（化学工程专业论文）新型规整填料性能的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 金属丝网波纹规整填料具有高理论板数和低压降等特点，己被广泛应用于多 种精馏过程中。硼同位素的分离需要采用高效的填料，为给同位素分离的工业化 提供实验依据，本文在全回流和部分回流比的条件下，用环己烷一庚烷和庚烷一 甲苯两种二元测试物系对直径为5 0 i l m l 的c d g l 7 0 0 y 和c d g 2 5 0 0 y 型金属丝网 规整填料的流体力学性能和传质性能进行了考察。实验结果表明，这两种填料的 压降随着回流比的增大而增大，单位填料层高度的等板高度h e t p 变化趋势则相 反；c d g l 7 0 0 y 和c d g 2 5 0 0 y 型填料的具有较高理论板数；此外，由实验结果 可知这两种填料可操作的范围较窄，气体动能因子f 在1 和0 7 5 左右压降和等 板高度h e t p 值突然变化，塔内出现液泛现象，c d g l 7 0 0 y 型填料操作弹性更大。 在上述实验基础上，尝试采用s r p ( i i ) 模型对上述两种填料韵性能进行模拟， 为其工业化应用提供可靠的设计计算依据。在环己烷一庚烷体系中，s r p ( i i ) 模型对c d g l 7 0 0 y 和c d g 2 5 0 0 y 型规整填料流体力学性能的模拟值与实验值比 较，平均百分比误差分别为3 7 0 2 和3 5 8 7 ，等板高度的模拟值与实验值平均 百分比误差分别为2 6 9 4 和1 9 7 ；在庚烷一甲苯体系中，相应的流体力学性 能模拟的平均百分比误差分别为2 1 0 6 和2 0 3 7 0 ，等板高度模拟的平均百分比 误差分别为2 5 - 4 5 和2 1 8 2 。 由于s r p ( n ) 模型对上述填料性能模拟计算误差较大，所以在s g p o i ) 模型基 础上提出了新的理论假设以及与液相阻力相关的系数口，和口，修正了传质单元 高度h t u 的计算式，用实验值对修正式进行了最小二乘法拟合得到适合于这两 种填料类型的参数a 。和a ，的值。用修正后的模型对c d g l 7 0 0 y 和c d g 2 5 0 0 y 型金属丝网波纹填料进行模拟计算，结果表明，在环己烷一正庚烷体系中，采用 新模型对等板高度的计算值与实验值的平均百分比误差为1 1 5 和1 5 8 ；在正 庚烷一甲苯体系中，采用新模型对等板高度的计算值与实验值的平均百分比误差 分别为1 4 3 9 和1 4 6 6 。上述结果表明，与s r p ( i i ) 模型相比，新模型能够比 较准确的模拟填料性能，具有较好的预测效果。 利用上述实验结果，采用金属丝网波纹规整填料c d g l 7 0 0 y 和c d g 2 5 0 0 y 进行了年产量1 2 5 公斤”b 浓度由1 9 8 富集到9 5 的化学交换精馏塔的设计计 算，确定了理论板数、回流比等相关工艺参数及填料高度、塔的内径和填料压降， 为后续的工业化放大提供了依据。 关键词：金属丝网波纹填料流体力学性能传质性能s r p ( i i ) 模型 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em e t a l g a u z e s t r u c t u r e dp a c k i n g sa r ew i d e l yu s e di nm a n yd i s t i l l a t i o n p r o c e s s e sb e c a u s eo f t h el o wp r e s s u r ed r o pa n dh i g hn u m b e r so ft h e o r e t i c a lp l a t e ，t o p r o v i d et h ef u n d a m e n t a ld a t af o rt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no fb o r o ni s o t o p es e p a r a t i o n ， e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e d o u tt o i n v e s t i g a t e t h ep e r f o r m a n c eo fc d g l 7 0 0 ya n d c d g 2 5 0 0 ym e t a l g a u z e s t r u c t u r e d p a c k i n g su s i n g t h e m i x t u r eo f c y c l o h e x a n e - n h e p t a n ea n dn h e p t a n e - m e t h 3 7 l b e n z e n eu n d e rt h ec o n d i t i o n so ft o t a l r e f l u xa n dd i f f e r e n tr e f l u xr a t i o s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e s s u r ed r o p r i s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fr e f l u xr a t i oa n dt h ea d v e r s ec h a n g et r e n dh a p p e n sf o rt h e h e i g h te q u i v a l e n tt ot h e o r e t i c a lp l a t e i na d d i t i o n ，t h et w ok i n d so f p a c k i n g sh a v eh i g h n u m b e r so f t h e o r e t i c a lp l a t ea n dn a r r o w e rr a n g eo f o p e r a t i o n o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t s ，s r p ( i i ) m o d e lw a su s e dt oc a l c u l a t et h eh e t pa n d p r e s s u r ed r o po f c d g l 7 0 0 ya n dc d g 2 5 0 0 y m e t a lg a u z es t r u c t u r e dp a c k i n g si no r d e r t op r o v i d er e l i a b l ed a t af o rd e s i g no fb o r o ni s o t o p es e p a r a t i o nc o m p a r i n gw i t h e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，p r e s s u r ed r o pa n dt h eh e t ph a v et h em e a ne r r o rp e r c e n t a g eo f 3 7 0 2 3 5 8 7 2 1 0 6 a n d2 0 3 7 r e s p e c t i v e l yf o rt h ec d g l 7 0 0 ya n d c d g 2 5 0 0 yi nt h ec y c l o h e x a n e - n - h e p t a n e t h em e a ne r r o rp e r c e n t a g eo fp r e s s u r e d r o pa n dt h eh e t pi nt h en h e p t a n e - m e t h y l b e n z e n ei s2 6 9 4 、1 9 7 9 、2 5 4 5 a n d 2 1 8 2 n e wt h e o r e t i c a l a s s u m p t i o n sb a s e do nt h es r p ( i i ) m o d ea n dp a r a m e t e r s ， 口。a n d z ；r e l a t e dt ol i q u i dr e s i s t a n c e ，w e r ep u tf o r w a r da n dh t ue q u i t a t i o nw a s m o d i f i e d g o o df i t sw e r ef o u n du s i n gl e s t - s q u a r e sp r o c e d u r ea n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s r e s u l t su s i n gn e wm o d e ls h o wt h a ti nc y c l o h e x a n e n h e p t a n et e s tm i x t u r e ，s i m u l a t i o n r e s u l t so fc d g l 7 0 0 ya n dc d g 2 5 0 0 ym e t a lg a u z es t r u c t u r e dp a c k i n g sh a v em e a n e r r o r p e r c e n t a g e o f l l 5 a n d l 5 8 f o r h e t p i n t h en - h e p t a n e - m e t h y l b e n z e n e t e s t m i x t u r e ，s i m u l a t i o nr e s u l t so fc d g l 7 0 0 ya n dc d g 2 5 0 0 ym e t a lg a u z es t m c t u r e d p a c k i n g sh a v em e a ne r r o rp e r c e n t a g eo f1 4 3 9 a n d1 4 6 6 f o rh e t p a l lt h e s e s h o wt h a tt h en e wm o d e lh a sb e t t e rs i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h em o d e li sr e l i a b l e 。 a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ec h e m i c a le x c h a n g ed i s t i l l a t i o nc o l t u r m w a sd e s i g n e df o rt h es e p a r a t i o no fb o r o n10a n db o r o n11 ，a n dh e i g h to fp a c k i n g s ， i n n e rd i a m e t e ro f c o l u m na n dp r e s s u r ed r o po f c o l u m nw e r ed e t e r m i n e d k e yw o r d s ：m e t a lw i r eg a u z es t r u c t u r e dp a c k i n g ，h y d r o m e c h a n i c sp e r f o r m a n c e m a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c e ，s r p o i ) m o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘生或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：峦蚕：& 签字日期：帅f 年月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：漕教导师签名 圃 签字日期：) “年f 月 7 日签字日期：加6 年f月t 曰 第一章文献综述 第一章文献综述 填料塔作为一种重要的气液分离设备，被广泛应用于炼油、石油化工、精细 化工、食品、医药及环保等各个领域，并取得了显著的经济和社会效益。填料塔 与板式塔相比具有效率高、压降小及持液量小等优点，因此得到了较为广泛的研 究与应用。特别是在二十世纪七十年代初，能源危机的出现使得填料塔技术取得 了长足进步。近三十年来，多种新型高效填料的研究，特别是波纹填料的开发成 功及相关理论的发展，进一步扩大了填料塔技术更为广泛的应用。美国著名学者 f a i r 教授认为，最近的十年内，以气液接触的填料塔正在逐步取代板式塔：规整 填料作为低压降下具有高传质效率的装置倍受青睐。在我国，随着石油化工的 不断发展，传质分离工程学的研究日益深入，填料塔技术及其应用进入了一个崭 新的时期。 1 。1 塔填料的发展概述 填料塔由塔填料、塔内件及塔体构成，而填料是填料塔的核心构件，他提供 了气液两相接触传质和换热的表面，与塔内件一起决定着填料塔的性能，分为散 装填料和规整填料。塔内件有不同形式的液体分布装置、填料固定装置或填料压 紧装置、填料支承装置、液体收集再分布装置与进料装置及气体分布装置等。 1 1 1 散装填料 散装填料是一粒粒具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以散装方式堆积 在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料，其在填料塔内的排列是随机无规则的，易 于用多种材质制造，装卸方便，对塔内件的制造、安装要求低，目前仍十分广泛 地应用于分离过程。 1 9 1 4 年拉西环填料的出现是填料塔的一个重大突破，拉西环是具有内外表面 的环状实壁填料。1 9 4 8 年德国出现了被称为第二代产品的鲍尔环填料，开始了 壁上开孔、环内带有舌片的环形填料的新纪元。此后又出现了改进型鲍尔环和阶 梯环填料，阶梯环在随机乱堆过程中具有一定程度规则排列的特点，因而阻力小， 通量大，性能优良。在对拉西环的研究中观察到液体沿拉西环表面流下时的再分 布性能差，于二十世纪三十年代中期出现了贝尔鞍形填料及后来的i n t a l o x s a d d l e s 鞍形填料，它们的液体分布性能优于环形填料，但通量较小。1 9 7 8 年美 第一章文献综述 国n o r t o n 公司推出了金属环矩鞍填料，巧妙地将环形结构和鞍形结构结合在一 起，集中了其它填料的优点，具有低压降、高通量、液体分布性能好、传质效率 高、操作弹性大等优良的综合性能，被称为第三代产品的标志。 1 1 2 规整填料 在散装填料发展的同时，出现了规整填料。规整填料是一种在塔内按均匀几 何图形排列，整齐堆砌的填料，它规定了汽液流路，改善了沟流和壁流现象。压 降可以很小，同时还可以提供更多的比表面积，在同等容积中可以达到更高的传 质、传热效果。规整填料还由于其结构均匀、规则、对称，与散装填料具有相同 的比表面积时口1 ，填料的空隙率更大，具有更大的通量，综合处理能力比板式塔 和散装填料塔大得多，因此以金属板波纹为代表的各种通用型规整填料在工业中 得到应用。通过对规整填料的深入研究以及对塔内件的精心设汁、制造、安装和 认真操作等，可以做到工业放大效应不明显。近二十年，规整填料对板式塔、散 装填料塔及其他多种塔设备产生了较大的冲击和影响。 尽管规整填料的起源，可以追溯到上世纪初，但直到上世纪六十年代才有实 质性进展。1 9 6 2 年瑞士苏尔寿公司首先报道了效率高、通量大、压降低及持液 量小的金属丝网波纹填料，特别适用于沸点接近、热敏性难分离的物系真空精馏。 二十世纪六十年代第一座工业化的丝网波纹填料塔投入生产。1 。同期美国格利 齐( g 1 i t s c hg r i d ) 公司研制出高通量、低压降、抗堵性能好、成本低的栅格填料 ( g l i m c hg r i d ) ，适用于物料较脏的场合二十世纪七十年代末，苏尔寿公司开发 了板片波纹则填料( m e l l a p a k ) 1 ，这是种通用型填料，在若干工业领域中取代 板式塔和散装填料塔，使规整填料的开发及工业化应用取得突破性进展。此后， 规整填料新品种层出不穷。二十世纪八十年代以后相继开发的有瑞士k u l m i 公司 的朗博帕克( r o m b o p a k ) 邙】、德国m o n a 公司的蒙茨派克( m o n t z - - p a k ) 、美国 n o r t o n 公司的i n t a l o x 规整填料、英国j a e g e r 公司的m a x p a l 【、德国r a s c h i g 公 司的r a l l r l a l 【等等。此外，苏尔寿等三家公司合作开发了以碳纤维织品为原料 的碳纤维波纹填料m e l l a c a r b o n 口】，特别适用于强腐蚀体系。1 9 9 4 年苏尔寿公司 又报道了一种结构新颖、多通道的优流规整填料o p t i f l o w ，显示了规整填料的开 发仍在继续进行。 我国从二十世纪六十年代初开展对规整填料的系统研究工作，发展至今已形 成一个较为完整的研究、生产体系，并已研制出与国外水平一致的系列规整填料 产品，同时开创了新的网孔波纹填料等系列产品。二十世纪七十年代初研制出适 应高效精密分离的磷青铜丝网波纹填料，用特殊表面处理方法解决了水润湿不容 2 第一章文献综述 易的难题，使其流体力学相传质特性均达到国际同类重水分离试验水平七十年代 末结合现代塔新型通用填料发展动向，从精密填料开发研究进入通用填料开发研 究阶段，研制出板波纹型填料及其他类型的规整填料。目前在大型塔器中以板式 塔为主的局面己受到了规整填料的冲击。瑞士苏尔寿( s u l z e r ) 公司用规整填料 改造过得塔，其塔径最大达到了1 2 4 米拍3 ，我国天津大学也用规整填料改造过 乙烯装置中的汽油分馏塔，塔径为1 2 2 米口1 。 规整填料种类很多，根据其几何结构可以分为波纹填料、格栅填料、脉冲填 料等，即使同一类型，亦有各种规格，它们的比表面积、空隙率及几何尺寸存在 差异。 1 1 2 1 波纹填料 波纹填料按材质结构可分为板波纹和网波纹两大类。板波纹填料是一种通用 型的规整填料，因此在石油化工、化肥工业、天然气净化、冶炼等工业应用中获 得较为显著的成就，是当今塔器研究及应用的一个重要领域。 网波纹填料它的几何结构使之具有很高的比表面积，由于丝网独具的毛细作 用，又使表面积有更为有效的澜湿性能，由此具有很高的分离效率。与相关的其 他类型塔器相比，有低的压降和少的持液量，特别适宜难分离物系及热敏性物系， 1 9 6 5 年化工厂中首次应用就取得很好成效d 】【”。以后工业应用日益扩大，1 9 7 5 年该公司进行了系统总结并进一步开发。继应用金属丝网波纹填料后又成功地进 行了真空精馏热泵节能技术的开发，取得节能8 0 的显著成效“。八十年代后 期苏尔寿公司成功研制了d x 型和e x 型实验室应用的小型高效金属丝网波纹填 料。随后又成功开发了碳纤维波纹填料。至此，苏尔寿公司开发了多种材质的丝 网波纹填料，使丝网波纹填料的应用领域得到进一步扩大。 美国科克( k o c h ) 公司和日本住友公司都是接受苏尔寿公司专利进行研究与 销售波纹填料的公司。它们进行了大量的推广应用 i l l 。上海石油化工总厂引进 的分离对苯二甲酸二甲酯( d m t ) 金属丝网波纹填料塔是日本住友公司提供的。如 今金属丝网波纹填料已成为最重要的高效精密型填料之一。 我国对丝网波纹填料的研究已有三十多年的历史，在引进、吸收的同时，于 8 0 年代研制出兼有丝网波纹填料的高效性、又有板波纹填料的经济性的网孔波 纹填料。在精细化工、香料、医药等行业得到广泛的应用。 1 1 2 2 栅格填料 栅格填料的比表面积较低，因此主要用于大负荷、防堵及要求低压降的场合。 第一章文献综述 其几何结构主要有以条状单元结构为主；以大峰高板波纹单元为主或斜板状单元 为主进行单元规则组合而成，因此结构变化颇多，但其基本用途相近。其中美国 格里奇公司于二十世纪六十年代首先开发成功得格里奇栅格填料，最具有代表 性。我国九十年代研制得蜂窝栅格填料也可达到同样得分离效果。 1 1 2 3 优流填料 优流填料是瑞士苏尔寿公司推出得一种称为高新技术产品得规整，这种新型 得的最优流系统可以显著地提高分离技术性能。优流填料的基本元件是压有横向 纹理液流沟槽形薄片，中央开小孔，将菱形薄片搭成翼轮状。每个菱形体的上下 斜方体上有两侧交替地未被菱形片盖上，成为气流通道；而相邻菱形体上气流通 道也是互相错开。采用最优流动结构填料及相应地塔内件可大大提高分离塔的生 产能力，降低压降和操作费用。 1 1 2 3 脉冲填料 脉冲填料是颗粒单体排列型规整填料。它开发于德国，1 9 7 6 年公诸于世。 脉冲填料是由带缩紧地三棱空心锥填料单体按一定方式拼装而成的一种规整填 料。其材质有金属、塑料和陶瓷。 1 2 规整填料的流体性能研究进展 气液流体在填料塔中流动形式，除与填料自身流道的几何形状、填料材质相 关外，还与两相流速及其物理性能有关。由于影响因素较多，虽然许多学者对塔 器进行了广泛研究，但是目前还没有完全掌握其内在的规律。对于给定的分离任 务，规整填料塔设计的主要参数就是需要确定塔的内径、压力降及填料层的高度。 从实际情况来看，它们都与两相流体动力学存在密切关系，在较早提出的设计模 型中，一般把压力降和传质计算的计算独立开来。 1 2 1 流体力学模型的研究 填料塔中气液两相呈逆向流动，在正常操作中，气相作为连续相，液相作为 分散相，以液膜的形式分布在填料的表面。塔中气液的流动和分布状况不仅直接 决定了气相的流动压降，而且还影响着气液两相间的有效相界面积，从而与传质 效率密切相关；同样压力降、泛点及持液量是填料塔设计中最基本的参数。为此， 4 第一章文献综述 国内外学者对填料的流体力学性能进行了广泛的研究，提出了很多理论和半经验 模型。以下主要介绍几类具有代表性的规整填料流动传质模型m 1 。 1 2 1 1 压力降气速关联图 压力降气速关联图是最基本的关联方法，也称为e c k e r t “钉关联图。通过对 某一种类型和尺寸的填料进行试验测定，得到压降与空塔气速、动能因子、质量 流速或能力因子的关系曲线。这类关联图一般是以空气一水为实验物系，在实验 规模塔中标定所得，推广至工业应用时，会有一定的误差，且对使用计算机计算 极为不便。 1 2 1 2 通用压降关联图( g p d c ) 以前工程设计中常常采用e c k e n t 通用关联图( g p d c ) n 钉来计算填料塔的 压力降及泛点气速。此图s h e r w o o d 在1 9 3 8 年提出时仅有一根液泛线，经后人几 次修改，f a i r 将此图编入美国化学工程师手册( 第六版) 中，具有一定的权威 性，如图卜1 。由于该图表直观方便，能同时确定液泛速的的特点而被广泛采用。 许多学者对其进行了修正，使它能应用到各种新型散装填料和规整填料中去。为 了便于计算机使用，一些学者将s h e r w o o d 液泛线及等压降线回归关联式成公式 的形式。但是g p d c 法过于简单，无法准确考虑不同填料对企业流动行为影响， 进行新型填料设计误差较大，逐渐不被人们所使用。 每 爪 孙 軎t 鲁” 图1 - 1 通用压降关联图 f i g 1 1c o r r e l a t i o nc h a r to fg e n e r a lp r e s s u r ed r o p 第一章文献综述 1 2 1 3 经验一半经验模型 b i l l e t 和s c h u l t e s 基于垂直流动液膜力平衡分析，推动了一组持液量、压 降的关联式c i s 。模型中假设液体以液膜形式在与填料层具有同样自由体积的垂 直流道中流动，流道的几何尺寸可用床层有效空隙率和填料比表面积来描述。模 型还根据液泛的定义和特征t 以( ) 。= 。和( ) 。= 。作为液泛的判 别标准，得到了泛点气速的估算式。该模型主要使用于各种新型散堆填料以及 g e m p a k 、m o n t z 等部分规整填料。计算填料层高度压降卸的数学表达式可用下 式表示： 厶p ：一- - 。h t ，：一竺h f 巳占一啊 ( 卜1 ) 上式中t 为有效的填料空隙率；f 为填料空隙率； 其中有效比表面积口。的计算公式可用下式卜2 表示 a 。= 矗瑾= 口。+ 口 一1 ：1 + 三 1 w a d , ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 勺= = 风 ( 卜4 ) z 式中口为填料比表面积，m 2 m 3 ：矗为比表面积的填料有效因子；为单位体 积填料液相持液量，m 3 m 3 ；善为气相阻力因子；勺为气相表面的剪切力：d ，为 塔径，m ： 目前工程上采用量外一种具有较大通用性的设计计算方法，该方法基于压力 降模型。压力降模型最初起始于散堆填料的研究，b e m e r 和k a l i sn 们在对散堆 填料压力降进行了分析时，通过改变某些参数，模型也能够预测规整填料压力降。 基于这一思想，b r a v o 、r o c h a 和f a i r 于1 9 9 2 年开发了专门用于计算规整填料 等提出了计算规整填料的压力降模型，称为s r p 模型。们n 叼m 3 ，他们将规整填料 层简化为平行相连的湿壁塔通道群进行处理，每个通道特征尺寸( 水力直径山) 近似等于三角形波纹通道的边长。填料层的压降主要由于板压降和液相流量两部 分贡献，其中液相流量的影响可由持液量来描述，其为液膜厚度、润湿分率的函 6 第一章文献综述 数。对于填料几何结构以及表面特征对压降的影响，模型没有进行直接描述，而 是在于板压降关联式中采用经验系数f 来表达。对于泛点，b r a v o 提议采用经验 值1 0 2 5 p a m 作为判别标准。由于在建立s r p 模型所依赖的实验数据库中，即包 含f l e x i p a k 、g e m p a k 、s u l z e rb x 、m e l l a p a k 和i n t a l o x 等各类规整填料对空气 一水系统的冷模数据，还包括环己烷一庚烷在加压、常压和减压条件下的精馏数 据，因此模型的可靠性在相当广的范围内都能得到保证。并且模型中仅包含填料 空隙率、比表面积、波峰边长和倾角等填料的几何结构参数，计算十分方便。1 9 9 3 年，j u a n a 和r o c h a 啷1 考虑陶瓷与不锈钢板波纹填料在结构参数和表面润湿等情 况的差异，将s r p 模型推广应用与陶瓷规整填料。后来，g u a l i t o 和c e r i n o c 2 1 根据f i t z 等人陋1 在工业规模填料塔中环己烷一庚烷高压精馏数据，又对模型进 行了进一步改进，使之不仅适用于不锈钢、陶瓷、甚至塑料规整填料，而且能准 确预测在高压条件下，各种填料的流体力学和传质性能。s r p 模型计算单位长度 填料层的压降l 警l 的数学表达式为： l z f 吲1 竺：! 竺厶 ( 】一5 ) 比b 一( o 6 1 4 + 7 1 3 5 s ) h , 式中，。单位长度干填料的压降( 乞) 。的定义式为： ( 玺) d = 0 1 7 7 5 矿矿怒 其中：e = 霹巧2 9 1 f 2 ( w e 面, f r t 面) 。 5s 丽。3 5 9 矿 式中占为填料空隙率，i n 3 m 3 ：s 为填料波长，m ：口为填料倾角， 度，p a s ；以为液体粘度，p a 。s ；1 2 i s 为液相表观速度，m s 速度，m s ： 单位体积填料的持液量扁的定义式可表示为： 岛：f 笪 ls ， 式中c o s y = 0 9 ，在盯 o 0 5 5 n m 的条件下； 其中向为液相密度，k g m 3 ；p 。为气相密度，k g m 3 ；c r 为液体表面张力，n m ； 液相w e b e r 准数耽，定义为：耽，2 面u i ( 1 - 9 ) 液相f r o u d e r 准数竹定义为：u 2 1 p t s ( 卜1 0 ) 基于汽液相界面，液相r e y n o l d s 准数r e ，定义为，r e ，：u , s p , ( 卜1 1 ) s t i c h l m e r i 在流化床压力降模型的基础上，考虑了气体速度对液体持液 量的影响，提出了一种压力降模型，该模型在计算中需要较多的填料常数，而且 压力降是隐式表达式，计算工作量较大。 o l u j i e 嘲嘲认为气液是沿截面呈三角形的锯齿形通道曲折流动的，合股气 液在相邻填料片交叉点处混合，发生交错变向，从而造成气相动能损失，引起压 降。相比之下，气液界面的摩擦所引起的能量损耗要小得多。该模型还假设填料 表面润湿均匀，因此持液量就等于填料比表面积和液膜平均厚度的乘积。根据 s p r 规整填料实验数据库，他们建立了d e l f 模型。d e l f 模型计算填料层压降a p 的数学表达式为： a p = a p 一+ a p 。+ a = g 0 + f 。+ 缸i ( 蠢“2 ，) ，2 】 ( 1 1 2 ) 式中白、乞、分别为气液和气气两相相互作用系数；出为方向改变引起 的总损失系数。它们的定义式分别用下式表示： 白2 屿畚 m 1 3 ) 斟划。掣一嚣吱掣+ 卷矿m 乞= 0 一妒比去= ( 1 - q ，) 0 7 2 2 ( c o s a r 4 缶( 1 - 1 5 ) 缸：拿+ 蝣俐) ( 卜1 6 ) 式中妒为液相所占的三角流道的分率：岛为气液相两相阻力分离因子；h ， 和k 分别为单元填料和填料床的高度，m s 为气相水力直径，m ；口为填料 第一章文献综述 y 为塔壁气相流道分率，其数学表达式为 妒= 熹h 甚卜昙皓函 m = 1 7 6 ( c o s a y 。 ( 1 - 1 8 ) = 塑毫芋贮陋尸m 1 9 ) 其中，2 ( 1 一 ) 咖掰】( 1 - 2 0 ) 万：f 堑塾丫( 1 - ：。) l p , g a ，s i n a i 液相r e y n o l d s 准数r e ，定义见式( 卜8 ) ； 铺r e y n o l d s 准数r e 。舣飙。= 警。 ( 1 - 2 2 ) 上式中以为塔的直径，m ；缸和分别为孔和墙壁的方向改变因子；“， 为有效液相速率，m s ：； 由上述半经验模型可以看出，虽然建立模型时均有一些不合理的假设，但由 于有强大的实验数据库，特别是热模数据作保障，使其应用范围和计算的可靠性 1 2 2 传质研究汹1 迄今为止，化学工程师要设计计算能完成某一分离任务所需之填料塔的茼 度和直径，一般采用平衡级模型方法。平衡级模型将填料由上到下分为一系列气 液相完全混合之平衡级，每个平衡级相当于一块理论板，通过联立求解m e s h 方程，得到精馏塔内每块理论板上的气液两相的浓度、温度和流量以及所需之理 论板数。将所得的理论板数与等板高度相乘成就得到所需的填料层高度。此种方 法将影响填料塔中所有流体力学和传质传热参数均归并与等板高度，通常假设等 板高度对所有组成均相同。当前计算等板高度的常用方法只考虑气液间的传质状 况，当项平衡关系和操作线均为线性关系时，等板高度h e t p 可由传质单元高度 h t u 得出： 9 第一章文献综述 h e t p ：h t u 堕生 五一1 ( 1 2 3 ) 脚- 脚q + 删 ( 1 2 4 ) 其中z 为气提因子，a = 警； 气相传质单元高度聊w 。和液相传质单元高度册u 的计算方法为： 舰u 。；! 生 。七g d c 册u ：! l 。k t a , ( 1 2 5 ) ( 1 - 2 6 ) 其中七。和向分别为气相和液相传质系数，m s ；和。分别为液相和气相 表观流速，m s ；a 为有效气液相界面积，f m 3 ： 事实上对气液相间传递行为的机理理解和认识是研究填料塔内相间传质的 关键。物质从一相到另一相的传递过程，既受两相流体间的流动状态影响，又与 流体的物理化学性质及相际间的平衡关系有关，是一个非常复杂的过程。迄今为 止，人们提出了许多有关传质过程的理论旧儿剐，如双膜理论、渗透模型、表面 更新模型、膜渗透模型、漩涡池模型、涡扩散模型等等，力图能更加完善地解释 一些复杂地传质现象。对填料塔而言，由于在填料表面能够形成较为固定的相界 面，两相流体的流动速度不高，湍动程度亦不大，因此双膜理论常被用作建立填 料塔传质模型的基础。 双膜理论将复杂的相际问传质过程，归结为经两个流体停滞膜层的分子扩散 稳态传递过程，而在相界面处及两相流体的主体中均无阻力存在。这样，整个相 界面的传质阻力全部集中在两个停滞层内。在两相主体浓度一定的情况下，两膜 层的阻力便决定了传质速率的大小。因此双膜理论也称为双阻理论。众多填料塔 传质模型沿用了“双阻”的概念，早期c o m e l l 等哺3 在此基础上提出的气相和液 相传质单元高度( h g 、h j ) 模型和o n d a d 叼提出的有效比表面积a 。，q 。和气液传 质系数( 忌。、k t ) 模型比较著名，被认为是散堆填料的经典传质模型。虽然这 些模型新近开发的规整填料不太适用，但模型中h g 、h 1 t a 。，ap j i 。、岛等概念 被一直沿用下来。气相传质系数k ，和液相传质系数岛的定义式为： k g = a a p d gr e g o 7s c 9 0 3 3 3 ( 口p d ，) 也( 1 - 2 7 ) ，, x - o 3 3 3 k l = 0 0 0 5 1 i 旦ir e t o 鲫吖5 ( 口p d p p ( 1 2 8 ) 1 0 第一章文献综述 号= 卜d 吐4 s ( 形厂时耵”噼2 c ， 其中：d v 为填料表观尺寸，i l l ；口。为填料比表面积，m v m 3 ；甜，为气相表观速 度，m s ；朋为液相粘度，p a s ：圹为液体表面张力，n m ；d 。为填料的临界表面 张力，f l l m ： 气相s c h m i t 准数s c 的定义式为： 跨者 ， m s 液相w e b e r 准数r c ，和液相f r o u d e r 准数乃：的计算公式见式( 卜9 ) 和式 1 2 2 1b i l e t 传质模型 1 9 9 2 年，b i l l e t 和s c h u l t e s 口。啦! 开发了一个同时适用于散堆和规整填料的 传质模型，在载点以下范围其预测值与相当广泛的实验值符合很好。他们认为， 传质速率与气体接触的液体表面更新前须经过的流道长度的限制，而流道长度则 与填料的几何形状和尺寸有关。由于流体在填料接触点不断重新混合。因此可以 假定两相传质是在不稳定扩散下发生。其气液传质系数可由h i 曲i e 的渗透理论 进行计算。b i l l e t 模型的数学表达式为： 吒2 2 铲2 再。 1 f 确吐 ( 1 3 1 ) ( 1 3 2 ) 考：l 5 g ，以卜5 r c ，“耽，”5 乃，“5 ( 1 - 3 3 ) 在式中，啊为单位体积填料的持液量，m 3 m 3 ；占为填料的空隙率；以为塔的 直径，m ：“，和分别为气相和液相表观气速，m s ：d 为扩散系数。 1 2 2 2s p r 传质模型 b r a v o 和r o c h a 1 于1 9 8 5 年首先开发了使用于s u l z e r 丝网波纹填料的传质 模型( s p r 模型) ，1 9 9 6 年又根据板波纹和丝网填料表面润湿的差异对模型作了 修正洲，使之能预测不锈钢板波纹填料的效率。他们基于s h e r w o o d 湿壁塔传质 第一章文献综述 研究结果。1 并结合规整填料的精馏数据，得出了气相传质系数的关联式。对于岛， 仍采用溶质深透理论，并对暴露时间作了简化处理。有效比表面积则选用s h i 和 m c r s m a m a 呻3 等人的研究结果。 k s = 0 0 5 4 时8 时” ( 1 - 。4 ) 社急 ( 1 - 3 5 ) 考= r 方案岛 ，6 ， 式中f t 为校币部分润湿填料的总持漓量校诈因- 7 ：。 1 2 2 3d e l f 传质模型 d e l f t 传质模型啪3 假设填料表面被均匀润湿，因而ac ，a 。接近于i 。对于气 相传质系数，该模型认为k g 随液相表面湍动而有所增大。f a k 等人汹对s p r 和 d e l f t 模型进行了比较，认为两者对于ao ，q 。关联式进行计算，而计算的关键在 于当量直径d e 的选取。 。k 枷。+ k m 2 ( 1 - 3 7 ) k 砘6 鸭气! 警肥) m s s ， k g 岫2 + ( 剥 ( ， 南宅靠嚣丽 m 4 生：! 二旦 ( 1 - 3 6 ) 日，l + 2 1 4 3 x f l 0 - 6 恐 上式中七。枷和吒帅分别为气相层流和湍流传质系数，m s ：磊为气液相两 相阻力分离因子；q 为孔所占的填料面积分率； 其它的“双阻”模型还包括h a r l e y 的“电子渗流器”模型，s p i e g e 枷阳1 、 第一章文献综述 删碑* 皤 2 m 1 3 本论文的研究工作 硼是微量易溶的轻元素，它有两种稳定的同位素，硼1 0 和硼1 1 ，硼1 0 在自 然界中的丰度较小，为1 9 3 ，硼元素中大量的为硼l l ，占8 0 7 。但硼1 0 相对硼n 来说在核电、现代工业和医药方面应用都非常广泛，因此获得较高的 硼l o 丰度就十分重要。 本课题组正在研究用化学交换法分离硼同位素的小试技术。该过程分离要求 高，课题组已经作过采用普通填料来获得丰度为9 5 硼l o 产品相关方面的计算， 结果表明，在中试和工业化设计工程中，需要相当高的填料塔高度，这将会给操 作、控制和运行都带来很大的不便。因此，开发或引入高性能的新型填料对于化 学交换法分离硼同位素相关技术的成功开发是十分重要的。基于此，本论文对两 种新型规整填料c d g l 7 0 0 y 和c d g 2 5 0 0 y 的性能进行深入的考察，主要研究内 容如下： ( 1 ) 利用环己烷一庚烷、庚烷一甲苯这两种二元测试物系对新型金属丝网 波纹规整填料c d g l 7 0 0 y 和c d g 2 5 0 0 y 的流体力学和传质性能进行研究，为分 第一章文献综述 离硼同位素的设计计算提供参数。 ( 2 ) 用s r p ( i i ) 模型对金属规整填料c d g l 7 0 0 y 和c d g 2 5 0 0 y 两种填料的 流体力学和传质性能进行预测，并与实验值比较。 ( 3 ) 在s r p o i ) 模型的基础上建立新的简易传质模型，来预测该两种新型金 属丝网波纹填料的传质性能，计算结果与s r p ( n ) 模型和实验值来做对比，评价 其可靠性。 ( 4 ) 利用实验中测定的上述两种新型金属丝网波纹填料的流体力学性能与 传质性能对硼同位索的化学交换填料塔进行了设计。 1 4 第二章填料性能的实验研究 第二章填料性能的实验研究 近些年来，规整填料以其生产能力大、分离效率高、压降低、操作弹性大及 低持液量等诸多优点而被广泛地应用于精馏、吸收及萃取等多种化工单元操作 中。随着化工生产规模的日益扩大，有可能将改造或增建各种单元操作之塔设备 由板式塔而为填料塔，如此就需要对各单元操作中的填料塔进行准确的设计和控 制，即需对填料塔中的传质分离过程有较为准确的理解和描述。填料塔内气液两 相以逆流方式流动，在正常操作中气相为连续相，液相为分散相，分布在填料表 面呈液膜。因此塔中气液两相的流体性能和传质性能对填料塔的设计和操作有着 极为重要的影响，因此研究填料的流体性能和传质性能对其的应用有着重要的意 义。 c d g l 7 0 0 y 和c 1 3 g 2 5 0 0 y 规整填料是两种新型的高密度丝网波纹填料，该类型 的填料被认为具有更高的分离效率，尤其适用于理论板数特高的场合，使用该填 料不仅能获得更高纯度的精馏产品，而且还能大幅度的降低塔的高度；同时为本 课题组开发的化学交换法分离硼同位素工艺的工业化提供可靠的设计数据。 2 1 实验方法与流程 填料塔是生产中广泛使用的一种塔型，在进行设备设计时要确定所选填料的 理论板数或等板高度h e t p 。它们与塔的结构、操作因素以及系统物性有关。物 性中主要影响效率的因素有：相对挥发度、粘度、浓度、扩散系数及表面张力。 本实验选用环己烷一庚烷“1 及庚烷一甲苯“ 两种二元混合物作为测试物 系，这两种物系在操作的温度和压力范围内，不形成共沸物，接近理想混合物， 相对挥发度交化比较小；沸点适中，适宜在常压下使用，且在冷凝中，容易用水 冷凝下来。同时，这两种物系毒性较小，平衡数据也较为齐全。表2 一l 和表2 2 分别为常压1 o l x1 0 5 p a 条件下，含环己烷摩尔分率为3 0 的环己烷一庚烷物系， 及含庚烷摩尔分率为2 5 为庚烷一甲苯物系下的物性数据。 第二章填料性能的实验研究 表2 1 环己烷一正庚烷物系的物性数据 t a b l e 2 1p h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h ec y c