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2001基于不同模型的规整填料塔设计计算


文章编号: 100027466 ( 2001) 0120030204α
w ith each o ther.
2 3 ap —— 填料表面面积, m m 2 2

第 30 卷 第 1 期 石 油 化 工 设 备 V o l 30 N o. 1 .                          2001 年 1 月 PETRO 2 EM

ICAL EQU IPM EN T CH J an. 2001

技术综述

基于不同模型的规整填料塔设计计算
刘建新1 , 白 鹏2 , 王世昌2

( 1. 扬子石化研究院有机所, 江苏 南京 210048; 2. 天津大学化学工程研究所, 天津 300072)

摘要: 针对规整填料塔的特点和近年来的研究进展, 分析了规整填料内的流体力学和相间传质行 为。 对规整填料塔内压力降、 液泛及气液传质设计计算公式进行比较。 关 键 词: 填料塔; 压力降; 传质; 设计 中图分类号: TQ 053. 5   文献标识码: A
D es ign of structured pack ing column ba sed on d ifferen t m odel
L I J ian 2x in 1 , BA I Peng 2 , W AN G Sh i2chang2 U

( 1. O rgan ic Chem istry D ep a rtm en t, R esea rch In stitu te of YangZi Petrochem ica l Co. , L td. , N an jing 210048, Ch ina; 2. Chem ica l Engineering R esea rch Cen ter, T ian jin U n iversity , T ian jin 300072, Ch ina )

Abstract: In view of the cha racteristics of structu red p ack ing and its recen t advance in resea rch, the behavio rs of
flu id dynam ics and in ter 2 ha se m a ss tran sfer a re investiga ted. T he co rrela tion s, u sed to p redict p ressu re drop , p flood ga s velocity o r heigh t equ iva len t to a theo retica l p la te (H ET P ) fo r structu red p ack ing co lum n, a re com p a red

Key words: p ack ing co lum n; p ressu re drop; m a ss tran sfer; design
符 号 说 明

   a e ——填料有效表面面积, m 2 m 3
D g —— 气体扩散系数, m D l —— 液体扩散系数, m F t —— 持液量修正因子 h l —— 持液量

    S —— 填料宽度, m

u ge —— 气体速度, m s u le —— 液体速度, m s

s s

u gs —— 气体表观速度, m s u ls —— 液体表观速度, m s

d p 或 d hg —— 填料当量直径, m F se —— 表面强化因子

W e l —— 液体 W eber 数

k g —— 气体传质系数, m s k l —— 液体传质系数, m s

  填料塔是化工、 石油炼制等工业过程中广泛使 用的气液接触设备。20 世纪 70 年代前, 板式塔一直 占统治地位, 由于存在放大效应问题, 实验室内小直 径填料塔中取得的实验数据很难推广到工业规模的

α

收稿日期: 2000203224 作者简介: 刘建新 ( 19682) , 男 ( 汉族) , 内蒙古人, 工程师, 博士, 从事化工分离过程研究工作。

? p w —— 单位湿填料塔高压力降, Pa

? p d —— 单位干填料塔高压力降, Pa

塔中, 其工业应用范围受到限制。 20 世纪 70 年代 后, 新型高效规整填料问世以来, 填料塔的研究取得 较大进展, 它打破了填料塔只能使用于小塔的传统 观念, 目前, Su lzer 公司应用的规整填料最大直径可

Λ—— 粘度, Pa ? s —— 汽提因子 Κ Ε—— 空隙率

—— 密度, kg m 3 Θ

Χ—— 液体与固体接触角

—— 波纹填料倾斜角 Η

 第 1 期             刘建新, 等: 基于不同模型的规整填料塔设计计算

?31?

达 12. 4 m , 但还没有形成一种通用的设计方法。 高效规整填料的迅速发展, 对其设计的准确性 提出了越来越多的要求。 规整填料内部有序的结构, 使得建立具有一定理论基础的设计模型成为可能。 随着人们对其不断地深入研究, 它的设计朝着更加 普遍化和精确化方向发展。 结合近年来国内外学者 对规整填料研究的成果, 笔者对规整填料设计的方 法进行阐述, 通过设计方法的对比, 为规整填料塔的 应用提供了理论基础。
1 流体力学性能

从图中读出液泛气速外, 还可以读出相应压力降。 Eckert 在此引入湿填料因子来表征不同类型填料 尺寸效应。 K ister 和 G ill 将大量压力降、液泛数据 与该曲线组相对比[ 2 ] , 找出了该曲线组对不同填料、 操作条件与液体系统的准确程度, 虽然提出了一套 针对不同情况运用此图的方法, 但是近 20 年来已渐 少用。

规整填料塔是由一定高度的规整填料层组成, 每一层含有许多带孔的波纹板, 相互间交叉叠放在 一起。 多数标准规整填料板波纹倾角为 45° 60° 或 , 为了使气液流过填料层后有较大的混合效应, 各层 ( 填料波纹板波纹倾角相互成 90°对 45° 波纹板) , 在 填料层中, 液体在表面张力的作用下, 以液膜的形式 下流, 气体沿波纹间隙向上流过, 气液通过填料层 时, 流道的改变形成了流体混合, 强化了传质, 但是 也增大了填料层的压力降。 气液流体在填料塔中的流动形式除与填料自身 流道几何形状和填料材质相关外, 还与两相流速及 物理性能有关。 由于影响因素较多, 虽然许多学者对 其进行了广泛研究, 但目前仍然没有完全掌握其内 在规律, 从工程设计角度看, 设计模型适用范围受到 限制。 对于给定的分离任务, 规整填料塔设计的主要 参数是确定塔内径、 压力降及填料层高度。 它们都与 两相流体动力学存在密切关系, 但是在较早提出的 第 I 代模型中, 一般把传质计算与压力降的计算独 立开来。以前工程设计中常采用 Eckert 通用关联图 (GPDC ) 来计算填料塔的压力降及泛点气速[ 1 ]。 1. 1 规整填料塔液泛 通过对某种类型的填料进行流体力学试验, 就 可以得到如图 1 所示的曲线组, 它反映出气体流过 单位高度填料层的压力降与气速的关系。图中 B 、 C 线代表了气体流经湿填料层的情况, B 线中液体淋 洒密度小于 C 线中液体淋洒密度, 点 1 代表载液 点, 点 2 代表液泛。 对于具有一定液体淋洒密度的填 料, 随着气速的增加, 填料层内的持液量随之增大。 当气速达到载点后, 液体持液量和压力降随气速增 加的幅度有所变化, 达到或接近点 2 时, 填料层内就 会出现液泛现象。 液泛规定了填料塔操作气速的上 限, 设计中必须考虑。 该图是建立在大量乱堆填料实验基础上, 除可

图 1 填料塔压力降曲线图

1. 2 规整填料压力降

由于 GPDC 法过于简单, 无法准确考虑不同填 料对气液流动行为影响, 进行新型填料设计误差较 大[ 3 ] , 目前, 工程上采用另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 最初仅使用于乱堆填料, B em er 和 Ka lis 在对乱堆 填料压力降模型进行分析时[ 4 ] , 通过改变乱堆填料 压力降模型中的某些参数, 使其也能够预测规整填 料压力降。同样基于这一思想,B ravo 等提出了计算 规整填料压力降模型[ 5 ] , 称为 SR P ( I) 模型: 0. 171Θ 2 92. 7Λg g ?p d = u gs 2 2 u gs + 2 S Ε sin Η S Ε Η sin 其中, 液体无量纲 F roude 数 F r l = u l2 (S g ) ; C o 为规 整填料常数。 该模型没有考虑气体速度对液体持液
d p = 6 (1 f
o

量的影响, 只能适用于恒持液量区。 St ich lm eir 在流化床压力降模型的基础上, 考 虑气体速度对液体持液量影响, 提出了一种压力降 模型[ 6 ]: ? p d {1 - Ε[1 - ho Ε( 1 + 20 ( ? p ( Θlg ) ) 2 ) ] ( 1 - Ε) } (2+ c) 3 ?p = {1 - ho Ε[1 + 20 ( ? p ( Z Θlg ) ) 2 ]}4. 65 ? p d = 0. 75f
=
o

?pw = ?p d

1

5

1 - C o F rl

0. 05

) Ε ap   h o = 0. 555 F r l1
C1 C2 + 0. 5 + C 3 R eg R eg

1- Ε
4. Ε 65

Θu g 2 d p g

3

                     石 油 化 工 设 备             2001 年 第 30 卷   ?32?

R eg = C =

-

式中, C 1 , C 2 , C 3 为规整填料常数。 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。 Rocha 考虑液体持液量的变化对压力降和传质 的影响[ 7 ] , 在 SR P ( I) 模型的基础上, 提出了新模型 SR P ( II) , 该模型动力学部分设计计算方法为: ?p d =
4F t
S

Ft =

R el

hl =

对 于 环 己 烷 和 正 庚 烷 物 系, 全 回 流 条 件 下 Gem p ak 2AL 类型规整填料不同设计模型计算值与 实验测试值的对比见图 2。 GPDC 法预测的压力降 误差较大, SR P ( I) 模型在恒持液量区能够很好预测 压力降值, 但是随着气体动能因子的增加, SR P ( I) 的预测出现较大偏差。 ich lm eir 和 SR P ( II) 模型在 St 载点以下的恒持液区, 预测的压力降基本一致, 同时 在载液区, 它们预测的趋势与试验的趋势相同, 从两 种模型中都可以得到一个泛点估计值。

( Ρ< 0. 055 N m ) 其中 co s Χ 0. 9 = - 16. 835Ρ ( Ρ> 0. 055 N m )    co s Χ 5. 211×10 = 2 2 u ls ΘS u ls ΘS u ls l l    e l =   F r l=   R e l= W Ρ Sg Λl 上式条件中, Ρ 为表面张力。
图 2 不同模型压力降与实验值对比

2 传质负荷确定

确定填料塔的塔高, 就是确定所需传质设备的 容量, 当传质负荷确定后 ( 即传质单元数或理论板 数) , 问题就变成求取单位传质面积所能传递的质量

?p = ?p d [ 1 -

ΘΕsin Η g l

) S Ε ( sin Η
2 0. 2 0. 6

0. 177 5Θ g

29. 12 (W e lF r l ) 0. 15S 0. 359 ) ) Ε ( 1 - 0. 93co s Χ ( sin Η 0. 3 ( 0. 614 + 71. 35S ) h l ] 5

) 6 (1 - Ε
ap C1 R eg
2 2

C2

2R eg 0. 5

u gs +

Θ- Θ l g Θ l

3Λlu ls

Θu g Λg g
f

o

88. 774Λg u gs 2 S Ε Η sin 1-

或等板高度 H ET P , 设计中使用的计算方法常有传 质系数法、 传质单元高度法及等板高度法。 由于工程 设计中一般都用理论板数表示, 故按等板高度计算 较为方便, 而等板高度的方法经常与传质单元高度 法相互混用, 即首先在一定的理论基础上, 求取总的 传质单元高度, 进而转化为 H ET P。 影响气液两相传质的因素很多, 主要包括填料 特性、 气液流量、 系统性质和传递特征 4 个方面, 填 料塔的传质研究主要分析以上 4 个因素对气液体积 传质系数的影响程度。20 世纪 50 年代以前, 传质系 数多是指体积传质系数, 目前更多是对气液局部传 质系数和有效界面面积进行独立的研究, 在设计方 法上也采取同样方式, 以求提高预测的准确性。 散堆填料广泛使用的计算体积传质系数关联式 是 恩 田 和 M on san to 方 法[ 8, 9 ] , 而 对 于 规 整 填 料, B ravo 在双膜理论的基础上, 提出了计算网状规整 填料的 H ET P 设计模型, 后来考虑不同填料润湿特 征, 提出了计算波纹板规整填料 H ET P 模型[ 7 ]:
k g = 0. 033 8D gR eg S C g kl = 2 H
g 0. 8 0. 333

1 025

?p

d eq

较大的偏差, 它反映出人们对塔内传递认识不够深 入, 这些基于常压建立的模型存在一些缺陷。 对此, O lu jic 考虑填料层宏观程度和填料微观尺度综合影 响, 提出了新的等效水力直径, 并建立了相应的传质

ae 29. 12 (W e lF r l) S = F se F t = F se 0. 2 0. 6 ) ) 0. 3 ap R e l Ε ( 1 - 0. 93co s Χ ( sin Η

ln Κ Κ- 1 式中, a e = Βap , Β= 0. 50+ 0. 005 8 ( % 液泛) 。 Rocha 在提出的 SR P ( II) 模型中, 考虑持液量对气液传质 的影响, 得到计算金属规整填料的 H ET P 表达式: 0. 8 D g ( u ge + u le ) ΘS Λg 0. 33 g k g = 0. 054 S Λg D gΘ g H ET P = H TU H ET P = (H g + Κ l ) H
kl = 2 D lu le Π S
0. 15 0. 359

  虽然规整填料的有序结构使人们认为其内气液 传质过程比较简单, 但是近年来高压精馏实验研究 结果表明, 填料的几何形状和尺寸对塔内传质效果 有影响, 采用目前通用的 SR P ( II) 模型预测, 存在着

= G ( k g a e Θ )    H l = L ( k la e Θ) g l
u gs u ls ln Κ + k ga e k la e Κ- 1

ln Κ ln Κ = (H g + Κ l) H = Κ- 1 Κ- 1

D lu le Π S

 第 1 期             刘建新, 等: 基于不同模型的规整填料塔设计计算
[ 10 ] D elft 模型 :

?33?

H ET P = H TU

kg =

d hg Dg

kl = 2 d hg =

a e = ap

好, 说明填料层间混合效应对传质存在一定影响。 与 D elft 模型相比, SR P ( II) 模型在低压下预测的结果 更好一些, 但是对于填料层间的混合效应不敏感。

环 己 烷 和 正 庚 烷 分 离 物 系 在 不 同 压 力 下, M on tzp ak B 12250 填料, D elft 模型全回流时 H ET P 计算值与测试结果见图 4。 随着压力增加, D elft 模 型计算值与实际测试值的误差减小, 说明高压条件 下, 填料层间的混合作用不容忽视。 实践表明, 操作时高压填料塔中出现了与常压 精馏不同的特征, 采用上述常压填料塔设计模型得 到的压力降偏低, 而等板高度在一定压力范围内偏 大[ 11 ]。 导致高压填料塔压力降加大、 传质效率提高 及 H ET P 减小的原因尚不清楚, 一般认为高压下气

全回流时的等板高度 H ET P , 不同倾角填料的计算 和 测试结果见图 3。 可见常压 D elft 模型计算的 H ET P 数值高出实验测试值 10% , 而当采用另一种 ) 填料 ( Η 60°时, D elft 模型预测值与测试值吻合较 =
图 3 SR P (
) 与 D elft 模型 H ET P 计算值对比

式中, 8 为填料表面孔隙率, h e 为填料层高度, A 、 B 为填料常数, H TU 为传质单元高度, S h g, lam 为气体 层流舍伍德数, S h g, tu rb 为气体湍流舍伍德数。 在 相 同 规 格 填 料、 同 压 力 的 条 件 下 ( p = 相 01103 M Pa ) , 以环己烷和正庚烷为分离物系, 计算

bh - 2? S [ ( 0. 5b) 2 + h 2 ] + 0. 5b

u gs u ls ln Κ + k ga e k la e Κ- 1
2

ln Κ ln Κ = (H g + Κ l) H = Κ- 1 Κ- 1
S h g, lam + S h g, tu rb D lu le
2

体的返混、 变物理性能及气液体积传质系数变化是 主要影响因素。

1- 8 1 + A u lsB

0. 9Π hg d

图 4 D elft 模型预测计算值与试验值对比

虽然人们在尝试通过对 SR P ( II) 模型修改来预 测填料塔 H ET P , 但是从目前来看模型的建立中仍 然存在着许多问题。 鉴于目前人们还没有完全掌握 高压规整填料塔的传质规律, 在流体力学性能和传 质效率设计过程中, 必须谨慎从事, 给予填料塔足够 的安全裕度, 同时采用专为高压精馏设计的高效气 体、 液体分布器, 使用较传统填料塔浅的填料层, 以 防止气液分布不均的进一步恶化。 3 结语 随着人们对高压规整填料塔流体力学性能及传 递行为研究的不断深入, 相信不久的将来, 会出现一 种可同时使用于高低压操作条件下的规整填料塔设 计模型。
参考文献:
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[ 6 ]  B ravo J L , Rocha J A , Fair J R. P ressu re d rop in structu red [ 7 ]  Stich lm eir J , B roavo J L , Fair J R. General m odel fo r p red iction of p ressu re d rop and cap acity of coun tercu rren t gas liqu id

[ 8 ]  Rocha J A , B ravo J L , Fair J R. D istillation co lum n s con tain ing structu red p ack ing : a com p rehen sive m odel fo r their p erfo rm a 2

文章编号: 100027466 ( 2001) 0120034203α
Chem. Eng. Jp n. , 1968, 1 (1) : 562621

1 航空燃料中腐蚀性物质基本情况

二次世界大战后, 随着涡喷式发动机飞机快速 发展, 喷气燃料的用量迅猛增多。 然而, 由于燃料质 量所引起的飞行事故也明显增多[ 1 ]。美国在 1965 ~ 1969 年间, 共发生了 184 次一级飞行事故和 2 452

[ 9 ]  O nda K, T akeuch i H , O kum o tov Y. M ass tran sfer coefficie2 n ts betw een gas and liqu id p hases in p acked co lum n s[J ]. J. , um n s[J ]. Chem. Eng. P rog. , 1960, 56 (8) : 482531

第 30 卷 第 1 期 石 油 化 工 设 备 V o l 30 N o. 1 .                          2001 年 1 月 PETRO 2 EM ICAL EQU IPM EN T CH J an. 2001

我国航空燃料精制工艺装备技术进展
朱岳麟, 刘慧丛, 熊常健, 周 健
( 北京航空航天大学材料科学与工程系, 北京 100083)

摘要: 我国每年生产 500 多万 t 航空燃料。 随着炼油厂高硫、 高酸值原油加工比例的不断提高, 使

航空燃料中腐蚀性有害物质的含量也随之增加, 对飞机的供油系统和发动机燃烧系统产生严重的 腐蚀与破坏, 直接威胁到飞行的安全, 因此, 需要将它们从航空燃料中分离出去。 为此, 对目前我国 航空燃料精制工艺装备技术进行了较全面的论述和深入的分析, 结合中国的实际情况和国外发展 趋势, 探讨了我国航空燃料精制工艺装备技术的发展前景。 关 键 词: 航空燃料; 脱硫化物; 脱环烷酸; 装备 中图分类号: V 31   文献标识码: A

D evelopm en t of aer ia l fuel ref in ing equ ipm en t in Ch ina
ZHU Yue 2ling, L I H u i2cong, XON G Chang 2jian, ZHOU J ian U
5181

(B eijing U n iversity of A eronau tics and A stronau tics, B eijing 100083, Ch ina )

Abstract: T here a re m o re than 5 000 thou sand ton s of aeria l fuel p roduced every yea r in Ch ina fo r civil avia tion

and na tiona l defence. A s m o re and m o re crude o il w ith h igh su lfu r and h igh acid va lue being p rocessed, co rro sive system s and bu rn ing system s of p lanes, and they directly th rea ten the secu rity of fligh t. So , it is very u rgen t to

ha rm fu l m a tter in aeria l fuel grow gradua lly, w h ich m ake grea t co rro sion, dam ages and crack s on the supp lying o il . sep a ra te them from aeria l fuel T he techn ique of getting rid of su lfide and nap h then ic acid from p resen t dem o stic trend, the p ro sp ect of refin ing techn ique of aeria l fuel in ou r coun try w ere discu ssed.

aeria l fuel w ere discu ssed and ana lyzed deep ly. Com b in ing w ith Ch inese p ractica l situa tion and fo reign developm en t

[ 10 ]  Connel D , Knapp W G, Fair J R. M ass tran sfer in p acked co l2 [ 11 ]  O lu jic Z, Kam erbeek A B , Graauw J de. A co rrugation geom e2

nce[J ]. Ind. Eng. Chem. R es. , 1993, 32: 64126571

Key words: aeria l fuel; desu lfu ra tion; de2nap h then ic2acid; equ ipm en t

次一般事故, 其中与燃料质量有关的大约占 36% 。
20 世纪 70 80 年代初, 美国 33% 的二级飞行事故 ~

中, 发动机的故障有一半是由于燃料的腐蚀性等污 染物造成的[ 2 ]。我国与燃料相关的飞行事故为 10% 左右[ 3 ]。

try based m odel fo r efficiency of structu red d istillation

[ 12 ]   F itz C W J r. , John G K, A hm ad Shariat. Perfo rm ance of

收稿日期: 2000209218 作者简介: 朱岳麟 ( 19562) , 男 ( 汉族) , 湖南岳阳人, 1982 年毕业于湖南大学化学化工系, 教授, 主要从事航空燃料与油 品的精制及电分离工艺和装备技术的研究。

p ack ing[J ]. Chem. Eng. P roc. , 1999, 38: 68326951

~ of 0. 02 27. 6 bar [J ]. Ind. Eng. Chem. R es. , 1999, 38: 5122
( 孙编)

structu red p ack ing in a comm erical2scale co lum n at p ressu res


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