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金属矩鞍环填料的流体力学与传质性能的研究
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金属矩鞍环填料的流体力学与传质性能的研究

2019-07-21      阅读:
在 DT B Y 一 3 0 0 多功 能填料塔 实验装置 中, 以 空气一 氨气一 水 为物 系 , 对金属矩鞍环填料的流体 力学与 传质性 能进行 了研 究 , 获得 了 该填料的几何特性 参数和 P/Z一 Fv 、 H0 一 F v 、 H二G 、 H E PT 一 G 及阮一 G 等关 系曲 线 。 结 果表 明 , 该 填料具 有压 降适 中、 通量 高、 气液分布均 匀及传 质性能 稳定 等优点 , 比较适 用 于 清洁 、 碱腐独性 流体的 气一液吸收 、 精馏和 萃取等传质分离工 业过程 。

填料塔具有结构简单 、 易于 制作 、 压降小 、 传质面积大及效率高等优点 , 已在化工 、 炼油 、 医药 、冶金 、 原子 能和环境等工业领域 中 , 作为精馏 、 吸收和 萃取等分离 过程的重要设备得到广泛应用 。作为填料塔最主要和最基本的部分— 填料的研究开发工作也愈来愈受到工 业界的重视〔’川。 研究和开发一些流体力学和传质性能优 良的新 型、 高效填料 , 已成为填料塔技术在相关工业领域推广应用的关键和迫切要求。
 
 
自填料塔用于工业生 产以来 , 填料的结构形式有重大改进 , 特别是近 二 、 三 十年来发展 更快 , 目前 , 各种类 型 、 各种规格 的填料有几 百种之 多。填料结构改进的方面可 归纳为 :
( 1) 改善流体的分布与接触 , 以 提高分离效率 ;
( 2) 增加流体的通过能力 , 以适应大规模工 业生 产的需要 ;
( 3)解决放大问题。
 
在填料塔内 , 气体由填料间的空 隙流过 , 流体在填料表面 形成液膜并沿填料间的空 隙而 下流 ,气液两 相间的 传质过程 在润 湿 的 填料表 面上 进行 。 因此 , 填料塔 的生 产能力 和传质速率与填料特性 密切相关 。 一 般填料性能的参数 由比表面 积 、 空 隙率 和 填料 因子 构成 。 选择填料 时 , 一般要 求表面 积 和空 隙率要 大 , 填料 的湿润 性能好 , 单位体积 填料 的质量 轻 , 造价低并有足 够的机械强度 。
 
本次实 验是对矩鞍环填料的性能做一些 研究 。 矩鞍形填料是由薄金属 板冲成 的整体鞍环 , 结构见图 1 。 其优点为 : 保留了鞍形填料的弧形 结构 , 并有内弯叶片的小窗 ; 全部表面 能被有效的利用 ; 流体湍动程度好 , 且有良好 的液体再分布性能 ; 通 过能力大 ,  压强 降小 ,  滞液量小 ; 堆积 密度小 ,  填料层 结构均匀。
金属矩鞍环填料的流体力学与传质性能的研究
本实验是在 T D B Y 一 3 0 多功能填料吸收塔实验装置中 , 以空气一氨气一水为物系进行的。
 
1 实验部分
 
L l 实验装置与流程

实验装置及基本流程如图 2 所示。 装置主体为不锈钢填料塔 , 其有效填料层 高度为 .2 o m ,  塔内径为 .0 3 Om , 系统各相关部位设有相应的温度 、压力 或流量等测试和指示仪表 , 同时采用配套软件 由计算机在线采集 、 计算和分析处理有关数据 , 获得相应的实验结果。
 
L Z 实验条件
 
1.    2 .    1 吸收操作系统的气一液介质及浓度
 
本实验采用 清水一空气冷态 系统来研究填料层的压 降 、 动态 持液量等流体力 学特性 , 采用清水吸收混合空气中的氨气来获得填料的气相传质单元高度 H 、 、 总传质系数 K 二 、 等板高度 H E T 等传质特性参数 。 在吸收过程 中 , 为使整个操作处于等温状态和 系统 的气一液平衡关 系服从 H e l l r yr 定律 , 实验时采用了较低的氨气进 口 浓度 , 以便于数据的分析和计算。 据文献报道51[ , 氨气进口 浓度处于 .0 05 一 1 . 0 ( m lo % ) 范围较为适宜 , 本实验 中由于所安装的填料层高达 .2 0 0 m , 系统 的吸收效果好 , 因而 采用 了较高的氨气人 口 浓度 , 约为
0 .  7 0 一 1 .  0 0 ( m o l% ) 。
金属矩鞍环填料的流体力学与传质性能的研究
1.  .2 2    吸收操作范围
 
据本实验装置的生产能力和相关技术指标情况 , 本研究中所采用 的操作范围如下 :空 气质量流速:  61 0 一 1创x 用k岁砂•  h液体喷淋密度 :  0 一 5 0m V澎•  h
 
L 3 实验方法
 
实验前先对系统的压力、 温度 、 流量等计量仪表进行校准 , 使其测量 误差控制在 1% 一 3% 内 , 再将塔内所装的填料预 液泛 , 以充分湿润填料。
 
进行流体力学实验时 , 先 固定液体在某一喷淋密度 , 改变气速 , 测定不 同气 速下填料层压值 , 然后变更液体喷淋密度 , 按此法重 复 以上的测定步骤 , 即获得相应的实验结果 。 动持液量的测定方法 为 : 在填料塔正 常操作过程 中, 瞬间同时停止气液两相加料 , 并经 适 当的时间排液 , 直至 填料层无液体滴 出 时 ,测量所排出的液体体
积。
 
进 行填料 的 传 质性 能 测 定时 , 先 开启 空气一水 系统 , 再开 启氨气进行吸 收操作 , 操作达到正常时 , 采用酸中和法平行 分析尾气中氨的浓度 , 根 据实验条件按 一 定方法计算填P料的各种传质参数。
 
L 4 实验数据处理
 
对于气膜控制的低浓度吸收过程 , 系统的气液平衡关系可以近似认为服从 H e n n 了 定律 , 实验数据按下列各式进行处理计算〔“ 〕:
金属矩鞍环填料的流体力学与传质性能的研究
2 实验结果及讨论
 
.2 1 金属矩鞍环填料的特性
 
实验 中,     对金属矩鞍环填料的特性进行了测定 ,  结果列人表1 中。

对 比相近 规格 的鲍尔环阶梯环填料 ( 乱堆 ) ][9 , 可看出该填料的比表面 积约下降 5% , 空隙率则提高 .7 6% , 其中填料因子下 降 8 0 % 。 这 表明该填料在使用过程 中, 具有较小的流动阻力和较高的液泛气速。
 
2. 2   填料的流体力学性能
 
2. 2 .    1   单位填料层高度的压降损失与气相动能因子的关系实验 测定 了 环境温度 52 ℃ 和不 同液体密度下 ,  气体流过单位填料层高度 的压降损失 ,  并将其表示成与气相动能因子的关 系 , 所得结果如图 3 所示。
金属矩鞍环填料的流体力学与传质性能的研究
图 3 可知 : 单位填料层高度所对应的压降大小与喷淋密度及气速有关 , 液体喷淋密度越大 , 气速越大 , 其对应的值越大。 一定喷淋密度下 , 填料层压降随空塔气速的变化曲线大致可分为三 个阶段 : 在较低的空塔气速下 ( 拦液点以下 ) 时 , 填料层 压降 ( 气体流动的阻力 ) 很小 , 曲线形状基本上呈 直线性增长 ; 在高空 塔气速 (泛点以上 ) 时 , 填料层 压降随空塔气速急剧增长 ; 在载点和泛点气速之间时 , 填料层压降增长速度处于适中的状态。
 
根据实验观察和 图解法 , 可粗略确定出该填料的泛点特性 , 如表 2 所示。

.2 .2 2 填料动持液量与气相动能因子的关系
 
填料塔 的动持液量是 指在一定操作条件下 , 单位体积填料层 内 , 在填料表面及空隙中所积存的、 能从填料层 中自然滴出的液体体积量。 具有适当动持液量的填料对维持填料塔 的操作稳定性和促进填料表面的湿润及气液两相间的传质是有益的 , 但持液量太大 , 将减少填料层的空 隙和气相流通截面 , 使压降增大 , 处理能力下 降。
 
实验测定结果表明 : 填料动持液量受液体喷淋密度影响较大 , 但在一定的喷淋密度下 , 其随气体空 塔速率的变化较小 。 这表明在固定的喷淋密度下 , 填料表面的润湿情况和所形成的液 厚度
膜基本稳定 ,  液膜侧的传 庸阳 七 拍千桐定 (见图 )4

2 3 填料的传质性能与气体质 t 流率的关系
 
5、 图 6、 图 7 给出了不同液体 喷淋密度和气体质量流率下 , 该填料传质性能的实验结果 。

图 、  图 6、   图 7 可 知 : 液体喷淋密度一 定时 , 低空 塔气速下填料的气相传质单元高度随气体质量流率的增加而有所增大 , 在接近泛点气速时 , H 、 达到最大 , 随后 有迅速下降的趋势 ; 气相总传质系数 凡 在整 个过程中则几乎随气体质量流率按线性关系增加。同一 气体质量流率下 ,  H co随液体喷淋密度增加而下 降 , 阮 随液体喷淋密度增加而增加。
 
图 6 给出的该填料等板高度 H E开 与液体喷淋密度和气体质量流率的关系 , 其变化趋势主体上与 H二 的变化规律一致 , 这也说明在低粘度吸收操作 时 , 两 者 的关系基本遵循式 ( 1 ) 一 ( 4) 的理论解释。
 
 
3 结论
 
(l) 通过实验获得了金属矩鞍环填料 流体力学和 传质性能参数 , 并考察了这些性能参数随操作条件变化的基本规律 , 可供工业设计及工业生产过程 参考。
 
2( ) 研究结果表明 : 金属矩 鞍环填料具有压降适中、 通量较大、 传质性能稳定等特点。 此外 , 该填料具有较高的抗压强度 , 而且耐碱腐蚀 , 是一种较好的散堆填料 , 比较适用于清洁、 碱腐蚀气一液传质与分离过程。
 
符号说 明 :
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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