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金属丝网规整填料的传质性能
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金属丝网规整填料的传质性能

2019-09-19      阅读:
为了研究金属丝网规整填料性能,在不同回流比条件下,考察了CDG1700Y和CDG2500Y型金属丝网规整填料在两种不同二元测试物系的传质性能.实验结果表明,这两种填料的压降随着液体流量的增大而增大,单位填料层高度的HETP变化趋势则相反;测试物系对传质效率有一定的影响;CDG1700Y和CDG2500Y型填料具有较高的理论板数,且CDG1700Y型填料具有较大的操作弹性.在SRP(1I)模型的基础上,获得了实验室条件下测试填料的气液传质系数的经验关联式,其预测值与实验结果吻合较好,可以为-Y-Z化设计提供指导.

规整填料具有高效、低阻力、高通量和便于放大的特点,已在化工、石油化工等许多行业中广泛应用].目前规整填料种类多,形状不同,性能各异.Mellapak填料是瑞士Sulzer公司20世纪70年代的专利产品,它的问世是规整填料史上一座重要的里程碑.如今,Mellapak的换代产品已经出现,如瑞士KUHNI公司的Rombopak填料、德国RASCHIG公司的Ras—chig—Superpak填料、瑞士Sulzer公司的Optiflow填料、中国上海化工研究院的(SM、SW、SC、SB)系列新型规整填料、中国天津大学的Zupak填料、中国南京大学的SINOPAK填料等J.新型规整填料的大量涌现推动了传质与分离技术的发展,为许多精密分离过程如同位素分离等提供了更多的选择.
金属丝网波纹填料应用广泛,通常认为提高其比表面积可以提高它的传质性能,因此适用于许多精密精馏过程.CDG1700Y和CDG2500Y规整填料是两种新型的高密度丝网波纹填料,该类型填料被认为具有较高的分离效率,尤其适用于需要理论板数特高的场合,使用该填料不仪能获得高纯度的精馏产品,而且能大幅度降低塔的高度.目前对高比表面积的金属丝网填料研究较少,相关文献报道稀有.为此,实验将对这两种新型填料的性能进行研究,同时为课题组开发的化学交换法分离硼同位素的工业化提供可靠的设计数据.

1.1实验装置
实验中采用CDG1700Y和CDG2500Y两种新型的高密度丝网波纹填料,其具体参数如表1所示;塔身采用玻璃精馏柱,内径为50mm,填料层高度为900mm,实验装置如图1所示.


将二元测试物系加入蒸馏瓶内,启动加热设备,将釜内料液加热至沸腾;然后预液泛一次,使填料完全润湿;回流1h以上,分析塔顶馏分含量,若在一定时间内保持不变,即操作状态稳定,记录塔压降、塔顶和塔釜的温度和回流液流量,并取样分析;改变塔釜加热电压,开始第2个点的实验,重复上述操作.对塔顶和塔釜的样品采用SP-2100型气相色谱进行分析,色谱柱采用OV.225石英毛细管柱4g).25mm×30m.
1.3数据处理与计算
全回流下等板高度HETP的计算:在全回流条件
下,二元混合物系下填料的理论板数用Fenske(芬克斯)公式计算Ⅲ4],即
式中:为测试物系中轻组分的摩尔分率;为平均相对挥发度,一般取塔顶和塔釜相对挥发度的几何平均值,top和btm分别表示为塔顶和塔底.
一定回流比下等板高度的计算为,HEPT=Z/NT(3)式中:z为填料高度;ⅣT为填料塔的理论板数.

2实验结果与讨论
2.1传质性能研究
图2、图3为不同测试物系下填料的HETP与气相动能因子F的变化曲线.从图2、图3可以看出,这两种填料的HETP变化规律与其他金属丝网填料的性能曲线是一致的,HETP均随气相动能因子F的增加而加大,相应的理论板数下降.当金属丝网波纹填料CDG2500Y的气体动能因子F值在0.75左右,金属丝网波纹填料CDG1700Y的气体动能因子F值在1左右时填料的等板高度值变化开始加剧,传质效率明显下降,对比这两种填料可以看出金属丝网波纹填料CDG1700Y的操作弹性要大于金属丝网波纹填料CDG2500Y的操作弹性.
2.1.1液体流量的影响 
对比不同液体流量下的单位填料层高度的等板高
度HETP,如图2、图3所示,可以看出随着液体流量的增大HETP值随之减小.图2、图3中曲线开始变平缓,当填料的F值在1左右及F值在0.75左右时,HETP急剧上升.这是由于在逆流操作的填料内,液体从塔顶喷淋下来,依靠重力在填料表面作膜状流动,液膜的厚度直接影响到气体通过填料层的压降、持液量和传质效率等.当蒸发速率一定时,回流比增加,塔内液相负荷增加,液相流率增加,下降液膜加厚,传质效率下降,当液膜厚度增加到一定程度时,液相浓度响应缓慢,导致传质效率急剧下降.当液相负荷不变时,蒸发速度加大,即气速加大,上升气流与下降液体问的摩擦力开始阻碍液体下流,回流比减少,在此情况下,气相传质阻力相应减少,效率增加.

2.1.2比表面积的影响
图4给出了比表面积对传质性能的影响情况,在同样条件下,填料CDG1700Y要比填料CDG2500Y需要更多的理论板数,这就说明对于结构相同、不同比表面积的两种填料,比表面积大的填料可以有更高的传质效率.
2.1.3测试物系的影响
图5给出了同一型号填料在不同测试物系的HEPT的对比情况.填料CDG2500Y在相同的气体动能因子F条件下,用环己烷和正庚烷二元测试物系测试的等板高度HETP比正庚烷和甲苯要小一些.说明用不同的测试物系测出的填料塔具有不同的传质效率,即填料的等板高度不同.这是由于不同的测试物系具有不同的表面张力,表面张力的大小会造成不同填料的润湿效果,物系的表面张力越小,对填料的润湿效果越好,传质效率提高,等板高度降低,所需填料板数也随之减少,反之也成立.环己烷和正庚烷物系的表面张力为14×10小于正庚烷和甲苯的表面张力17.I×10~,所以用环己烷和正庚烷物系测试的填料等板高度HETP值要小于用正庚烷和甲苯物系测试的结果.
2.2实验经验关联式
实验模型在SRP(11)模型一的基础上,考虑了液膜传质阻力的影响,假设填料完全润湿,塔板的上气液两相均是恒摩尔流动,且气液两相接触后迅速达到平衡状态,采用传质单元高度HTU来计算HETP的值,即

式中:m为平衡线的斜率;为气体摩尔流率;V为液体摩尔流翠.
3结论
(1)对于这两种规整填料的传质性能,不同液体流量下的等板高度HEq’P随着液体流量的增大而减小。比较CDG1700Y和CDG2500Y型填料,当气体动能因子F分别为1和0.75左右时,等板高度HETP值突然变化,塔内出现液泛现象;比表面积较大的填料具有较高的传质效率;测试物系对传质效率有一定的影响;实验证明CDG1700Y和CDG2500Y具有较高的理论板数,且CDG1700Y型金属丝网波纹填料具有较大的操作弹性.
(2)在SRP(Ⅱ)模型的基础上,建立了实验室条件下新型填料的传质性能模型,获得了气相和液相传质系数的实验关联式.用该模型预测填料CDG1700Y和CDG2500Y的传质性能,其计算值与实验值吻合较好,可为今后的填料塔设计提供指导.
(3)通过实验证明,CDG1700Y和CDG2500Y型新型金属丝网波纹填料具有较高的理论板数,其流体力学性能和传质性能较好,可以应用到化学交换法分离硼同位素的工业化设计中.

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