立装规整填料的性能研究

2012-04-10李仙舟褚雅志马晓迅

化学工业与工程 2012年3期

李仙舟，褚雅志，王　领，刘　燕，马晓迅

(1.西北大学化工学院，陕西西安 710069；2.西安思瑞迪精馏工程有限公司，陕西西安 710077)

规整填料从20世纪70年代由实验室走向工业应用以来，“放大效应”一直是人们解决的难题。实验室小塔中每米填料层高度的理论板数(NTSM)很高，而在工业应用中塔的NTSM随着塔径增加而大幅度降低[1-4]。这是由于规整填料在工业大塔内存在的壁流效应和气液分布不均匀引起的。于是产生了在工业大塔内设置若干单元小塔以降低“放大效应”的思想[5-7]。以此为启发，西北大学和西安思瑞迪精馏工程有限公司联合开发出了立装规整填料技术[3]。本研究对立装规整填料的压降、壁流量和液相总传质单元高度做了初步研究。

1　立装规整填料的设计原理

立装填料就是在工业大塔内设置若干竖条块形成单元小塔，小塔并联成填料段，段与段之间旋转错位，使流体重新分配，且不能径向大范围流动，以消除放大效应[5]。如图1所示。

图1　立装规整填料结构示意图Fig.1　Structural sketch of vertical filling structured packing

2　试验部分

本试验采用西安思瑞迪精馏工程有限公司同规格的比表面积为250的板波纹填料，把其设计成立装和平装2种形式。立装填料是把整块直径为800 mm的平装填料分成29块，每1小块柱体就是1个填料单元，也是气液传质单元。塔内中部填料单元截面形状大小相同，靠近塔壁边缘的填料单元与塔内壁圆弧面吻合；填料单元四周由波纹板包裹着，并且任意2个相接触的波纹板方向相反；填料层与层之间旋转错位，即上一层填料的分割交叉点在下一层填料单元的中心，这样可使液体重新分配，阻止液体径向流动至塔壁形成壁流。每块立装填料的高度为20 cm，是平装填料高度的2倍。然后分别在不同的喷淋密度(20、30、40和50 m3/(m2·h)下改变气体的动能因子来测量压降、壁流量和液相总传质单元高度，进而进行对比分析[8-10]。

2.1　试验装置

如图2所示，本试验在Φ800 mm的塔中进行，填料层有效高度1 600 mm。塔内件主要由填料支撑板、气体分配器(同时可以测量壁流量)、填料压板和液体分布器构成。

图2　试验装置图Fig.2　Test device of experiment

2.2　试验方法

填料的流体力学性能以空气-水为工质进行试验。

空气由鼓风机经涡街流量计计量后进入塔釜，水由离心泵经转子流量计计量后进入塔顶。气液两相在填料层中进行逆向接触。填料层压降由U型管压差计测得。壁流量的测定如图3所示。

图3　壁流量测试示意图Fig.3　Schematic diagram of the wall flow test

图3中，塔底的气体分布器兼液体收集的功能，3个面积相等的环形部分，每个环形部分都有各自的液体出口，分别是1、2和3，这样可测得从塔顶下流的液体在3个环形部分液体分布情况，其中1即为壁流量测试口。

填料的液相总传质单元高度采用空气-水-CO2物系，先将CO2溶解于水中，然后用空气来解吸水中的CO2，并通过化学容量法测定塔顶和塔釜液相中CO2含量，通过气相色谱仪测定气相中CO2含量[1]。通过塔顶和塔釜气、液两相中CO2的浓度可由式(1)和(2)计算填料的液相总传质单元高度。

HOL=Z/NOL

(1)

(2)

3　结果与讨论

3.1　填料压降

图4是规整填料每米填料压降分别随喷淋密度和气体动能因子变化的关系曲线。

图4　填料压降变化曲线Fig.4　Pressure drop change curves of packing

由图4可见，在相同条件下，填料立装和平装的压降规律基本一致，没有太大变化，这是因为所采用的填料规格是一样的，只是装填方式不同，对压降影响不大。

3.2　壁流量

图5是2种装填方式在不同气、液相负荷下的壁流量变化曲线。

图5　壁流量变化曲线Fig. 5　Change curves of wall flow

由图5可见，在一定喷淋密度下，壁流量都随气相动能因子的增大而减小；相同的气相动能因子，壁流量随着喷淋密度的增大而增大。这是因为当气液两相在塔内进行逆向接触时，液体易从空隙率较小的填料层向下流动，气体容易顺着空隙率较大的塔壁向上流动。填料层中心区域的液体有向塔壁流动的趋势[11-12]，但是由于塔壁处的气体流速较大阻止了中心区域液体向塔壁流动，因此随着气相动能因子的增大，壁流量呈下降趋势。当气相动能因子一定时，随着液体喷淋密度的增加，流向塔壁的液体量增加，壁流量也随之增加。

在相同条件下，立装填料的壁流量比平装填料平均减少了约10.7%。说明在工业大塔内设置若干单元小塔并联成填料段，可以降低壁流效应。

3.3　液相总传质单元高度

图6是2种填料在不同气液相负荷下的液相总传质单元高度变化曲线。

图6　液相总传质单元高度的变化曲线Fig.6　Change curves of liquid phase of the total height of mass transfer unit

由图6可见，当喷淋密度相同时，液相总传质单元高度都随气相动能因子的增大而降低。这是因为在气速较低时，气液两相传质主要靠分子扩散完成，有效接触面积较小，液相传质单元高度较高，传质效率较低。气速较大时，液膜的湍动程度加剧，有效接触面积较大，促进了传质，液相传质单元高度较低，传质效果较好；当气相动能因子相同时，液相总传质单元高度随着喷淋密度的增加逐步增大，传质效果变差。表明填料层中的持液量增大，并没有使得气液两相的接触面积相应的增加。

在相同试验条件下，立装填料的HOL比平装的平均降低约17.4%。说明立装填料的传质性能优于平装填料。这是由于立装填料与平装相比，能有效地阻止液体在填料层内大范围的径向流动，这使得壁流量有所减少，同时促进了液体在填料表面的均匀分布，增加了气液两相有效的传质接触面积，从而使立装填料的传质效率有所提高。