大型波纹规整填料塔二维返混特性实验测量与模拟

刘伯潭，朱学军，余国琮

(天津大学化学工程联合国家重点实验室，天津 300072)

填料塔中的液相返混对传质效率有很大影响，由于填料塔内液相的不均匀分布，使得其实际状况偏离理想的活塞流，一直以来对填料塔液相返混的研究大多采用扩散模型，用返混系数来表征返混程度的大小．近几十年来，学者们对填料塔内的返混进行了大量研究．最常用的是一维轴向返混模型[1-6]．一维返混模型只考虑轴向的流动和扩散，对于较小塔径和散堆填料，这种模型比较合适．对于直径较大的填料塔，其径向返混影响很大，使用一维返混模型过于简略，因此学者们提出了二维返混模型[7-10]，二维返混模型假设塔内轴对称，使用轴向返混系数和径向返混系数，能够一定程度地反映在示踪剂径向上的分布．Delgado[11]曾对散堆多孔介质中的轴向和径向返混进行过系统地总结．但是对于规整填料，由于结构原因，单盘规整填料是各向异性的，因此不能简单地以轴向和径向返混来表达．但实际填料塔相邻两盘规整填料都是旋转 90°交错安装，因此在远离塔进口处可以近似地认为填料塔是各向同性的，可以使用二维返混模型．笔者实验装置为装填 250,Y规整填料的填料塔，直径为 1,000,mm，采用二维返混模型进行研究．

1 实验装置及测试方法

朱学军[12]采用铂电阻温度探头和计算机实时采集系统测定填料层中的示踪剂温度分布．应用该测试手段能够有效地同时测定填料层中不同轴向和径向位置 48个点的示踪剂温度分布．本实验所用填料为天津大学填料厂生产的250,Y塑料波纹板填料，直径为 990,mm，盘高 200,mm．实验在直径 1,000,mm的塔中进行，塔总高度为 7,m，填料装填高度2,000,mm，所用物系为空气—水系统．实验中，冷水与热水流量比例为 10∶1，冷水温度控制在 16～21,℃，热水由电热锅炉加热，热水储槽内的温度控制在 80,℃左右．实验时，为保证实验过程中冷水底值温度不变，采用一次用水．空气由离心式高压风机从塔底送入塔内，用蝶型阀调节，皮托管微压差计测定风量.

实验在塔填料段上端使用的分布器为双层排管式液体分布器，下层排管为冷水分布器，开有 192个直径 3.5,mm 的喷淋孔，上层排管为热水分布器，开有114个直径为2,mm的喷淋孔．热水的喷淋范围是塔中心的直径为 336,mm的圆形范围，直径从 336～1,000,mm的同心圆是冷水喷淋范围．

实验测得不同平面填料塔温度分布．定义无因次温度

式中：t为局部温度；tc为冷水进口温度；th为热水进口温度．

把实验测得的局部温度转化为无因次温度，实验测量结果如图1所示．

图1 实验测量的无因次温度的分布Fig.1 Measured profiles of dimensionless temperature

图1(a)为距离塔顶400,mm，即2盘填料平面内的无因次温度分布，图 1(b)为距离塔顶 1,000,mm，即 5盘填料平面内的无因次温度分布．由图 1(a)中可以看到，经过 2盘填料后，无因次温度已经有相当大程度的扩散，这是因为由于结构的原因，规整填料与散堆填料相比有明显的壁流效应；无因次温度的分布总体呈中间高，四周低，但并不是单峰分布，而是比较明显的多峰，这反映了规整填料各向异性的特点．而在图 1(b)中，可以看到经过 5盘填料后，无因次温度分布变得相对均匀得多，虽然仍然是中间高，但峰高比图 1(a)要平缓得多，而且多峰特征变弱，温度分布规律明显．总体上，图1(b)中的温度分布更加接近各向同性．

2 二维返混模型返混系数的确定

用无因次温度 T表示的一维流动二维返混方程为

实验中热水示踪剂稳态注入，并且在整塔温度达到稳定后才开始测量各点温度，因此实验为稳态，模型方程为

边界条件如下．

对上述模型采用有限差分法求解，得到结果见图 2．

图2 二维返混模型温度分布与实验对比Fig.2 Dimensionless temperature field solved by 2D axial symmetrical dispersion model and comparison to the experiment

图 2给出模型求解结果和实验测量的无因次温度的对比．图中的实验工况是液相流量 Q＝10,m3/h，求解后得到轴向返混系数 Dz＝8.3×10-3，径向返混系数 Dr＝1.21×10-3．从图 2中可以看到，在 z＝1,000,mm的平面内，模拟反算得到的温度分布与实际比较接近，但是 z＝400,mm 位置模拟反算结果和实验差别较大．这是因为规整填料各向异性，这种各向异性只有在远离塔进口处通过填料盘反复交叉排列分配液流才能消除，液相流动状况在距离进口1,000,mm处相对离塔进口较远，因此模型反算结果与实验比较符合，而距离塔进口200,mm处过于接近塔顶，其流动状况和模拟情况差别较大．

3 各向异性返混模型

由于二维返混模型所表达的流动情况和规整填料的实际流动情况有所差异，因此只能认为在远离塔进口的温度分布符合二维返混模型．

为了更好地模拟规整填料中的液相返混，本文还考察了各向异性二维返混模型．因为规整填料实际的流动情况是三维的，因此，若只考虑轴向流动，其稳态扩散方程为

式中：x为填料片伸展方向；y为填料片的法向方向．采用有限差分法求解该方程，可以在制作物理模型时按填料盘高度分段划网格，以本文为例，可以划分 5块直径 1,000,mm、高 200,mm的圆柱体代表各盘填料；实际的规整填料各盘之间旋转 90°交错排列，因此在计算中相邻的2盘填料Dx和Dy要交换数值，这样从进口依次计算，可以模拟实际的规整填料的返混情况．一般地，3个方向的返混系数难于确定，且鲜见文献报道．在本文实验中，填料片由塑料制成，且不开孔，因此Dy可以近似看作零．

而借鉴前面各向同性二维返混模型的计算结果，令 Dz＝8.3×10-3，伸展方向的返混系数等于径向返混系数，即 1.21×10-3，用有限差分法求解模型，得到结果如图3所示．

图 3给出了 z＝400,mm 和z＝1,000,mm 2平面的计算结果和实验测定的无因次温度的对比，因为采用了各向异性模型，图中计算结果分为x和y 2个方向；由此可以看到，与图 2相比，z＝400,mm 位置的计算结果和实验值大为接近，z＝1,000,mm 位置与实验偏离稍远，但总体而言也可以接受．

图 3的结果说明本文用二维返混模型计算结果是合理的，也就是说，如果测量位置远离进口，规整填料的各向异性特征会大幅减弱，所得的轴向和径向返混系数应可以代表整塔的返混情况，若用该模型计算距离塔入口较近位置的温度分布偏差较大，但这种偏差来源于规整填料的各向异性特征而不是模型本身．用相同的返混系数，采用各向异性的返混模型就可以得到相对满意的结果，这点也从侧面说明二维返混模型得到的返混系数是可靠的．

4 结 论

(1)以热水为示踪剂，对填充有塑料制 250,Y板波纹规整填料的直径1,000,mm的填料塔进行了二维返混特性研究．实验中示踪剂为稳态连续注入，采用铂电阻温度探头测定了在填料塔不同层面的温度分布．应用二维返混模型模拟本文填料塔的返混情况，有限差分法求解，得到了轴向和径向返混系数．(2)由于规整填料的各向异性特征，二维返混模型计算的无因次温度分布在距离塔入口较近的位置，与实验测量值偏差较大，这是由于模型模拟的情况和实际情况差别较大导致；使用相同的返混系数，应用各向异,性的返混模型，计算结果大为改善．因此，采用二维返混模型得到的返混系数基本可靠．

［1］ Andrzej K，Mieczysław J，Hartmut S，et al. Dynamic tracer study of column packings for catalytic distillation[J].Chemical Engineering and Processing，2005，44(6)：661-670.

［2］ Selvaraju N，Pushpavanam S. Adsorption characteristics on sand and brick beds[J].Chemical Engineering Journal，2009，147(2/3)：130-138.

［3］ Hamdaouri O. Dynamic sorption of methylene blue by cedar sawdust and crushed brick in fixed bed columns[J].JHazard Mater，2006，138(2)：293-303.

［4］ Carberry J J，Bretton R H．Axial dispersion of mass in flow through fixed beds[J].AIChE J，1958，4(3)：367-375.

［5］ Ahn B J，Zoulalian A. Axial dispersion in packed beds with large wall effect [J].AIChE J，1986，32 (1)：170-174.

［6］ Leitao A，Carlos P，Santos S，et al. Tracer experiments in fixed beds：Effect of flow maldistribution on the estimation of transport kinetic parameters[J].Chem Eng J，1994，53(3)：193-199.

［7］ Vortmeyer D，Winter R P. Impact of porosity and velocity distribution on the theoretical prediction of fixed bed chemical reactor performance [J].Chem Reac Eng，1982，5：49-61.

［8］ Vortmeyer D，Schuster J. Evaluation of steady flow profiles and circular packed beds by a variational method[J].Chem Eng Sci，1983，38(10)：1691-1699.

［9］ Delmas H，Froment G F. A simulation model accounting for structural radial non-uniformities in fixed bed reactors[J].Chem Eng Sci，1988，43(8)：2281-2287.

［10］ Winterberg M，Tsotsas E，Krischke A，et al. A simple and coherent set of coefficients for modelling of heat and mass transport with and without chemical reaction in tubes filled with spheres[J].Chem Eng Sci，2000，55(5)：967-979.

［11］ Delgado J M P Q. Longitudinal and transverse dispersion in porous media[J].Chemical Engineering Research and Design，2007，85(9)：1245-1252.

［12］ 朱学军. 大型规整填料土层内液体流动返混特性的研究[D]. 天津：天津大学化工学院，1995.

Zhu Xuejun. Study on Liquid Flow Distribution and Dispersion in a Large Scale Column Containing Structured Packing[D]. Tianjin：School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin Universtiy，1995(in Chinese).