圆筒型填料的性能研究

彭 轶,朱菊香,刘炳炎,姚克俭

(绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地浙江工业大学化学工程与材料学院,浙江杭州310032)

圆筒型填料的性能研究

彭 轶,朱菊香,刘炳炎,姚克俭

(绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地浙江工业大学化学工程与材料学院,浙江杭州310032)

针对一种开有两层相互交错窗孔并带有齿形结构弧片的新型圆筒型填料,在内径为600mm的有机玻璃塔内,采用空气-水物系,研究了它的流体力学性能;在内径为600mm的不锈钢塔内,采用环己烷-正庚烷物系,在常压、全回流的情况下,研究了它的传质性能;在内径为300mm的有机玻璃塔内,研究了分别以圆筒型填料、固定阀塔板和复合塔板为塔内件时脱除工业废水中丙烯腈的效果。实验结果表明,圆筒型填料的齿状结构改善了气液两相在填料层中的微流动和液体分布;与鲍尔环填料相比,当F因子为1.0～3.0kg0.5/(m0.5·s)时,圆筒型填料的干床压降降低了23%～40%;当喷淋密度为20m3/(m2·h)、F因子为1.0kg0.5/(m0.5·s)时,湿床压降降低了约40%;圆筒型填料的液泛点提高;当F因子为1.0～2.5kg0.5/(m0.5·s)时,等板高度比鲍尔环填料降低了11%～20%;当采用圆筒型填料作为塔内件时,丙烯腈脱除率比固定阀塔板高约8%,比复合塔板稳定。

圆筒型填料;流体力学性能;压降;塔内件;齿状结构

填料塔和板式塔是广泛用于现代化工生产过程的重要气液分离设备。填料塔具有通量大、效率高、压降小及持液量小等优点,而且对于高精密分离、液膜控制的吸收或真空精馏等过程,填料塔具有板式塔不能取代的优势[1,2]。填料塔内的填料分为散装填料和规整填料。随着科技的进步和工业生产发展的需要,国内外对填料及塔内件的开发研究越来越多,并设计出多种新型填料[3～12]。在散装填料方面,相继经历了拉西环、鲍尔环、阶梯环、英特洛克斯环等阶段[13,14]。其中,鲍尔环等环状填料作为常用的散装填料,具有制造简单、安装方便、成本低、对液体分布要求低等特点,特别适用于常压和加压操作。但鲍尔环填料存在传质效率较低、空隙率较低、填料压降较大、处理能力偏低等缺点。为克服上述缺陷,浙江工业大学开发了新型的圆筒型填料[15]。

本工作分别采用空气-水和环己烷-正庚烷物系,考察了圆筒型填料的流体力学性能和传质性能,并与相同尺寸的鲍尔环填料进行比较;还分别采用圆筒型填料、固定阀塔板和复合塔板作为气提塔的塔内件,考察了塔内件对含丙烯腈工业废水解吸效果的影响。

1 圆筒型填料的结构与特点

圆筒型填料由筒体、窗孔和弧片组成。弧片是一种由筒体直接冲压并向筒体内部弯曲的冲压片,弧片带有特制的齿形结构。圆筒型填料的结构示意见图1。

图1 圆筒型填料的结构示意Fig.1 Structure of cylindrical packing.

填料的筒体上开有两层相互交错排列的窗孔,窗孔内有齿状结构的弧片。由于弧片上的齿状结构,流过填料表面的液体被分割成数股细小的液流,改善了液体流过鲍尔环填料时存在的不良线分布,从而有效改善了气液两相在填料层中的微流动和液体分布,提高了填料层的传质效率。另外,由于弧片与筒体连接处有齿谷(见图2),消除了该连接处由于几何结构造成的空间死角,提高了该填料的空隙率,从而提高了气液两相的通量,降低了填料层的压降。因此圆筒型填料具有传质效率较高、空隙率较高、填料压降较小、处理能力较大等的优点。

图2 圆筒型填料Fig.2 Cylindrical packing.

2 实验部分

2.1 流体力学性能实验装置及方法

流体力学性能实验装置见图3。塔体材质为有机玻璃,直径600mm,塔内填料层高为2 500mm,两测压口间的距离为1 130mm。采用空气-水物系,在F因子为0.3～4.1kg0.5/(m0.5·s)、液体喷淋密度为0～80m3/(m2·h)的条件下测试圆筒型填料的流体力学性能。

由高压离心通风机产生的气流经流量计计量后由塔底进入塔体;水由水泵输出,经流量计计量后通过塔顶液体分布器分布后流入塔内。干、湿床层压降用U形管压差计测量。

图3 流体力学性能实验装置Fig.3 Schematic diagram of hydrodynam ical experimental apparatus. 1 Pump;2 L iquid flow meter;3 D istributor;4 Column; 5 Packing elim inating end2effect;6 Test packing;7 D ifferential pressure meter;8 Thermometer;9 Gas flow meter;10 B lower

2.2 传质性能实验装置及方法

传质性能实验装置见图4。塔体材质为不锈钢,内径600mm,圆筒型填料层高2 500mm。采用环己烷-正庚烷物系,常压、全回流操作,稳定操作30m in后,从塔顶回流液和塔釜液体取样。

采用岛津公司GC-14B型气相色谱仪对试样进行分析。分析条件:毛细管色谱柱,柱温70℃,气化室温度140℃,FID检测,检测器温度160℃,载气压力100kPa,氢气压力49kPa,氧气压力52kPa,进样量0.2μL,采用外标法定量。采用色谱工作站处理数据。

图4 传质性能实验装置Fig.4 Schematic diagram of mass transfer experiment. 1 Reboiler;2 Column;3 Condenser;4 Flowmeter; 5 Reflux tank;6 Pump;7 Sampling position

3 结果与讨论

3.1 填料干床压降

圆筒型填料与鲍尔环填料的干床压降(Δpd)与F因子的关系见图5。由图5可见,圆筒型填料的Δpd比鲍尔环填料低。当F因子为1.0～3.0kg0.5/(m0.5·s)时,圆筒型填料的Δpd比鲍尔环填料降低了23%～40%。这是由于圆筒型填料开有两层窗孔,且窗孔的一条边连有齿形结构的弧片,齿形弧片与筒体连接处的齿谷结构使圆筒型填料与相同尺寸的鲍尔环填料相比,具有更大的空隙率,提高了气体通量。因此,气体穿过相同高度的填料层时,圆筒型填料对气体的阻力较鲍尔环填料小、压降低。

图5 填料的Δpd与F因子的关系Fig.5 Relationship between dry2bed pressure drop(Δpd)of packing and F2factor.■ Cylindrical packing;● Pall ring packing

将实验数据通过最小二乘法进行回归处理,得到圆筒型填料的Δpd与F因子的关系式:

ΔPd=64.07F1.7564(1)

式(1)的适用范围:F因子为0.3～4.1kg0.5/ (m0.5·s),相关系数为0.992 6。

3.2 填料湿床压降

圆筒型填料与鲍尔环填料的湿床压降(Δpw)与F因子的关系见图6。由图6可见,在相同的F因子下,圆筒型填料的Δpw低于鲍尔环填料;当液体喷淋密度为20m3/(m2·h)、F因子为1.0kg0.5/ (m0.5·s)时,圆筒型填料的Δpw比鲍尔环填料降低了约40%。这是由于圆筒型填料上特制的齿形弧片,特别是靠近齿形弧片与筒体连接处齿谷的存在,提高了圆筒型填料的空隙率;当液体流过弧片时,由于弧片的齿形结构对液体流动有很好的分散作用,使液体在填料层内的流动分布更均匀,从而增大了填料的气液通过能力。另外,圆筒型填料的Δpd也比鲍尔环填料低。上述因素综合作用导致圆筒型填料的Δpw较鲍尔环填料低。

图6 填料的Δpw与F因子的关系Fig.6 Relationship between wet2bed pressure drop(Δpw)of packing and F2factor. Experimental condition:liquid spray density20m3/(m2·h).■ Cylindrical packing;● Pall ring packing

液体喷淋密度对圆筒型填料Δpw的影响见图7。由图7可见,在一定的F因子下,圆筒型填料的Δpw随液体喷淋密度的增加而增大。这是由于在相同的F因子下,填料层的持液量随液体喷淋密度的增加而增加。填料层的Δpw主要由两部分组成:一部分是气体克服干填料层结构的阻力,即Δpd;另一部分是气体克服填料层中持液量造成的压降。因此填料层中持液量的增加必然会导致Δpw的增加。由图7还可见,不同的液体喷淋密度下,Δpw随F因子的变化趋势一致,即Δpw随F因子的增大而增大。这是因为,在一定的液体喷淋密度下,F因子增大导致Δpd和填料层持液量均增大,使得Δpw增大。

图7 液体喷淋密度对圆筒型填料Δpw的影响Fig.7 Effect of liquid spray density onΔpwof cylindrical packing. L iquid spray density/(m3·m-2·h-1):□ 0;○ 5;◆ 10;∀ 20;▲ 40;■ 60● 80

对L eva经验关联式进行修正,得到该圆筒型填料在正常操作情况下的Δpw关联式:

Δpw=49.55×100.005LF2.385(2)

式中,L为液体喷淋密度,m3/(m2·h)。式(2)的适用范围:液体喷淋密度为5～80m3/(m2·h)、F因子为1.2～3.0kg0.5/(m0.5·s)。由式(2)计算得到的圆筒型填料的Δpw与实验值的比较见图8。由图8可见,圆筒型填料的Δpw计算值与实验值的偏差基本上在±10%以内,表明式(2)有较好的相关性。

图8 圆筒型填料Δpw的实验值与计算值的比较Fig.8 Comparison between calculated and experimentalΔpws for cylindrical packing.

3.3 液泛点

圆筒型填料和鲍尔环填料液泛时液体喷淋密度与F因子的关系见表1。由表1可见,与鲍尔环填料相比,在不同液体喷淋密度下圆筒型填料液泛点的F因子均有所提高。实验结果表明,由于圆筒型填料的新型结构有效改善了填料层内的气液流动,提高了液泛点的F因子,使填料塔的处理能力增大,从而扩大了填料塔的操作范围。

表1 液体喷淋密度与液泛点的F因子的关系Table1 Relationship between liquid spray density and F2factor at flooding point

对贝恩-霍根公式进行修正,得到圆筒型填料液泛点气速与填料特性、气体和液体流量之间的关系式:

式中,uGf为泛点气速,m/s;a为填料的比表面积, m2/m3;ε为填料的空隙率;Lh为液体质量流量, kg/h;Gh为气体质量流量,kg/h;ρL为液体密度, kg/m3;ρG为气体密度,kg/m3;μL为液体黏度, m Pa·s;g为重力加速度,m/s2。式(3)的适用范围:液体喷淋密度为5～80m3/(m2·h)、F因子为1.2～3.0kg0.5/(m0.5·s),相关系数为0.994 6。

3.4 填料传质效率

圆筒型填料与鲍尔环填料的等板高度(HETP)见图9。

图9 填料的HETP与F因子的关系Fig.9Relationship between height equivalent to a theoretical plate(HETP)of packing and F2factor.● Pall ring packing;■ Cylindrical packing

由图9可见,与鲍尔环填料相比,圆筒型填料的HETP较低,传质效率较高;当F因子为1.0～2.5kg0.5/(m0.5·s)时,圆筒型填料的HETP较鲍尔环填料下降约11%～20%。这是由于圆筒型填料开有更多的窗孔,特别是窗孔内弧片的齿形结构将液体分割成数股细小的液流,使液体在填料内的喷淋润湿点增多,液体在填料层的流动更接近点分布,减少了线分布,从而改善了气液两相在填料层中的分布和微流动,增加了液体湿润表面,使气液接触面积增大,从而提高了传质效率。

3.5 工业试验

生产丙烯腈的过程中产生的废水含少量丙烯腈[16],为节约用水及回收丙烯腈,需要对废水进行处理。以含丙烯腈的工业废水为物系,对圆筒型填料进行了工业试验。工业试验的塔体材质为有机玻璃,内径为300mm,分别装填3 000mm圆筒型填料、5层固定阀塔板[17]和5层复合塔板[18]3种不同塔内件。对丙烯腈质量分数约为7×10-5、温度约为55℃的工业废水进行气提解吸工业试验,考察3种塔内件对废水中丙烯腈脱除率的影响,试验结果见图10。

图10 塔内件对废水中丙烯腈的脱除率的影响Fig.10 Effect of column internals on removal rate(η)of acrylonitrile in wastewater. Test conditions:mole ratio of gas to liquid0.13.■ Cylindrical packing;● Compound tray;▲ Fixed valve tray

由图10可见,在气体与液体的摩尔比(气液比)为0.13的操作条件下,圆筒型填料的丙烯腈脱除率基本保持在95%左右且比较稳定,比固定阀塔板的脱除率高约8%,比复合塔板的脱除率高且稳定,只是当F因子大于1.5kg0.5/(m0.5·s)时,脱除率略低于复合塔板。在装有圆筒型填料的试验塔中,工业废水经过气提后,塔出口废水中丙烯腈的质量分数降至5×10-6以下,达到脱除要求。

4 结论

(1)圆筒型填料的筒体开有两层相互交错的窗孔,并且带有特制的齿形结构弧片。由于结构上的特点,使圆筒型填料能有效改善气液两相在填料层中的微流动和液体分布。

(2)当F因子为1.0～3.0kg0.5/(m0.5·s)时,与鲍尔环填料相比,圆筒型填料的Δpd降低了23%～40%;而当液体喷淋密度为20m3/(m2·h)、F因子为1.0kg0.5/(m0.5·s)时,圆筒型填料的Δpw较鲍尔环填料降低了约40%;圆筒型填料的液泛点有较大提高。得到了圆筒型填料的压降和泛点气速的表达式。

(3)当F因子为1.0～2.5kg0.5/(m0.5·s)时,圆筒型填料的HETP比鲍尔环填料降低了11%～20%,具有较高的传质效率和较宽的高效操作区域。

(4)在脱除丙烯腈的工业试验中,在气液比为0.13的条件下,使用圆筒型填料的丙烯腈脱除率保持在95%左右,比固定阀塔板高约8%,比复合塔板稳定;圆筒型填料具有较好的物料适应性和较宽的操作范围,可作为脱除丙烯腈的塔内件。

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(编辑 李治泉)

Study on Performances of Cylindrical Packing

(State Key Laboratory B reeding Base of Green Chem istry2Synthesis Technology,College of Chem ical Engineering and M aterial Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou Zhejiang310032,China)

Peng Yi,Zhu Juxiang,Liu B ingyan,Yao Kejian

A kind of cylindrical packing w ith t wo2layer staggered w indows and arc pieces w ith serrated structure was presented.Hydrodynam ics perfor mance of the cylindrical packing was studied in a600mm diameter column w ith air2water system.Its mass transfer perfor mance was investigated in a600mm diameter stainless steel column w ith cyclohexane2n2heptane system under the conditions of at mospheric pressure and total reflux.Removal of acrylonitrile in wastewater was carried out in a300mm diameter column w ith cylindrical packing,fixed valve tray and compound tray,separately.The serrated structure of cylindrical packing could i mprove both m icro flow and liquid distribution of gas2liquid in the packing bed. Compared w ith pall ring packing,dry2bed pressure drop for cylindrical packing decreased by23%-40% when F2factorwas in the range of1.0-3.0kg0.5/(m0.5·s),and wet2bed pressure drop decreased by about40%when liquid spray density was20m3/(m2·h)and F2factorwas1.0kg0.5/(m0.5·s).F2factor of the cylindrical packing at flooding pointwas higher than that of pall ring packing under the experi mental conditions.Height equivalent to a theoretical plate(HETP)of the cylindrical packing was11%-20%lower than that of pall ring packing when F2factor was in the range of1.0-2.5kg0.5/(m0.5·s).W hen the cylindrical packing was used as column internals,removal rate of acrylonitrile was about8%more than that using fixed valve trays,and the operation was more stable than that when compound trays were using.

packed colum n;cylindrical packing;hydrodynam ics;pressure drop;colum n internals; serrated structure

book=2,ebook=32

1000-8144(2010)02-0192-06

TQ053.5

A

2009-09-11;[修改稿日期]2009-11-23。

彭轶(1984—),男,安徽省芜湖市人,硕士生。联系人:姚克俭,电话0571-88033585,电邮yaokj@zjut.edu.cn。

浙江省科技计划项目(2008C21169)。