李仙舟，褚雅志，王　領，劉　燕，馬曉迅

(1.西北大學化工學院，陜西 西安 710069；2.西安思瑞迪精餾工程有限公司，陜西 西安 710077)

規(guī)整填料從20世紀70年代由實驗室走向工業(yè)應用以來，“放大效應”一直是人們解決的難題。實驗室小塔中每米填料層高度的理論板數(shù)(NTSM)很高，而在工業(yè)應用中塔的NTSM隨著塔徑增加而大幅度降低[1-4]。這是由于規(guī)整填料在工業(yè)大塔內存在的壁流效應和氣液分布不均勻引起的。于是產生了在工業(yè)大塔內設置若干單元小塔以降低“放大效應”的思想[5-7]。以此為啟發(fā)，西北大學和西安思瑞迪精餾工程有限公司聯(lián)合開發(fā)出了立裝規(guī)整填料技術[3]。本研究對立裝規(guī)整填料的壓降、壁流量和液相總傳質單元高度做了初步研究。

1　立裝規(guī)整填料的設計原理

立裝填料就是在工業(yè)大塔內設置若干豎條塊形成單元小塔，小塔并聯(lián)成填料段，段與段之間旋轉錯位，使流體重新分配，且不能徑向大范圍流動，以消除放大效應[5]。如圖1所示。

圖1　立裝規(guī)整填料結構示意圖Fig.1　Structural sketch of vertical filling structured packing

2　試驗部分

本試驗采用西安思瑞迪精餾工程有限公司同規(guī)格的比表面積為250的板波紋填料，把其設計成立裝和平裝2種形式。立裝填料是把整塊直徑為800 mm的平裝填料分成29塊，每1小塊柱體就是1個填料單元，也是氣液傳質單元。塔內中部填料單元截面形狀大小相同，靠近塔壁邊緣的填料單元與塔內壁圓弧面吻合；填料單元四周由波紋板包裹著，并且任意2個相接觸的波紋板方向相反；填料層與層之間旋轉錯位，即上一層填料的分割交叉點在下一層填料單元的中心，這樣可使液體重新分配，阻止液體徑向流動至塔壁形成壁流。每塊立裝填料的高度為20 cm，是平裝填料高度的2倍。然后分別在不同的噴淋密度(20、30、40和50 m3/(m2·h)下改變氣體的動能因子來測量壓降、壁流量和液相總傳質單元高度，進而進行對比分析[8-10]。

2.1　試驗裝置

如圖2所示，本試驗在Φ800 mm的塔中進行，填料層有效高度1 600 mm。塔內件主要由填料支撐板、氣體分配器(同時可以測量壁流量)、填料壓板和液體分布器構成。

圖2　試驗裝置圖Fig.2　Test device of experiment

2.2　試驗方法

填料的流體力學性能以空氣-水為工質進行試驗。

空氣由鼓風機經渦街流量計計量后進入塔釜，水由離心泵經轉子流量計計量后進入塔頂。氣液兩相在填料層中進行逆向接觸。填料層壓降由U型管壓差計測得。壁流量的測定如圖3所示。

圖3　壁流量測試示意圖Fig.3　Schematic diagram of the wall flow test

圖3中，塔底的氣體分布器兼液體收集的功能，3個面積相等的環(huán)形部分，每個環(huán)形部分都有各自的液體出口，分別是1、2和3，這樣可測得從塔頂下流的液體在3個環(huán)形部分液體分布情況，其中1即為壁流量測試口。

填料的液相總傳質單元高度采用空氣-水-CO2物系，先將CO2溶解于水中，然后用空氣來解吸水中的CO2，并通過化學容量法測定塔頂和塔釜液相中CO2含量，通過氣相色譜儀測定氣相中CO2含量[1]。通過塔頂和塔釜氣、液兩相中CO2的濃度可由式(1)和(2)計算填料的液相總傳質單元高度。

HOL=Z/NOL

(1)

(2)

3　結果與討論

3.1　填料壓降

圖4是規(guī)整填料每米填料壓降分別隨噴淋密度和氣體動能因子變化的關系曲線。

圖4　填料壓降變化曲線Fig.4　Pressure drop change curves of packing

由圖4可見，在相同條件下，填料立裝和平裝的壓降規(guī)律基本一致，沒有太大變化，這是因為所采用的填料規(guī)格是一樣的，只是裝填方式不同，對壓降影響不大。

3.2　壁流量

圖5是2種裝填方式在不同氣、液相負荷下的壁流量變化曲線。

圖5　壁流量變化曲線Fig. 5　Change curves of wall flow

由圖5可見，在一定噴淋密度下，壁流量都隨氣相動能因子的增大而減??；相同的氣相動能因子，壁流量隨著噴淋密度的增大而增大。這是因為當氣液兩相在塔內進行逆向接觸時，液體易從空隙率較小的填料層向下流動，氣體容易順著空隙率較大的塔壁向上流動。填料層中心區(qū)域的液體有向塔壁流動的趨勢[11-12]，但是由于塔壁處的氣體流速較大阻止了中心區(qū)域液體向塔壁流動，因此隨著氣相動能因子的增大，壁流量呈下降趨勢。當氣相動能因子一定時，隨著液體噴淋密度的增加，流向塔壁的液體量增加，壁流量也隨之增加。

在相同條件下，立裝填料的壁流量比平裝填料平均減少了約10.7%。說明在工業(yè)大塔內設置若干單元小塔并聯(lián)成填料段，可以降低壁流效應。

3.3　液相總傳質單元高度

圖6是2種填料在不同氣液相負荷下的液相總傳質單元高度變化曲線。

圖6　液相總傳質單元高度的變化曲線Fig.6　Change curves of liquid phase of the total height of mass transfer unit

由圖6可見，當噴淋密度相同時，液相總傳質單元高度都隨氣相動能因子的增大而降低。這是因為在氣速較低時，氣液兩相傳質主要靠分子擴散完成，有效接觸面積較小，液相傳質單元高度較高，傳質效率較低。氣速較大時，液膜的湍動程度加劇，有效接觸面積較大，促進了傳質，液相傳質單元高度較低，傳質效果較好；當氣相動能因子相同時，液相總傳質單元高度隨著噴淋密度的增加逐步增大，傳質效果變差。表明填料層中的持液量增大，并沒有使得氣液兩相的接觸面積相應的增加。

在相同試驗條件下，立裝填料的HOL比平裝的平均降低約17.4%。說明立裝填料的傳質性能優(yōu)于平裝填料。這是由于立裝填料與平裝相比，能有效地阻止液體在填料層內大范圍的徑向流動，這使得壁流量有所減少，同時促進了液體在填料表面的均勻分布，增加了氣液兩相有效的傳質接觸面積，從而使立裝填料的傳質效率有所提高。

4　結語

1)在同樣條件下，同樣規(guī)格的填料立裝和平裝，其壓降變化不大。

2)在相同的液相負荷下，隨著氣相動能因子的增大，立裝規(guī)整填料的壁流量、液相總傳質單元高度減小。

3)在相同的氣相負荷下，隨著噴淋密度的增加，立裝規(guī)整填料的壓降、壁流量、液相總傳質單元高度逐漸增加。

4)在相同的氣液相負荷下，立裝填料比平裝填料的壁流量和液相總傳質單元高度分別降低了10.7%和17.4%。

試驗結果表明，規(guī)整填料立裝比平裝的流體力學性能和傳質性能有所提高。

參考文獻：

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