復合板網填料液相傳質性能

摘　要：在500mm冷模實驗塔內對3種250Y型板網填料進行氧解吸實驗，結果表明3層板網復合填料的分離效率明顯高于單層板網填料，尤其在液氣比低的工況下，效率可以倍增。
關鍵詞：傳質；填料；分離
分類號：

 龍湘犁　葉永恒TQ 053.503　文獻標識碼：A
文章編號：1000-7466(2000)01-0013-03The liquid-side mass-transfer characteristics of plural meshed-sheet corrugated packingsLONG Xiang-li
(East China University of Science and Technology,Shanghai200237，China)
YE Yong-heng
(Beijing University of ChemicalTechnology,Beijing 100029,China)3　結果討論

3.1　液相傳質單元高度
　　液相傳質單元高度H_OL是表征塔填料傳質動力學的參數,塔填料的傳質單元高度越小,則填料的傳質效率越高。實驗測得3種板網填料在氣相的動能因子F＝2.0m/s^.(kg/m³）^0.5時的H_OL與L的關系見圖1。

Abstract：The liquid-side mass transfer performance ofthreekinds of meshed-sheet packing with a specific geometric areaof 250m²/m³ was tested by stripping oxygenfromsaturated water in a packed column with an internal diameterof 500mm.The experimental results show that the pluralmeshed-sheetstructured packing has higher separation efficiencythan one layermeshed-sheet structured packing,especially whenliquid rate islow.
Key wordsmasstransfer； packing；separation▲：

符　號　說　明

　　m——溶質在液相中的平衡常數
　　G——氣相質量流率
　　L——液相質量流率
　　x_top——塔頂液相中溶質的摩爾分數
　　K_xa——液相總體積傳質系數，1/s
　　H_OLt——實驗溫度時的液相傳質單元高度,m
　　x_e(bot)——塔底液相中溶質的平衡摩爾分數
　　k_xa——液相體積傳質系數，1/s
　　x_bot——塔底液相中溶質的摩爾分數
　　a_e——填料有效傳質面積，m²/m³
　　a_g——填料的幾何比表面積，m²/m³
　　t——測試填料時的溫度，℃
　　H_OL——25 ℃時的液相傳質單元高度，m
　　F——氣相動能因子，m/s^.(kg/m³)^0.5
　　N_OL——液相總傳質單元數
　　x_e(top)——塔頂液相中溶質的平衡摩爾分數
　　70年代以來，填料塔作為重要的傳質分離設備得到越來越廣泛的應用。由于不同填料構成的基材不同（如絲網、孔板及板網），表面產生的毛細壓力也就不同，從而導致不同分離效率。80年代初，我國曾在100mm塔中對雙層絲網波紋填料進行實驗研究^［1］，結果表明它的分離效率比單層絲網波紋填料的效率提高了1.4倍。文獻［2］又進一步分析了3層復合填料的結構特點，認為3層網復合填料可克服雙層網復合填料的缺點，做到既增強液體在填料上的擴散能力、改善填料的潤濕性能，又能使氣液流動通暢，增大有效傳質面積，顯著提高分離效率。

1　研究方法

　　筆者在北京化工大學500mm的冷模實驗塔內對250Y型單層板網、雙層板網和3層板網波紋填料的液相傳質性能進行了測試，測試以空氣-水-氧物系作為工作介質在常溫、常壓下進行。塔內填料層高1 m，由多孔排管式液體分布器布液，以保證液體初始分布均勻。本課題研究的3層板網填料的加工方法是先制成2種不同孔徑的板網，然后按照夾層孔徑小、兩側孔徑大的原則將3層板網緊密地疊合在一起，再軋成250Y型波紋填料。兩層板網填料制作方法類似于3層板網填料，但前者孔徑相同。

2　數據處理

　　液相總傳質系數和各相傳質系數的關系為：
　　
由于亨利系數H很大的難溶性氣體傳質阻力主要在液膜，可以認為K_xa_e≈k_xa_e。因為有：
　　　
　　由于溶液非常稀，塔中的溫度和壓力保持恒定，氧的溶解平衡線接近直線：
　　　　y=mx_e（5）
式中，x_e為氧在水中的平衡摩爾分數，y為氧在空氣中的摩爾分數。操作線為：
　　　y=y_bot+L／G（x－x_b_ot）　（6）
式中，L、G分別為液氣兩相的摩爾流率，y_bot和x_bot分別為塔底氣、液兩相中氧的摩爾分數。把式（5）和式（6）代入式（4）得：

　　氧在水中的溶解度小，吸收因子L/(mG)非常小，于是1-L/(mG)趨近于1，同時水的進出口溫度可以認為相等，空氣中氧的分率基本不變，則塔頂平衡摩爾分數x_e(top)和塔底平衡摩爾分數x_e(bot)可以認為相等。因此式（7）可以簡化為：
　　
由于填料層高度Z=1 m，于是傳質單元高度為:
　　
假定L/（mG）≈0，其產生的誤差估計小于1%^［4］。
　　須將實驗溫度下測得的H_OLt變換成25 ℃時的H_OL，可按下式進行計算：
　　　H_OL＝H_OLte^{0．0234（t－25)}（10）
根據式（3），可得：
　　　K_xa_e＝L／H_OL（11）

圖1　F=2.0m/s^.(kg/m³）^0．5時H_OL與L關系

　　將實驗結果歸納為：
　　　　　H_OL＝A×L^B（12）
式中的傳質單元高度關聯(lián)系數由實驗確定，單層、雙層及3層波紋填料的系數A分別為0.410、0.0611及0.0779，系數B分別為0.097 6、0.446、0.302，可用式（12）估計相應的傳質單元高度。
　　在L=10～70m³/m^2.h時,式(12)對波紋單層的*大誤差為2.4%;在20～70m³/m^2.h時，式(12)對波紋雙層的*大誤差為5.7%；在L=10～60m³/m^2.h時,式(12)對波紋3層的*大誤差為11%。
　　由圖1可見，板網復合填料由于采用了復合板基材,提高了填料的潤濕性能,使板網復合填料的傳質效率明顯高于單層板網填料,特別是在低液氣比的工況下,效率可以倍增。例如,在噴淋密度L=10m³/m^2.h時,3層板網比單層板網提高205%。在噴淋密度L=20m³/m^2.h時，3層板網比單層板網提高175%,雙層板網比單層板網提高123%。但隨著噴淋密度的增大,單層板網填料的表面潤濕性能有所改善,其傳質性能也會相應提高,因此復合填料對單層板網的優(yōu)勢有所減小。
　　由于3層板網表面結構的改進，其分離效率比雙層板網有明顯提高。在噴淋密度L=20m³/m^2.h時，3層板網比雙層板網效率提高23.2%；在噴淋密度L=50m³/m^2.h時，3層板網比雙層板網效率提高23.4%。
3.2　液相體積總傳質系數
　　液相體積傳質系數是真實傳質系數與傳質有效比表面積的綜合參量，以液相濃度表示的K_xa稱為液相總體積傳質系數。板網填料的K_xa測試結果見圖2。將實驗結果歸納為：

圖2　F=2.0m/s^.(kg/m³）^0．5時K_xa與L關系

　　　　　K_xa=A×L^B（13）
式中傳質系數A和B由實驗確定，單層、雙層和3層波紋填料的系數A分別為0.000 667、0.00456、0.00406，系數B分別為0.908、0.554、0.638?？捎檬剑?3）估計相應的K_xa。
　　當L＝10～70m³/m^2.h時，式（13）對單層板網和3層板網的*大誤差分別為3.0%和13.5%。當L=20～70m³/m^2.h時，式(13)對雙層板網的*大誤差為10%。
　　根據圖2，復合板網填料比單層板網的液相體積傳質系數K_xa大，如在L=10m³/m^2.h時，3層板網是單層板網的204%。在L=20m³/m^2.h時，3層板網是單層板網的175%,雙層板網是單層板網的124%。這說明復合板網填料比單層板網填料分離效率高，且3層板網比雙層板網的K_xa也有較大提高。
　　板網填料的K_xa隨液體噴淋量的增加而增大，但在噴淋密度較大（L＞50　m³/m^2.h）的工況下,復合板網填料的K_xa隨噴淋密度的增大變化不大，甚至略有下降，而單層板網的K_xa隨噴淋密度的增大總是提高。這可能是由于噴淋密度大時，復合填料的持液量急劇增大，復合板的空隙中存在大量的滯液，阻礙氣液兩相的傳質接觸，從而影響了分離效果。
3.3　有效傳質比表面積
　　可以用滲透膜理論來描述填料塔中液相傳質過程，根據液體在填料層中的流動軌跡，計算出氧解吸傳質系數，由此得出有效傳質面積a_e^［2］。
　　由圖3可見，填料的有效傳質表面積隨液體噴淋密度的增加而增大，因液體噴淋密度增大，使液體在填料表面的潤濕性能得到改善，液體潤濕表面積增加。然而，對復合板網填料，在液體噴淋密度比較大的工況下（L＞50m³/m^2.h），由于復合填料的細孔內易形成滯液，阻礙了氣液兩相傳質接觸，填料有效傳質表面反而漸趨減小。因此對于液體噴淋密度較大工況推薦使用板網復合填料是不合適的。

4　結語

圖3　板網波紋填料a_e/a_g與L關系

　　3層板網復合填料所特有的結構使其有效傳質表面成倍增加，如在噴淋密度L＝5m³/m^2.h時，3層板網的有效傳質表面是單層板網的3倍。在噴淋密度L＝30m³/m^2.h時，3層板網的比率比雙層板網提高40.8%。由于復合板網基材能比較充分地利用復合基材所具有的各個表面，并且由于液膜破裂和液沫的產生，使復合填料有效傳質表面大于幾何表面，如在液體噴淋密度L＝50m³/m^2.h時，3層板網的有效傳質表面為幾何表面的1.48倍。

　　復合板網填料液相傳質性能的研究結果充分證明,多層板網復合基材豐富的微孔結構可以強化毛細作用，提高液體在填料上的擴散能力，成倍增大填料的有效傳質面積，使其分離效率與單層板網填料的效率相比顯著提高。特別需要指出,在低液氣比的工況下,復合板網填料的性能優(yōu)勢更為突出,其在真空精餾、精密精餾領域尤具誘人的應用前景。
　　對復合板網填料研究僅是一個開端，還須加強基礎性理論研究，在微觀上探明復合基材內氣液兩相擴散的機理及傳質和傳熱過程規(guī)律。繼續(xù)進行復合板網填料系列產品的開發(fā)研制，確定不同型號填料*佳物系和工況條件。在進一步完善冷模實驗的同時，加快熱模實驗，確定復合板網填料適用的*佳物系和工況條件，為工程設計提供必要的軟件，推動工業(yè)應用，加快復合板網填料的工業(yè)化進程。

(孫編)