塑料花環(huán)填料流體力學(xué)性能研究

(吉林化工學(xué)院化工與生物技術(shù)學(xué)院，吉林吉林132022)

填料塔是一種重要的氣液傳質(zhì)設(shè)備.它不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且有阻力小和便于用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點(diǎn).近年來，國內(nèi)外對(duì)填料的研究與開發(fā)進(jìn)展很快.由于性能優(yōu)良的填料不斷涌現(xiàn)以及填料塔在節(jié)能方面的突出優(yōu)勢，填料塔使用越來越廣泛.填料是填料塔的核心，填料塔操作性能的好壞，與所選用的填料有直接關(guān)系.塑料花環(huán)又稱泰勒花環(huán)，具有壓降小，通量大，有較高的持液量，液體在塔內(nèi)停留時(shí)間長，填料的傳質(zhì)效率較高，已被國內(nèi)多家廠家使用，效果較好，為使塑料花環(huán)填料得以推廣應(yīng)用，采用空氣-水系統(tǒng)對(duì)塑料花環(huán)的流體力學(xué)性能進(jìn)行了研究［1-2］.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 塑料花環(huán)填料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

塑料花環(huán)是由許多圓環(huán)繞結(jié)而成的形如橢球的填料，并在中間增設(shè)一條加強(qiáng)筋，并使之呈“A”形狀，這樣大大提高了花環(huán)的抗壓強(qiáng)度，見表1.

表1 塑料花環(huán)填料的特性參數(shù)

1.2 流體力學(xué)性能測試

實(shí)驗(yàn)采用空氣-水系統(tǒng)，在常溫常壓下進(jìn)行，用來測定塑料花環(huán)填料的實(shí)驗(yàn)流程、裝置、儀表等文獻(xiàn)［1］已有報(bào)道.塔內(nèi)徑Φ=160 mm，填料裝填高度為0.8 m.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用計(jì)算機(jī)在線現(xiàn)場采集.

流體力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測試范圍為液體噴淋密度0 m3/(m2·h)～21.58 m3/(m2·h)，氣體質(zhì)量流量850～2210 kg/(m2·h).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 流體力學(xué)性能

2.1.1 氣體通過填料干塔壓降與氣體動(dòng)能因子關(guān)系

氣體通過干填料層每米壓降與空塔氣速的關(guān)系為一條直線，通?？捎玫年P(guān)聯(lián)式為［3］:

式中:ρG為氣體密度，kg/m3;A，B為關(guān)聯(lián)式常數(shù).

對(duì)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行回歸，獲得干塔壓降與氣體動(dòng)能因子的關(guān)聯(lián)式為:

Δp/Z=0.5398F1.7018

式中:F為氣體動(dòng)能因子，在F=0.55～1.56的范圍內(nèi)，上述關(guān)聯(lián)式的平均相對(duì)誤差為2.6%.

2.1.2 濕塔壓降與液體噴淋密度及動(dòng)能因子的關(guān)系

在一定的噴淋密度下，氣體通過每米填料層壓降ΔP/Z與動(dòng)能因子F的關(guān)系如圖1所示.

圖1 填料層壓降與動(dòng)能因子F的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)測試噴淋密度分別為 0、15.16、17.83、19.11、21.58m3/(m2·h)時(shí)的填料層的壓降值，實(shí)驗(yàn)得到的空塔氣體動(dòng)能因子F與填料層壓降的關(guān)系繪于圖1，從壓降圖可以看出，隨噴淋密度的加大，液泛點(diǎn)的動(dòng)能因子變小，圖中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是泛點(diǎn)，載點(diǎn)不明顯，從圖中壓降的變化獲得的泛點(diǎn)氣速與動(dòng)能因子，見表2.

表2 不同噴淋密度下塑料花環(huán)泛點(diǎn)氣速值

填料層壓降與空塔氣速的關(guān)系［2］，通?？捎玫年P(guān)聯(lián)式為

采用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)結(jié)果列于表3.

表3 壓降關(guān)聯(lián)式常數(shù)

采用最小二乘法對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得出

采用關(guān)聯(lián)式與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行誤差分析，在泛點(diǎn)以下時(shí)的平均相對(duì)誤差為3%.

2.1.3 填料的泛點(diǎn)特性

泛點(diǎn)的確定采用圖解法，即根據(jù)不同液體噴淋密度下Δp/Z～F關(guān)系曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定泛點(diǎn).將泛點(diǎn)氣速隨液體噴淋密度的關(guān)系繪成曲線，如圖 2 所示［4-5］.

圖2 泛點(diǎn)氣速與液體噴淋密度的關(guān)系

從泛點(diǎn)氣速與液體噴淋密度的關(guān)系可以看出，隨噴淋密度的增大，泛點(diǎn)氣速下降.

3 結(jié) 論

(1)通過實(shí)驗(yàn)獲得了塑料花環(huán)填料的流體力學(xué)性能參數(shù)，并考察了這些參數(shù)隨操作條件的變化規(guī)律.實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為該填料的工業(yè)生產(chǎn)及設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考.

(2)塑料花環(huán)填料具有良好的流體力學(xué)性能，其壓降較低，液體通量很大，具有較高的抗壓強(qiáng)度，耐腐蝕，適用于氣體洗滌和凈化塔中［6］.

［1］ 劉放，王衛(wèi)東，計(jì)海峰，等.塑料花環(huán)填料液相總傳質(zhì)模型的估測［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，30(1):5-7.

［2］ 袁孝竟，余國琮.填料塔技術(shù)的現(xiàn)狀與展望［J］.化學(xué)工程，1995，23(3):5-13.

［3］ 欒國顏，葉永恒.金屬斜孔板波紋填料流體力學(xué)與傳質(zhì)性能研究［J］.化工機(jī)械，2005，32(4):191-194.

［4］ 吳松海，賈紹義，孫永利，等.DN50塑料異型矩鞍填料的流體力學(xué)及傳質(zhì)性能［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，39(10):1184-1188.

［5］ 賈紹義，胡暉，李杰，等.塑料扁環(huán)填料流體力學(xué)及傳質(zhì)性能研究［J］.化學(xué)工業(yè)與工程，2000，17(4):198-203.

［6］ 李勇華.金屬矩鞍環(huán)填料的流體力學(xué)與傳質(zhì)性能研究［J］.杭州化工，2008，38(3):14-17.