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    金屬絲網規整填料的傳質性能
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    金屬絲網規整填料的傳質性能

    2019-09-19      閱讀:
    為了研究金屬絲網規整填料性能,在不同回流比條件下,考察了CDG1700Y和CDG2500Y型金屬絲網規整填料在兩種不同二元測試物系的傳質性能.實驗結果表明,這兩種填料的壓降隨著液體流量的而,單位填料層高度的HETP變化趨勢則相反;測試物系對傳質效率有一定的影響;CDG1700Y和CDG2500Y型填料具有較高的理論板數,且CDG1700Y型填料具有較大的操作彈性.在SRP(1I)模型的基礎上,獲得了實驗室條件下測試填料的氣液傳質系數的經驗關聯式,其預測值與實驗結果吻合較好,可以為-Y-Z化設計提供指導.

    規整填料具有高效、低阻力、高通量和便于放大的特點,已在化工、石油化工等許多行業中廣泛應用].目前規整填料種類多,形狀不同,性能各異.Mellapak填料是瑞士Sulzer公司20世紀70年代的產品,它的問世是規整填料史上一座重要的里程碑.如今,Mellapak的換代產品已經出現,如瑞士KUHNI公司的Rombopak填料、德國RASCHIG公司的Ras—chig—Superpak填料、瑞士Sulzer公司的Optiflow填料、上;ぱ芯吭旱(SM、SW、SC、SB)系列新型規整填料、天津大學的Zupak填料、南京大學的SINOPAK填料等J.新型規整填料的大量涌現推動了傳質與分離技術的發展,為許多精密分離過程如同位素分離等提供了更多的選擇.
    金屬絲網波紋填料應用廣泛,通常認為提高其比表面積可以提高它的傳質性能,因此適用于許多精密精餾過程.CDG1700Y和CDG2500Y規整填料是兩種新型的高密度絲網波紋填料,該類型填料被認為具有較高的分離效率,尤其適用于需要理論板數特高的場合,使用該填料不儀能獲得高純度的精餾產品,而且能大幅度降低塔的高度.目前對高比表面積的金屬絲網填料研究較少,相關文獻報道稀有.為此,實驗將對這兩種新型填料的性能進行研究,同時為課題組開發的化學交換法分離硼同位素的工業化提供可靠的設計數據.

    1.1實驗裝置
    實驗中采用CDG1700Y和CDG2500Y兩種新型的高密度絲網波紋填料,其具體參數如表1所示;塔身采用玻璃精餾柱,內徑為50mm,填料層高度為900mm,實驗裝置如圖1所示.


    將二元測試物系加入蒸餾瓶內,啟動加熱設備,將釜內料液加熱至沸騰;然后預液泛一次,使填料完全潤濕;回流1h以上,分析塔頂餾分含量,若在一定時間內保持不變,即操作狀態穩定,記錄塔壓降、塔頂和塔釜的溫度和回流液流量,并取樣分析;改變塔釜加熱電壓,開始2個點的實驗,重復上述操作.對塔頂和塔釜的樣品采用SP-2100型氣相色譜進行分析,色譜柱采用OV.225石英毛細管柱4g).25mm×30m.
    1.3數據處理與計算
    全回流下等板高度HETP的計算:在全回流條件
    下,二元混合物系下填料的理論板數用Fenske(芬克斯)公式計算Ⅲ4],即
    式中:為測試物系中輕組分的摩爾分率;為平均相對揮發度,一般取塔頂和塔釜相對揮發度的幾何平均值,top和btm分別表示為塔頂和塔底.
    一定回流比下等板高度的計算為,HEPT=Z/NT(3)式中:z為填料高度;ⅣT為填料塔的理論板數.

    2實驗結果與討論
    2.1傳質性能研究
    圖2、圖3為不同測試物系下填料的HETP與氣相動能F的變化曲線.從圖2、圖3可以看出,這兩種填料的HETP變化規律與其他金屬絲網填料的性能曲線是一致的,HETP均隨氣相動能F的增加而加大,相應的理論板數下降.當金屬絲網波紋填料CDG2500Y的氣體動能F值在0.75左右,金屬絲網波紋填料CDG1700Y的氣體動能F值在1左右時填料的等板高度值變化開始加劇,傳質效率明顯下降,對比這兩種填料可以看出金屬絲網波紋填料CDG1700Y的操作彈性要大于金屬絲網波紋填料CDG2500Y的操作彈性.
    2.1.1液體流量的影響 
    對比不同液體流量下的單位填料層高度的等板高
    度HETP,如圖2、圖3所示,可以看出隨著液體流量的HETP值隨之減。畧D2、圖3中曲線開始變平緩,當填料的F值在1左右及F值在0.75左右時,HETP急劇上升.這是由于在逆流操作的填料內,液體從塔頂噴淋下來,依靠重力在填料表面作膜狀流動,液膜的厚度直接影響到氣體通過填料層的壓降、持液量和傳質效率等.當蒸發速率一定時,回流比增加,塔內液相負荷增加,液相流率增加,下降液膜加厚,傳質效率下降,當液膜厚度增加到一定程度時,液相濃度響應緩慢,導致傳質效率急劇下降.當液相負荷不變時,蒸發速度加大,即氣速加大,上升氣流與下降液體問的摩擦力開始液體下流,回流比減少,在此情況下,氣相傳質阻力相應減少,效率增加.

    2.1.2比表面積的影響
    圖4給出了比表面積對傳質性能的影響情況,在同樣條件下,填料CDG1700Y要比填料CDG2500Y需要更多的理論板數,這就說明對于結構相同、不同比表面積的兩種填料,比表面積大的填料可以有更高的傳質效率.
    2.1.3測試物系的影響
    圖5給出了同一型號填料在不同測試物系的HEPT的對比情況.填料CDG2500Y在相同的氣體動能F條件下,用環己烷和正庚烷二元測試物系測試的等板高度HETP比正庚烷和甲苯要小一些.說明用不同的測試物系測出的填料塔具有不同的傳質效率,即填料的等板高度不同.這是由于不同的測試物系具有不同的表面張力,表面張力的大小會造成不同填料的潤濕效果,物系的表面張力越小,對填料的潤濕效果越好,傳質效率提高,等板高度降低,所需填料板數也隨之減少,反之也成立.環己烷和正庚烷物系的表面張力為14×10小于正庚烷和甲苯的表面張力17.I×10~,所以用環己烷和正庚烷物系測試的填料等板高度HETP值要小于用正庚烷和甲苯物系測試的結果.
    2.2實驗經驗關聯式
    實驗模型在SRP(11)模型一的基礎上,考慮了液膜傳質阻力的影響,假設填料完全潤濕,塔板的上氣液兩相均是恒摩爾流動,且氣液兩相接觸后迅速達到平衡狀態,采用傳質單元高度HTU來計算HETP的值,即

    式中:m為平衡線的斜率;為氣體摩爾流率;V為液體摩爾流翠.
    3結論
    (1)對于這兩種規整填料的傳質性能,不同液體流量下的等板高度HEq’P隨著液體流量的而減小。比較CDG1700Y和CDG2500Y型填料,當氣體動能F分別為1和0.75左右時,等板高度HETP值突然變化,塔內出現液泛現象;比表面積較大的填料具有較高的傳質效率;測試物系對傳質效率有一定的影響;實驗證明CDG1700Y和CDG2500Y具有較高的理論板數,且CDG1700Y型金屬絲網波紋填料具有較大的操作彈性.
    (2)在SRP(Ⅱ)模型的基礎上,建立了實驗室條件下新型填料的傳質性能模型,獲得了氣相和液相傳質系數的實驗關聯式.用該模型預測填料CDG1700Y和CDG2500Y的傳質性能,其計算值與實驗值吻合較好,可為今后的填料塔設計提供指導.
    (3)通過實驗證明,CDG1700Y和CDG2500Y型新型金屬絲網波紋填料具有較高的理論板數,其流體力學性能和傳質性能較好,可以應用到化學交換法分離硼同位素的工業化設計中.

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