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鮑爾環與共軛環在過程中的應用研究
2019-07-30 閱讀：
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摘要：在 O120mm的塔中分別測試了 O16共軛環和 O16鮑爾環的流體力學性能和傳質性能 , 結果表明 , 共軛環的兩方面性能均于鮑爾環 , 同時對此作了分析。
填料塔結構簡單 , 造價低廉 , 操作方便 , 在石油煉制、 化學工業、 醫藥衛生等方面得到應用。 早期的填料如拉西環 , 處理量小、 傳質效率低。 因此在五十年代 , 填料塔被轉盤塔、 脈沖塔等帶械攪拌的塔所取代。 而機械攪拌塔的軸向返混嚴重 , 尤其是對低界面張力體系 , 使塔效率明顯下降。 近十幾年來 , 由于新型高效填料的不斷發展 , 使填料塔處理能力和傳質效率有較大的提高。 填料塔的應用和研究又重新得到了重視 , 有些工業裝置中已經用高效填料塔取代轉盤塔等。
共軛環填料是華南理工大學化學工程研究所自行研制的一種高效散堆填料 , 它在汽-液傳質過程中具有通量大、 阻力小、 傳質效率高等點 , 已在精餾和吸收過程中得到廣泛應用 , 但在過程中還未得到應用 , 主要由于缺少液-液傳質過程中的兩相流動和傳質數據。
本文在 O120mm的塔中 , 分別測試了O16mm共軛環和 O16mm鮑爾環的流體力學和傳質性能 , 并作了分析比較 [1～ 3 ]。
1 實驗裝置及實驗技術
1. 1 實驗裝置及流程
圖 1為 O120mm塔流程圖。水相由耐腐磁力泵由塔頂入口送入 , 相用離心泵由塔下部進口送入 , 進出口流量用轉子流量計計量并調節 , 控制連續相 (水相 ) 出口流量以保持相界面恒定。
1. 2 實驗體系與填料特性數據
( 1) 填料特性數據見表 1。
( 2) 實驗體系
試驗采用正丁醇-丁二酸-水體系 , 是歐洲化學工程聯合研究會推薦的傳質實驗標準體系。 物性數據見表 2。
實驗體系的平衡關系由實驗標定 , 回歸后得
1. 3 實驗技術
實驗中分散相和相中的丁二酸濃度采用滴定法測定 , 用酚酞作指示劑。 分別測定兩相的進出口濃度。
分散相存留分數的測定通常采用體積轉換法 , 本試驗從塔底接一塔外細管和塔體平行 , 和塔體形成一 U型管 , 塔外細管上有精確到毫米的刻度 , 根據實驗中不同的讀數和填料空隙率可計算出分散相的存留分數。 測試過程是 , 當塔內兩相流動完全穩定后 ,同時關閉連續相的進出口閥 ,關閉分散相進口閥 , 待塔內兩相完全分層后 , 讀出塔外圖示測壓管讀數。
液泛速度是塔的一個重要參數 , 在一定的水相流速下 , 緩慢提高相的流速 , 直到界面無法穩定 , 水相中有嚴重夾帶 , 此時即為液泛速度。
2 流體力學測試結果與討論
2. 1 實驗結果
本實驗中 , O16共軛環的分散相存留分數與兩相流速關系見圖 2。O16鮑爾環的分散相存留分數與兩相流速關系見圖 3。 兩種填料的液泛速度比較見表 3。
2. 2 填料塔的兩相流動關聯式
四十多年來 , 柱式設備中的兩相流動特性 的 研究取得了很 大 進 展。 五 十 年代 ,H. R. C. Pratt 和 J. D. Thornton[4 ]提出了利用特性速度 vo 關聯柱內兩相流速和分散相存留分數的基本關系式:
Laddha[5 ]等人在 1961年又提出對于填料塔 , 其特性速度 v0 與體系特性有如下關系:
本文通過回歸試驗數據得到:
2. 3 結果分析
由實驗結果可知 , 相同的兩相流速下 , 共軛環填料的分散相存留分數較小 , 并且共軛環的液泛速度比鮑爾環大。 原因有兩點:
一方面 , 從表 1我們可以知道 , 由于共軛環的空隙率比鮑爾環大 , 在相同的兩相流速下 , 其特性速度 v0 較小 , 所以在兩相流速時 , 分散相在共軛環填料中的存留分數增加慢 , 而在鮑爾環中增加較快 , 因而鮑爾環易于液泛。
另一方面 , 由于鮑爾環填料是柱形結構 , 易于產生與塔體方向垂直的截面 , 在塔中起到攔液的作用 , 而共軛環填料由于其特殊的構造 , 垂直于塔體方向的填料截面少 , 所以共軛環的通量大 , 液泛速度大。
從上圖可知 , 共軛環填料的傳質性能于鮑爾環 , 表觀的傳質單元高度比鮑爾環小 20% 左右 , 主要由于共軛環填料的空隙均勻 , 填料表面有自然的傾斜表面 , 從而減少了返混 , 而鮑爾環的空隙均勻程度就不如共軛環 , 而且其垂直于塔體方向的截面必然使返混程度 , 從而降低了傳質效率。
4 結論
共軛環填料不在吸收、精餾等汽-液傳質中是一種性能越的高效填料 , 而且實驗證明其在液-液過程中也具有較為越的性能 , 應進一步完善其液-液傳質方面的數據 , 以便盡快使共軛環應用于液-液工業過程中。
符 號 說 明
a 比表面積 , m2 /m3 c 常數
D 分子擴散系數 , m2 /s e 空隙率
g 重力加速度 , m2 /s
Hox p 表觀傳質單元高度 , m m 平衡分配系數
Nox p 表觀傳質單元數
n ( 1- O) 的指數 v 表觀速度 , m /s vo 特性速度 , m /s
分散相存留分數
ρ 密度 , kg /m3
μ 粘度 , kg / ( N· s)
γ 界面張力 , N /m 下標
c , x 連續相 d , y 分散相 f 液泛點
填料塔結構簡單 , 造價低廉 , 操作方便 , 在石油煉制、 化學工業、 醫藥衛生等方面得到應用。 早期的填料如拉西環 , 處理量小、 傳質效率低。 因此在五十年代 , 填料塔被轉盤塔、 脈沖塔等帶械攪拌的塔所取代。 而機械攪拌塔的軸向返混嚴重 , 尤其是對低界面張力體系 , 使塔效率明顯下降。 近十幾年來 , 由于新型高效填料的不斷發展 , 使填料塔處理能力和傳質效率有較大的提高。 填料塔的應用和研究又重新得到了重視 , 有些工業裝置中已經用高效填料塔取代轉盤塔等。
共軛環填料是華南理工大學化學工程研究所自行研制的一種高效散堆填料 , 它在汽-液傳質過程中具有通量大、 阻力小、 傳質效率高等點 , 已在精餾和吸收過程中得到廣泛應用 , 但在過程中還未得到應用 , 主要由于缺少液-液傳質過程中的兩相流動和傳質數據。
本文在 O120mm的塔中 , 分別測試了O16mm共軛環和 O16mm鮑爾環的流體力學和傳質性能 , 并作了分析比較 [1～ 3 ]。
1 實驗裝置及實驗技術
1. 1 實驗裝置及流程
圖 1為 O120mm塔流程圖。水相由耐腐磁力泵由塔頂入口送入 , 相用離心泵由塔下部進口送入 , 進出口流量用轉子流量計計量并調節 , 控制連續相 (水相 ) 出口流量以保持相界面恒定。
1. 2 實驗體系與填料特性數據
( 1) 填料特性數據見表 1。
( 2) 實驗體系
試驗采用正丁醇-丁二酸-水體系 , 是歐洲化學工程聯合研究會推薦的傳質實驗標準體系。 物性數據見表 2。
實驗體系的平衡關系由實驗標定 , 回歸后得
| 到如下關系式: | |
| X = 1. 0261y - 1. 4144y2 | |
| ( 0. 01N ≤ y ≤ 0. 2N ) | ( 1) |
1. 3 實驗技術
實驗中分散相和相中的丁二酸濃度采用滴定法測定 , 用酚酞作指示劑。 分別測定兩相的進出口濃度。
分散相存留分數的測定通常采用體積轉換法 , 本試驗從塔底接一塔外細管和塔體平行 , 和塔體形成一 U型管 , 塔外細管上有精確到毫米的刻度 , 根據實驗中不同的讀數和填料空隙率可計算出分散相的存留分數。 測試過程是 , 當塔內兩相流動完全穩定后 ,同時關閉連續相的進出口閥 ,關閉分散相進口閥 , 待塔內兩相完全分層后 , 讀出塔外圖示測壓管讀數。
液泛速度是塔的一個重要參數 , 在一定的水相流速下 , 緩慢提高相的流速 , 直到界面無法穩定 , 水相中有嚴重夾帶 , 此時即為液泛速度。
2 流體力學測試結果與討論
2. 1 實驗結果
本實驗中 , O16共軛環的分散相存留分數與兩相流速關系見圖 2。O16鮑爾環的分散相存留分數與兩相流速關系見圖 3。 兩種填料的液泛速度比較見表 3。
2. 2 填料塔的兩相流動關聯式
四十多年來 , 柱式設備中的兩相流動特性 的 研究取得了很 大 進 展。 五 十 年代 ,H. R. C. Pratt 和 J. D. Thornton[4 ]提出了利用特性速度 vo 關聯柱內兩相流速和分散相存留分數的基本關系式:
Laddha[5 ]等人在 1961年又提出對于填料塔 , 其特性速度 v0 與體系特性有如下關系:
本文通過回歸試驗數據得到:
對共軛環 C = 0. 695; 對鮑爾環 C = 0. 672。關聯式計算值在接近液泛時和實測值誤差較大 大為 12% 。
2. 3 結果分析
由實驗結果可知 , 相同的兩相流速下 , 共軛環填料的分散相存留分數較小 , 并且共軛環的液泛速度比鮑爾環大。 原因有兩點:
一方面 , 從表 1我們可以知道 , 由于共軛環的空隙率比鮑爾環大 , 在相同的兩相流速下 , 其特性速度 v0 較小 , 所以在兩相流速時 , 分散相在共軛環填料中的存留分數增加慢 , 而在鮑爾環中增加較快 , 因而鮑爾環易于液泛。
另一方面 , 由于鮑爾環填料是柱形結構 , 易于產生與塔體方向垂直的截面 , 在塔中起到攔液的作用 , 而共軛環填料由于其特殊的構造 , 垂直于塔體方向的填料截面少 , 所以共軛環的通量大 , 液泛速度大。
3 兩種填料的傳質性能比較表觀傳質單元高度的計算
邊界條件:
X 表示連續相濃度 , X* 表示平衡濃度 , H 是填料層高度 , xF 進口連續相濃度 , xR 出口連續相濃度 , yE 分散相出口濃度 , yS 分散相進口濃度 ,通過測定兩相的進出口濃度及相平衡關系 ,則可以用下式計算出表觀傳質單元高度 N oxp
兩種填料的傳質比較見圖 4。
從上圖可知 , 共軛環填料的傳質性能于鮑爾環 , 表觀的傳質單元高度比鮑爾環小 20% 左右 , 主要由于共軛環填料的空隙均勻 , 填料表面有自然的傾斜表面 , 從而減少了返混 , 而鮑爾環的空隙均勻程度就不如共軛環 , 而且其垂直于塔體方向的截面必然使返混程度 , 從而降低了傳質效率。
4 結論
共軛環填料不在吸收、精餾等汽-液傳質中是一種性能越的高效填料 , 而且實驗證明其在液-液過程中也具有較為越的性能 , 應進一步完善其液-液傳質方面的數據 , 以便盡快使共軛環應用于液-液工業過程中。
符 號 說 明
a 比表面積 , m2 /m3 c 常數
D 分子擴散系數 , m2 /s e 空隙率
g 重力加速度 , m2 /s
Hox p 表觀傳質單元高度 , m m 平衡分配系數
Nox p 表觀傳質單元數
n ( 1- O) 的指數 v 表觀速度 , m /s vo 特性速度 , m /s
分散相存留分數
ρ 密度 , kg /m3
μ 粘度 , kg / ( N· s)
γ 界面張力 , N /m 下標
c , x 連續相 d , y 分散相 f 液泛點
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