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金屬矩鞍環(huán)填料的流體力學(xué)與傳質(zhì)性能的研究
2019-07-21 閱讀：次
在 DT B Y 一 3 0 0 多功 能填料塔 實(shí)驗(yàn)裝置 中, 以 空氣一 氨氣一 水 為物 系 , 對(duì)金屬矩鞍環(huán)填料的流體 力學(xué)與 傳質(zhì)性 能進(jìn)行 了研 究 , 獲得 了 該填料的幾何特性 參數(shù)和 P/Z一 Fv 、 H0 一 F v 、 H二G 、 H E PT 一 G 及阮一 G 等關(guān) 系曲 線 。 結(jié) 果表 明 , 該 填料具 有壓 降適 中、 通量 高、 氣液分布均 勻及傳 質(zhì)性能 穩(wěn)定 等點(diǎn) , 比較適 用 于 清潔 、 堿腐獨(dú)性 流體的 氣一液吸收 、 精餾和 等傳質(zhì)分離工 業(yè)過程 。
填料塔具有結(jié)構(gòu)簡單 、 易于 制作 、 壓降小 、 傳質(zhì)面積大及效率高等點(diǎn) , 已在化工 、 煉油 、 醫(yī)藥 、冶金 、 原子 能和環(huán)境等工業(yè)領(lǐng)域 中 , 作為精餾 、 吸收和 等分離 過程的重要設(shè)備得到廣泛應(yīng)用 。作為填料塔主要和基本的部分— 填料的研究開發(fā)工作也愈來愈受到工 業(yè)界的重視〔’川。 研究和開發(fā)一些流體力學(xué)和傳質(zhì)性能 良的新 型、 高效填料 , 已成為填料塔技術(shù)在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用的關(guān)鍵和迫切要求。
自填料塔用于工業(yè)生 產(chǎn)以來 , 填料的結(jié)構(gòu)形式有重大改進(jìn) , 特別是近 二 、 三 十年來發(fā)展 更快 , 目前 , 各種類 型 、 各種規(guī)格 的填料有幾 百種之 多。填料結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方面可 歸納為 :
( 1) 改善流體的分布與接觸 , 以 提高分離效率 ;
( 2) 增加流體的通過能力 , 以適應(yīng)大規(guī)模工 業(yè)生 產(chǎn)的需要 ;
( 3)解決放大問題。
( 1) 改善流體的分布與接觸 , 以 提高分離效率 ;
( 2) 增加流體的通過能力 , 以適應(yīng)大規(guī)模工 業(yè)生 產(chǎn)的需要 ;
( 3)解決放大問題。
在填料塔內(nèi) , 氣體由填料間的空 隙流過 , 流體在填料表面 形成液膜并沿填料間的空 隙而 下流 ,氣液兩 相間的 傳質(zhì)過程 在潤 濕 的 填料表 面上 進(jìn)行 。 因此 , 填料塔 的生 產(chǎn)能力 和傳質(zhì)速率與填料特性 密切相關(guān) 。 一 般填料性能的參數(shù) 由比表面 積 、 空 隙率 和 填料 構(gòu)成 。 選擇填料 時(shí) , 一般要 求表面 積 和空 隙率要 大 , 填料 的濕潤 性能好 , 單位體積 填料 的質(zhì)量 輕 , 造價(jià)低并有足 夠的機(jī)械強(qiáng)度 。
本次實(shí) 驗(yàn)是對(duì)矩鞍環(huán)填料的性能做一些 研究 。 矩鞍形填料是由薄金屬 板沖成 的整體鞍環(huán) , 結(jié)構(gòu)見圖 1 。 其點(diǎn)為 : 保留了鞍形填料的弧形 結(jié)構(gòu) , 并有內(nèi)彎葉片的小窗 ; 全部表面 能被有效的利用 ; 流體湍動(dòng)程度好 , 且有良好 的液體再分布性能 ; 通 過能力大 , 壓強(qiáng) 降小 , 滯液量小 ; 堆積 密度小 , 填料層 結(jié)構(gòu)均勻。
實(shí)驗(yàn)裝置及基本流程如圖 2 所示。 裝置主體為不銹鋼填料塔 , 其有效填料層 高度為 .2 o m , 塔內(nèi)徑為 .0 3 Om , 系統(tǒng)各相關(guān)部位設(shè)有相應(yīng)的溫度 、壓力 或流量等測試和指示儀表 , 同時(shí)采用配套軟件 由計(jì)算機(jī)在線采集 、 計(jì)算和分析處理有關(guān)數(shù)據(jù) , 獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
本實(shí)驗(yàn)是在 T D B Y 一 3 0 多功能填料吸收塔實(shí)驗(yàn)裝置中 , 以空氣一氨氣一水為物系進(jìn)行的。
1 實(shí)驗(yàn)部分
L l 實(shí)驗(yàn)裝置與流程
實(shí)驗(yàn)裝置及基本流程如圖 2 所示。 裝置主體為不銹鋼填料塔 , 其有效填料層 高度為 .2 o m , 塔內(nèi)徑為 .0 3 Om , 系統(tǒng)各相關(guān)部位設(shè)有相應(yīng)的溫度 、壓力 或流量等測試和指示儀表 , 同時(shí)采用配套軟件 由計(jì)算機(jī)在線采集 、 計(jì)算和分析處理有關(guān)數(shù)據(jù) , 獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
L Z 實(shí)驗(yàn)條件
1. 2 . 1 吸收操作系統(tǒng)的氣一液介質(zhì)及濃度
本實(shí)驗(yàn)采用 清水一空氣冷態(tài) 系統(tǒng)來研究填料層的壓 降 、 動(dòng)態(tài) 持液量等流體力 學(xué)特性 , 采用清水吸收混合空氣中的氨氣來獲得填料的氣相傳質(zhì)單元高度 H 、 、 總傳質(zhì)系數(shù) K 二 、 等板高度 H E T 等傳質(zhì)特性參數(shù) 。 在吸收過程 中 , 為使整個(gè)操作處于等溫狀態(tài)和 系統(tǒng) 的氣一液平衡關(guān) 系服從 H e l l r yr 定律 , 實(shí)驗(yàn)時(shí)采用了較低的氨氣進(jìn) 口 濃度 , 以便于數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算。 據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道51[ , 氨氣進(jìn)口 濃度處于 .0 05 一 1 . 0 ( m lo % ) 范圍較為適宜 , 本實(shí)驗(yàn) 中由于所安裝的填料層高達(dá) .2 0 0 m , 系統(tǒng) 的吸收效果好 , 因而 采用 了較高的氨氣人 口 濃度 , 約為
0 . 7 0 一 1 . 0 0 ( m o l% ) 。
1. .2 2 吸收操作范圍
根 據(jù)本實(shí)驗(yàn)裝置的生產(chǎn)能力和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)情況 , 本研究中所采用 的操作范圍如下 :空 氣質(zhì)量流速: 61 0 一 1創(chuàng)x 用k歲砂• h液體噴淋密度 : 0 一 5 0m V澎• h
L 3 實(shí)法
實(shí)驗(yàn)前先對(duì)系統(tǒng)的壓力、 溫度 、 流量等計(jì)量儀表進(jìn)行校準(zhǔn) , 使其測量 誤差控制在 1% 一 3% 內(nèi) , 再將塔內(nèi)所裝的填料預(yù) 液泛 , 以充分濕潤填料。
進(jìn)行流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí) , 先 固定液體在某一噴淋密度 , 改變氣速 , 測定不 同氣 速下填料層壓值 , 然后變更液體噴淋密度 , 按此法重 復(fù) 以上的測定步驟 , 即獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 。 動(dòng)持液量的測定方法 為 : 在填料塔正 常操作過程 中, 同時(shí)停止氣液兩相加料 , 并經(jīng) 適 當(dāng)?shù)臅r(shí)間排液 , 直至 填料層無液體滴 出 時(shí) ,測量所排出的液體體
積。
進(jìn) 行填料 的 傳 質(zhì)性 能 測 定時(shí) , 先 開啟 空氣一水 系統(tǒng) , 再開 啟氨氣進(jìn)行吸 收操作 , 操作達(dá)到正常時(shí) , 采用酸中和法平行 分析尾氣中氨的濃度 , 根 據(jù)實(shí)驗(yàn)條件按 一 定方法計(jì)算填P料的各種傳質(zhì)參數(shù)。
L 4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
對(duì)于氣膜控制的低濃度吸收過程 , 系統(tǒng)的氣液平衡關(guān)系可以近似認(rèn)為服從 H e n n 了 定律 , 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按下列各式進(jìn)行處理計(jì)算〔“ 〕:
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
.2 1 金屬矩鞍環(huán)填料的特性
實(shí)驗(yàn) 中, 對(duì)金屬矩鞍環(huán)填料的特性進(jìn)行了測定 , 結(jié)果列人表1 中。
對(duì) 比相近 規(guī)格 的鮑爾環(huán)和 階梯環(huán)填料 ( 亂堆 ) ][9 , 可看出該填料的比表面 積約下降 5% , 空隙率則提高 .7 6% , 其中填料下 降 8 0 % 。 這 表明該填料在使用過程 中, 具有較小的流動(dòng)阻力和較高的液泛氣速。
2. 2 填料的流體力學(xué)性能
2. 2 . 1 單位填料層高度的壓降損失與氣相動(dòng)能的關(guān)系實(shí)驗(yàn) 測定 了 環(huán)境溫度 52 ℃ 和不 同液體密度下 , 氣體流過單位填料層高度 的壓降損失 , 并將其表示成與氣相動(dòng)能的關(guān) 系 , 所得結(jié)果如圖 3 所示。
從 圖 3 可知 : 單位填料層高度所對(duì)應(yīng)的壓降大小與噴淋密度及氣速有關(guān) , 液體噴淋密度越大 , 氣速越大 , 其對(duì)應(yīng)的值越大。 一定噴淋密度下 , 填料層壓降隨空塔氣速的變化曲線大致可分為三 個(gè)階段 : 在較低的空塔氣速下 ( 攔液點(diǎn)以下 ) 時(shí) , 填料層 壓降 ( 氣體流動(dòng)的阻力 ) 很小 , 曲線形狀基本上呈 直線性增長 ; 在高空 塔氣速 (泛點(diǎn)以上 ) 時(shí) , 填料層 壓降隨空塔氣速急劇增長 ; 在載點(diǎn)和泛點(diǎn)氣速之間時(shí) , 填料層壓降增長速度處于適中的狀態(tài)。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察和 圖解法 , 可粗略確定出該填料的泛點(diǎn)特性 , 如表 2 所示。
.2 .2 2 填料動(dòng)持液量與氣相動(dòng)能的關(guān)系
填料塔 的動(dòng)持液量是 指在一定操作條件下 , 單位體積填料層 內(nèi) , 在填料表面及空隙中所積存的、 能從填料層 中自然滴出的液體體積量。 具有適當(dāng)動(dòng)持液量的填料對(duì)維持填料塔 的操作穩(wěn)定性和促進(jìn)填料表面的濕潤及氣液兩相間的傳質(zhì)是有益的 , 但持液量太大 , 將減少填料層的空 隙和氣相流通截面 , 使壓降 , 處理能力下 降。
實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果表明 : 填料動(dòng)持液量受液體噴淋密度影響較大 , 但在一定的噴淋密度下 , 其隨氣體空 塔速率的變化較小 。 這表明在固定的噴淋密度下 , 填料表面的潤濕情況和所形成的液 厚度
膜基本穩(wěn)定 , 液膜側(cè)的傳 庸陽 七 拍千桐定 (見圖 )4
2 3 填料的傳質(zhì)性能與氣體質(zhì) t 流率的關(guān)系
圖 5、 圖 6、 圖 7 給出了不同液體 噴淋密度和氣體質(zhì)量流率下 , 該填料傳質(zhì)性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 。
從 圖 、 圖 6、 圖 7 可 知 : 液體噴淋密度一 定時(shí) , 低空 塔氣速下填料的氣相傳質(zhì)單元高度隨氣體質(zhì)量流率的增加而有所 , 在接近泛點(diǎn)氣速時(shí) , H 、 達(dá)到大 , 隨后 有迅速下降的趨勢(shì) ; 氣相總傳質(zhì)系數(shù) 凡 在整 個(gè)過程中則幾乎隨氣體質(zhì)量流率按線性關(guān)系增加。同一 氣體質(zhì)量流率下 , H co隨液體噴淋密度增加而下 降 , 阮 隨液體噴淋密度增加而增加。
圖 6 給出的該填料等板高度 H E開 與液體噴淋密度和氣體質(zhì)量流率的關(guān)系 , 其變化趨勢(shì)主體上與 H二 的變化規(guī)律一致 , 這也說明在低粘度吸收操作 時(shí) , 兩 者 的關(guān)系基本遵循式 ( 1 ) 一 ( 4) 的理論解釋。
3 結(jié)論
(l) 通過實(shí)驗(yàn)獲得了金屬矩鞍環(huán)填料 流體力學(xué)和 傳質(zhì)性能參數(shù) , 并考察了這些性能參數(shù)隨操作條件變化的基本規(guī)律 , 可供工業(yè)設(shè)計(jì)及工業(yè)生產(chǎn)過程 參考。
2( ) 研究結(jié)果表明 : 金屬矩 鞍環(huán)填料具有壓降適中、 通量較大、 傳質(zhì)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。 此外 , 該填料具有較高的抗壓強(qiáng)度 , 而且耐堿腐蝕 , 是一種較好的散堆填料 , 比較適用于清潔、 堿腐蝕氣一液傳質(zhì)與分離過程。
符號(hào)說 明 :
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