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低表面張力物系在規(guī)整填料塔中的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能(二)
來源:化工進(jìn)展 瀏覽 49 次 發(fā)布時間:2024-09-25
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
開始實(shí)驗(yàn)時,先調(diào)至最大加熱負(fù)荷使塔內(nèi)填料預(yù)液泛,再降至固定負(fù)荷,待全塔工況基本穩(wěn)定后精餾2~2.5h。于各個取樣口取樣,同時記錄各個實(shí)驗(yàn)參數(shù)的值。調(diào)節(jié)加熱電壓,改變導(dǎo)熱油的溫度進(jìn)而改變塔釜蒸汽量,測定不同負(fù)荷下的實(shí)驗(yàn)值直至液泛?;亓髁坑少|(zhì)量流量計(jì)測得,填料層壓降由高精度的西門子TDS 4433差壓變送器測得。液相樣品的組成用氣相色譜儀Agilent 7890 A測定。
2.1壓降
正庚烷-甲基環(huán)己烷物系在500Y和750Y型規(guī)整填料塔中的壓降隨氣相F因子的變化如圖3所示。從圖3可以看出,兩種填料的壓降均隨氣相F因子的增大顯著增加,相同氣相負(fù)荷下750Y填料的壓降明顯高于500Y填料。這是由于750Y填料的結(jié)構(gòu)相對500Y更為致密,故壓降也較高。高壓降限制了實(shí)驗(yàn)操作的通量,故500Y操作范圍更廣,在一定負(fù)荷范圍內(nèi)也更穩(wěn)定。
2.2液泛性能
實(shí)驗(yàn)測定了回流量從小到大直至液泛的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能,得到了液泛時的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),給定了操作的極限。圖4(a)為500Y填料塔的全塔傳質(zhì)效率隨氣相F因子的變化,從圖中可以看出隨F因子的增大,HETP先下降后升高,即填料塔的傳質(zhì)效率先升高后下降,在氣相F因子為1.8kg0.5/(m0.5·s)附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。圖4(b)為750Y填料塔的全塔傳質(zhì)效率隨氣相F因子的變化,從圖中可以看出隨F因子的增大,HETP變化趨勢與500Y相似,傳質(zhì)效率先升高后下降,轉(zhuǎn)折點(diǎn)在F因子等于1.5kg0.5/(m0.5·s)附近。
轉(zhuǎn)折是由于液泛的發(fā)生使填料塔傳質(zhì)效率下降,由此可以得出500Y規(guī)整填料塔的最大F因子Fmax=1.8kg0.5/(m0.5·s);750Y規(guī)整填料塔的最大F因子Fmax=1.5kg0.5/(m0.5·s)。對于正庚烷-甲基環(huán)己烷物系,500Y填料的泛點(diǎn)氣速為uF=0.98m/s,750Y填料的泛點(diǎn)氣速為uF=0.82m/s。目前預(yù)測填料泛點(diǎn)氣速的方法主要有經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式法和通用關(guān)聯(lián)圖法。經(jīng)典的預(yù)測泛點(diǎn)氣速的關(guān)聯(lián)式為貝恩(Bain)-霍根(Hougen)關(guān)聯(lián)式,即如式(10)。
2.3傳質(zhì)性能
圖5表示500Y和750Y填料塔HETP值隨氣相F因子的變化。由圖5可以看出,泛點(diǎn)以下,兩種填料的HETP隨氣相F因子的增大而減小,即傳質(zhì)效率隨氣液相負(fù)荷的增加而升高;泛點(diǎn)以上,兩種填料的HETP隨氣相F因子的增大而增大,即傳質(zhì)效率隨氣液相負(fù)荷的增加而降低。這是因?yàn)榉狐c(diǎn)以下,隨氣相負(fù)荷的增大,氣相傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)界面積均增大。全回流條件下,液相流速和氣相流速變化一致,氣相負(fù)荷增大時,液相負(fù)荷也增加,大液量提高了填料的潤濕率,增加了有效傳質(zhì)界面積;另一方面高氣速增加了液膜的湍動,也會增加有效傳質(zhì)界面積。
圖6為500Y和750Y填料塔中不同高度填料段HETP隨氣相F因子的變化。高度以填料層底部為基準(zhǔn)。如圖6所示,填料段下部傳質(zhì)效率較高,上部傳質(zhì)效率下降。這是由于流體分布不均造成的。液相從頂端向下流動時,由于端效應(yīng),經(jīng)過一定高度填料層后液相才能鋪展開,接近均勻分布。而氣相因?yàn)槭芤合嗔鲃拥挠绊?,在填料塔下端氣相入口段分布比較均勻,在填料段頂端分布不均。從圖6還可以看出填料段中上部的傳質(zhì)效率波動較大,這是由于在此段填料內(nèi)流動狀況較為復(fù)雜,持液量和傳質(zhì)面積波動較大。Basden等指出持液量隨塔高并不是恒定的,在一定的氣液相流量下,Mellapak 500Y和MellapakPlus 752Y的持液量隨塔高的變化規(guī)律與本文中傳質(zhì)效率隨塔高的變化規(guī)律一致。
2.4傳質(zhì)性能隨塔高的變化
總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya是氣相總傳質(zhì)系數(shù)和有效界面積的乘積,直觀反映了塔內(nèi)傳質(zhì)的好壞。由式(9)得,氣相流率一定時,測定Nog隨塔高的變化,可以得出氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)隨塔高的變化,分析塔內(nèi)傳質(zhì)行為。
圖7為500Y和750Y填料塔中Nog隨塔高的變化。由圖7(a)可以看出,大多數(shù)情況下500Y填料塔中Nog隨塔高的變化為一條直線,即總體積傳質(zhì)系數(shù)沿塔高不發(fā)生變化。這是因?yàn)樵谶m宜的操作范圍內(nèi),塔內(nèi)流動狀態(tài)比較穩(wěn)定,氣相負(fù)荷一定時,氣相傳質(zhì)系數(shù)不變。正庚烷-甲基環(huán)己烷為純有機(jī)物系,表面張力中性體系,塔內(nèi)形成的微弱的正表面張力梯度有利于液膜的穩(wěn)定,從而使有效傳質(zhì)面積保持恒定。由此可以推測,對有機(jī)負(fù)體系而言,負(fù)的表面張力梯度會引起液膜沿流動方向不斷破碎,造成有效傳質(zhì)面積的減小,因此Kya隨塔高下降不斷降低。這與耿皎等[18]在直徑為30mm的玻璃精餾塔中選用正體系庚烷-甲苯和負(fù)體系苯-庚烷的精餾實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論一致。從圖7(a)可得當(dāng)氣相負(fù)荷過小或過大時,500Y填料塔中Nog隨塔高的變化并不是一條直線,這說明總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya沿塔高發(fā)生變化。當(dāng)氣相負(fù)荷很小時,總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya沿氣相流動方向減??;當(dāng)氣相負(fù)荷很大時,總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya沿液相流動方向減小。當(dāng)流體流量過高或過低時,塔內(nèi)流動狀態(tài)極不穩(wěn)定,過低的氣相負(fù)荷,使氣相傳質(zhì)系數(shù)沿氣相流動方向減小、氣液相接觸減弱,即表現(xiàn)為總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya隨塔高增加而減??;而過大的氣相負(fù)荷,引起液泛,液體積聚在塔上部很難流下,使沿液相流動方向液相傳質(zhì)系數(shù)減小、氣液相接觸減弱,即表現(xiàn)為總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya隨塔高降低而減小。對比圖7(a)和7(b)可得,750Y填料塔中總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya隨塔高的變化規(guī)律與500Y填料塔一致。
2.5相同氣相負(fù)荷下傳質(zhì)性能的差異
實(shí)驗(yàn)為確定傳質(zhì)效率的轉(zhuǎn)折點(diǎn),在氣相負(fù)荷F=1.8kg0.5/(m0.5·s)附近反復(fù)測量多次,發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象。當(dāng)氣相負(fù)荷由小到大變化時同一實(shí)驗(yàn)點(diǎn)測得的傳質(zhì)效率略低于當(dāng)氣相負(fù)荷由大到小變化時的傳質(zhì)效率,如圖8所示。傳質(zhì)效率的差異可能與流動過程中動態(tài)接觸角的變化有關(guān)。液體流動過程中,液滴與填料之間的接觸角并不是靜態(tài)接觸角,液滴沿流動方向上有很強(qiáng)的彎曲界面,形成一個很大的接觸角,這是前進(jìn)角,其通常大于靜態(tài)接觸角;與液滴流動方向相反的拖尾位置處,有一個很小的接觸角,一般來說該接觸角小于靜態(tài)接觸角,這是后退角。液體流量對液體的流動狀態(tài)有決定性的影響,改變液體流量可以改變液體的局部流動狀態(tài),從而影響填料的持液量,進(jìn)而影響填料的傳質(zhì)性能。
3結(jié)論
實(shí)驗(yàn)測定了正庚烷-甲基環(huán)己烷在Mellapak500Y和750Y型規(guī)整填料塔中的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能。實(shí)驗(yàn)在內(nèi)徑400mm的不銹鋼精餾塔中進(jìn)行,測定了氣相負(fù)荷從小到大直至液泛的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),由實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以得出以下結(jié)論。
(1)在一定負(fù)荷范圍內(nèi),750Y填料的分離效率優(yōu)于500Y填料,但單位填料高度的壓降高于500Y填料,導(dǎo)致操作穩(wěn)定性比500Y填料差,處理量比500Y填料小。
(2)實(shí)驗(yàn)測定了氣相負(fù)荷從小到大直至液泛的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能,得到了液泛時的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),給定了操作的極限。500Y規(guī)整填料塔的最大F因子Fmax=1.8kg0.5/(m0.5·s);750Y規(guī)整填料塔的最大F因子Fmax=1.5kg0.5/(m0.5·s)。對于正庚烷-甲基環(huán)己烷物系,500Y填料的泛點(diǎn)氣速為uF=0.98m/s,750Y填料的泛點(diǎn)氣速為uF=0.82m/s。并由實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合出貝恩(Bain)-霍根(Hougen)關(guān)聯(lián)式中常數(shù)A、K的值。對于500Y填料A=0.291,K=1.75;對于750Y填料A=0.420,K=1.75。
(3)氣相負(fù)荷遞增變化時的傳質(zhì)效率略低于氣相負(fù)荷遞減變化時的傳質(zhì)效率。
(4)在適宜負(fù)荷范圍內(nèi),對于純有機(jī)物系,正體系和中性體系的總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya沿塔高不發(fā)生變化;負(fù)體系的總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya隨塔高下降不斷降低。當(dāng)氣相負(fù)荷過低時,總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya沿氣相流動方向減??;當(dāng)氣相負(fù)荷過高時,總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya沿液相流動方向減小。
符號說明
A——貝恩(Bain)-霍根(Hougen)關(guān)聯(lián)式關(guān)聯(lián)常數(shù)
at——填料比表面積,m2/m3
F——?dú)庀嘭?fù)荷動能因子,kg0.5/(m0.5·s)
G——?dú)庀嗄柫髁?,mol/(m2·s)
g——重力加速度,m/s2
Hog——?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元高度,m
HETP——等板高度,m
K——貝恩(Bain)-霍根(Hougen)關(guān)聯(lián)式關(guān)聯(lián)常數(shù)
Kya——?dú)庀嗫傮w積傳質(zhì)系數(shù),mol/(m3·s)
L——液相摩爾流量,mol/(m2·s)
myx——?dú)庖浩胶饩€斜率
N——理論板數(shù),量綱為1
Nog——液相總傳質(zhì)單元數(shù),量綱為1
uF——泛點(diǎn)氣速,m/s
x——液相輕組分摩爾分率,量綱為1
xi——各取樣口液相輕組分摩爾分率,i=1,2,3
xb——塔底取樣口液相輕組分摩爾分率,量綱為1
y——?dú)庀噍p組分摩爾分率,量綱為1
y*——與液相組成平衡的氣相摩爾分率,量綱為1
Z——填料層高度,m
αm——平均相對揮發(fā)度,量綱為1
ε——填料層孔隙率,m3/m3
λ——?dú)馓嵋蜃?,量綱為1
μL——液體黏度,mPa·s
ρL——液相密度,kg/m3
ρV——?dú)庀嗝芏?,kg/m3
ωL——液相質(zhì)量流量,kg/h
ωV——?dú)庀噘|(zhì)量流量,kg/h