u乐国际【doc】空分上塔规整填料结构优化——波纹规整填料倾角的确定

  空分上塔规整填料结构优化——波纹规整填料倾角的确定 朱慧铭等空分上塔规整填料结构优化 空分上塔规整填料结构优化 (天津大学化学工程研究所,天津300072)(天津理工学院化工系)空气深)辛分离是一个多精馏塔偶台过程.其中上塔处于核心位置,具有许多进出 料口,各段填 料层内气液两相负荷变化相当大.通过改变波纹规整填料的倾角可以避免塔休变 论出发,推导出规整填料的重要结构参数之一——波纹倾角对效率影响的关联,同时给出了规整填 料的通用泛点关联式. 关键词:空分规整填料倾角 90 年代视,规整填料开始应用于空分深冷精 馏塔,取代传统的筛板.目前国外推出的空分装置 中,上塔和氩塔全部采用填料塔(见图1).上塔 采用低压降的规整填料后,可以显着地降低空气进 人下塔的压力,从而降低空气的压缩比,节省5% 10%的能耗;粗氩塔填料采用规整填料后.在允许的压差下可以装填180—24O 块理论板的填料, 足以把氢气中氧的浓度降至210 以下,省去了 安全要求高,工艺复杂的加氢除氧过程.国内这方 面的工作也已经展开.到目前为止,天津大学化学 工程研究所与中国空分设备公司,杭州制氧机集团 有限公司等单位合作,在二十多座空分深冷精馏塔 中成功地采用了规整填料塔技术. 空气低温分离是一个多精馏塔偶合的复杂过 程,其中上塔处于核心位置.该塔性能的好坏关系 到整套空分装置性能的好坏.与一般的精馏塔相 比+空分上塔主要有三个特点:分离精度高,氮 产品浓度高达99.99%一99.999%以上;进出料 口多,填料分段频繁,气液两相负荷变化大;各 段理论板数必须合理分配,确保各产品和侧线的产 量与纯度.因此各段填料必须保持统一的弹性,才 能充分发挥填料的作用,确保分离精度.若采用同 种填料,则塔体必须变径,结构复杂.根据气液两相负荷的变化对上塔中各段填料的结构参数作相 应调整,可以避免塔体变径. 一压缩空气;2一饱和空气;3 一砖胀空气;4 一裱氮回流; 一液空蒸气;7一液空回流;8 一氩僖分回流;10一气相氪产品;ll 一气相氧产品; 12 一污氨;13 一废气;l4 一液相氩产品;15 一液相氧产品 一扳式换热器;c一下塔;D 一上塔; 10l1 l2 13 目前应用于空分的规整填料都是采用板波纹结 构,其最主要的结构参数为比表面积和波纹倾角. 单位体积填料表面积越高,效率越高,通量越低; 波纹与水平面问的夹角越大,通量越高,效率越 低.本文考察填料波纹倾角对填料性能的影响. 天津市白;;!;科学基金资助课题朱慧铭,1967 年生,硬士,讲师.通讯联系^,电线 为规整填料的特性曲线,当负荷低于A点后,由于填料表面的润湿状况恶化,填料的传质效 率急剧下降.在A 之间,填料的传质效率基本保持不变,仅随负荷的增加略有提高.负荷超过 载点后,由于填料表面持液量的增加以及气体流速 的提高,气液两相交互作用增强,填料的传质效率增 加比较快,到达C 点后,由于气液两相交互作用过 强,气相开始夹带液相,造成返混,从而导致填料 的传质效率下降.当负荷达到泛点后,由于液相由 分散相转化为连续相,填料塔已不能稳定操作. 规整填料特性曲线对于填料塔的设计,填料的传质效率和通量的 确定最为关键.由于填料结构的复杂性,目前还没 有精确计算特定的物系及特定操作点下传质效率的 方法.在设计中,一般先查取标准物系下填料的传 质效率,然后对特定物系进行校正,再加10%一 15%的余量.在确定标准物系下填料的传质效率 时,为了满足其可代表性及填料塔的设计弹性,以 载点处的传质效率为基准.通量则采用通用关联的 方法来确定 填料波纹倾角对分离效率舶影响影响填料效率的因素很多,包括填料的物理结 构,分离物系物性,操作参数.在各种传质模型 中,双膜理论是估算填料效率最成功,应用最广的 模型,其数学表达式如下: 古cG1,在常压操作的空气深冷精馏过程中,其液膜传 质阻力远低于气膜,可以忽略,式(1)~(4) 可简化为: HETP=?n 其中气相分传质系数和有效传质比面积分别采用以 下关联式: Sh=Rklct 对于相同的分离任务,尽管规整填料的波纹倾角不同,比表面积不变,填料水力学直径不变,其 中物料的物性,气液比及渡泛百分率等操作参数也 都相同,填料波纹倾角仅仅影响填料内气体流动的 湍动程度,式(8)可简化为: HETP:C3Re~(9) 由于传统的关联式都是针对某一特定的填料,因此 其表征湍动强度的参数船.中速度采用空塔速度 ,若考虑波纹倾角对湍动强度的影响,应采用气 体在倾斜流道中的速度: (10)代人式(9)得到填料波纹倾角影响分离效率的关 HETP:C(sin0)(11)此式中系数k 仅与填料的表面积有关. ain8 500,750,lO00m/m等,在空分上塔中采用同一 朱慧铭等空分上塔规整填料结构优化 比表面积,变倾角的规整填料时,为了避免全塔压 降过高,建议采用500 比表面积的波纹填料.图3 为500 型板波纹规整填料分离效率随波纹倾角变化 的关系. 填料波纹倾角对通量的影响泛点为填料的操作极限,在液泛区操作极不稳 定,而且传质恶化,填料最大可操作气速为泛点的 95%,比较经济可靠的气速为泛点的70%左右 要确定填料的通量首先要确定填料的泛点.泛点的 计算方法通常采用通用关联图的方法,该法比较简 单,而且只需填料因子一个参数. 操整填料泛点关联图1938 年Sherwood 等人首先把填料的干填料因 子/e,系统物性,以及操作参数进行泛点关 联,后人对其不断改进,用经验参数湿填料因子替 代干填料因子,纵坐标一般为c,横坐标 波纹倾角对填料因子的影响文献中可以查到大量的泛点关联,但绝大多数 是针对散装填料.规整填料的流体力学行为与散装 填料不同,液体在规整填料中以膜状流动为主,在 散装填料中则同时存在滴流与膜流;气体在规整填 料中的流道是规则的,而在散装填料中则是随机 的.因此.规整填料与同比表面积的散装填料相 比,其通量较大,散装填料的泛点关联不能直接用 于规整填料,但规整填料同样可以采用泛点关 联本文以水一空气为实验物系,测定不同倾 角的500 型板波纹规整填料的泛点,并绘制了关联 为倾角与填料因子问的关联图. 由于空气深冷精馏塔中的液体粘度比较小,对 泛点的影响不大,因此以上关联可以直接用于空分 上塔的设计 波纹倾角的确定典型的空分上塔一般分为五段:塔顶至污氮 蒸汽口至氩馏分口,氩馏分口至塔底.分别简称为第一段,第二段……第五段,其中第三段填料负荷 最大,因此选用波纹倾角较大的填料,可把此段填 料的倾角定为6O.,从图5 中查得填料因子后,结 合气液负荷,采用泛点关联图4 来计算塔径,负荷 强度可以定为泛点的75%,此塔径圆整后作为最 终塔径,然后根据各段负荷利用泛点关联图4 算各段填料的填料因子,再利用图5来确定各段填 料的波纹倾角. 结论空分上塔是一个多产品多进料精馏塔的典型, 合理分配各段填料理论板数,保持相同的通量弹性 是成功设计此类精馏塔的关键.通常此类塔采用变 径结构,存在结构复杂,造价高的缺点,通过改变 规整填料的波纹倾角可以简单地勰决这一问题为 了便于设计,本文提供了规整填料波纹倾角分别与 分离效率和通量问的关联.当然,改变规整填料的 波纹倾角并非解决填料塔变径问题的唯一办法. 符号说明 .填料有效传质比表面积,m/in 填料物理比表面积,,m/m 常数CC 因子,M[pc/(p 一Pc)],nVs 【下转第29 蒋毅等天然气自热式催化转化反应热力学研究烷比影响较小.当制台成甲醇原料气时(=1, r=O.j),反应要自热进行,其原料人口温度要高 于670 (3)原料入口温度和氧/烷比r 增加可显 着升高燃烧区温度,而水/烷比影响较小.当 制合成甲醇原料气时,可达1800~E. 致谢:对邱发礼教授给予的热心指导和帮助, 致以衷感谢. 符号说明 H2O/CH(摩尔比) YO/CH(摩尔比) m(按1mMCH4,XmMH20,YmolO2 反应后)混 台气中组分的摩尔数 一反应转化率 K(T)反应平衡常数 反应物料进入反应器时的温度,K 反应产物出反应器时的温度,K 燃烧区物料的热点温度,K 反应体系的热焙,kJ 相应反应的热效应,kJ上标代表燃烧区的情况 参考文献 1HldorTopst~eA/S.AutothermalReformingHydrocarbon Processing,1984,2:103. 2ChengJiYuan,YaoRuoBingeta1.StudiesollPreparation ofedGasforMethanolSynthesisbyestalyaeoxidationof naturalg.JDfNaturalGasChemistry.1993,4(2): 329. 袁一,曾宪尤编.大型氨厂合成氨生产工艺.化学工业出版社.1984.61. 4GNL~aif1.Theamodyr,amies,2nded.NewYodc: Mcgraw—Hill,1961.68. 邱发礼等.低水碳比下天然气转化的热力学和催化剂选择.天然气化工,1985,3:33. 【上接第13 液体流动参数,(L/G)(P),无因次,泛点百分率,% 气液摩尔流率,kmol/(m?s)HETP 填料等板高度,m 气相总传质单元高度,111,kl,k3……常数 相平衡常数,无因次ReG,ReL 气相,液相Reynolds 准数,d~up/b* 气相,液相She~oM准数,kdr/Dsc&L 气相,液相Schmidt 准数,#laD 气相负荷,kmo//(m?8)填料因子,m 相平衡曲线斜率m与操作线斜率L/V 之比 填料空隙率,m/ 流体密度,kg/m液体表面张力,Pa?s 参考文献 1BennettDL.OptimizeDistillationColttmns.ChemEng progress,2000,96(5):29. 2TreybalRE.MassTransferOperations.NewYork: McGraw—Hil1.1968.250. 3BravoJL.eIa1.MassTransferinGauzePseklngs.Hy- drocarbonProoes8,1985,64(1):91. 4Sulzer 公司.MdMp~规整填料样本. 版化学工业出版社,1996.14.6KistexRE.DistillationandAdsorption.presentedatIChE meedng,Birmingham,UK,1968.250

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