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    萍鄉散裝填料傳質分析及發展趨勢
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    萍鄉散裝填料傳質分析及發展趨勢

    2019-07-07      閱讀:
    詳細討論了氣液有效接觸面積,床層均勻度,填料的長徑比等對氣液傳質效率的影響,并闡述了散裝填料結構的發展趨勢.
     
    自1914年誕生拉西環以來,散裝填料在吸收、解吸、精餾、干燥、等氣—液及液—液混合流體的傳質傳熱過程發揮了舉足輕重的作用.20世紀60年代,規整填料廣泛應用對于散裝填料造成很大的沖擊,以至于出現了停滯不前的狀況[1].但是,大量的實驗數據和工程經驗表明,散裝填料在液—氣比大( )的情況下操作時性能FP≥0.5于規整填料和塔板,在液—氣比大的吸收、解吸過程,操作壓力高的精餾、液—液過程,應用散裝填料比較有利[1].因此研究散裝填料的發展具有一定的意義 開發新型散裝,應從研究填料的幾. 何形狀和填料床層結構對填料塔流體力學性能和傳質性能的影響開始. 散裝填料從環、鞍形到鞍環形,人們千方百計地改進幾何形狀,目的只是為了使其比表面積和空隙率盡量大,液體再分布性能,堆積后盡量不重疊,從而改善流體在填料中的流體力學和傳質性能.由其發展歷程可以看出,理想的散裝填料需具備以下特點:
    (1)填料幾何形狀好,結構開放,
    流動阻力小,氣體通量大,流體停滯不動的可能性;
    (2)氣、液接觸面積大;
    (3)填料間為點接觸,氣液湍動劇烈,表面更新頻率快.
    這可以看作是填料個體對氣液傳質的主要影響因素,要使物質在設備內快速穩定地傳遞,還需考慮大量填料聚集在一起產生的綜合功能,即填料床層的影響.選材合適的球形填料能夠滿足以上各項要求,是比較理想的散裝填料.但內部結構還有待改進.

    傳質效率與氣液有效接觸面積有關 氣體在流過液膜間隙的過程中,氣液兩相之 間真正參與物質交換的面積才是有效的接觸面 積.有效接觸面積越大,傳質效果越好[2].有效接 觸面積必定是潤濕的,但潤濕的表面不一定有效. 在填料層的某些局部區域,液體運動其緩慢或 處于停滯狀況,即使有氣體掠過液體表面,此處的 液體容易達到飽和狀態,對傳質貢獻不大 一般,
    氣液有效接觸面積<潤濕面積<干填料表面積. 1.1 有效接觸面積的條件 要氣、液相間的有效接觸面積,需滿足以 下條件:(1)干填料比表面積大填料厚度越薄,自 身所占空間越小,具有的比表面積越大.對于同種 類型的填料,個體尺寸越小,填料的比表面積越 (2)填料對液體的鋪展能力強材質和表面性質 選擇得當,液體在填料表面具有較大的潤濕能力,
    使用較少量的液體便可獲得較大的潤濕表面.潤 濕面積大,氣液湍動充分,有效接觸面積便大.
    1.2 提高液體潤濕能力的措施
    填料的表面能高有助于液體潤濕,為了使液體 能在所流經的填料表面充分鋪展開來,填料的表面 能需足夠大,通常要求填料表面的臨界表面張力大 于液體的表面張力.采取如下幾種措施可填料 的表面能 [1]
    (1)表面粗糙化用噴砂、磨砂及溶劑浸 泡等方法,使填料的表面形成溝槽或花紋,減小接 觸角,從而提高表面能;
    (2)化學處理法利用化學反 應使填料表面形成中性親水層,以液體對填料 的潤濕,或在填料表面發生氧化作用,生成含氧 性基團附著在填料表面,表面能;還有等離子 處理法,輻射法,噴涂處理法等處理方法.
    另外,填料對液體的鋪展能力強,一方面可減小液體噴淋量,降低裝置負荷,節約生產成本.另一方面可減小液膜厚度,氣體自由流通截面積,能夠提高處理能力.液膜薄,填料與液體
    的作用力大,即使氣速較大,也不會將液體吹離填料表面,塔內氣液兩相流徑穩定,有利于平穩操作,提高操作彈性.
    適當縮小填料的長徑比是提高傳質效率的有效措施 填料數目受到塔高、塔徑和填料個體規格尺寸的限制.在塔高、塔徑確定的情況下,個體尺寸小 比表面積較大 傳質效率較高 但空隙率較小 ,
    , ,處理量較低 評價填料塔的劣 不要考慮傳質效率 , 因此通過減而且也要同等重視處理能力[3] 小填料尺寸來提高傳質效果 調節余地非常有限 .研究表明 適當縮小亂堆填料的長徑比 使其 例按一定規律排列 規整化  可提高傳質效率[4] ), 鮑爾環的高徑比為 階梯環降到 階梯環
     
    0.5
    與同材質同規格的鮑爾環相比 流動阻力可降低, 25% 左右 處理量增加約 10% [5] 世紀 80 年代, .20 中期 美國 Glitsch 公司對階梯環作了進一步改, 稱為階梯短環填進將高徑比下調至 , , 0.3 ),大量實驗表明, CMR填 料性能明顯于鮑爾環,壓降約為拉西環的30% ,傳質系數比拉西環增加50% ,而在相同氣速下,鮑爾環壓降約為拉西環的50% [5] Impak 填料初由美國 Lantacskan 公司提出,后經北京化工大學等單位多年研究改進,是填料發展的新成果.Impak填料單體外形呈扁環.實驗對比表明:其負荷能力與 DN50mm Inta-lox金屬鞍環相當;在一般的氣液流率下,傳質效率比DN50mmIntalox金屬鞍環高出 30%以上;而且傳質單元壓降很低[7].
     
    清華大學開發的扁環填料 QH-2 型扁環填料采用0.2~0.3低的高徑比,傳質效率高、處理能力大 阻力降。郏福 實驗表明 與鮑爾環相 比型扁環填料處理能力提高約 15~35% ,QH-2 傳質系數增加約 15~25%. 高徑比減小,傳質效率提高 本文認為,這是由于填料與液體之間存在較大的表面張力,當液體依靠重力自上向下流動時,填料具有將液體分
    布到與其流動方向垂直的徑向上去的能力,即徑向分布能力.因軸向受到重力作用,液體軸向分布能力更大些,因而造成液體潤濕不均勻的現象.高徑比減小,能降低液體軸向流動速率,氣液接 觸時間,將有利于其徑向分布.

    氣液傳質效率與床層均勻度有關 填料床層填充不均勻,氣體分布不均會造成 填料層內液體分流,使傳質效率嚴重下降[3].反之,床層橫截面上氣、液分布均勻,物質傳遞量均 勻,能夠減小填料塔橫截面上的濃度梯度,減小徑 向返混,有利于提高傳質效率.
     
    3.1 填料個體數目對床層氣液分布的影響 散裝填料隨機堆積排列,考察有限數量的填 料,氣液流動及傳質顯得雜亂無章 但如果數量足 夠大,對于一定高度的填料層,則不論是床層的壓 強降,還是液體分布的均勻度都會呈現出一定的 規律性 這正如分子熱運動,單個來看規則, 但考察某個分子集團,則存在各向同性,均分 的特點 因此,出現散裝填料床層氣液分布不均的 現象,本文認為,主要是由于填料數量不足造成 .1935 Baker 等指出,當塔徑與填料直徑之 比小于 時,會產生嚴重壁流 但當數目足夠大 時,氣液分布均勻度便可明顯改善,可基本消除 “壁流”、“溝流”等不正,F象 目前已 “為了 減小壁流、溝流現象,應使塔徑與填料個體當量直 徑之比大于 8~10,對于幾何形狀差的拉西環填料 ,此值為20 .陳敏恒等學者認為,工業上大型 填料塔以取 為宜[11] Dd>30 從Leva填料與鮑爾環的比較也可說明,單位 體積填料層中填料數目多,傳質效率高(見表
    散裝填料傳質分析及發展趨勢
     
    目前還未廣泛應用于工程的球形填料具有以下點:
    (1)各個方向尺寸相等,填充床層容易均勻;
    (2)個體之間為嚴格的點接觸,接觸點不多而且分布均勻,通過增加填料個體間接觸點的數量,能夠加大液體匯集—分散的次數,既可使流動的液膜發生突變性混合,有利于液體表面更新,又可以延長氣液接觸時間,有利于液體徑向分布.
    (3)與鞍形填料類似,氣液兩相在球形填料表面的流道為弧形,有利于液體均勻分布,提高液體均勻潤濕程度 球形填料間空隙逐漸擴大或縮小
    (4)與脈沖填料類似 既能減小阻力損失 又能使流速,發生變化,有利于提高流體湍動程度,減小液膜厚度,提高傳質效果.

    展望
     
    球形填料存在球體內部空間不易處理的重大缺陷,其內部流體力學及傳質性能不及外部,這應從結構上加以改進,目前開發較為成功的有:(1)球形絲網填料[12].在球形散裝填料內裝填絲網形成,既利用了絲網填料比表面積大、空隙率大,表面潤顯率高的點,又避免了其裝填困難,拆修不便的缺陷;(2)球面溝槽式填料[12].由球體和溝槽組成,通過陶瓷工藝制作成瓷球,并在球表面開設一定規格的溝槽,通過鍛燒而成,這種填料制作簡單,重量輕,通透性能好,適用面廣.
     
    由于商業利益問題,這些球形填料的流體力學及傳質性能數據都沒有公開的詳細報道,但是通過以上分析,可以看出球形填料在未來的散裝填料發展中具有很強的競爭力,當然其它的高效填料也很有潛力,如雙鞍環填料[13]、QH-2型扁環填料、CMR 填 料、共軛環、M-pak 環 和 K-pak環[14],美 國 Koch 公 司 開 發 的 佛 萊 茜 馬 克 斯(Fleximax)金屬散堆填料,德國 Envicon公司開發的SR派克和 R 派克兩種環形陶瓷填料(SR-pak環、R-pak環)等.不過這些填料都具有一些共同的特點,即比表積大、空隙率大、壓降小,潤濕性能好,表面更新頻率快,床層空隙均勻.這些也正是散裝填料的發展方向.
     
     
     
     
     
     
     
     
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