轻瓷球形填料流体力学性能研究

轻瓷球形填料流体力学性能研究Ξ贾绍义王若雷孙永利赵金铎(天津大学化工学院,天津300072)摘要在内径DN600mm塔中,以空气—水为物系,对轻瓷球形填料的流体力学性能进行了研究,获得了该填料的几何特性和流体力学特性,提出了泛点填料因子和压降填料因子的关联式,该研究结果对设计有参考价值。关健词气体净化填料塔轻瓷填料流体力学性能中图分类号TU996.61TQ028.251前言在煤气厂中,为了达到气体净化和回收化工产品的目的,需要进行脱硫、脱氰、洗氨、洗苯、洗萘等过程,这些过程均是在填料塔中进行的。传统的工艺是以木格栅填料为主,木格栅填料具有流动阻力小、操作弹性大及工艺成熟等优点,但其最大的缺点是使用寿命短、材料成本高。随着国民经济的发展,木材需求量迅速增大,供应较为紧张,因此木格栅填料在逐渐被其它填料所取代,其中应用较多的是塑料散装填料,如塑料鲍尔环、塑料海尔环、塑料TGJ型等[1]。采用塑料散装填料通量较大,造价也较低,但其润湿性能较差,且容易老化,使用寿命亦较短。近年来国内开发出了轻瓷多孔填料[2],该类填料具有耐酸、耐碱、耐有机溶剂腐蚀以及堆积密度小,抗压强度高、不易破碎、润湿性能好等优点,且取材容易、制造方便、成本低,使用寿命长,可用于煤气净化分离设备中。轻瓷球形填料是以一种天然瓷土为原料,经过加工制成的轻瓷类填料。它的形状为球形,中间开一圆孔,球体具有多个微孔,有利于气、液两相流动,它的表面润湿性能极好。由于采用球体结构,填料堆积时球体间以点接触为主,填料在塔内形成均匀、稳定的床层结构,改善了液体在塔内的分布状况,球体上表面曲率的存在有利于液体的表面更新,提高了填料的传质性能。用该填料代替煤气净化分离设备中的木格栅填料,可以提高传质效率,降低填料成本。为使该填料得以推广应用,本文对DN25轻瓷球形填料的流体力学性能进行了研究,获得了可靠的实验数据,并对实验数据进行了关联。2实验方法2.1实验流程本研究以空气-水为物系,在内径DN600mm填料塔中进行。填料采用湿法装填,填料层高度1200mm,中间压降测量段500mm,实验流程如图1所示。1-填料塔;2-鼓风机;3-皮托管;4-压差计;5-水槽;6-水泵;7-流量计;8-液体分布器;9-填料支承板图1填料流体力学实验流程图·6·煤气与热力1999年3月Ξ收稿日期:1998-09-162.2实验步骤实验开始时,加大气速和液体喷淋密度,将填料层预液泛,使填料层充分润湿。然后,固定在某一液体喷淋密度下,改变气速,测定在不同气速下填料层的压降值,即可获得每米填料层压降△P/Z与空塔气速u的关系。再改变液体喷淋密度,重复上述测试过程。为使测试数据可靠,实验中,气速的改变分别采取了由液泛点以上开始,逐渐减小气速和由小气速开始,逐渐加大气速至泛点以上两种不同方法,测试结果表明,二者相差不大。实验测试范围为:液体喷淋密度:0～40�/�·h;气体质量速度:2500～11000kg/�·h。3实验结果3.1填料的几何特性实验中,对填料的几何特性进行了测定。测定结果列于表1。表1填料的几何特性数据填料几何特性外径dmm空隙率ε�/�比表面积a�/�干填料因子a/ε31/m堆积个数n个/m3堆积密度ρpkg/m3轻瓷球形填料250.713178.2491.671352392.73.2填料层的压降在一定的液体喷淋密度下,气体通过每米填料层压降△P/Z与空塔气速u的关系如图2所示。1～0�/�·h;2～10�/�·h;3～20�/�·h;4～30�/�·h;5～40�/�·h图2填料层压降与空塔气速的关系填料层压降与空塔气速的关系,在载点以下,通常可用下式关联[3],关联结果列于表2。△P/Z=A(uρG)B(1)式中:ρG—气体密度,kg/�;A、B—关联式常数。表2填料层压降关联式常数L,m3/m2·h10203040A4.5975.5896.6288.183B2.6872.7012.8782.960分别将A、B与L的关系在双对数坐标纸上标绘,如图3所示。用最小二乘法对表2数据进行回归,得出以下方程:A=EXP(1.3348+0.01901L)(2)B=EXP(0.9426+0.00354L)(3)图3A、B与L的关系3.3填料的泛点特性泛点的确定采用图解法[4],即根据不同液体喷淋密度下△P/Z～u关系曲线上的折点确定泛点,轻瓷球形填料的泛点特性列于表3。将泛点气速随液体喷淋密度的关系绘成曲线,如图4所示。·7·第19卷第2期煤气与热力表3填料的泛点特性L,m3/m2·h10203040泛点气速uF2.312.172.051.84泛点压降△PF/Z47.252.658.360.2图4uF与L的关系3.4填料因子本文采用Eckert通用压降关联图[5～6]求算出填料的泛点填料因子ФF及压降填