空分上塔規整填料結構優(yōu)化——波紋規整填料傾角的確定

朱慧銘等空分上塔規整填料結構優(yōu)化空分上塔規整填料結構優(yōu)化——波紋規整填料傾角的確定朱慧銘②孫津生吳錦元陳慧〔天津大學(xué)化學(xué)工程研究所,天津300072)(天津理工學(xué)院化工系)空氣深冷分離是一個(gè)多精餾塔偶合過(guò)程,其中上塔處于核心位置,具有許多進(jìn)岀料口,各段填料層內氣液兩相負荷變化相當大。通過(guò)改變波紋規整填料的傾角可以避免塔體變徑。該文從雙膜理論岀發(fā),推導岀規整填料的重要結構參數之———波紋傾角對效率影響的關(guān)聯(lián),同時(shí)給岀了規整填料的通用泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)式。關(guān)鍵詞:空分規整填料傾角∞0年代初,規整填料開(kāi)始應用于空分深冷精餾塔,取代傳統的篩板。目前國外推岀的空分裝置中,上塔和氬塔全部采用填料塔(見(jiàn)圖1)上塔采用低壓降的規整填料后,可以顯著(zhù)地降低空氣進(jìn)入下塔的壓力,從而降低空氣的壓縮比,節省5%10%的能耗;粗氬塔填料采用規整填料后,在允許的壓差下可以裝填180240塊理論板的填料,足以把氬氣中氧的濃度降至2×10-6以下,省去了安全要求高、工藝復雜的加氫除氧過(guò)程。國內這方面的工作也已經(jīng)展開(kāi),到目前為止,天津大學(xué)化學(xué)工程研究所與中國空分設備公司、杭州制氧機集團有限公司等單位合作,在二十多座空分深冷精餾塔中成功地采用了規整填料塔技術(shù)空氣低溫分離是一個(gè)多精餾塔偶合的復雜過(guò)程,其中上塔處于核心位置,該塔性能的好壞關(guān)系圖1空分流程1-壓縮空氣;2-飽和空氣;3-膨脹空氣;4-液氮回流;到整套空分裝置性能的好壞。與一般的精餾塔相5-富氧液空;6-液空蒸氣;7-液空回流;8-氬餾分;比,空分上塔主要有三個(gè)特點(diǎn):①分離精度高,氮9-氬餾分回流;10-氣相氮產(chǎn)品;11-氣相氧產(chǎn)品;產(chǎn)品濃度高達99.99%99.999%以上;②進(jìn)出料口12-污氮;13-廢氣;14-液相氬產(chǎn)品;15-液相氧產(chǎn)品多,填料分段頻繁,氣液兩相負荷變化大;③各段A-增壓膨脹機;B-板式換熱器;C-下塔;D-上塔E-板式換熱器;F-粗氬一塔;G-粗氬二塔;H-精氬塔理論板數必須合理分配,確保各產(chǎn)品和側線(xiàn)的產(chǎn)量與純度。因此各段填料必須保持統一的彈性,才能目前應用于空分的規整填料都是采用板波紋結構,其最主要的結構參數為比表面積和波紋傾角充分發(fā)揮填料的作用,確保分離精度。若采用同一單位體積填料表面積越高,效率越高,通量越低種填料,則塔體必須變徑,結構復雜。根據氣液兩波紋與水平面間的夾角越大,通量越高,效率越相負荷的變化對上塔中各段填料的結構參數作相應低。本文考察填料波紋傾角對填料性能的影響。調整,可以避免塔體變徑。1波紋規整填料的特性2化學(xué)工程2001年第29卷第1期圖2為規整填料的特性曲線(xiàn)11,當負荷低于A(yíng)在常壓操作的空氣深冷精餾過(guò)程中,其液膜傳點(diǎn)后由于填料表面的潤濕狀況惡化填料的傳質(zhì)效質(zhì)阻力遠低于氣膜,可以忽略,式(1)(4)可簡(jiǎn)率急劇下降。在A(yíng)點(diǎn)和載點(diǎn)B之間填料的傳質(zhì)效率化為基本保持不變僅隨負荷的增加略有提高。負荷超過(guò)HETP=G(5)載點(diǎn)后由于填料表面持液量的增加以及氣體流速的提高氣液兩相交互作用增強填料的傳質(zhì)效率增其中氣相分傳質(zhì)系數和有效傳質(zhì)比面積分別采用以加比較快剄達C點(diǎn)后,由于氣液兩相交互作用過(guò)下關(guān)聯(lián)式3]強,氣相開(kāi)始夾帶液相,造成返混,從而導致填料kgdDe=C Re sc42(6)的傳質(zhì)效率下降。當負荷達到泛點(diǎn)后,由于液相由分散相轉化為連續相,填料塔已不能穩定操作。C2=k3+h4f(7)代入式(5)得HETPC1C2a,DcRed Sc22(8)對于相同的分離任務(wù),盡管規整填料的波紋傾B角不同,比表面積不變,填料水力學(xué)直徑不變,其中物料的物性、氣液比及液泛百分率等操作參數也都相同,填料波紋傾角僅僅影響填料內氣體流動(dòng)的湍動(dòng)程度,式(8)可簡(jiǎn)化為圖2規整填料特性曲線(xiàn)hetp= CrRes(9)由于傳統的關(guān)聯(lián)式都是針對某一特定的填料,因此對于填料塔的設計,填料的傳質(zhì)效率和通量的其表征湍動(dòng)強度的參數Rec中速度采用空塔速度確定最為關(guān)鍵。由于填料結構的復雜性,目前還沒(méi)α,若考慮波紋傾角對湍動(dòng)強度的影響,應采用氣有精確計算特定的物系及特定操作點(diǎn)下傳質(zhì)效率的體在傾斜流道中的速度:方法。在設計中,一般先查取標準物系下填料的傳(10)質(zhì)效率,然后對特定物系進(jìn)行校正,再加10%15%的余量。在確定標準物系下填料的傳質(zhì)效率代入式(9)得到填料波紋傾角影響分離效率的關(guān)時(shí),為了滿(mǎn)足其可代表性及填料塔的設計彈性,以聯(lián)式載點(diǎn)處的傳質(zhì)效率為基準。通量則采用通用關(guān)聯(lián)的HETP= C sine y方法來(lái)確定此式中系數k僅與填料的表面積有關(guān)4002填料波紋傾角對分離效率的影響300影響填料效率的因素很多,包括填料的物理結構、分離物系物性、操作參數。在各種傳質(zhì)模型中,雙膜理論是估算填料效率最成功、應用最廣的模型,其數學(xué)表達式如下21HETP= HGIn;0.60.70.80.9(2)圖3波紋傾角對分離效率的影響(3)目前空分中常用規整填料的比表面積有500750、1000m2/m3等,在空分上塔中采用同朱慧銘等空分上塔規整填料結構優(yōu)化降過(guò)高,建議采用500比表面積的波紋填料。圖3填料不同,液體在規整填料中以膜狀流動(dòng)為主,在為500型板波紋規整填料分離效率隨波紋傾角變化散裝填料中則同時(shí)存在滴流與膜流;氣體在規整填的關(guān)系。料中的流道是規則的,而在散裝填料中則是隨機的。因此,規整填料與同比表面積的散裝填料相3填料波紋傾角對通量的影響比,其通量較大,散裝填料的泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)不能直接用泛點(diǎn)為填料的操作極限,在液泛區操作極不穩于規整填料,但規整填料同樣可以采用泛點(diǎn)關(guān)定,而且傳質(zhì)惡化,填料最大可操作氣速為泛點(diǎn)的聯(lián)6本文以水-空氣為實(shí)驗物系,測定不同傾角95%,比較經(jīng)濟可靠的氣速為泛點(diǎn)的70%左右。的500型板波紋規整填料的泛點(diǎn),并繪制了關(guān)聯(lián)要確定填料的通量首先要確定填料的泛點(diǎn)。泛點(diǎn)的圖,圖4為泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖,圖5為傾角與填料因子間計算方法通常采用通用關(guān)聯(lián)圖的方法,該法比較簡(jiǎn)的關(guān)聯(lián)圖。單,而且只需填料因子一個(gè)參數由于空氣深冷精餾塔中的液體粘度比較小,對泛點(diǎn)的影響不大,因此以上關(guān)聯(lián)可以直接用于空分上塔的設計。0.754波紋傾角的確定典型的空分上塔一般分為五段:塔頂至污氮口、污氮口至液空口、液空口至液空蒸汽口、液空0.60蒸汽口至氬餾分口、氬餾分口至塔底,分別簡(jiǎn)稱(chēng)為第一段、第二段,…第五段,其中第三段填料負荷0.040.060.080.10.2最大,因此選用波紋傾角較大的填料,可把此段填料的傾角定為60°,從圖5中查得填料因子后,結合氣液負荷,采用泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖4來(lái)計算塔徑,負荷圖4規整填料泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖強度可以定為泛點(diǎn)的75%,此塔徑圓整后作為最1938年Sheo等人首先把填料的干填料因終塔徑,然后根據各段負荷利用泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖4來(lái)計子/e3、系統物性、以及操作參數進(jìn)行泛點(diǎn)關(guān)算各段填料的填料因子,再利用圖5來(lái)確定各段填聯(lián),后人對其不斷改進(jìn),用經(jīng)驗參數濕填料因子替料的波紋傾角代干填料因子,縱坐標一般為C、y0.3,橫坐5結論標一直采用表征液氣兩相動(dòng)能比的流動(dòng)參數H5空分上塔是一個(gè)多產(chǎn)品多進(jìn)料精餾塔的典型合理分配各段填料理論板數、保持相同的通量彈性是成功設計此類(lèi)精餾塔的關(guān)鍵。通常此類(lèi)塔采用變徑結構,存在結構復雜、造價(jià)高的缺點(diǎn),通過(guò)改變規整填料的波紋傾角可以簡(jiǎn)單地解決這一問(wèn)題。為了便于設計,本文提供了規整填料波紋傾角分別與分離效率和通量間的關(guān)聯(lián)。當然,改變規整填料的波紋傾角并非解決填料塔變徑問(wèn)題的唯一辦法。符號說(shuō)明0.60.70.80.9填料有效傳質(zhì)比表面積,m2/m3圖5波紋傾角對填料因子的影響a,填料物理比表面積,,m2/m3常數聯(lián),但絕大多【上接第13頁(yè)】D、D,氣相、液相擴散系數,m2/sy填料因子,mdn填料水力直徑λ相平衡曲線(xiàn)斜率m與操作線(xiàn)斜率L/V之比F液體流動(dòng)參數,(L/G)(pc/p1y2,無(wú)因次∈填料空隙率,m3/m3∫泛點(diǎn)百分率,%ρ流體密度,kg/m3G、L氣液摩爾流率,kmol/(m2s)液體表面張力,PasHETP填料等板高度Hc氣相總傳質(zhì)單元高度,m參考文獻k、k1、k3...常數1 Bennett D L. Optimize Distillation Columns. Chem EngK氣相總傳質(zhì)系數,m2/sProgress,2000,96(5):29.kc、k1,氣相、液相分傳質(zhì)系數,m/s2 Treybal R E. Mass Transfer Operations. New York: McGrawm相平衡常數,無(wú)因次Reo、Ren.氣相、液相 Reynolds準數,dvp/p3 Bravo J L, et al. Mass Transfer in Gauze Packings. Hydrocar-bon process,1985,64(1):91Sc、Sh1,氣相、液相 Sherwood準數,Mb/D4 Sulzer公司,. Mellapak規整填料樣本Scc、Sc氣相、液相 Schmidt準數,/pD5王樹(shù)楹,黃杰,朱慧銘.化學(xué)工程手冊,第14篇,第2u氣體空塔速度,m2/s版.化學(xué)工業(yè)出版社,1996.14Optimization of Geometry Parameters for Structured PackingFilled in Upper Column of Air SeparationDetermination of the Corrugation Angle(i)Zhu Huiming, Sun Jinsheng, Wu JinyuanTianjin University Tianjin 300072)Chen huiTianjin University of Technologyir cryogenic separation is a heat-integrated distillation system. The upper column is the central column with manyfeed and side draw streams. Vapor and liquid flow rates vary significantly within different packing beds. The column diameter can be kept constant by changing the corrugation angle of structured packing. A correlation of packing efficiencyHETP VS. corrugation angle was derived from mass-transfer fundamentals. A graphic correlation for structured packing