2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，先調(diào)至最大加熱負(fù)荷使塔內(nèi)填料預(yù)液泛，再降至固定負(fù)荷，待全塔工況基本穩(wěn)定后精餾2～2.5h。于各個(gè)取樣口取樣，同時(shí)記錄各個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的值。調(diào)節(jié)加熱電壓，改變導(dǎo)熱油的溫度進(jìn)而改變塔釜蒸汽量，測(cè)定不同負(fù)荷下的實(shí)驗(yàn)值直至液泛。回流量由質(zhì)量流量計(jì)測(cè)得，填料層壓降由高精度的西門子TDS 4433差壓變送器測(cè)得。液相樣品的組成用氣相色譜儀Agilent 7890 A測(cè)定。

2.1壓降

正庚烷-甲基環(huán)己烷物系在500Y和750Y型規(guī)整填料塔中的壓降隨氣相F因子的變化如圖3所示。從圖3可以看出，兩種填料的壓降均隨氣相F因子的增大顯著增加，相同氣相負(fù)荷下750Y填料的壓降明顯高于500Y填料。這是由于750Y填料的結(jié)構(gòu)相對(duì)500Y更為致密，故壓降也較高。高壓降限制了實(shí)驗(yàn)操作的通量，故500Y操作范圍更廣，在一定負(fù)荷范圍內(nèi)也更穩(wěn)定。

2.2液泛性能

實(shí)驗(yàn)測(cè)定了回流量從小到大直至液泛的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能，得到了液泛時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給定了操作的極限。圖4(a)為500Y填料塔的全塔傳質(zhì)效率隨氣相F因子的變化，從圖中可以看出隨F因子的增大，HETP先下降后升高，即填料塔的傳質(zhì)效率先升高后下降，在氣相F因子為1.8kg0.5/(m0.5·s)附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。圖4(b)為750Y填料塔的全塔傳質(zhì)效率隨氣相F因子的變化，從圖中可以看出隨F因子的增大，HETP變化趨勢(shì)與500Y相似，傳質(zhì)效率先升高后下降，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在F因子等于1.5kg0.5/(m0.5·s)附近。

轉(zhuǎn)折是由于液泛的發(fā)生使填料塔傳質(zhì)效率下降，由此可以得出500Y規(guī)整填料塔的最大F因子Fmax=1.8kg0.5/(m0.5·s);750Y規(guī)整填料塔的最大F因子Fmax=1.5kg0.5/(m0.5·s)。對(duì)于正庚烷-甲基環(huán)己烷物系，500Y填料的泛點(diǎn)氣速為uF=0.98m/s，750Y填料的泛點(diǎn)氣速為uF=0.82m/s。目前預(yù)測(cè)填料泛點(diǎn)氣速的方法主要有經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式法和通用關(guān)聯(lián)圖法。經(jīng)典的預(yù)測(cè)泛點(diǎn)氣速的關(guān)聯(lián)式為貝恩(Bain)-霍根(Hougen)關(guān)聯(lián)式，即如式（10）。

2.3傳質(zhì)性能

圖5表示500Y和750Y填料塔HETP值隨氣相F因子的變化。由圖5可以看出，泛點(diǎn)以下，兩種填料的HETP隨氣相F因子的增大而減小，即傳質(zhì)效率隨氣液相負(fù)荷的增加而升高；泛點(diǎn)以上，兩種填料的HETP隨氣相F因子的增大而增大，即傳質(zhì)效率隨氣液相負(fù)荷的增加而降低。這是因?yàn)榉狐c(diǎn)以下，隨氣相負(fù)荷的增大，氣相傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)界面積均增大。全回流條件下，液相流速和氣相流速變化一致，氣相負(fù)荷增大時(shí)，液相負(fù)荷也增加，大液量提高了填料的潤(rùn)濕率，增加了有效傳質(zhì)界面積；另一方面高氣速增加了液膜的湍動(dòng)，也會(huì)增加有效傳質(zhì)界面積。

圖6為500Y和750Y填料塔中不同高度填料段HETP隨氣相F因子的變化。高度以填料層底部為基準(zhǔn)。如圖6所示，填料段下部傳質(zhì)效率較高，上部傳質(zhì)效率下降。這是由于流體分布不均造成的。液相從頂端向下流動(dòng)時(shí)，由于端效應(yīng)，經(jīng)過(guò)一定高度填料層后液相才能鋪展開，接近均勻分布。而氣相因?yàn)槭芤合嗔鲃?dòng)的影響，在填料塔下端氣相入口段分布比較均勻，在填料段頂端分布不均。從圖6還可以看出填料段中上部的傳質(zhì)效率波動(dòng)較大，這是由于在此段填料內(nèi)流動(dòng)狀況較為復(fù)雜，持液量和傳質(zhì)面積波動(dòng)較大。Basden等指出持液量隨塔高并不是恒定的，在一定的氣液相流量下，Mellapak 500Y和MellapakPlus 752Y的持液量隨塔高的變化規(guī)律與本文中傳質(zhì)效率隨塔高的變化規(guī)律一致。

2.4傳質(zhì)性能隨塔高的變化

總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya是氣相總傳質(zhì)系數(shù)和有效界面積的乘積，直觀反映了塔內(nèi)傳質(zhì)的好壞。由式（9）得，氣相流率一定時(shí)，測(cè)定Nog隨塔高的變化，可以得出氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)隨塔高的變化，分析塔內(nèi)傳質(zhì)行為。

圖7為500Y和750Y填料塔中Nog隨塔高的變化。由圖7(a)可以看出，大多數(shù)情況下500Y填料塔中Nog隨塔高的變化為一條直線，即總體積傳質(zhì)系數(shù)沿塔高不發(fā)生變化。這是因?yàn)樵谶m宜的操作范圍內(nèi)，塔內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)比較穩(wěn)定，氣相負(fù)荷一定時(shí)，氣相傳質(zhì)系數(shù)不變。正庚烷-甲基環(huán)己烷為純有機(jī)物系，表面張力中性體系，塔內(nèi)形成的微弱的正表面張力梯度有利于液膜的穩(wěn)定，從而使有效傳質(zhì)面積保持恒定。由此可以推測(cè)，對(duì)有機(jī)負(fù)體系而言，負(fù)的表面張力梯度會(huì)引起液膜沿流動(dòng)方向不斷破碎，造成有效傳質(zhì)面積的減小，因此Kya隨塔高下降不斷降低。這與耿皎等[18]在直徑為30mm的玻璃精餾塔中選用正體系庚烷-甲苯和負(fù)體系苯-庚烷的精餾實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論一致。從圖7(a)可得當(dāng)氣相負(fù)荷過(guò)小或過(guò)大時(shí)，500Y填料塔中Nog隨塔高的變化并不是一條直線，這說(shuō)明總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya沿塔高發(fā)生變化。當(dāng)氣相負(fù)荷很小時(shí)，總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya沿氣相流動(dòng)方向減小；當(dāng)氣相負(fù)荷很大時(shí)，總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya沿液相流動(dòng)方向減小。當(dāng)流體流量過(guò)高或過(guò)低時(shí)，塔內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)極不穩(wěn)定，過(guò)低的氣相負(fù)荷，使氣相傳質(zhì)系數(shù)沿氣相流動(dòng)方向減小、氣液相接觸減弱，即表現(xiàn)為總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya隨塔高增加而減小；而過(guò)大的氣相負(fù)荷，引起液泛，液體積聚在塔上部很難流下，使沿液相流動(dòng)方向液相傳質(zhì)系數(shù)減小、氣液相接觸減弱，即表現(xiàn)為總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya隨塔高降低而減小。對(duì)比圖7(a)和7(b)可得，750Y填料塔中總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya隨塔高的變化規(guī)律與500Y填料塔一致。

2.5相同氣相負(fù)荷下傳質(zhì)性能的差異

實(shí)驗(yàn)為確定傳質(zhì)效率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在氣相負(fù)荷F=1.8kg0.5/(m0.5·s)附近反復(fù)測(cè)量多次，發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象。當(dāng)氣相負(fù)荷由小到大變化時(shí)同一實(shí)驗(yàn)點(diǎn)測(cè)得的傳質(zhì)效率略低于當(dāng)氣相負(fù)荷由大到小變化時(shí)的傳質(zhì)效率，如圖8所示。傳質(zhì)效率的差異可能與流動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)接觸角的變化有關(guān)。液體流動(dòng)過(guò)程中，液滴與填料之間的接觸角并不是靜態(tài)接觸角，液滴沿流動(dòng)方向上有很強(qiáng)的彎曲界面，形成一個(gè)很大的接觸角，這是前進(jìn)角，其通常大于靜態(tài)接觸角；與液滴流動(dòng)方向相反的拖尾位置處，有一個(gè)很小的接觸角，一般來(lái)說(shuō)該接觸角小于靜態(tài)接觸角，這是后退角。液體流量對(duì)液體的流動(dòng)狀態(tài)有決定性的影響，改變液體流量可以改變液體的局部流動(dòng)狀態(tài)，從而影響填料的持液量，進(jìn)而影響填料的傳質(zhì)性能。

3結(jié)論

實(shí)驗(yàn)測(cè)定了正庚烷-甲基環(huán)己烷在Mellapak500Y和750Y型規(guī)整填料塔中的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能。實(shí)驗(yàn)在內(nèi)徑400mm的不銹鋼精餾塔中進(jìn)行，測(cè)定了氣相負(fù)荷從小到大直至液泛的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

（1）在一定負(fù)荷范圍內(nèi)，750Y填料的分離效率優(yōu)于500Y填料，但單位填料高度的壓降高于500Y填料，導(dǎo)致操作穩(wěn)定性比500Y填料差，處理量比500Y填料小。

（2）實(shí)驗(yàn)測(cè)定了氣相負(fù)荷從小到大直至液泛的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能，得到了液泛時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給定了操作的極限。500Y規(guī)整填料塔的最大F因子Fmax=1.8kg0.5/(m0.5·s);750Y規(guī)整填料塔的最大F因子Fmax=1.5kg0.5/(m0.5·s)。對(duì)于正庚烷-甲基環(huán)己烷物系，500Y填料的泛點(diǎn)氣速為uF=0.98m/s，750Y填料的泛點(diǎn)氣速為uF=0.82m/s。并由實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合出貝恩(Bain)-霍根(Hougen)關(guān)聯(lián)式中常數(shù)A、K的值。對(duì)于500Y填料A=0.291，K=1.75；對(duì)于750Y填料A=0.420，K=1.75。

（3）氣相負(fù)荷遞增變化時(shí)的傳質(zhì)效率略低于氣相負(fù)荷遞減變化時(shí)的傳質(zhì)效率。

（4）在適宜負(fù)荷范圍內(nèi)，對(duì)于純有機(jī)物系，正體系和中性體系的總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya沿塔高不發(fā)生變化；負(fù)體系的總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya隨塔高下降不斷降低。當(dāng)氣相負(fù)荷過(guò)低時(shí)，總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya沿氣相流動(dòng)方向減小；當(dāng)氣相負(fù)荷過(guò)高時(shí)，總體積傳質(zhì)系數(shù)Kya沿液相流動(dòng)方向減小。

符號(hào)說(shuō)明

A——貝恩(Bain)-霍根(Hougen)關(guān)聯(lián)式關(guān)聯(lián)常數(shù)

at——填料比表面積，m2/m3

F——?dú)庀嘭?fù)荷動(dòng)能因子，kg0.5/(m0.5·s)

G——?dú)庀嗄柫髁浚琺ol/(m2·s)

g——重力加速度，m/s2

Hog——?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元高度，m

HETP——等板高度，m

K——貝恩(Bain)-霍根(Hougen)關(guān)聯(lián)式關(guān)聯(lián)常數(shù)

Kya——?dú)庀嗫傮w積傳質(zhì)系數(shù)，mol/(m3·s)

L——液相摩爾流量，mol/(m2·s)

myx——?dú)庖浩胶饩€斜率

N——理論板數(shù)，量綱為1

Nog——液相總傳質(zhì)單元數(shù)，量綱為1

uF——泛點(diǎn)氣速，m/s

x——液相輕組分摩爾分率，量綱為1

xi——各取樣口液相輕組分摩爾分率，i=1，2，3

xb——塔底取樣口液相輕組分摩爾分率，量綱為1

y——?dú)庀噍p組分摩爾分率，量綱為1

y*——與液相組成平衡的氣相摩爾分率，量綱為1

Z——填料層高度，m

αm——平均相對(duì)揮發(fā)度，量綱為1

ε——填料層孔隙率，m3/m3

λ——?dú)馓嵋蜃樱烤V為1

μL——液體黏度，mPa·s

ρL——液相密度，kg/m3

ρV——?dú)庀嗝芏龋琸g/m3

ωL——液相質(zhì)量流量，kg/h

ωV——?dú)庀噘|(zhì)量流量，kg/h

低表面張力物系在規(guī)整填料塔中的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能（一）

低表面張力物系在規(guī)整填料塔中的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能（二）