複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層板網複合填料的分離效率明顯高於單層板網填料，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的關係見圖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——液相總體積傳質係數，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——液相體積傳質係數，1/s
　　x_bot——塔底液相中溶質的摩爾分數
　　a_e——填料有效傳質麵積，m²/m³
　　a_g——填料的幾何比表麵積，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。由於不同填料構成的基材不同（如絲網、孔板及板網），表麵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層複合填料的結構特點，認為3層網複合填料可克服雙層網複合填料的缺點，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，增大有效傳質麵積，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-氧物係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製成2種不同孔徑的板網，然後按照夾層孔徑小、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。兩層板網填料製作方法類似於3層板網填料，但前者孔徑相同。

2　數據處理

　　液相總傳質係數和各相傳質係數的關係為：
　　
由於亨利係數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：
　　　
　　由於溶液非常稀，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，於是1-L/(mG)趨近於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：
　　
由於填料層高度Z=1 m，於是傳質單元高度為:
　　
假定L/（mG）≈0，其產生的誤差估計小於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關係

　　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係數由實驗確定，單層、雙層及3層波紋填料的係數A分別為0.410、0.0611及0.0779，係數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，板網複合填料由於采用了複合板基材,提高了填料的潤濕性能,使板網複合填料的傳質效率明顯高於單層板網填料,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,單層板網填料的表麵潤濕性能有所改善,其傳質性能也會相應提高,因此複合填料對單層板網的優勢有所減小。
　　由於3層板網表麵結構的改進，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　液相體積總傳質係數
　　液相體積傳質係數是真實傳質係數與傳質有效比表麵積的綜合參量，以液相濃度表示的K_xa稱為液相總體積傳質係數。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關係

　　　　　K_xa=A×L^B（13）
式中傳質係數A和B由實驗確定，單層、雙層和3層波紋填料的係數A分別為0.000 667、0.00456、0.00406，係數B分別為0.908、0.554、0.638。可用式（13）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，複合板網填料比單層板網的液相體積傳質係數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%。這說明複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,複合板網填料的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。這可能是由於噴淋密度大時，複合填料的持液量急劇增大，複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　有效傳質比表麵積
　　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，計算出氧解吸傳質係數，由此得出有效傳質麵積a_e^［2］。
　　由圖3可見，填料的有效傳質表麵積隨液體噴淋密度的增加而增大，因液體噴淋密度增大，使液體在填料表麵的潤濕性能得到改善，液體潤濕表麵積增加。然而，對複合板網填料，在液體噴淋密度比較大的工況下（L＞50m³/m^2.h），由於複合填料的細孔內易形成滯液，阻礙了氣液兩相傳質接觸，填料有效傳質表麵反而漸趨減小。因此對於液體噴淋密度較大工況推薦使用板網複合填料是不合適的。

4　結語

圖3　板網波紋填料a_e/a_g與L關係

　　3層板網複合填料所特有的結構使其有效傳質表麵成倍增加，如在噴淋密度L＝5m³/m^2.h時，3層板網的有效傳質表麵是單層板網的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%。由於複合板網基材能比較充分地利用複合基材所具有的各個表麵，並且由於液膜破裂和液沫的產生，使複合填料有效傳質表麵大於幾何表麵，如在液體噴淋密度L＝50m³/m^2.h時，3層板網的有效傳質表麵為幾何表麵的1.48倍。

　　複合板網填料液相傳質性能的研究結果充分證明,多層板網複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麵積，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,複合板網填料的性能優勢更為突出,其在真空精餾、精密精餾領域尤具誘人的應用前景。
　　對複合板網填料研究僅是一個開端，還須加強基礎性理論研究，在微觀上探明複合基材內氣液兩相擴散的機理及傳質和傳熱過程規律。繼續進行複合板網填料係列產品的開發研製，確定不同型號填料*佳物係和工況條件。在進一步完善冷模實驗的同時，加快熱模實驗，確定複合板網填料適用的*佳物係和工況條件，為工程設計提供必要的軟件，推動工業應用，加快複合板網填料的工業化進程。

(孫編)