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散装填料传质分析及发展趋势

来源:未知作者:admin 日期:2019-08-05 14:53 浏览:

自1914年诞生拉西环以来,散装填料在吸收、解吸、精馏、干燥、萃取等气—液及液—液混合流体的传质传热过程发挥了举足轻重的作用.20世纪60年代,规整填料广泛应用对于散装填料造成很大的冲击,以至于出现了停滞不前的状况[1].但是,大量的实验数据和工程经验表明,散装填料在液—气比大(FP≥0.5)的情况下操作时性能优于规整填料和塔板,在液—气比大的吸收、解吸过程,操作压力高的精馏、液—液萃取过程,应用散装填料比较有利[1].因此研究散装填料的发展具有一定的意义.开发新型散装,应从研究填料的几何形状和填料床层结构对填料塔流体力学性能和传质性能的影响开始.
散装填料从环鞍形到鞍环形,人们千方百计地改进几何形状,目的只是为了使其比表面积和空隙率尽量大,液体再分布性能更好,堆积后尽量不重叠,从而改善流体在填料中的流体力学和传质性能.由其发展历程可以看出,理想的散装填料需具备以下特点:(1)填料几何形状好,结构开放,流动阻力小,气体通量大,流体停滞不动的可能性小;(2)气、液接触面积大;(3)填料间为点接触,气液湍动剧烈,表面更新频率快.
这可以看作是填料个体对气液传质的主要影响因素,要使物质在设备内快速稳定地传递,还需考虑大量填料聚集在一起产生的综合功能,即填料床层的影响.选材合适的球形填料能够满足以上各项要求,是比较理想的散装填料.但内部结构还有待改进.

1 传质效率与气液有效接触面积有关

气体在流过液膜间隙的过程中,气液两相之间真正参与物质交换的面积才是有效的接触面积.有效接触面积越大,传质效果越好[2].有效接触面积必定是润湿的,但润湿的表面不一定有效.在填料层的某些局部区域,液体运动极其缓慢或处于停滞状况,即使有气体掠过液体表面,此处的液体容易达到饱和状态,对传质贡献不大.一般,气液有效接触面积<润湿面积<干填料表面积.

1.1 增大有效接触面积的条件

要增大气、液相间的有效接触面积,需满足以下条件:(1)干填料比表面积大填料厚度越薄,自身所占空间越小,具有的比表面积越大.对于同种类型的填料,个体尺寸越小,填料的比表面积越大.(2)填料对液体的铺展能力强材质和表面性质选择得当,液体在填料表面具有较大的润湿能力,使用较少量的液体便可获得较大的润湿表面.润湿面积大,气液湍动充分,有效接触面积便大.

1.2 提高液体润湿能力的措施

填料的表面能高有助于液体润湿,为了使液体能在所流经的填料表面充分铺展开来,填料的表面能需足够大,通常要求填料表面的临界表面张力大于液体的表面张力.采取如下几种措施可增大填料的表面能[1]:(1)表面粗糙化用喷砂、磨砂及溶剂浸泡等方法,使填料的表面形成沟槽或花纹,减小接触角,从而提高表面能;(2)化学处理法利用化学反应使填料表面形成中性亲水层,以增大液体对填料的润湿,或在填料表面发生氧化作用,生成含氧极性基团附着在填料表面,增大表面能;还有等离子处理法,辐射法,喷涂处理法等处理方法.
另外,填料对液体的铺展能力强,一方面可减小液体喷淋量,降低再生装置负荷,节约生产成本.另一方面可减小液膜厚度,增大气体自由流通截面积,能够提高处理能力.液膜薄,填料与液体的作用力大,即使气速较大,也不会将液体吹离填料表面,塔内气液两相流径稳定,有利于平稳操作,提高操作弹性.

2 适当缩小填料的长径比是提高传质效率的有效措施

  填料数目受到塔高、塔径和填料个体规格尺寸的限制.在塔高、塔径确定的情况下,个体尺寸小,比表面积较大,传质效率较高,但空隙率较小,处理量较低.评价填料塔的优劣,不仅要考虑传质效率,而且也要同等重视处理能力[3],因此通过减小填料尺寸来提高传质效果,调节余地非常有限.研究表明,适当缩小乱堆填料的长径比,使其按一定规律排列(规整化),可提高传质效率[4].例如,鲍尔环的高径比为1,阶梯环降到0.5,阶梯环与同材质同规格的鲍尔环相比,流动阻力可降低25%左右,处理量增加约10%[5].20世纪80年代中期,美国Glitsch公司对阶梯环作了进一步改进,将高径比下调至0.3,称为阶梯短环(CMR填料),大量实验表明,CMR填料性能明显优于鲍尔环,压降约为拉西环的30%,传质系数比拉西环增加50%[6],而在相同气速下,鲍尔环压降约为拉西环的50%[5]
Impak填料最初由美国Lantacskan公司提出,后经北京化工大学等单位多年研究改进,是填料发展的新成果.Impak填料单体外形呈扁环.实
验对比表明:其负荷能力与DN50mm金属Inta-lox鞍环相当;在一般的气液流率下,传质效率比DN50mm金属Intalox鞍环高出30%以上;而且传质单元压降很低[7]
清华大学开发的超级扁环填料QH-2型扁环填料采用0.2~0.3极低的高径比,传质效率高、处理能力大、阻力降小[8].实验表明,与鲍尔环相比,QH-2型扁环填料处理能力提高约15~35%,传质系数增加约15~25%.
高径比减小,传质效率提高.本文认为,这是由于填料与液体之间存在较大的表面张力,当液体依靠重力自上向下流动时,填料具有将液体分布到与其流动方向垂直的径向上去的能力,即径向分布能力.因轴向受到重力作用,液体轴向分布能力更大些,因而造成液体润湿不均匀的现象.高径比减小,能降低液体轴向流动速率,增大气液接触时间,将有利于其径向分布.

3 气液传质效率与床层均匀度有关

填料床层填充不均匀,气体分布不均会造成填料层内液体分流,使传质效率严重下降[3].反之,床层横截面上气、液分布均匀,物质传递量均匀,能够减小填料塔横截面上的浓度梯度,减小径向返混,有利于提高传质效率.

3.1 填料个体数目对床层气液分布的影响

散装填料随机堆积排列,考察有限数量的填料,气液流动及传质显得杂乱无章.但如果数量足够大,对于一定高度的填料层,则不论是床层的压强降,还是液体分布的均匀度都会呈现出一定的规律性.这正如分子热运动,单个来看毫无规则,但考察某个分子集团,则存在各向同性,能量均分的特点.因此,出现散装填料床层气液分布不均的现象,本文认为,主要是由于填料数量不足造成的.1935年Baker[9]等指出,当塔径与填料直径之比小于8时,会产生严重壁流.但当数目足够大时,气液分布均匀度便可明显改善,可基本消除 “壁流”、“沟流”等不正常现象.目前已公认“为了减小壁流、沟流现象,应使塔径与填料个体当量直径之比大于8~10,对于几何形状差的拉西环填料,此值为20[10].陈敏恒等学者认为,工业上大型
填料塔以取D/d>30为宜[11].从Leva填料与鲍尔环的比较也可说明,单位体积填料层中填料数目多,传质效率高(见表1).
散装填料传质分析及发展趋势

3.2 改善填料个体形状是床层均匀的有效措施

目前还未广泛应用于工程的球形填料具有以下优点:(1)各个方向尺寸相等,填充床层容易均匀;(2)个体之间为严格的点接触,接触点不仅多而且分布均匀,通过增加填料个体间接触点的数量,能够加大液体汇集—分散的次数,既可使流动的液膜发生突变性混合,有利于液体表面更新,又可以延长气液接触时间,有利于液体径向分布.(3)与鞍形填料类似,气液两相在球形填料表面的流道为弧形,有利于液体均匀分布,提高液体均匀润湿程度.(4)球形填料间空隙逐渐扩大或缩小,与脉冲填料类似,既能减小阻力损失,又能使流速发生变化,有利于提高流体湍动程度,减小液膜厚度,提高传质效果.

展望

球形填料存在球体内部空间不易处理的重大缺陷,其内部流体力学及传质性能不及外部,这应从结构上加以改进,目前开发较为成功的有:(1)球形丝网填料[12].在球形散装填料内装填丝网形成,既利用了丝网填料比表面积大、空隙率大,表面润显率高的优点,又避免了其装填困难,拆修不便的缺陷;(2)球面沟槽式填料[12].由球体和沟槽组成,通过陶瓷工艺制作成瓷球,并在球表面开设一定规格的沟槽,通过锻烧而成,这种填料制作简单,重量轻,通透性能好,适用面广.
由于商业利益问题,这些球形填料的流体力学及传质性能数据都没有公开的详细报道,但是通过以上分析,可以看出球形填料在未来的散装填料发展中具有很强的竞争力,当然其它的高效填料也很有潜力,如双鞍环填料[13]、QH-2型扁环填料、CMR 填料、共轭环、M-pak环和 K-pak环[14],美国 Koch公司开发的佛莱茜马克斯(Fleximax)金属散堆填料,德国Envicon公司开发的SR派克和R派克两种环形陶瓷填料(SR-pak环、R-pak环)等.不过这些填料都具有一些共同的特点,即比表积大、空隙率大、压降小,润湿性能好,表面更新频率快,床层空隙均匀.这些也正是散装填料的发展方向.

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