空分填料塔設計中的流體力學(xué)特性

第38卷第9期化學(xué)工程38No.92010年9月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)p.2010空分填料塔設計中的流體力學(xué)特性陳桂珍,林秀鋒(杭州杭氧填料有限公司,浙江杭州310004)摘要:空分精餾主要在-200℃左右的深冷條件下進(jìn)行,填料塔內流體力學(xué)特性參數難以由試驗直接獲取,如何將常壓常溫狀態(tài)(簡(jiǎn)稱(chēng)常態(tài))下空氣水物系的流體力學(xué)測試結果轉換適用于空分設計變得尤為關(guān)鍵。通過(guò)BainHougen公式及SRP(Ⅱ)模型結合 Spiegel持液量計算推導出泛點(diǎn)及壓降關(guān)聯(lián)式以預測填料的流體力學(xué)特性。對空分中常用的750Y型金屬孔板波紋填料進(jìn)行常態(tài)下流體力學(xué)特性測試結果表明:采用的方法可用于填料流體力學(xué)特性的預測。對空分狀態(tài)下的泛點(diǎn)與壓降結果預測表明,空分設計中采用常態(tài)下的流體力學(xué)數據進(jìn)行設計偏于保守。關(guān)鍵詞:空氣分離;規整填料;泛點(diǎn);持液量;壓降中圖分類(lèi)號:TQ053.5文獻標識碼:A文章編號:10059954(2010)090027-04Hydrodynamic characteristics of packed columns in air separationCHEN Gui-zhen, LiN Xiu-fengHangzhou Hangyang Packings Co, Ltd, Hangzhou 310004, Zhejiang Province, China)Abstract The conversion of packing hydrodynamic characteristics of air-water system from normal conditions to airseparation conditions is the key to the design of packed columns in air separation, for it is hard to obtainhydrodynamic data under the condition of -200C. The computing method of the Bain-Hougen formula and theSRP(I)model, combining with the Spiegels liquid holdup can educe the nooding point and the pressure drop topredict the hydrodynamics of the packing. The experimental result at normal condition of 750Y metal packing showsthat this method can well predict the hydrodynamics of the packing. The forecast of the flooding point and thepressure drop in air separation shows that the design of air separation column based on hydrodynamic data undernormal conditions is a little conservativeKey words: air separation; regular packing; flooding point; holdup liquid; pressure drop空分填料塔中主要采用金屬孔板波紋填料(簡(jiǎn)1液泛關(guān)聯(lián)式稱(chēng)填料),其流體力學(xué)特性決定著(zhù)塔徑及能耗等幾填料塔塔徑設計時(shí)首先需要確定泛點(diǎn)F因子個(gè)重要設計參數。受實(shí)際空分條件所限,目前的流F。對液泛點(diǎn)預測可歸納為4類(lèi):① Bain-Hougen公體力學(xué)試驗參數主要由空氣水物系在常溫常壓狀式;②Eken關(guān)聯(lián)圖法2;③雙膜理論模型法3;態(tài)下(簡(jiǎn)稱(chēng)常態(tài))測試所獲,不能直接應用于空分填④無(wú)因次分析關(guān)聯(lián)式法。料塔的設計。根據相關(guān)研究6,本文認為Bain- Hougen公式本文從空分填料塔設計角度出發(fā),通過(guò)Bain-足以滿(mǎn)足設計精度要求且相對于幾種模型具有便于Hougen公式計算填料塔內的泛點(diǎn)。提出采用SRP計算、不依賴(lài)試驗參數等優(yōu)點(diǎn),公式如下:(Ⅱ)模型結合 Spiegel持液量計算方法推導出泛點(diǎn)(1)以下的填料塔內的干、濕塔壓力降計算公式。通過(guò){(/]-4-B(對750Y填料流體力學(xué)特性的測試結果證明本文所式中:為泛點(diǎn)空塔氣速,m/s;為重力加速度,推導公式的準確性,而后對空分填料塔內的流體力9.81m/s2;a為填料比表面積,m2/m3;e為填料孔學(xué)特性進(jìn)行預測。隙率m3/m3ipc,p分別為氣體、液體密度kg/m3;作者簡(jiǎn)介:陳桂珍(1966-),女,碩士,教授級高工,主要從事空分精餾塔及填料的設計、開(kāi)發(fā)與應用電話(huà):(0571)88928700, E-mail:ljg@sna, coue28化學(xué)工程2010年第38卷第9期為液體黏度,Pa·s;qnc,qm分別為氣體、液體質(zhì)與F因子間相互關(guān)系再結合式(5),式(6)即可得量流量,kg′s;A,B值為試驗值,與填料類(lèi)型有關(guān),對到泛點(diǎn)以下、不同噴淋密度L下濕塔壓降與F因子于金屬孔板波紋填料取A=0.291,B=1.75。間的相互關(guān)系。在得知A,B系數前提下,可由以下計算式得F=u√pc(2)3空分填料參數9mL xAr在空分填料塔中應用較多的規整填料類(lèi)型有qm.c ur X A×3600×pcF;×360×√500Y,550Y,750Y3種填料。以金屬孔板波紋填料(3)為主取 Bain-Hougen系數A=0.291,B=175式中F1為泛點(diǎn)氣相動(dòng)能因子,(m/s)(kg/m3)03;L在空分精餾過(guò)程中,物性參數不同于常態(tài)為液體噴淋密度,m3/(m2·h);A為填料塔截面般在空分精餾塔設計溫度為-200℃,設計壓力積m2。結合式(1)及各物性參數計算得到液體噴為0.15MPa,上塔各理論板位置氣液摩爾分數yc,y1分布如圖1所示,圖中N為上塔理論板數(從下淋密度L與F之間的相互對應關(guān)系。到上)。2壓降關(guān)聯(lián)式填料塔內的干濕塔壓降影響著(zhù)整套空分產(chǎn)品的0.7O能耗。規整填料的壓降計算有較多方法,如 Kister修正GPDC模型, Spigel模型,SRP(I,Ⅱ)模型9,Bilt, Hanley,Delf, nita,BP模型等0。本4文基于目前公認應用較好的SRP(Ⅱ)模型并結合Spigel持液量計算進(jìn)行分析。Rha等的SRP(Ⅱ)模型給出了干濕塔壓降:0810254s6刻"1023如40S06029m+8y(4)(a)液體(b)氣體圖1空分上塔組分分布1-K式中:卸p4/△Z,Δp,/△Z分別為干塔、濕塔填料壓降,根據圖1組分查詢(xún) Matheson低溫混合物密度Pa/m;S為填料波紋邊長(cháng),m;θ為填料塔軸傾角表2獲得氣液密度,由 grunberg& Nissan公式();c為空塔氣速,m/s;為氣體黏度,Pa·s;h,計算液體黏度,Wke公式計算氣體黏度。從而為液體持液量(體積分數),%;K2為系數,取K2得到上塔各理論板物性參數液體及氣體密度、黏度0.614+71.35如圖2所示3.02,2SRP(Ⅱ)模型中持液量h的計算涉及液體韋伯數雷諾數弗勞德數、固液接觸角、有效重力參數11.6等計算,且在計算有效重力參數時(shí)還需要使用濕塔80020:Co-00 1.2壓降進(jìn)行迭代計算,工作量巨大。對于金屬孔板波6紋規整填料建議采用Spgl!持液量計算方法,o08泛點(diǎn)以下持液量取h式中:c,x為經(jīng)驗系數,當L<40m3/(m2·h)時(shí),取c=0.0169,x=0.37,否則取c=0.0075,x=0.59(a)液體(b)氣體圖2空分上塔物性參數11.為20℃水的黏度,取1.005×10Pa·sFig 2 Physical parameter in upper column in air separationF=uc√pc(7)式中:F為氣相動(dòng)能因子,(m/s)(kg/m3)03。為便于分析,選取接近于空氣組分比例處,(下塔將式(7)代入式(4)可得每m干塔壓降Apd△Z富氧液空進(jìn)上塔位置)的操作條件,選取空分精餾塔陳桂珍等空分填料塔設計中的流體力學(xué)特性?xún)染哂写硇缘奈镄詤等缦?=1.55×103密度下液泛F因子Fo取常態(tài)下水、空氣參數g=Pa·s,μc=8.155×10-6Pa·s,p1=863.13kg/m3,9.81m/s2,p1=1.005×103Pa·s,k=17.9Pc =6.09 kg106Pa·s,p1=998.2kg/m3,pc=1.205kg/m3。由式(2)結合式(1)、式(3)得常態(tài)下基于Bain4試驗與結果分析Hougen公式的理論液泛點(diǎn)FBH,見(jiàn)表1。圖4中通過(guò)對杭州杭氧填料有限公司生產(chǎn)的750Y型由試驗結果獲得的壓降曲線(xiàn)轉折點(diǎn)得不同噴淋密填料進(jìn)行流體力學(xué)試驗。并采用本文推薦的分析方度下液泛點(diǎn)試驗值F=。根據 Bain- Hougen公式,法計算理論值用以比較分析。結合空分填料參數可得空分(AS)條件下的理論液4.1流體力學(xué)測試填料流體力學(xué)測試在內徑為600mm的有機玻泛點(diǎn)FA璃塔中進(jìn)行,采用空氣-水物系在常態(tài)下進(jìn)行試驗表1不同液體噴淋密度下泛點(diǎn)F因子試驗裝置如圖3所示,試驗填料為11盤(pán)盤(pán)高Table 1 Fr of differentL (m/s)(kg/m')212mm的HYTL750Y填料。填料參數為S=5.5×3,10-3m,E=0.93,a=750m2/m3,=45°。251015202530F.2.852.091.61.621.411.371.3l521.351.221.1182.912452.061.811.631.481.36由表1得噴淋密度與泛點(diǎn)F因子關(guān)系,見(jiàn)圖53.5圖3750Y流體力學(xué)特性測試Fig 3 Hydrodynamic testing of 750Y分別進(jìn)行0,2,5,10,15,20,25,30m3/(m2·h)等噴淋密度下,F因子為0.2-4.0(m/s)(kg/m3)°5范圍內的流體力學(xué)特性測試。測試結果圖5液體噴淋密度與泛點(diǎn)的關(guān)系如圖4所示Fig. 5 Flooding points at various liquid londsL(m·mh)從圖5對比可見(jiàn)本文計算結果與試驗值相吻1000合,可用于泛點(diǎn)的推導與預測?？辗謼l件下FA結果表明:由于液體黏度較低,在相同噴淋密度下,泛2點(diǎn)F因子比常態(tài)高,約為其1.2倍。4.3壓降結果分析根據式(4)結合750Y填料參數及試驗時(shí)空氣物系參數可推導出常態(tài)下理論干塔壓降(圖6中SRPⅡ),結合空分氣體物性參數可得空分狀態(tài)下干圖4750Y規整填料測試壓降圖塔壓降(圖6中AS計算值),如圖6所示。Fig 4 Measured pressure drop of 750Y通過(guò)與試驗值數據比較可知,SRP(Ⅱ)計算的干塔壓降比實(shí)際測試值約偏大1.2倍。根據計算結4.2液泛結果分析果空分條件下填料干塔壓降約為常態(tài)下干塔壓降的根據 Bain-Hougen公式,計算常態(tài)下不同噴淋0.8倍化學(xué)工程2010年第38卷第9期分操作條件下填料的泛點(diǎn)與壓降。結果表明,填料在空分條件下,由于液體黏度較低,在相同噴淋密度下具有更大的泛點(diǎn)液體持液量更少,同時(shí)由于空分氣體密度較大,正常操作情況下,在相同F因子條件下,其壓降更低。因此空分設計時(shí)選取常態(tài)下的RP(I)試驗結果數據是偏于安全的。合AS,計算值20406s102040參考文獻[1] BAIN W A, HOUGEN O A. 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