水平提供参考，同时还指出了目前存在的问题和 进一步的研究方向。
第 33 卷 第 3 期 2005 年 6 月
化学工程 CHEMICAL ENGINEERING（ CHINA）
VoI. 33 No. 3 Jun. 2005
规整填料压降研究新进展
王广全，袁希钢，刘春江，曾爱武，余国琮
（ 天津大学 化学工程研究所 化学工程联合国家重点实验室，天津 300072）
摘要：综述了文献中关于规整填料压降的计算方法和模型，并对这些模型的理论基础和适用条件做了简要分析和
比较。传统规整填料压降模型的来源主要是散堆填料的压降关联式和湿壁塔模型。重点归纳了基于过程基本规
律的机理模型，与传统压降模型相比，在通用性、适用范围和准确性等方面都有不同程度的改进。同时指出了有待
进一步探索和改进的若干问题。
关键词：填料塔；规整填料；压降模型
中图分类号：TO 051. 8
文献标识码：A
规整填料塔作为一种新型塔器技术已广泛应用 于化工、炼油和石化等过程工业。它与塔板和散堆 填料相比具有通量大、效率高、压降低、能耗低、无放 大效应等明显优势。规整填料的发展大体上经历了 3 个阶段［1］：第 1 阶段为早期出现的规整填料，如斯 特曼填料（ Stedman Packing）；第 2 阶段主要是帕纳 帕克（ Panapak）、古德洛（ GoodIoe）、海泊菲尔（ HyperfiI）及栅格（ Grid）填料等；第 3 阶段是麦勒派克 （ MeIIapak ）、吉 姆 派 克（ Gempak ）、蒙 茨 派 克 （ Montzpak）、朗博派克（ Rombopak）等。近些年又出 现了新型规整填料，如 SUPER X-PACK 填料［2］，其 特点是压降和接触面积可以通过填料几何尺寸来调 节，在改造传统的精馏塔中获得了良好效果。
果也欠准确。所有这些都表明现有的压降模型仍存 在缺陷，因此如何改进和修正这些模型和建立新型 的模型是一类重要的课题，所涉及的研究包括如下 几个方面：
~aIley 等人依据逾渗理论的标度律给出了压
降的通用关系式：
（
#p H
）
=（
#p H
）w（d
1
-
uL ）! uFL
（1）
从严格意义上讲，上述方程只有在接近液泛时
才成立，但是当操作条件远离泛点时（ uL / uFL ＜1）， 上述方程 可 以 转 化 文 献 中 常 见 的 压 降 关 联 式［10］。
参数关联得到。Delft 压降模型最突出的特点是能
够分析 3 部分压力损失的相对大小，因此对于填料
塔设计和开发新填料具有明确的指导意义。此外该
模型还引入了载点因子，使其能够适用于全部液相
负荷范围。Delft 压降模型的主要方程可参见文献
［13］。
!. ". # Iliuta 模型 Iliuta 模型［14］是一维隐函数双区逆流模型，其
理论基础是并流填料滴流床反应器的流体力学。在
wk.baidu.com
正常操作条件下，填料塔中的填料是部分润湿的，尤
其是在液相负荷较小的情况下。因此填料表面可以
看作是由 2 种倾斜的相互连接的基本区域组成［ 图
1（ a）］，一个是面积为（1 - $e ）ap 的气固接触区（ 干 区），只有一部分气体通过；另一个是面积为 $eap 的
~aIley 等人基于逾渗理论和临界现象理论提 出了“ 电子渗流器”的压降模型［10］，其出发点是借用
电子渗流器的概念来描述填料塔内气液流动：未被
液体充满的空间气体可以通过（“ 导电”），一旦这些
空间被液体充满之后，气体则无法通过（“ 绝缘”）。
这样，填料塔内的气液接触传质过程可以看作是局
部空间不断“ 导电”和“ 绝缘”的过程。
力学变量之间的关系，并且可以同时预测这 3 个变
量的数值。此外该模型还可以预测各种操作条件填
料塔的流体力学性能，如常压解析塔、高温高压精馏
塔等。Hiiuta 模型的主要方程可参见文献［14］。
" 讨论和展望 目前被公认为较好的 2 个模型是 SRP（ "）模
型和 Deift 模型，Montz 填料的实验测试［13］结果发 现 SRP（ "）模型预测压降值偏高，Deift 模型预测压 降值偏低，而且二者对于大表面积的填料的预测结
上述传统的规整填料压降模型的来源主要是 2 个，一是散堆填料的压降关联式的推广，另一个是湿 壁塔模型的类比，再结合实验数据就产生了不同的 半理论半经验模型。在许多情况下，由于实验条件 及精度等原因，模型的应用会受到限制。因此近年 来许多研究人员都在探索如何基于描述基本现象的 理论建立准确的机理模型，并取得了一定进展。此 类压降模型主要有 ~aIley 模型、Delft 模型和 Iliuta 模型，它们在通用性、适用范围和准确性等方面都优 于传统的压降模型。 !. ". ! ~aIley 模型