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金屬矩鞍環填料的流體力學與傳質性能的研究
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金屬矩鞍環填料的流體力學與傳質性能的研究

2019-07-21      閱讀:
在 DT B Y 一 3 0 0 多功 能填料塔 實驗裝置 中, 以 空氣一 氨氣一 水 為物 系 , 對金屬矩鞍環填料的流體 力學與 傳質性 能進行 了研 究 , 獲得 了 該填料的幾何特性 參數和 P/Z一 Fv 、 H0 一 F v 、 H二G 、 H E PT 一 G 及阮一 G 等關 系曲 線 。 結 果表 明 , 該 填料具 有壓 降適 中、 通量 高、 氣液分布均 勻及傳 質性能 穩定 等點 , 比較適 用 于 清潔 、 堿腐獨性 流體的 氣一液吸收 、 精餾和 等傳質分離工 業過程 。

填料塔具有結構簡單 、 易于 制作 、 壓降小 、 傳質面積大及效率高等點 , 已在化工 、 煉油 、 醫藥 、冶金 、 原子 能和環境等工業領域 中 , 作為精餾 、 吸收和 等分離 過程的重要設備得到廣泛應用 。作為填料塔主要和基本的部分— 填料的研究開發工作也愈來愈受到工 業界的重視〔’川。 研究和開發一些流體力學和傳質性能 良的新 型、 高效填料 , 已成為填料塔技術在相關工業領域推廣應用的關鍵和迫切要求。
 
 
自填料塔用于工業生 產以來 , 填料的結構形式有重大改進 , 特別是近 二 、 三 十年來發展 更快 , 目前 , 各種類 型 、 各種規格 的填料有幾 百種之 多。填料結構改進的方面可 歸納為 :
( 1) 改善流體的分布與接觸 , 以 提高分離效率 ;
( 2) 增加流體的通過能力 , 以適應大規模工 業生 產的需要 ;
( 3)解決放大問題。
 
在填料塔內 , 氣體由填料間的空 隙流過 , 流體在填料表面 形成液膜并沿填料間的空 隙而 下流 ,氣液兩 相間的 傳質過程 在潤 濕 的 填料表 面上 進行 。 因此 , 填料塔 的生 產能力 和傳質速率與填料特性 密切相關 。 一 般填料性能的參數 由比表面 積 、 空 隙率 和 填料 構成 。 選擇填料 時 , 一般要 求表面 積 和空 隙率要 大 , 填料 的濕潤 性能好 , 單位體積 填料 的質量 輕 , 造價低并有足 夠的機械強度 。
 
本次實 驗是對矩鞍環填料的性能做一些 研究 。 矩鞍形填料是由薄金屬 板沖成 的整體鞍環 , 結構見圖 1 。 其點為 : 保留了鞍形填料的弧形 結構 , 并有內彎葉片的小窗 ; 全部表面 能被有效的利用 ; 流體湍動程度好 , 且有良好 的液體再分布性能 ; 通 過能力大 ,  壓強 降小 ,  滯液量小 ; 堆積 密度小 ,  填料層 結構均勻。
金屬矩鞍環填料的流體力學與傳質性能的研究
本實驗是在 T D B Y 一 3 0 多功能填料吸收塔實驗裝置中 , 以空氣一氨氣一水為物系進行的。
 
1 實驗部分
 
L l 實驗裝置與流程

實驗裝置及基本流程如圖 2 所示。 裝置主體為不銹鋼填料塔 , 其有效填料層 高度為 .2 o m ,  塔內徑為 .0 3 Om , 系統各相關部位設有相應的溫度 、壓力 或流量等測試和指示儀表 , 同時采用配套軟件 由計算機在線采集 、 計算和分析處理有關數據 , 獲得相應的實驗結果。
 
L Z 實驗條件
 
1.    2 .    1 吸收操作系統的氣一液介質及濃度
 
本實驗采用 清水一空氣冷態 系統來研究填料層的壓 降 、 動態 持液量等流體力 學特性 , 采用清水吸收混合空氣中的氨氣來獲得填料的氣相傳質單元高度 H 、 、 總傳質系數 K 二 、 等板高度 H E T 等傳質特性參數 。 在吸收過程 中 , 為使整個操作處于等溫狀態和 系統 的氣一液平衡關 系服從 H e l l r yr 定律 , 實驗時采用了較低的氨氣進 口 濃度 , 以便于數據的分析和計算。 據文獻報道51[ , 氨氣進口 濃度處于 .0 05 一 1 . 0 ( m lo % ) 范圍較為適宜 , 本實驗 中由于所安裝的填料層高達 .2 0 0 m , 系統 的吸收效果好 , 因而 采用 了較高的氨氣人 口 濃度 , 約為
0 .  7 0 一 1 .  0 0 ( m o l% ) 。
金屬矩鞍環填料的流體力學與傳質性能的研究
1.  .2 2    吸收操作范圍
 
據本實驗裝置的生產能力和相關技術指標情況 , 本研究中所采用 的操作范圍如下 :空 氣質量流速:  61 0 一 1創x 用k歲砂•  h液體噴淋密度 :  0 一 5 0m V澎•  h
 
L 3 實法
 
實驗前先對系統的壓力、 溫度 、 流量等計量儀表進行校準 , 使其測量 誤差控制在 1% 一 3% 內 , 再將塔內所裝的填料預 液泛 , 以充分濕潤填料。
 
進行流體力學實驗時 , 先 固定液體在某一噴淋密度 , 改變氣速 , 測定不 同氣 速下填料層壓值 , 然后變更液體噴淋密度 , 按此法重 復 以上的測定步驟 , 即獲得相應的實驗結果 。 動持液量的測定方法 為 : 在填料塔正 常操作過程 中, 同時停止氣液兩相加料 , 并經 適 當的時間排液 , 直至 填料層無液體滴 出 時 ,測量所排出的液體體
積。
 
進 行填料 的 傳 質性 能 測 定時 , 先 開啟 空氣一水 系統 , 再開 啟氨氣進行吸 收操作 , 操作達到正常時 , 采用酸中和法平行 分析尾氣中氨的濃度 , 根 據實驗條件按 一 定方法計算填P料的各種傳質參數。
 
L 4 實驗數據處理
 
對于氣膜控制的低濃度吸收過程 , 系統的氣液平衡關系可以近似認為服從 H e n n 了 定律 , 實驗數據按下列各式進行處理計算〔“ 〕:
金屬矩鞍環填料的流體力學與傳質性能的研究
2 實驗結果及討論
 
.2 1 金屬矩鞍環填料的特性
 
實驗 中,     對金屬矩鞍環填料的特性進行了測定 ,  結果列人表1 中。

對 比相近 規格 的鮑爾環階梯環填料 ( 亂堆 ) ][9 , 可看出該填料的比表面 積約下降 5% , 空隙率則提高 .7 6% , 其中填料下 降 8 0 % 。 這 表明該填料在使用過程 中, 具有較小的流動阻力和較高的液泛氣速。
 
2. 2   填料的流體力學性能
 
2. 2 .    1   單位填料層高度的壓降損失與氣相動能的關系實驗 測定 了 環境溫度 52 ℃ 和不 同液體密度下 ,  氣體流過單位填料層高度 的壓降損失 ,  并將其表示成與氣相動能的關 系 , 所得結果如圖 3 所示。
金屬矩鞍環填料的流體力學與傳質性能的研究
圖 3 可知 : 單位填料層高度所對應的壓降大小與噴淋密度及氣速有關 , 液體噴淋密度越大 , 氣速越大 , 其對應的值越大。 一定噴淋密度下 , 填料層壓降隨空塔氣速的變化曲線大致可分為三 個階段 : 在較低的空塔氣速下 ( 攔液點以下 ) 時 , 填料層 壓降 ( 氣體流動的阻力 ) 很小 , 曲線形狀基本上呈 直線性增長 ; 在高空 塔氣速 (泛點以上 ) 時 , 填料層 壓降隨空塔氣速急劇增長 ; 在載點和泛點氣速之間時 , 填料層壓降增長速度處于適中的狀態。
 
根據實驗觀察和 圖解法 , 可粗略確定出該填料的泛點特性 , 如表 2 所示。

.2 .2 2 填料動持液量與氣相動能的關系
 
填料塔 的動持液量是 指在一定操作條件下 , 單位體積填料層 內 , 在填料表面及空隙中所積存的、 能從填料層 中自然滴出的液體體積量。 具有適當動持液量的填料對維持填料塔 的操作穩定性和促進填料表面的濕潤及氣液兩相間的傳質是有益的 , 但持液量太大 , 將減少填料層的空 隙和氣相流通截面 , 使壓降 , 處理能力下 降。
 
實驗測定結果表明 : 填料動持液量受液體噴淋密度影響較大 , 但在一定的噴淋密度下 , 其隨氣體空 塔速率的變化較小 。 這表明在固定的噴淋密度下 , 填料表面的潤濕情況和所形成的液 厚度
膜基本穩定 ,  液膜側的傳 庸陽 七 拍千桐定 (見圖 )4

2 3 填料的傳質性能與氣體質 t 流率的關系
 
5、 圖 6、 圖 7 給出了不同液體 噴淋密度和氣體質量流率下 , 該填料傳質性能的實驗結果 。

圖 、  圖 6、   圖 7 可 知 : 液體噴淋密度一 定時 , 低空 塔氣速下填料的氣相傳質單元高度隨氣體質量流率的增加而有所 , 在接近泛點氣速時 , H 、 達到大 , 隨后 有迅速下降的趨勢 ; 氣相總傳質系數 凡 在整 個過程中則幾乎隨氣體質量流率按線性關系增加。同一 氣體質量流率下 ,  H co隨液體噴淋密度增加而下 降 , 阮 隨液體噴淋密度增加而增加。
 
圖 6 給出的該填料等板高度 H E開 與液體噴淋密度和氣體質量流率的關系 , 其變化趨勢主體上與 H二 的變化規律一致 , 這也說明在低粘度吸收操作 時 , 兩 者 的關系基本遵循式 ( 1 ) 一 ( 4) 的理論解釋。
 
 
3 結論
 
(l) 通過實驗獲得了金屬矩鞍環填料 流體力學和 傳質性能參數 , 并考察了這些性能參數隨操作條件變化的基本規律 , 可供工業設計及工業生產過程 參考。
 
2( ) 研究結果表明 : 金屬矩 鞍環填料具有壓降適中、 通量較大、 傳質性能穩定等特點。 此外 , 該填料具有較高的抗壓強度 , 而且耐堿腐蝕 , 是一種較好的散堆填料 , 比較適用于清潔、 堿腐蝕氣一液傳質與分離過程。
 
符號說 明 :
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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