复合板网填料液相传质性能

摘　要：在500mm冷模实验塔内对3种250Y型板网填料进行氧解吸实验，结果表明3层板网复合填料的分离效率明显高于单层板网填料，尤其在液气比低的工况下，效率可以倍增。
关键词：传质；填料；分离
分类号：

 龙湘犁　叶永恒TQ 053.503　文献标识码：A
文章编号：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　结果讨论

3.1　液相传质单元高度
　　液相传质单元高度H_OL是表征塔填料传质动力学的参数,塔填料的传质单元高度越小,则填料的传质效率越高。实验测得3种板网填料在气相的动能因子F＝2.0m/s^.(kg/m³）^0.5时的H_OL与L的关系见图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　号　说　明

　　m——溶质在液相中的平衡常数
　　G——气相质量流率
　　L——液相质量流率
　　x_top——塔顶液相中溶质的摩尔分数
　　K_xa——液相总体积传质系数，1/s
　　H_OLt——实验温度时的液相传质单元高度,m
　　x_e(bot)——塔底液相中溶质的平衡摩尔分数
　　k_xa——液相体积传质系数，1/s
　　x_bot——塔底液相中溶质的摩尔分数
　　a_e——填料有效传质面积，m²/m³
　　a_g——填料的几何比表面积，m²/m³
　　t——测试填料时的温度，℃
　　H_OL——25 ℃时的液相传质单元高度，m
　　F——气相动能因子，m/s^.(kg/m³)^0.5
　　N_OL——液相总传质单元数
　　x_e(top)——塔顶液相中溶质的平衡摩尔分数
　　70年代以来，填料塔作为重要的传质分离设备得到越来越广泛的应用。由于不同填料构成的基材不同（如丝网、孔板及板网），表面产生的毛细压力也就不同，从而导致不同分离效率。80年代初，我国曾在100mm塔中对双层丝网波纹填料进行实验研究^［1］，结果表明它的分离效率比单层丝网波纹填料的效率提高了1.4倍。文献［2］又进一步分析了3层复合填料的结构特点，认为3层网复合填料可克服双层网复合填料的缺点，做到既增强液体在填料上的扩散能力、改善填料的润湿性能，又能使气液流动通畅，增大有效传质面积，显著提高分离效率。

1　研究方法

　　笔者在北京化工大学500mm的冷模实验塔内对250Y型单层板网、双层板网和3层板网波纹填料的液相传质性能进行了测试，测试以空气-水-氧物系作为工作介质在常温、常压下进行。塔内填料层高1 m，由多孔排管式液体分布器布液，以保证液体初始分布均匀。本课题研究的3层板网填料的加工方法是先制成2种不同孔径的板网，然后按照夹层孔径小、两侧孔径大的原则将3层板网紧密地叠合在一起，再轧成250Y型波纹填料。两层板网填料制作方法类似于3层板网填料，但前者孔径相同。

2　数据处理

　　液相总传质系数和各相传质系数的关系为：
　　
由于亨利系数H很大的难溶性气体传质阻力主要在液膜，可以认为K_xa_e≈k_xa_e。因为有：
　　　
　　由于溶液非常稀，塔中的温度和压力保持恒定，氧的溶解平衡线接近直线：
　　　　y=mx_e（5）
式中，x_e为氧在水中的平衡摩尔分数，y为氧在空气中的摩尔分数。操作线为：
　　　y=y_bot+L／G（x－x_b_ot）　（6）
式中，L、G分别为液气两相的摩尔流率，y_bot和x_bot分别为塔底气、液两相中氧的摩尔分数。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)趋近于1，同时水的进出口温度可以认为相等，空气中氧的分率基本不变，则塔顶平衡摩尔分数x_e(top)和塔底平衡摩尔分数x_e(bot)可以认为相等。因此式（7）可以简化为：
　　
由于填料层高度Z=1 m，于是传质单元高度为:
　　
假定L/（mG）≈0，其产生的误差估计小于1%^［4］。
　　须将实验温度下测得的H_OLt变换成25 ℃时的H_OL，可按下式进行计算：
　　　H_OL＝H_OLte^{0．0234（t－25)}（10）
根据式（3），可得：
　　　K_xa_e＝L／H_OL（11）

图1　F=2.0m/s^.(kg/m³）^0．5时H_OL与L关系

　　将实验结果归纳为：
　　　　　H_OL＝A×L^B（12）
式中的传质单元高度关联系数由实验确定，单层、双层及3层波纹填料的系数A分别为0.410、0.0611及0.0779，系数B分别为0.097 6、0.446、0.302，可用式（12）估计相应的传质单元高度。
　　在L=10～70m³/m^2.h时,式(12)对波纹单层的*大误差为2.4%;在20～70m³/m^2.h时，式(12)对波纹双层的*大误差为5.7%；在L=10～60m³/m^2.h时,式(12)对波纹3层的*大误差为11%。
　　由图1可见，板网复合填料由于采用了复合板基材,提高了填料的润湿性能,使板网复合填料的传质效率明显高于单层板网填料,特别是在低液气比的工况下,效率可以倍增。例如,在喷淋密度L=10m³/m^2.h时,3层板网比单层板网提高205%。在喷淋密度L=20m³/m^2.h时，3层板网比单层板网提高175%,双层板网比单层板网提高123%。但随着喷淋密度的增大,单层板网填料的表面润湿性能有所改善,其传质性能也会相应提高,因此复合填料对单层板网的优势有所减小。
　　由于3层板网表面结构的改进，其分离效率比双层板网有明显提高。在喷淋密度L=20m³/m^2.h时，3层板网比双层板网效率提高23.2%；在喷淋密度L=50m³/m^2.h时，3层板网比双层板网效率提高23.4%。
3.2　液相体积总传质系数
　　液相体积传质系数是真实传质系数与传质有效比表面积的综合参量，以液相浓度表示的K_xa称为液相总体积传质系数。板网填料的K_xa测试结果见图2。将实验结果归纳为：

图2　F=2.0m/s^.(kg/m³）^0．5时K_xa与L关系

　　　　　K_xa=A×L^B（13）
式中传质系数A和B由实验确定，单层、双层和3层波纹填料的系数A分别为0.000 667、0.00456、0.00406，系数B分别为0.908、0.554、0.638。可用式（13）估计相应的K_xa。
　　当L＝10～70m³/m^2.h时，式（13）对单层板网和3层板网的*大误差分别为3.0%和13.5%。当L=20～70m³/m^2.h时，式(13)对双层板网的*大误差为10%。
　　根据图2，复合板网填料比单层板网的液相体积传质系数K_xa大，如在L=10m³/m^2.h时，3层板网是单层板网的204%。在L=20m³/m^2.h时，3层板网是单层板网的175%,双层板网是单层板网的124%。这说明复合板网填料比单层板网填料分离效率高，且3层板网比双层板网的K_xa也有较大提高。
　　板网填料的K_xa随液体喷淋量的增加而增大，但在喷淋密度较大（L＞50　m³/m^2.h）的工况下,复合板网填料的K_xa随喷淋密度的增大变化不大，甚至略有下降，而单层板网的K_xa随喷淋密度的增大总是提高。这可能是由于喷淋密度大时，复合填料的持液量急剧增大，复合板的空隙中存在大量的滞液，阻碍气液两相的传质接触，从而影响了分离效果。
3.3　有效传质比表面积
　　可以用渗透膜理论来描述填料塔中液相传质过程，根据液体在填料层中的流动轨迹，计算出氧解吸传质系数，由此得出有效传质面积a_e^［2］。
　　由图3可见，填料的有效传质表面积随液体喷淋密度的增加而增大，因液体喷淋密度增大，使液体在填料表面的润湿性能得到改善，液体润湿表面积增加。然而，对复合板网填料，在液体喷淋密度比较大的工况下（L＞50m³/m^2.h），由于复合填料的细孔内易形成滞液，阻碍了气液两相传质接触，填料有效传质表面反而渐趋减小。因此对于液体喷淋密度较大工况推荐使用板网复合填料是不合适的。

4　结语

图3　板网波纹填料a_e/a_g与L关系

　　3层板网复合填料所特有的结构使其有效传质表面成倍增加，如在喷淋密度L＝5m³/m^2.h时，3层板网的有效传质表面是单层板网的3倍。在喷淋密度L＝30m³/m^2.h时，3层板网的比率比双层板网提高40.8%。由于复合板网基材能比较充分地利用复合基材所具有的各个表面，并且由于液膜破裂和液沫的产生，使复合填料有效传质表面大于几何表面，如在液体喷淋密度L＝50m³/m^2.h时，3层板网的有效传质表面为几何表面的1.48倍。

　　复合板网填料液相传质性能的研究结果充分证明,多层板网复合基材丰富的微孔结构可以强化毛细作用，提高液体在填料上的扩散能力，成倍增大填料的有效传质面积，使其分离效率与单层板网填料的效率相比显著提高。特别需要指出,在低液气比的工况下,复合板网填料的性能优势更为突出,其在真空精馏、精密精馏领域尤具诱人的应用前景。
　　对复合板网填料研究仅是一个开端，还须加强基础性理论研究，在微观上探明复合基材内气液两相扩散的机理及传质和传热过程规律。继续进行复合板网填料系列产品的开发研制，确定不同型号填料*佳物系和工况条件。在进一步完善冷模实验的同时，加快热模实验，确定复合板网填料适用的*佳物系和工况条件，为工程设计提供必要的软件，推动工业应用，加快复合板网填料的工业化进程。

(孙编)