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低表面張力物系在規(guī)整填料塔中的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能（一）
來源：化工進(jìn)展 瀏覽 519 次 發(fā)布時(shí)間:2024-09-25
填料塔作為重要的傳質(zhì)分離設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域，涉及精餾、吸收、萃取、蒸發(fā)等單元操作過程。近年來規(guī)整填料的發(fā)展使填料塔應(yīng)用更廣泛，并日益大型化。規(guī)整填料塔具有效率高、處理量大、壓降小、放大效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)。自20世紀(jì)80年代以來，許多學(xué)者研究了不同規(guī)整填料塔的傳質(zhì)過程，提出了一系列傳質(zhì)模型。
規(guī)整填料塔中，影響傳質(zhì)性能的因素很多，Zuiderweg等認(rèn)為表面張力對(duì)傳質(zhì)的影響顯著大于密度、黏度、擴(kuò)散系數(shù)等其他物性。之后很多學(xué)者研究了表面張力梯度引起的Marangoni效應(yīng)對(duì)精餾傳質(zhì)的影響，研究物系大多集中在能形成較大表面張力梯度的有機(jī)物水溶液。由于表面張力與其他物性密切相關(guān)，且表面張力對(duì)傳質(zhì)過程的影響機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，至今沒有一個(gè)滿意的結(jié)論。近年來，精餾領(lǐng)域的傳質(zhì)過程研究主要集中在過程模擬，國(guó)內(nèi)外對(duì)新型高比表面積規(guī)整填料的傳質(zhì)過程的實(shí)驗(yàn)研究還不多，有關(guān)工業(yè)尺寸的規(guī)整填料塔則更少涉及。
綜上所述，鑒于規(guī)整填料塔在現(xiàn)代分離工業(yè)中的重要地位以及表面張力對(duì)其傳質(zhì)性能的影響，研究低表面張力物系在規(guī)整填料塔中的傳質(zhì)過程對(duì)于完善高性能填料的傳質(zhì)數(shù)據(jù)，深入研究流動(dòng)和傳質(zhì)機(jī)理具有重大的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本文選用具有低表面張力的正庚烷-甲基環(huán)己烷物系，在內(nèi)徑400mm的不銹鋼精餾塔中，測(cè)定目前廣泛使用的經(jīng)典高效規(guī)整填料Mellapak 500Y和750Y的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能。
1實(shí)驗(yàn)方法
1.1實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置由主塔、副塔、冷凝系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)四大部分組成。主塔為內(nèi)徑400mm的不銹鋼精餾塔，填料層裝填高度1.8m，每盤填料高200mm，共9盤。主塔塔頂上升蒸汽及其冷凝液在副塔內(nèi)進(jìn)行換熱，得到飽和的回流液，避免過冷現(xiàn)象的發(fā)生。塔釜再沸器采用熱導(dǎo)油加熱，換熱面積為27.5m2。塔頂冷凝器采用冷卻水制冷，換熱面積為29.9m2。實(shí)驗(yàn)采用常壓下的全回流操作。
全塔共設(shè)有4個(gè)取樣口。1#取樣口設(shè)在塔頂回流處；2#取樣口設(shè)在距填料底部1200mm處；3#取樣口設(shè)在距填料底部400mm處；4#取樣口設(shè)在填料段以下。填料段的取樣口，即2#、3#取樣口的樣式如圖2所示。取樣器沿水平方向向上傾斜3°放置，伸入填料段的部分為半圓管，長(zhǎng)度為200mm，直徑為10mm。這樣設(shè)計(jì)以保證液相樣品順利地由填料中取出，且取出的液相樣品具有代表性。
1.2實(shí)驗(yàn)物系
有機(jī)物水溶液的表面張力和表面張力梯度都很大，Marangoni效應(yīng)十分顯著，一般情況下正、負(fù)體系分離效率相差很大，表面張力梯度的影響超過了表面張力本身；而純有機(jī)物系的表面張力低，在塔內(nèi)形成的表面張力梯度小，Marangoni效應(yīng)不明顯，一般情況下正體系的效率比負(fù)體系略高。實(shí)驗(yàn)旨在研究低表面張力物系在規(guī)整填料塔中的傳質(zhì)過程，故選擇表面張力較低的純有機(jī)物系；對(duì)于純有機(jī)物系，表面張力正體系和負(fù)體系的傳質(zhì)性能相差不大，為了實(shí)驗(yàn)研究的方便，選取正庚烷-甲基環(huán)己烷為實(shí)驗(yàn)物系。正庚烷-甲基環(huán)己烷物系的表面張力較低，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)接近中性體系。實(shí)驗(yàn)物系的表面張力數(shù)據(jù)見表1。
1.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
1.3.1計(jì)算HETP
由4個(gè)取樣口的組成數(shù)據(jù)可以計(jì)算填料塔的理論板當(dāng)量高度，根據(jù)定義有式（1）。
Z=N*HETP=NogHog （1）
正庚烷-甲基環(huán)己烷物系沸點(diǎn)差很小，分離程度不高，可近似將平衡線視為直線，氣提因子如式（2）。
總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya是氣相總傳質(zhì)系數(shù)和有效界面積的乘積，直觀反映了塔內(nèi)傳質(zhì)的好壞。氣相流率一定時(shí)，測(cè)定Nog隨塔高的變化，可以得出氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)隨塔高的變化，分析塔內(nèi)傳質(zhì)行為。