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1、鞍环填料的新构型鞍环填料的新构型双鞍环性能分析双鞍环性能分析摘要摘要 介绍新型鞍环填料 双鞍环填料的构型和特点。通过性能试验与对比分 析,表明其基本性能和若干技术经济指标优于环矩鞍填料, 可代替传统填料用于 塔的节能改造以及热敏性物系分离与真空精馏的填料塔设计。 关键词 双鞍环填料 性能分析 环矩鞍填料 1 概况概况 塔填料的进化形成散装填料和规整填料两大系列。若以综合性能论, 散装 填料不及规整填料,但在投资省,装卸简易, 对塔内件制作、 安装的要求平和等 方面独具优势, 因而十分广泛地应用于工业分离过程。两种填料互补互济, 呈并 行发展。另外, 因散料填装新型的效率、 通量和压降等基本性能
2、明显优于传统 的塔盘, 故越益频繁地用于旧塔改造,以追求扩产增容、 节能降耗的目标。 填料技术的进展体现在填料构型的不断改进、 完善和创新。从拉西环到鲍 尔环, 从环形填料到鞍形填料以及环鞍联体结构的出现, 现代填料节节攀上高效、低阻、 大通量的新水平, 结构渐趋成熟,形成以下特点: ( 1 )环壁开孔 如在传统拉西环环壁开 窗!,构成鲍尔环, 使壁内外沟通, 内表 面有效率提高;气流通畅,阻力降低等。与拉西环相比, 鲍尔环处 理量高出 50% 100% ;压降降低 50% 70%。 ( 2) “扁环”结构 “扁”是指环体高径比趋小,从初时的 1 变为 0.5 或更小。环体 趋扁,填料重心下降
3、,卧置填料在床层中的几率减小, 而卧置填料的阻力最大。 “扁” 亦有利于气液湍动, 活化内表面。作为 扁环!的阶梯环是鲍尔环的改进型,其性 能比鲍尔环明显提高,通量高出 10% 20%,压降低 30% 40%,分离效率高 5% 10%。 ( 3)环鞍联体 这类填料结构亦环亦鞍, 取环体之高通量、 鞍形之良好布液功 能。环矩鞍类填料达到更高水平。对比鲍尔环, 其通量高出 15% 30%,压降低 40% 70% ,分离效率高约 10%。 本文推出自行开发的双鞍环( SA 系列) 填料在保留上述结构特征并考虑液流在 床层的聚散机制与填料的堆积情况, 从而改善床层的整体性能。本填料已获专 利,专利号
4、ZL972 14344.0。 2 双鞍环的构型双鞍环的构型 双鞍环, 外观如两只大小不同的环矩鞍并连。矩鞍连一体,环圈呈台阶 。或者, 可视为半个鲍尔环,从内壁向外冲出直径不等的两个环圈; 半圆柱面的中腰有凸 缘;两头有翻边。图图 1 双鞍环填料外形图双鞍环填料外形图 这一构型既有开窗亦属 扁环环鞍合壁。它有矩鞍环的雏型, 也有纳特( Nut ter) 环的构思 1,具备了以下特点: ( 1)在水力学上的合理性 环壁和环圈促成液流在内外表面多次循环,液表更新;环内相搭的翅头将液流从环 壁导向各 个方向; 环壁中腰的凸缘促使液流向两侧均匀拉开,润湿表面。 ( 2)良好的堆积性能 填料的水力学和传
5、质性能是床层宏观的统计学结果。填料塔性能的优劣不仅要 看填料单体结 构,更要考虑由这些填料堆积床层的整体性能。例如,同一种填料的乱堆和整砌的 两种床层的性能完全不同,说明床层疏密均匀极为重要。SA 环单体中大小环圈 结构一改散装填料结构对称性的特点,使填料堆积成床时避免套叠, 空隙均匀, 气流阻力减小;多枚翅条均匀切割环内空间,更利于液流在表面集散。SA 填料形 成的良好床层结构体现在后面的性能测试数据分析中。 ( 3)提高强度重量比 填料在床层中受温热、 挤压作用, 承受其上结构的重负, 须保证必要的强度( 和刚度)。填料尺寸越大,要求材质越厚。双鞍环由于两头翻边, 尤其是中腰冲有 凸缘的自
6、身梁结构; 可采用薄材加工。在保证必要的强度同时, 加工材料较其它 填料减薄 0. 2mm 0. 3mm, 不仅节省材料, 而且减少塔的重量。提高填料的强 度重量比原本是一项重要的技术经济指标,这对 SA 填料是一个优势。 3双鞍环填料性能测定双鞍环填料性能测定 双鞍环流体力学传质性能测试在 500 塔中进行,以空气 水为介质进行。 该普通不锈钢填料床高 1m,液体分布器为多孔排管式, 布点密度大于 300 点/ m2。传质实验采用氧解析法。实验范围,气相动能因子 F= 1. 0 4. 5m/ s( kg / m3) 0. 5;液相喷淋密度 L= 0 60m3/ m2h。 3.1 双鞍环填料几
7、何特性双鞍环填料几何特性 双鞍环填料的几何特性如表 1 所示。 表表 1 双鞍环填料几何特性双鞍环填料几何特性3.2 比压降比压降P( mmH2O/m) 整理实验结果, 将比压降与气相动能因子 F 的关系绘于图 2 与图 3。用Leva 方程进行关联式中, L 为喷淋密度, m3/ m2h; F 为气相动能因子, m/ s( kg/ m3)0. 5; A1B1C1 为关联系数, 可从表 2 查取。 表表 2 比压降关联系数比压降关联系数在载点、 泛点的操作范围内, ( 1) 式对 SA 25/ 40 和 SA 40 的最大计算误 差分别为 15% 和 16%。 图图 2 SA 25/ 400P
8、 F 关系曲线关系曲线图图 3 SA 40 P -F 关系曲线关系曲线 比压降可用另一种方法, 即 Eckert 通用关系图查算。图算时需用压降填 料因子 P。P 值与填料结构、 材质和液体负荷有关。可根据实验数据, 归纳出 P 的关联式。 表表 3 压降填料因子压降填料因子 P 实验值实验值由表 3 数据回归: 式中, A2、 B2 为关联系数,可由表 4 查取。 表表 4 P 的关联系数的关联系数在 F= 1. 0 4. 0 范围内, ( 2)式最大计算误差对 SA- 25/ 40 和 SA40 分别 为 0. 9%和 15%。 经过核算, Leva 法和 Eckert 图法都有较高精确度
9、,前者计算简便,不含查图误差, 较为方便。 3.3 泛点泛点 由实验观察和 P F 图查定在不同喷淋密度 L 下的泛点动能因子 Ff,查定数 据列于表 5。 表表 5 泛点动能因子泛点动能因子散装填料的液泛气速通常用 Bain Hoag en 方程进行关联:式中, 为气相泛点速度, m/ s; a 为填料比表面,m2/ m3; 为填料空隙率, m3/ m3; 为液体粘度,mPas; G、 L 为气、 液密度, kg / m3; G、 L 为气、 液质量流速, kg/ m2h; A 为体现填料通量大小的特性参数, 由实验确定。对于双鞍环填料, A = 0.145,在范围内, ( 3) 式最大误差
10、为 11%。用 Eckert 通用关联图查算具体条件下的泛点气速也是常用的方 法。查算时所用的泛点填料因子 f 通常由实验确定,或者由关联式算出。由实 验结果归纳整理不同喷淋密度 L 下的 f 数据列于表 6。 表表 6 泛点填料因子泛点填料因子 f 实验值实验值为便于计算,可按下式计算具体条件的 式中,A3、 B3 为关联系数, 可在表 7 查取。 表表 7 f 的关联系数的关联系数在 F= 1. 0 4. 0 范围内, ( 4) 式对 SA-25/ 40 和 SA-40 的最大误差分别为8.6%和 0.5%。上述两种计算方法的准确性与喷淋密度有关。B-H 法在 L 低时 误差小, L 高时
11、误差略高; 而 Eckert 图算则相反。B-H 法计算简便, 较为适宜。 当然, L 高时也可考虑采用 Eckert 图算。 3.4 传质性能传质性能 在喷淋密度为 20 50m3/ m2h 的范围内,做氧解析实验。氧解吸为液膜控 制过程,液流率的影响为主导。将实验结果整理后列表并绘出传质单元高度 HOL 与液体喷淋密度 L 的关系图,见表 8 及图 4。图图 4 SA 填料的传质单元高度填料的传质单元高度 表表 8 传质单元高度与液相负荷传质单元高度与液相负荷由实验结果归纳, SA 填料的传质单元高度 Hol 可通过下式估算:式中系数 A、 B 由实验确定,见表 9。 表表 9 传质单元高
12、度关联系数传质单元高度关联系数在实验范围内, ( 5) 式对 SA-25/ 40 和 SA-40 的最大误差分别为 5.2%和2.0%。3.3.5 传质单元压降传质单元压降完成一个传质单元分离过程的床层压降称传质单元压降即 !P/ NoL, 是传质 和水力学的综合参量,可用以评价塔的综合性能, 提供设计依据。将 SA- 25/ 40 和 SA40 在气相动能因子 F= 2 时各种喷淋密度下的实测数据归纳在表 10 中,用 表 10 数据绘成 SA 填料的传质单元压降图,见图 5。图图 5 SA 填料的传质单元压降填料的传质单元压降 表表 10 SA 填料的传质单元压降填料的传质单元压降4 性能
13、分析性能分析 凡优秀填料, 都应有合理的构型,构筑均衡有致的床层,建立良好水力学和传 质条件。SA 填料的基本性能已在上面各项研究实验结果中得到充分证 明。 为了对 SA 填料作进一步分析, 选环矩鞍填料作参比对象。环矩鞍自 70 年 代以来广泛用于石油炼制、 精细化工各种分离过程,是公认的最佳散装填料之 一。另外, 从结构分析, SA 填料可视为环矩鞍的改进型, 具有独到的可比性。 4.1 负荷能力负荷能力 填料的负荷能力体现在一定的液流条件下泛点(气速或动能因子)的高低。 将 SA 填料的实验值与文献 2, 3 提供的环矩鞍测定值对照,结论是:在通常 条件下 SA 填料的负荷能力比环矩鞍平
14、均高出约 10%。液荷越小,增率越高(最 高达 20%) 。详见表 11。 表表 11 泛点气速对比泛点气速对比4.2 比压降比压降由实验对比, SA25/ 40 较 Intalox Dg40 的比压降P 减小 10% 20%。在大液荷条件下, 压降减小更为明显。液流增大, 一般填料的滞液量迅速 增加, 局部气阻增大, 比压降陡然上升。但 SA 填料床层均匀疏密有致,局部气 速与平均气速靠近,仍保持较低压降。 表表 12 比压降对比比压降对比4.3 传质效率传质效率 填料的传质性能反映在氧解析测试(冷态)中。 由于对口的数据难觅, 仅以清华大学 4Dg40 矩鞍的实验结果作对比, 见表 13。
15、 表表 13 传质性能对比传质性能对比表 13 表明,在和 F= 2. 5 的液气负荷条件下, SA 填 料的传质效率约高出 17%以上;综合水力学和传质性能的传质单元压降 !P/ NoL , SA 填料则下降近 40%。这对于节能改造,尤其对热敏物系分离和减压精馏塔 设计非常有价值。随着液荷增加, 比压降的下降率还要提高,将更有利于P/ NoL 的下降。从以上对比可知, SA 填料的基础性能已超过环矩鞍,是极富竞争 力的新型高效填料。 4.4 技术经济性能技术经济性能 现代填料在追求高技术性能的同时,必须注重经济性。试以分离因子( 分离功) D、 比密度 以及表面积单耗评述 SA 填料的技术
16、经济性能。 表表 14 技术经济性能对比技术经济性能对比分离因子 D 通常作为填料的一项综合技术指标 D= F/ HETP 式中, F 为允许 的空塔动能因子; HETP 为对应的等板高度( m)。因此, D 综合体现了填料的负 荷能力和分离效率。表 14 表明 SA 填料的综合技术性能大体上较环矩鞍提高25%。由 BILLET 5提出的填料单位分离能力的堆密度 比压降下降 10% 20%; 分离效率提高约 17%。尤其是传质单元压降减小近 40%, 这对于 塔的节能改造、 热敏性物系的分离以及真空精馏设计具有较高的实用价值。 ( 3)在若干技术经济指标的对比上,双鞍环不仅有较高的综合技术指标,而且在 节省材耗和提高强度重量比等方面也呈现出较强的经济性, 比环矩鞍更具竞争 力。 参参 考考 文文 献献 1 Da
