填料塔氣液并流接觸時(shí)壓降的研究

何　杰，單鵬飛，譚長(zhǎng)斌，張莉莉

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津　300072)

填料塔是化工生產(chǎn)過程中最常見的吸收設(shè)備之一，常用于制備溶液、提取混合氣中的有用組分和脫除廢氣中的有害物質(zhì)等。填料塔具有通量大，分離效率高，操作彈性大和氣液接觸面積大等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)填料塔吸收操作進(jìn)行了大量的研究[3-7]，旨在強(qiáng)化傳質(zhì)操作，提高吸收效率。在基礎(chǔ)理論方面[8-11]，愈來愈向精確的定量關(guān)系發(fā)展，如對(duì)各種類型塔內(nèi)件持液量和壓降等流體力學(xué)性能的研究[12-13]，提供了大量的可供參考計(jì)算的理論關(guān)聯(lián)式；在裝備方面，則致力于謀求能力大和壓降小的新型傳質(zhì)設(shè)備，如增加填料的比表面積和空隙率等方面進(jìn)行了廣泛的研究以及各種新型填料的特性、應(yīng)用以及優(yōu)化設(shè)計(jì)[1,4,7]。但對(duì)于填料吸收塔方面，研究者們的一系列研究的考察重點(diǎn)都是建立在氣液兩相逆流接觸的條件下，而氣液兩相并流接觸操作的相關(guān)文獻(xiàn)卻寥寥無幾，因此本研究將重點(diǎn)對(duì)氣液并流操作加以研究。

1　試驗(yàn)材料和方法

1.1　試驗(yàn)材料

采用的氣體為SO2和空氣，其中空氣作為載氣，SO2作為溶質(zhì)；水作為吸收劑。分別采用Mellapack-250X型金屬孔板波紋規(guī)整填料以及Dg16塑料階梯環(huán)散堆填料進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)前用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%乙醇擦洗填料，除去表面油污等，再用較大噴淋密度使其充分潤(rùn)濕盡量減小液體流量的隨機(jī)誤差。

本試驗(yàn)綜合考慮吸收塔塔徑、塔高等試驗(yàn)條件，所用Mellapack-250X型金屬孔板波紋填料的性能參數(shù)如表1所示，Dg16塑料階梯環(huán)散堆填料幾何特性參數(shù)如表2所示。

表1　金屬孔板波紋填料性能參數(shù)Table 1　Characteristics of Mellapack-250X metal corrugated pore-plate packing

表2　塑料階梯環(huán)填料幾何特性參數(shù)Table 2　Characteristics of plastic ladder ring packing

圖1　吸收試驗(yàn)裝置流程圖Fig.1　Schematic diagram of experimental apparatus

1.2　試驗(yàn)裝置及方法

吸收試驗(yàn)流程如圖1所示。來自鋼瓶的SO2氣體經(jīng)不銹鋼減壓閥4、耐腐蝕型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)5計(jì)量后與來自漩渦氣泵1且經(jīng)氣體渦輪流量計(jì)2計(jì)量后的空氣在緩沖罐6內(nèi)混合均勻，分別從塔頂(虛線所示)或塔底(實(shí)線所示)進(jìn)入填料塔內(nèi)，流經(jīng)填料層，再分別從塔底(虛線所示)或塔頂(實(shí)線所示)流進(jìn)入氣液分離罐中，經(jīng)絲網(wǎng)除沫器除去氣體中夾帶的小液滴，最后一部分氣體經(jīng)SO2出口濃度檢測(cè)口進(jìn)入煙氣分析儀，大部分氣體由氣體出口管排出進(jìn)入堿液槽，將有害氣體SO2完全吸收。

吸收用水由水泵19從儲(chǔ)水槽22中抽出，經(jīng)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)21計(jì)量后，由液體進(jìn)口管引入到填料吸收塔內(nèi)，經(jīng)液體分布器——塑料噴頭16噴灑在填料層表面上，吸收用水從上到下流經(jīng)填料層表面，進(jìn)入填料塔底座，最后由排液管排出進(jìn)入廢液槽中和處理?？紤]到本試驗(yàn)中填料層高度約為100 cm，氣相動(dòng)能因子F控制在8 kg0.5/(m0.5·s)以內(nèi)，因此選用U型管壓差計(jì)，測(cè)量范圍為-500～500 mm H2O柱，通過乳膠管接到填料吸收塔的上下兩端，并保持垂直放置，防止測(cè)量時(shí)液面傾斜所帶來的讀數(shù)誤差。

2　結(jié)果與討論

壓降是設(shè)計(jì)并流填料吸收塔的重要參數(shù)，氣體通過填料層壓降的大小決定了吸收塔的動(dòng)力消耗，填料層的選擇對(duì)壓降具有重要影響，現(xiàn)通過2種典型填料通過對(duì)比逆流操作與并流操作來說明不同液氣比下氣相動(dòng)能因子F對(duì)單位填料層壓降的影響。

2.1　規(guī)整填料逆流、并流F因子對(duì)填料層壓降影響的對(duì)比

圖2是逆流和并流2種操作條件下規(guī)整填料氣相動(dòng)能因子F對(duì)塔內(nèi)填料層壓降ΔP/Z的影響關(guān)系圖，液氣比L/V分別為2、3和4時(shí)，采用Mellapack-250X規(guī)整填料進(jìn)行試驗(yàn)。氣液逆流操作時(shí)氣相動(dòng)能因子F在1.5～3.0 kg0.5/(m0.5·s)范圍測(cè)量，氣液并流操作時(shí)氣相動(dòng)能因子F在1.5～8.0 kg0.5/(m0.5·s)范圍測(cè)量。

圖2　在液氣比為2，3和4時(shí)逆流與并流操作氣相動(dòng)能因子F對(duì)規(guī)整填料層壓降影響的對(duì)比Fig.2　Comparison of pressure drop of structured packing column vs.gas phase loading factor F in counter-current and co-current condition at L/V=2, 3 ,4

如圖2所示，氣液并流操作下當(dāng)氣相動(dòng)能因子F值較小時(shí)，隨著氣相動(dòng)能因子F的增大單位填料層的壓降ΔP/Z增加較緩慢；當(dāng)氣相動(dòng)能因子F值較高時(shí)，單位填料層的壓降ΔP/Z變化明顯呈指數(shù)增長(zhǎng)，在氣相動(dòng)能因子F值達(dá)到8.0 kg0.5/(m0.5·s)時(shí)壓降接近3 500 Pa。究其原因，在氣液并流操作的填料塔內(nèi)，液體從塔頂噴淋下來，依靠自身的重力在填料表面做膜狀流動(dòng)，氣體與之產(chǎn)生的摩擦力、氣體通過填料層產(chǎn)生的阻力以及同向向下流動(dòng)的氣液兩相在速度上的差異而產(chǎn)生的相對(duì)摩擦構(gòu)成了氣體流動(dòng)的阻力，引起填料層的壓強(qiáng)降。當(dāng)氣速較低時(shí)，液速也相對(duì)較低，使得填料表面覆蓋的液膜層厚度幾乎不變，故阻力增加較為平緩。隨著氣相動(dòng)能因子F的增大，在液體比一定時(shí)，氣液兩相流速均增大，但氣速較液速增加的更多，因此同時(shí)下降的氣體和液體之間產(chǎn)生的相對(duì)摩擦阻力增大，并且隨著塔內(nèi)持液量增大，空隙率變小，氣速增大，進(jìn)而導(dǎo)致壓降驟升。在不同液氣比L/V下單位填料層的壓降的變化很規(guī)律，并流操作點(diǎn)相距很近。隨著液氣比的增加，全塔壓降并無明顯升降變化，基本穩(wěn)定，主要是對(duì)規(guī)整填料，流體在填料內(nèi)部流動(dòng)規(guī)則，液體呈很薄的膜狀附著在填料表面，不會(huì)對(duì)氣體通過產(chǎn)生較大的阻力。因此對(duì)于以金屬孔板波紋為代表的規(guī)整填料來說，同一氣速下，在液氣比較小的值段，不同的液氣比對(duì)填料層壓降的影響不大。

在圖2中，隨著氣相動(dòng)能因子F的增大，2種操作條件下的單位填料層壓降同時(shí)增大，逆流操作時(shí)壓降在0～2 000 Pa范圍內(nèi)，并流操作時(shí)壓降在0～3 500 Pa范圍內(nèi)。氣相動(dòng)能因子F相同時(shí)逆流操作的單位填料層壓降均大于并流操作的單位填料層壓降，并且增長(zhǎng)率明顯較大。還可觀察出，盡管并流操作時(shí)，液氣比的大小對(duì)單位填料層的壓降影響不大，但對(duì)于逆流操作隨著液氣比的增大單位填料層壓降逐漸增大。在不發(fā)生液泛的情況下，隨著氣相動(dòng)能因子F的增大，2種操作最大壓降差為100 Pa(在氣相動(dòng)能因子F為2.5 kg0.5/(m0.5·s)這一點(diǎn)處)。氣相動(dòng)能因子F大于2.5 kg0.5/(m0.5·s)時(shí)開始發(fā)生液泛現(xiàn)象，使得塔內(nèi)操作極不穩(wěn)定壓降變化很大。為使試驗(yàn)具有說服性，測(cè)定了氣相動(dòng)能因子F在2.8 kg0.5/(m0.5·s)和3.0 kg0.5/(m0.5·s)2種情況下單位填料層壓降，由于此時(shí)塔內(nèi)已經(jīng)發(fā)生液泛現(xiàn)象，在測(cè)得壓降數(shù)據(jù)時(shí)，取波動(dòng)的最大值。主要原因是逆流操作時(shí)，氣液逆向流動(dòng)，氣體受到填料層阻力，液體附著在填料層上形成液膜所產(chǎn)生的阻力以及氣液兩相相對(duì)流動(dòng)所產(chǎn)生的阻力。并流操作時(shí)，氣液同向流動(dòng)，同樣受到填料層阻力以及液體附著在填料層上形成液膜所產(chǎn)生的阻力，但是并流時(shí)氣液同向流動(dòng)，二者流動(dòng)時(shí)存在速度差發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，但較之氣液逆向流動(dòng)阻力較小。隨著氣相動(dòng)能因子F的增大，逆流與并流單位填料層壓降之差也逐漸增大，這是由于液氣比一定時(shí)，氣速增大液速也增大，故逆流產(chǎn)生的壓降更大。但是由于金屬孔板波紋氣液接觸較好，壓降較小，在液泛氣速以下，2種操作方式單位填料層壓降差距并不大。

2.2　散堆填料逆流、并流F因子對(duì)填料層壓降影響的對(duì)比

圖3是逆流和并流2種操作條件下散堆填料氣相動(dòng)能因子F對(duì)塔內(nèi)填料層壓降ΔP/Z的影響關(guān)系圖，液氣比L/V分別為2、3、4，采用Dg16塑料階梯環(huán)散堆填料進(jìn)行試驗(yàn)。氣液逆流操作時(shí)氣相動(dòng)能因子F在1.5～3.0 kg0.5/(m0.5·s)范圍測(cè)量，氣液并流操作時(shí)氣相動(dòng)能因子F在1.5～8.0 kg0.5/(m0.5·s)范圍測(cè)量。

圖3　在液氣比為2，3和4時(shí)逆流與并流操作氣相動(dòng)能因子F對(duì)散堆填料層壓降影響的對(duì)比Fig.3　Comparison of pressure drop of random packing column vs.gas phase loading factor F in counter-current and co-current condition at L/V=2, 3 ,4

從圖3可以看出，氣液并流操作下當(dāng)氣相動(dòng)能因子F值小于5.0 kg0.5/(m0.5·s)時(shí)，單位填料層壓降呈拋物線趨勢(shì)增加，原因在于散堆填料在低液氣比L/V下，氣速較小時(shí)，液體在塔內(nèi)呈滴流流動(dòng)，并在填料表面形成相對(duì)穩(wěn)定的液膜，因而阻力降增加平緩且呈拋物線形式；在氣相動(dòng)能因子F值大于5.0 kg0.5/(m0.5·s)時(shí)，壓降略呈線性增加，這是因?yàn)殡S著氣相動(dòng)能因子F值增大氣速增大，在較低液氣比L/V下，液體流動(dòng)不再呈現(xiàn)滴流狀態(tài)，而是呈現(xiàn)脈沖流或噴射流的狀態(tài)使得填料表面液膜更新速度加快，氣液相對(duì)流動(dòng)阻力增大，壓降增加。

與圖2相比，圖3的3條曲線間距較大，即隨著液氣比L/V的增加，單位填料層壓降相對(duì)增大，這點(diǎn)不同于規(guī)整填料，主要原因在于液體在散堆填料內(nèi)流動(dòng)的無規(guī)則性，且隨著液氣比增大填料層的持液量增加，空隙率有所減少形成的液膜厚度發(fā)生變化，導(dǎo)致氣體流經(jīng)填料層時(shí)增加的液量會(huì)一定程度上阻礙氣體向下流動(dòng)，氣液兩相流動(dòng)阻力增大。因此對(duì)于以塑料階梯環(huán)為代表的散堆填料來說，在一定氣速下，不同液氣比對(duì)填料層壓降有一定的影響。如圖2和圖3所示，散堆填料單位填料層壓降明顯高于規(guī)整填料的情況，當(dāng)氣相動(dòng)能因子F在3.0～4.0 kg0.5/(m0.5·s)時(shí)，單位填料層壓降就已經(jīng)達(dá)到3 500 Pa左右，這與規(guī)整填料下氣相動(dòng)能因子F為8.0 kg0.5/(m0.5·s)時(shí)的壓降相當(dāng)；當(dāng)氣相動(dòng)能因子F為8.0 kg0.5/(m0.5·s)時(shí)，單位填料層壓降已達(dá)到10 000 Pa，壓降幾乎是規(guī)整填料條件下的3倍，這也是規(guī)整填料相對(duì)于散堆填料的優(yōu)勢(shì)。因此，就經(jīng)濟(jì)角度來考慮，全塔壓降增大，動(dòng)力消耗必然增加，但填料的經(jīng)濟(jì)性也是考慮的必要因素，因而在選取何種填料用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因素。

由圖3可知，隨著氣相動(dòng)能因子F的增大，2種操作條件下單位填料層壓降均增大，變化趨勢(shì)與規(guī)整填料相似，但壓降變化較大。逆流操作時(shí)壓降在0～8 000 Pa范圍內(nèi)，并流操作時(shí)壓降在0～10 000 Pa范圍內(nèi)。同樣，在相同氣相動(dòng)能因子F下，逆流操作的單位填料層壓降均大于并流操作，并且單位填料層壓降增長(zhǎng)率較大。對(duì)比圖2與圖3，可以觀察出與規(guī)整填料相比散堆填料的壓降增加量更大，并流壓降曲線和逆流壓降曲線分開較為明顯。在不發(fā)生液泛的情況下，散堆填料隨著氣相動(dòng)能因子F的增大，逆流壓降與并流壓降之間的壓降差也逐漸增大，最大壓降差可達(dá)到1 000 Pa[如在氣相動(dòng)能因子F為2.5 kg0.5/(m0.5·s)這一點(diǎn)處]比規(guī)整填料大很多。氣相動(dòng)能因子F大于2.5 kg0.5/(m0.5·s)時(shí)，開始發(fā)生液泛現(xiàn)象。這是由于散堆填料以不規(guī)則的方式裝填氣液兩相通道不規(guī)律，再加之液氣比一定時(shí)隨著氣相動(dòng)能因子F增大液體噴淋量也增大，填料層的持液量不斷增多從而嚴(yán)重阻礙氣體通過，填料層壓強(qiáng)降急劇升高。與規(guī)整填料不同，散堆填料無論逆流操作還是并流操作，相同氣相動(dòng)能因子F下，隨著液氣比的增大，單位填料層壓降明顯有所增大。

2.3　理論模型

2.3.1規(guī)整填料壓降模型

單位填料層壓降ΔP/Z主要與塔的幾何尺寸ds、填料的比表面積a和相對(duì)空隙率ε以及特性尺寸有關(guān)[1]。此外，氣相動(dòng)能因子F也和液體負(fù)荷u有關(guān)，即：

ΔP/Z=f(a,ds,F,u)

(1)

對(duì)于一個(gè)內(nèi)徑一定的塔器，在實(shí)際計(jì)算中，上式可簡(jiǎn)化為：

ΔP/Z=Cd×Fe

(2)

式(2)中填料常數(shù)Cd和指數(shù)e需由試驗(yàn)確定。

通過試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)，運(yùn)用ORIGIN軟件對(duì)其處理擬合，得出規(guī)整填料在較低液氣比L/V的情況下氣液并流接觸時(shí)單位填料層的壓降ΔP/Z與氣相動(dòng)能因子F的關(guān)系式為：

ΔP/Z=39.334F2.133 6

(3)

相關(guān)系數(shù)為：

R2=0.999 7

(4)

2.3.2散堆填料壓降模型

本次試驗(yàn)將通過以往的壓降模型來擬合出并流條件下階梯環(huán)單位填料層的壓降公式[1]，由于本次試驗(yàn)采用的填料和塔徑已確定，填料采用塑料階梯環(huán)，故采用如下模型進(jìn)行擬合：

ΔP/Z=A×10B×10-3Lw×F(C+D×10-Lw)

(5)

通過試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)，對(duì)其處理擬合，通過MATLAB軟件進(jìn)行處理，得出并流時(shí)單位填料層壓降ΔP與氣相動(dòng)能因子F以及液體噴淋密度Lw的關(guān)系式：

ΔP/Z=236.1×100.6831×10-3Lw×F1.965+0.2508×10-3Lw

(6)

相關(guān)系數(shù)為：

R2=0.995 0

(7)

3　結(jié)論

對(duì)于填料吸收塔，氣液并流操作時(shí)的壓降明顯小于氣液逆流操作時(shí)的壓降，所以并流操作時(shí)的能耗將小于逆流操作時(shí)的能耗，這就意味著并流操作能夠降節(jié)約能源。規(guī)整填料與散堆填料相比，排列有規(guī)律便于氣液并流與逆流操作的控制，但是造價(jià)較高，應(yīng)用時(shí)要綜合考慮。由于氣液并流接觸不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象，可以使得氣相動(dòng)能因子F值在一個(gè)較高的范圍內(nèi)操作，這樣整個(gè)吸收系統(tǒng)可以在較高氣速下工作，處理量相同時(shí)可以減小吸收塔內(nèi)徑降低設(shè)備投資費(fèi)用，同時(shí)也能使得占地面積相對(duì)縮小，這也是綠色化工的一部分。因此，在流程的選擇上，可以選擇性地考慮采用氣液并流接觸的操作方式，使得工藝流程得到最優(yōu)化。

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