圓筒型填料的性能研究

彭 軼,朱菊香,劉炳炎,姚克儉

(綠色化學(xué)合成技術(shù)國家重點實驗室培育基地浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院,浙江杭州310032)

圓筒型填料的性能研究

彭 軼,朱菊香,劉炳炎,姚克儉

(綠色化學(xué)合成技術(shù)國家重點實驗室培育基地浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院,浙江杭州310032)

針對一種開有兩層相互交錯窗孔并帶有齒形結(jié)構(gòu)弧片的新型圓筒型填料,在內(nèi)徑為600mm的有機玻璃塔內(nèi),采用空氣-水物系,研究了它的流體力學(xué)性能;在內(nèi)徑為600mm的不銹鋼塔內(nèi),采用環(huán)己烷-正庚烷物系,在常壓、全回流的情況下,研究了它的傳質(zhì)性能;在內(nèi)徑為300mm的有機玻璃塔內(nèi),研究了分別以圓筒型填料、固定閥塔板和復(fù)合塔板為塔內(nèi)件時脫除工業(yè)廢水中丙烯腈的效果。實驗結(jié)果表明,圓筒型填料的齒狀結(jié)構(gòu)改善了氣液兩相在填料層中的微流動和液體分布;與鮑爾環(huán)填料相比,當F因子為1.0～3.0kg0.5/(m0.5·s)時,圓筒型填料的干床壓降降低了23%～40%;當噴淋密度為20m3/(m2·h)、F因子為1.0kg0.5/(m0.5·s)時,濕床壓降降低了約40%;圓筒型填料的液泛點提高;當F因子為1.0～2.5kg0.5/(m0.5·s)時,等板高度比鮑爾環(huán)填料降低了11%～20%;當采用圓筒型填料作為塔內(nèi)件時,丙烯腈脫除率比固定閥塔板高約8%,比復(fù)合塔板穩(wěn)定。

圓筒型填料;流體力學(xué)性能;壓降;塔內(nèi)件;齒狀結(jié)構(gòu)

填料塔和板式塔是廣泛用于現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程的重要氣液分離設(shè)備。填料塔具有通量大、效率高、壓降小及持液量小等優(yōu)點,而且對于高精密分離、液膜控制的吸收或真空精餾等過程,填料塔具有板式塔不能取代的優(yōu)勢[1,2]。填料塔內(nèi)的填料分為散裝填料和規(guī)整填料。隨著科技的進步和工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要,國內(nèi)外對填料及塔內(nèi)件的開發(fā)研究越來越多,并設(shè)計出多種新型填料[3～12]。在散裝填料方面,相繼經(jīng)歷了拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、英特洛克斯環(huán)等階段[13,14]。其中,鮑爾環(huán)等環(huán)狀填料作為常用的散裝填料,具有制造簡單、安裝方便、成本低、對液體分布要求低等特點,特別適用于常壓和加壓操作。但鮑爾環(huán)填料存在傳質(zhì)效率較低、空隙率較低、填料壓降較大、處理能力偏低等缺點。為克服上述缺陷,浙江工業(yè)大學(xué)開發(fā)了新型的圓筒型填料[15]。

本工作分別采用空氣-水和環(huán)己烷-正庚烷物系,考察了圓筒型填料的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能,并與相同尺寸的鮑爾環(huán)填料進行比較;還分別采用圓筒型填料、固定閥塔板和復(fù)合塔板作為氣提塔的塔內(nèi)件,考察了塔內(nèi)件對含丙烯腈工業(yè)廢水解吸效果的影響。

1 圓筒型填料的結(jié)構(gòu)與特點

圓筒型填料由筒體、窗孔和弧片組成。弧片是一種由筒體直接沖壓并向筒體內(nèi)部彎曲的沖壓片,弧片帶有特制的齒形結(jié)構(gòu)。圓筒型填料的結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 圓筒型填料的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of cylindrical packing.

填料的筒體上開有兩層相互交錯排列的窗孔,窗孔內(nèi)有齒狀結(jié)構(gòu)的弧片。由于弧片上的齒狀結(jié)構(gòu),流過填料表面的液體被分割成數(shù)股細小的液流,改善了液體流過鮑爾環(huán)填料時存在的不良線分布,從而有效改善了氣液兩相在填料層中的微流動和液體分布,提高了填料層的傳質(zhì)效率。另外,由于弧片與筒體連接處有齒谷(見圖2),消除了該連接處由于幾何結(jié)構(gòu)造成的空間死角,提高了該填料的空隙率,從而提高了氣液兩相的通量,降低了填料層的壓降。因此圓筒型填料具有傳質(zhì)效率較高、空隙率較高、填料壓降較小、處理能力較大等的優(yōu)點。

圖2 圓筒型填料Fig.2 Cylindrical packing.

2 實驗部分

2.1 流體力學(xué)性能實驗裝置及方法

流體力學(xué)性能實驗裝置見圖3。塔體材質(zhì)為有機玻璃,直徑600mm,塔內(nèi)填料層高為2 500mm,兩測壓口間的距離為1 130mm。采用空氣-水物系,在F因子為0.3～4.1kg0.5/(m0.5·s)、液體噴淋密度為0～80m3/(m2·h)的條件下測試圓筒型填料的流體力學(xué)性能。

由高壓離心通風(fēng)機產(chǎn)生的氣流經(jīng)流量計計量后由塔底進入塔體;水由水泵輸出,經(jīng)流量計計量后通過塔頂液體分布器分布后流入塔內(nèi)。干、濕床層壓降用U形管壓差計測量。

圖3 流體力學(xué)性能實驗裝置Fig.3 Schematic diagram of hydrodynam ical experimental apparatus. 1 Pump;2 L iquid flow meter;3 D istributor;4 Column; 5 Packing elim inating end2effect;6 Test packing;7 D ifferential pressure meter;8 Thermometer;9 Gas flow meter;10 B lower

2.2 傳質(zhì)性能實驗裝置及方法

傳質(zhì)性能實驗裝置見圖4。塔體材質(zhì)為不銹鋼,內(nèi)徑600mm,圓筒型填料層高2 500mm。采用環(huán)己烷-正庚烷物系,常壓、全回流操作,穩(wěn)定操作30m in后,從塔頂回流液和塔釜液體取樣。

采用島津公司GC-14B型氣相色譜儀對試樣進行分析。分析條件:毛細管色譜柱,柱溫70℃,氣化室溫度140℃,FID檢測,檢測器溫度160℃,載氣壓力100kPa,氫氣壓力49kPa,氧氣壓力52kPa,進樣量0.2μL,采用外標法定量。采用色譜工作站處理數(shù)據(jù)。

圖4 傳質(zhì)性能實驗裝置Fig.4 Schematic diagram of mass transfer experiment. 1 Reboiler;2 Column;3 Condenser;4 Flowmeter; 5 Reflux tank;6 Pump;7 Sampling position

3 結(jié)果與討論

3.1 填料干床壓降

圓筒型填料與鮑爾環(huán)填料的干床壓降(Δpd)與F因子的關(guān)系見圖5。由圖5可見,圓筒型填料的Δpd比鮑爾環(huán)填料低。當F因子為1.0～3.0kg0.5/(m0.5·s)時,圓筒型填料的Δpd比鮑爾環(huán)填料降低了23%～40%。這是由于圓筒型填料開有兩層窗孔,且窗孔的一條邊連有齒形結(jié)構(gòu)的弧片,齒形弧片與筒體連接處的齒谷結(jié)構(gòu)使圓筒型填料與相同尺寸的鮑爾環(huán)填料相比,具有更大的空隙率,提高了氣體通量。因此,氣體穿過相同高度的填料層時,圓筒型填料對氣體的阻力較鮑爾環(huán)填料小、壓降低。

圖5 填料的Δpd與F因子的關(guān)系Fig.5 Relationship between dry2bed pressure drop(Δpd)of packing and F2factor.■ Cylindrical packing;● Pall ring packing

將實驗數(shù)據(jù)通過最小二乘法進行回歸處理,得到圓筒型填料的Δpd與F因子的關(guān)系式:

ΔPd=64.07F1.7564(1)

式(1)的適用范圍:F因子為0.3～4.1kg0.5/ (m0.5·s),相關(guān)系數(shù)為0.992 6。

3.2 填料濕床壓降

圓筒型填料與鮑爾環(huán)填料的濕床壓降(Δpw)與F因子的關(guān)系見圖6。由圖6可見,在相同的F因子下,圓筒型填料的Δpw低于鮑爾環(huán)填料;當液體噴淋密度為20m3/(m2·h)、F因子為1.0kg0.5/ (m0.5·s)時,圓筒型填料的Δpw比鮑爾環(huán)填料降低了約40%。這是由于圓筒型填料上特制的齒形弧片,特別是靠近齒形弧片與筒體連接處齒谷的存在,提高了圓筒型填料的空隙率;當液體流過弧片時,由于弧片的齒形結(jié)構(gòu)對液體流動有很好的分散作用,使液體在填料層內(nèi)的流動分布更均勻,從而增大了填料的氣液通過能力。另外,圓筒型填料的Δpd也比鮑爾環(huán)填料低。上述因素綜合作用導(dǎo)致圓筒型填料的Δpw較鮑爾環(huán)填料低。

圖6 填料的Δpw與F因子的關(guān)系Fig.6 Relationship between wet2bed pressure drop(Δpw)of packing and F2factor. Experimental condition:liquid spray density20m3/(m2·h).■ Cylindrical packing;● Pall ring packing

液體噴淋密度對圓筒型填料Δpw的影響見圖7。由圖7可見,在一定的F因子下,圓筒型填料的Δpw隨液體噴淋密度的增加而增大。這是由于在相同的F因子下,填料層的持液量隨液體噴淋密度的增加而增加。填料層的Δpw主要由兩部分組成:一部分是氣體克服干填料層結(jié)構(gòu)的阻力,即Δpd;另一部分是氣體克服填料層中持液量造成的壓降。因此填料層中持液量的增加必然會導(dǎo)致Δpw的增加。由圖7還可見,不同的液體噴淋密度下,Δpw隨F因子的變化趨勢一致,即Δpw隨F因子的增大而增大。這是因為,在一定的液體噴淋密度下,F因子增大導(dǎo)致Δpd和填料層持液量均增大,使得Δpw增大。

圖7 液體噴淋密度對圓筒型填料Δpw的影響Fig.7 Effect of liquid spray density onΔpwof cylindrical packing. L iquid spray density/(m3·m-2·h-1):□ 0;○ 5;◆ 10;? 20;▲ 40;■ 60● 80

對L eva經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式進行修正,得到該圓筒型填料在正常操作情況下的Δpw關(guān)聯(lián)式:

Δpw=49.55×100.005LF2.385(2)

式中,L為液體噴淋密度,m3/(m2·h)。式(2)的適用范圍:液體噴淋密度為5～80m3/(m2·h)、F因子為1.2～3.0kg0.5/(m0.5·s)。由式(2)計算得到的圓筒型填料的Δpw與實驗值的比較見圖8。由圖8可見,圓筒型填料的Δpw計算值與實驗值的偏差基本上在±10%以內(nèi),表明式(2)有較好的相關(guān)性。

圖8 圓筒型填料Δpw的實驗值與計算值的比較Fig.8 Comparison between calculated and experimentalΔpws for cylindrical packing.

3.3 液泛點

圓筒型填料和鮑爾環(huán)填料液泛時液體噴淋密度與F因子的關(guān)系見表1。由表1可見,與鮑爾環(huán)填料相比,在不同液體噴淋密度下圓筒型填料液泛點的F因子均有所提高。實驗結(jié)果表明,由于圓筒型填料的新型結(jié)構(gòu)有效改善了填料層內(nèi)的氣液流動,提高了液泛點的F因子,使填料塔的處理能力增大,從而擴大了填料塔的操作范圍。

表1 液體噴淋密度與液泛點的F因子的關(guān)系Table1 Relationship between liquid spray density and F2factor at flooding point

對貝恩-霍根公式進行修正,得到圓筒型填料液泛點氣速與填料特性、氣體和液體流量之間的關(guān)系式:

式中,uGf為泛點氣速,m/s;a為填料的比表面積, m2/m3;ε為填料的空隙率;Lh為液體質(zhì)量流量, kg/h;Gh為氣體質(zhì)量流量,kg/h;ρL為液體密度, kg/m3;ρG為氣體密度,kg/m3;μL為液體黏度, m Pa·s;g為重力加速度,m/s2。式(3)的適用范圍:液體噴淋密度為5～80m3/(m2·h)、F因子為1.2～3.0kg0.5/(m0.5·s),相關(guān)系數(shù)為0.994 6。

3.4 填料傳質(zhì)效率

圓筒型填料與鮑爾環(huán)填料的等板高度(HETP)見圖9。

圖9 填料的HETP與F因子的關(guān)系Fig.9Relationship between height equivalent to a theoretical plate(HETP)of packing and F2factor.● Pall ring packing;■ Cylindrical packing

由圖9可見,與鮑爾環(huán)填料相比,圓筒型填料的HETP較低,傳質(zhì)效率較高;當F因子為1.0～2.5kg0.5/(m0.5·s)時,圓筒型填料的HETP較鮑爾環(huán)填料下降約11%～20%。這是由于圓筒型填料開有更多的窗孔,特別是窗孔內(nèi)弧片的齒形結(jié)構(gòu)將液體分割成數(shù)股細小的液流,使液體在填料內(nèi)的噴淋潤濕點增多,液體在填料層的流動更接近點分布,減少了線分布,從而改善了氣液兩相在填料層中的分布和微流動,增加了液體濕潤表面,使氣液接觸面積增大,從而提高了傳質(zhì)效率。

3.5 工業(yè)試驗

生產(chǎn)丙烯腈的過程中產(chǎn)生的廢水含少量丙烯腈[16],為節(jié)約用水及回收丙烯腈,需要對廢水進行處理。以含丙烯腈的工業(yè)廢水為物系,對圓筒型填料進行了工業(yè)試驗。工業(yè)試驗的塔體材質(zhì)為有機玻璃,內(nèi)徑為300mm,分別裝填3 000mm圓筒型填料、5層固定閥塔板[17]和5層復(fù)合塔板[18]3種不同塔內(nèi)件。對丙烯腈質(zhì)量分數(shù)約為7×10-5、溫度約為55℃的工業(yè)廢水進行氣提解吸工業(yè)試驗,考察3種塔內(nèi)件對廢水中丙烯腈脫除率的影響,試驗結(jié)果見圖10。

圖10 塔內(nèi)件對廢水中丙烯腈的脫除率的影響Fig.10 Effect of column internals on removal rate(η)of acrylonitrile in wastewater. Test conditions:mole ratio of gas to liquid0.13.■ Cylindrical packing;● Compound tray;▲ Fixed valve tray

由圖10可見,在氣體與液體的摩爾比(氣液比)為0.13的操作條件下,圓筒型填料的丙烯腈脫除率基本保持在95%左右且比較穩(wěn)定,比固定閥塔板的脫除率高約8%,比復(fù)合塔板的脫除率高且穩(wěn)定,只是當F因子大于1.5kg0.5/(m0.5·s)時,脫除率略低于復(fù)合塔板。在裝有圓筒型填料的試驗塔中,工業(yè)廢水經(jīng)過氣提后,塔出口廢水中丙烯腈的質(zhì)量分數(shù)降至5×10-6以下,達到脫除要求。

4 結(jié)論

(1)圓筒型填料的筒體開有兩層相互交錯的窗孔,并且?guī)в刑刂频凝X形結(jié)構(gòu)弧片。由于結(jié)構(gòu)上的特點,使圓筒型填料能有效改善氣液兩相在填料層中的微流動和液體分布。

(2)當F因子為1.0～3.0kg0.5/(m0.5·s)時,與鮑爾環(huán)填料相比,圓筒型填料的Δpd降低了23%～40%;而當液體噴淋密度為20m3/(m2·h)、F因子為1.0kg0.5/(m0.5·s)時,圓筒型填料的Δpw較鮑爾環(huán)填料降低了約40%;圓筒型填料的液泛點有較大提高。得到了圓筒型填料的壓降和泛點氣速的表達式。

(3)當F因子為1.0～2.5kg0.5/(m0.5·s)時,圓筒型填料的HETP比鮑爾環(huán)填料降低了11%～20%,具有較高的傳質(zhì)效率和較寬的高效操作區(qū)域。

(4)在脫除丙烯腈的工業(yè)試驗中,在氣液比為0.13的條件下,使用圓筒型填料的丙烯腈脫除率保持在95%左右,比固定閥塔板高約8%,比復(fù)合塔板穩(wěn)定;圓筒型填料具有較好的物料適應(yīng)性和較寬的操作范圍,可作為脫除丙烯腈的塔內(nèi)件。

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(編輯 李治泉)

Study on Performances of Cylindrical Packing

(State Key Laboratory B reeding Base of Green Chem istry2Synthesis Technology,College of Chem ical Engineering and M aterial Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou Zhejiang310032,China)

Peng Yi,Zhu Juxiang,Liu B ingyan,Yao Kejian

A kind of cylindrical packing w ith t wo2layer staggered w indows and arc pieces w ith serrated structure was presented.Hydrodynam ics perfor mance of the cylindrical packing was studied in a600mm diameter column w ith air2water system.Its mass transfer perfor mance was investigated in a600mm diameter stainless steel column w ith cyclohexane2n2heptane system under the conditions of at mospheric pressure and total reflux.Removal of acrylonitrile in wastewater was carried out in a300mm diameter column w ith cylindrical packing,fixed valve tray and compound tray,separately.The serrated structure of cylindrical packing could i mprove both m icro flow and liquid distribution of gas2liquid in the packing bed. Compared w ith pall ring packing,dry2bed pressure drop for cylindrical packing decreased by23%-40% when F2factorwas in the range of1.0-3.0kg0.5/(m0.5·s),and wet2bed pressure drop decreased by about40%when liquid spray density was20m3/(m2·h)and F2factorwas1.0kg0.5/(m0.5·s).F2factor of the cylindrical packing at flooding pointwas higher than that of pall ring packing under the experi mental conditions.Height equivalent to a theoretical plate(HETP)of the cylindrical packing was11%-20%lower than that of pall ring packing when F2factor was in the range of1.0-2.5kg0.5/(m0.5·s).W hen the cylindrical packing was used as column internals,removal rate of acrylonitrile was about8%more than that using fixed valve trays,and the operation was more stable than that when compound trays were using.

packed colum n;cylindrical packing;hydrodynam ics;pressure drop;colum n internals; serrated structure

book=2,ebook=32

1000-8144(2010)02-0192-06

TQ053.5

A

2009-09-11;[修改稿日期]2009-11-23。

彭軼(1984—),男,安徽省蕪湖市人,碩士生。聯(lián)系人:姚克儉,電話0571-88033585,電郵yaokj@zjut.edu.cn。

浙江省科技計劃項目(2008C21169)。