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    改性塑料規整填料的流體力學和傳質性能研究
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    改性塑料規整填料的流體力學和傳質性能研究

    2019-08-30      閱讀:
    引言

    化工填料是填料塔的核心部件,提供塔內氣液兩相接觸表面,為此液體應該潤濕填料并充分鋪展,形成兩相有效接觸表面。填料的潤濕不取決于被分離物系的表面張力Ⅲ,也與塔內的氣液負荷、填料的材質及其表面情況有密切關系。對于不銹鋼填料、陶瓷填料,一般物因表面張力和密度較小,容易潤濕成膜,在通常的氣液負荷下,對波紋板潤濕性良好。
     
    塑料填料具有質輕、價廉、耐腐蝕、不易破碎、加工方便等點,但是其潤濕性能較差,液體在填料表面易形成“溪流”或“溝流”。研究表明,液體在塑料填料表面的有效潤濕面積為陶瓷材質的 40%Iz~。一些研究者對塑料潤濕性的改進作了研究,結果表明,塑料填料經過表面處理后,潤濕性能和傳質性能得到了較大程度的提高 ,但這些方法或是污染嚴重、或是難以規;幚,缺少實用價值,而且多數是研究散堆填料,對填料改J生前后性能的對比研究較少;即使對于改性塑料規整填料,幾乎沒有壓降的性能數據報道?傊,對經過潤濕改性的塑料規整填料的性能缺少系統、綜合的分析研究。為此對塑料填料進行潤濕改性,所用方法[61無污染,使表面處理與填料制備一體化,操作方便、成本低、具有實用性。并對用該方法獲得的塑料規整填料作改性前后的傳質性能和流體力學性能對比考察,進行了數據關聯,并與模型計算值做了比較。研究結果可用于填料性能的評價,并為其設計提供必要的基礎。

    1 塑料填料潤濕性表征
    填料表面的潤濕性通常采用靜態接觸角來衡量,即通過接觸相界面張力的相互作用來確定,本文的評價方法采用成膜率啕來表征潤濕效果,在測試成膜性時,先通過攝像然后用圖像處理軟件 Photo— shop CS4處理計算液膜成膜面積,成膜率即為成膜的面積占總面積的比率。圖 l(a)為改性之前,圖 1(b) 為改性之后,可以發現填料表面改性前后其成膜率從改性之前的20%增加到改性之后的90%,實際波紋填料中,成膜率的增加會使有效傳質面積增加,從而提高傳質效率。
    改性塑料規整填料的流體力學和傳質性能研究
    2.實驗裝置及測試方法
     
    塑料規整填料的流體力學性能和傳質性能的測定是在內徑為 190mm的吸收 一解吸玻璃塔內進行的,吸收塔填料用比表面積為 450m2/m,的不銹鋼孔板波紋填料,高度為 0.9m,解吸塔測試段填料層高度為 0.5nl。實驗物系為空氣 一氧一水。水由離心泵送至吸收塔,再至頂部高位槽,在吸收塔中液相水為氣相氧飽和后,經多孔排管式液體分布器均布液體從塔頂進入解吸塔?諝庥呻x心式風機經轉子流量計從解吸塔塔底進入,氣液逆流接觸,使水中溶解的氧解吸。試驗流程見圖2。
    改性塑料規整填料的流體力學和傳質性能研究
    測試填料為實驗室壓制的孔板波紋填料,填料的詳細參數見表 1,510型填料表示比表面積為 510 m2/m ,510型填料表面改性之后即為改性 5l0型填料,430型填料含義類同。實驗測定了4種填料的傳質性能和流體力學性能,并進行了關聯。
    改性塑料規整填料的流體力學和傳質性能研究
    2.1 傳質性能測定
    傳質性能的測試采用氧解析法,在常溫常壓下進行。塔頂與塔底的液相氧濃度用 MetlerToledo公司的 M300溶氧電測定。經吸收塔飽和后的富氧水,再通過裝有測試填料的解吸塔后,水中氧濃度下降,由此可計算出液相傳質單元高度。根據雙膜理論,液相總傳質單元高度 是氣膜傳質單元高度H和液膜傳質單元高度 H之和,即
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    氧解吸是液膜傳質過程,可以忽略氣相傳質單元高度,即 等于H。,故
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    式中:z為填料層高度,m;
     
    x、x 分別為塔頂和塔底氧濃度,mg·L ;
     
    X 、x:分別為與塔頂和塔底氣相平衡的液相氧濃度,mg·L ;
    引 由于水中溶氧濃度較低,氧解析量較少,可假定氣相中沿軸向方向濃度不變,即 X 等于 x}2,所以在試驗中需測定 X、X2,X即可得出液相傳質單元高度。因為不同的液相溫度對 有較大的影響,在解吸過程中溫度升高,則 H 值降低,為了便于比較填料之間的傳質效果,將 在不同溫度下的計算值按照Sherwood等提出的公式校正到 25℃時的傳質單元高度:HL2 HL “o234(t-25)式中:t為實驗環境溫度,℃。
     
    22 流體力學性能測試

     
    流體力學性能測試是與傳質性能測試同時進行的,實驗填料段的壓降通過上、下兩橫截面上的測壓總管取壓,用上海天沐自動化儀表有限公司的微壓差計和 U形管壓差計并聯測定。先,測量干填料壓降,然后進行預液泛,充分潤濕填料后固定噴淋密度,待穩定后,調節F測定填料的壓降,直到液泛為止,多次測量取平均值。

    3 實驗結果
    3.1 表面改性對傳質性能的影響
    實驗測定了 4種填料在 噴淋密度分別為 10、24、38m,•m之•h 時的傳質單元高度,圖 3表示噴淋密度為 10I/1•m •h一時 4種填料傳質單元高度與 F的關系,其他噴淋密度的圖類似。圖 4(a)和(b)分別表示 510型和430型填料改性前后不同噴淋密度下傳質單元高度的比較。虛線表示改性之前,實線表示改性之后

    從圖 3可 以看出噴淋密度為 10m ·in ·h 時430型填料改性后傳質效率的增幅大于 510型的,分別提高 35%、30%,這是因為 430型填料表面開孔使得傳質效率提高。圖4分別表示 510型和 430型
    填料不同噴淋密度下表面改性前后傳質單元高度的變化,通過比較可見在較低噴淋密度時傳質效率增幅顯著,可能是由于在較小噴淋密度下,未經過表面改性的填料潤濕性較差,填料表面得不到較好的潤濕,液相多以液滴或者溪流的形式存在,其有效傳質面積較小,所以傳質效率較差。當填料經過表面改性之后,填料的潤濕性能得到明顯提高,液相可以鋪展在填料表面,使得有效傳質面積得到提高,從而使傳質效率增加。而在噴淋密度較大的情況下,即使潤濕性較差的填料,其表面也能得到較好的潤濕,故填料表面改性前后傳質效率變化相對較小。由此可見,在較低的噴淋密度和填料比表面積較小并開孔時,填料的表面改性顯得更具有實際意義。按 H  • 對4種填料的實驗數據進行回歸,系數 A、B得到如表 2所示:

    3.2 流體力學性能
     
    3.2.1 實驗數據及關聯
     
    實驗測定了 4種填料的干填料壓降和濕塔壓降。干填料壓降與動能 F的關系繪于圖 5(a),噴淋密度為 l0、24、38m ·m ·h一時的濕填料壓降性能分別示于圖 5(b)、(c)、(d),圖中虛線表示改性之前,實線表示改性之后。
     
    由圖 5(a)發現:比表面積相同的干填料壓降相等,并且為一直線,430型填料的干填料壓降明顯低于 5l0型填料的壓降,這是因為430型填料的比表面積較小和表面開孔使其阻力較小。將實驗數據用d',Z-乘法進行數學處理,得到干填料的壓降與空塔氣速的關系式如下:
     
    A P5lo=150.IF ·’ R=0.9974
     
     
    △P430=97.52F·’                    R=0.9966
     
    式中:△P5 △P伽分別為比表面為 510型和430型填料的干填料壓降,Pa/m;
     
    F為空塔氣體動能(m/s)·(kg/m3) ;

    R為相關系數。
     
    同樣將濕填料壓降實驗數據用小二乘法進行數學處理,用如下式關聯,得出濕填料壓降與氣液相負荷的關系:

    式中:L 為液相噴淋密度,ms·ITI之·h ;
     
    A、B、c、D系數,具體值見表 4。
     
    表 4 濕塔壓降關聯式系數

    通過比較可見 430型填料的阻力比51O型填料
     
    小 30%左右,這是因為 430型填料比表面積較小,相比阻力會小,同時430型填料表面開孔 ,氣體可以從孔道穿過,阻力會更小。同時也可發現 510型填料經過表面改性之后壓降會,而 430型填料表面改性前后壓降并沒有發生較大的變化。這也許是因為填料表面潤濕性的增加會使持液量增加,510型表面不開孔使得壓降對持液量更為敏感,所以不開孔填料表面改性后阻力會增加。比較不同噴淋密度時的壓降發現隨著噴淋密度的增加壓降會增加。這是因為噴淋密度增加,填料層的持液量增加,空隙率減小,通道減小,從而阻力增加。在吸收塔中,希望在較低的噴淋密度下操作,此時氣體的阻力較小,同時吸收劑的處理量也會減少。而對于 430型填料在較低的噴淋密度下,壓降和泛點在填料潤濕改性前后并未發生明顯變化,而傳質效率則有大幅的提升,再次表明塑料填料的表面改性在較低噴淋密度時更具有實際意義。

    結論
     
    (1)經過改性后的塑料規整填料,在低噴淋密度時傳質單元高度可減少 30%,在較高噴淋密度時可減少 20%,表面處理更有利于低噴淋密度的吸收和精餾操作過程,尤其對于吸收過程,可以減少吸收劑的用量。
     
    (2)塑料規整填料的表面開孔能有效降低阻力,并且使得表面改性后阻力不會增加,地體現了潤濕改性的越性。
     
    (3)豐富了塑料規整填料的性能數據,并且進行了關聯,與現有的模型做了對比,可提供設計參考。
     
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