空分填料塔设计中的流体力学特性

第38卷第9期化学工程38No.92010年9月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)p.2010空分填料塔设计中的流体力学特性陈桂珍,林秀锋(杭州杭氧填料有限公司,浙江杭州310004)摘要:空分精馏主要在-200℃左右的深冷条件下进行,填料塔内流体力学特性参数难以由试验直接获取,如何将常压常温状态(简称常态)下空气水物系的流体力学测试结果转换适用于空分设计变得尤为关键。通过BainHougen公式及SRP(Ⅱ)模型结合 Spiegel持液量计算推导出泛点及压降关联式以预测填料的流体力学特性。对空分中常用的750Y型金属孔板波纹填料进行常态下流体力学特性测试结果表明:采用的方法可用于填料流体力学特性的预测。对空分状态下的泛点与压降结果预测表明,空分设计中采用常态下的流体力学数据进行设计偏于保守。关键词:空气分离;规整填料;泛点;持液量;压降中图分类号:TQ053.5文献标识码:A文章编号:10059954(2010)090027-04Hydrodynamic characteristics of packed columns in air separationCHEN Gui-zhen, LiN Xiu-fengHangzhou Hangyang Packings Co, Ltd, Hangzhou 310004, Zhejiang Province, China)Abstract The conversion of packing hydrodynamic characteristics of air-water system from normal conditions to airseparation conditions is the key to the design of packed columns in air separation, for it is hard to obtainhydrodynamic data under the condition of -200C. The computing method of the Bain-Hougen formula and theSRP(I)model, combining with the Spiegels liquid holdup can educe the nooding point and the pressure drop topredict the hydrodynamics of the packing. The experimental result at normal condition of 750Y metal packing showsthat this method can well predict the hydrodynamics of the packing. The forecast of the flooding point and thepressure drop in air separation shows that the design of air separation column based on hydrodynamic data undernormal conditions is a little conservativeKey words: air separation; regular packing; flooding point; holdup liquid; pressure drop空分填料塔中主要采用金属孔板波纹填料(简1液泛关联式称填料),其流体力学特性决定着塔径及能耗等几填料塔塔径设计时首先需要确定泛点F因子个重要设计参数。受实际空分条件所限,目前的流F。对液泛点预测可归纳为4类:① Bain-Hougen公体力学试验参数主要由空气水物系在常温常压状式;②Eken关联图法2;③双膜理论模型法3;态下(简称常态)测试所获,不能直接应用于空分填④无因次分析关联式法。料塔的设计。根据相关研究6,本文认为Bain- Hougen公式本文从空分填料塔设计角度出发,通过Bain-足以满足设计精度要求且相对于几种模型具有便于Hougen公式计算填料塔内的泛点。提出采用SRP计算、不依赖试验参数等优点,公式如下:(Ⅱ)模型结合 Spiegel持液量计算方法推导出泛点(1)以下的填料塔内的干、湿塔压力降计算公式。通过{(/]-4-B(对750Y填料流体力学特性的测试结果证明本文所式中:为泛点空塔气速,m/s;为重力加速度,推导公式的准确性,而后对空分填料塔内的流体力9.81m/s2;a为填料比表面积,m2/m3;e为填料孔学特性进行预测。隙率m3/m3ipc,p分别为气体、液体密度kg/m3;作者简介:陈桂珍(1966-),女,硕士,教授级高工,主要从事空分精馏塔及填料的设计、开发与应用电话:(0571)88928700, E-mail:ljg@sna, coue28化学工程2010年第38卷第9期为液体黏度,Pa·s;qnc,qm分别为气体、液体质与F因子间相互关系再结合式(5),式(6)即可得量流量,kg′s;A,B值为试验值,与填料类型有关,对到泛点以下、不同喷淋密度L下湿塔压降与F因子于金属孔板波纹填料取A=0.291,B=1.75。间的相互关系。在得知A,B系数前提下,可由以下计算式得F=u√pc(2)3空分填料参数9mL xAr在空分填料塔中应用较多的规整填料类型有qm.c ur X A×3600×pcF;×360×√500Y,550Y,750Y3种填料。以金属孔板波纹填料(3)为主取 Bain-Hougen系数A=0.291,B=175式中F1为泛点气相动能因子,(m/s)(kg/m3)03;L在空分精馏过程中,物性参数不同于常态为液体喷淋密度,m3/(m2·h);A为填料塔截面般在空分精馏塔设计温度为-200℃,设计压力积m2。结合式(1)及各物性参数计算得到液体喷为0.15MPa,上塔各理论板位置气液摩尔分数yc,y1分布如图1所示,图中N为上塔理论板数(从下淋密度L与F之间的相互对应关系。到上)。2压降关联式填料塔内的干湿塔压降影响着整套空分产品的0.7O能耗。规整填料的压降计算有较多方法,如 Kister修正GPDC模型, Spigel模型,SRP(I,Ⅱ)模型9,Bilt, Hanley,Delf, nita,BP模型等0。本4文基于目前公认应用较好的SRP(Ⅱ)模型并结合Spigel持液量计算进行分析。Rha等的SRP(Ⅱ)模型给出了干湿塔压降:0810254s6刻"1023如40S06029m+8y(4)(a)液体(b)气体图1空分上塔组分分布1-K式中:卸p4/△Z,Δp,/△Z分别为干塔、湿塔填料压降,根据图1组分查询 Matheson低温混合物密度Pa/m;S为填料波纹边长,m;θ为填料塔轴倾角表2获得气液密度,由 grunberg& Nissan公式();c为空塔气速,m/s;为气体黏度,Pa·s;h,计算液体黏度,Wke公式计算气体黏度。从而为液体持液量(体积分数),%;K2为系数,取K2得到上塔各理论板物性参数液体及气体密度、黏度0.614+71.35如图2所示3.02,2SRP(Ⅱ)模型中持液量h的计算涉及液体韦伯数雷诺数弗劳德数、固液接触角、有效重力参数11.6等计算,且在计算有效重力参数时还需要使用湿塔80020:Co-00 1.2压降进行迭代计算,工作量巨大。对于金属孔板波6纹规整填料建议采用Spgl!持液量计算方法,o08泛点以下持液量取h式中:c,x为经验系数,当L<40m3/(m2·h)时,取c=0.0169,x=0.37,否则取c=0.0075,x=0.59(a)液体(b)气体图2空分上塔物性参数11.为20℃水的黏度,取1.005×10Pa·sFig 2 Physical parameter in upper column in air separationF=uc√pc(7)式中:F为气相动能因子,(m/s)(kg/m3)03。为便于分析,选取接近于空气组分比例处,(下塔将式(7)代入式(4)可得每m干塔压降Apd△Z富氧液空进上塔位置)的操作条件,选取空分精馏塔陈桂珍等空分填料塔设计中的流体力学特性内具有代表性的物性参数如下1=1.55×103密度下液泛F因子Fo取常态下水、空气参数g=Pa·s,μc=8.155×10-6Pa·s,p1=863.13kg/m3,9.81m/s2,p1=1.005×103Pa·s,k=17.9Pc =6.09 kg106Pa·s,p1=998.2kg/m3,pc=1.205kg/m3。由式(2)结合式(1)、式(3)得常态下基于Bain4试验与结果分析Hougen公式的理论液泛点FBH,见表1。图4中通过对杭州杭氧填料有限公司生产的750Y型由试验结果获得的压降曲线转折点得不同喷淋密填料进行流体力学试验。并采用本文推荐的分析方度下液泛点试验值F=。根据 Bain- Hougen公式,法计算理论值用以比较分析。结合空分填料参数可得空分(AS)条件下的理论液4.1流体力学测试填料流体力学测试在内径为600mm的有机玻泛点FA璃塔中进行,采用空气-水物系在常态下进行试验表1不同液体喷淋密度下泛点F因子试验装置如图3所示,试验填料为11盘盘高Table 1 Fr of differentL (m/s)(kg/m')212mm的HYTL750Y填料。填料参数为S=5.5×3,10-3m,E=0.93,a=750m2/m3,=45°。251015202530F.2.852.091.61.621.411.371.3l521.351.221.1182.912452.061.811.631.481.36由表1得喷淋密度与泛点F因子关系,见图53.5图3750Y流体力学特性测试Fig 3 Hydrodynamic testing of 750Y分别进行0,2,5,10,15,20,25,30m3/(m2·h)等喷淋密度下,F因子为0.2-4.0(m/s)(kg/m3)°5范围内的流体力学特性测试。测试结果图5液体喷淋密度与泛点的关系如图4所示Fig. 5 Flooding points at various liquid londsL(m·mh)从图5对比可见本文计算结果与试验值相吻1000合,可用于泛点的推导与预测。空分条件下FA结果表明:由于液体黏度较低,在相同喷淋密度下,泛2点F因子比常态高,约为其1.2倍。4.3压降结果分析根据式(4)结合750Y填料参数及试验时空气物系参数可推导出常态下理论干塔压降(图6中SRPⅡ),结合空分气体物性参数可得空分状态下干图4750Y规整填料测试压降图塔压降(图6中AS计算值),如图6所示。Fig 4 Measured pressure drop of 750Y通过与试验值数据比较可知,SRP(Ⅱ)计算的干塔压降比实际测试值约偏大1.2倍。根据计算结4.2液泛结果分析果空分条件下填料干塔压降约为常态下干塔压降的根据 Bain-Hougen公式,计算常态下不同喷淋0.8倍化学工程2010年第38卷第9期分操作条件下填料的泛点与压降。结果表明,填料在空分条件下,由于液体黏度较低,在相同喷淋密度下具有更大的泛点液体持液量更少,同时由于空分气体密度较大,正常操作情况下,在相同F因子条件下,其压降更低。因此空分设计时选取常态下的RP(I)试验结果数据是偏于安全的。合AS,计算值20406s102040參考文献[1] BAIN W A, HOUGEN O A. Flooding velocities in packedF/m·s·kg·mcolumns[J]. Trans Amer Inst Chem Eng, 1944, 40(1 )6750Y千塔压降曲线图Fig 6 Dry pressure drop of 750Y[2] ECKERT J S. How tower packings behave[J].ChemEng,1975,14(4):70-76.根据式(6)可计算得在测试的7个液体喷淋密3]方向晨程振民,穆斌,等以填料结构为模型参数的度下,由于液体黏度较低,泛点以下填料持液量分别填料塔泛点预测新方法[J]华东理工大学学报:自然为3.4%,4.8%,6.2%,7.2%,8.0%,8.6%,科学版,2006,32(4):370-3739.3%根据式(5)计算得不同喷淋密度下湿塔压降[4] KUZNIEW S I. Estimation of phase velocities at flooding理论值与试验值对比。本文以15m3(m2·h)为例,得到泛点以下湿塔压降如图7所示。Cand J Chem Eng,1999,77(3):439446[5]何红阳填料塔泛点/压降模型计算比较[冂].化工设04,14(4):10-15[6]王双成波纹填料层泛点的新关联[]高校化学工程学报,2001,15(3):223-229[7 KISTER H Z, GILL D R. Flooding and pressure dropSRP(I)sAS,计算值ymp Ser,1992,128(1):A109-123[8]SPIEGEL L, MEIER W. A generalized pressure drop图715m3/(m2·h)喷淋密度下7s0Y型填料温塔压降[9] ROCHA J A, BRAVO J L, FAIR J R. Distillation columnsFig 7 Irigated pressure drop of 750Y at 15 m/(m2. h)containing structured packings: a comprehensive modelfor their performance. 1. Hydraulic models[ J]. Ind Eng由图7可知,理论值与试验值相吻合,本文提出的修正SRP(Ⅱ)压降计算法可用于泛点以下湿塔01王广全,袁希钢刘春江等规整填料压降研究新进展[]化学工程,2005,33(3):4-7压降的估算。根据计算结果可知,在气体密度较大[11 SUESS P, SPIEGEL L. Hold-up of Mellapak structured和液体黏度较低的双重作用下,空分条件下填料泛packing[ J]. Chemical Engineering and Processing点以下湿塔压降约为常态下的0.5倍1992,31(4):19-124[12] CARL L Y. Matheson气体数据手册[M].北京:化学5结语工业出版社,2003:附录6.通过修正简化压降通用关联图及SRP(Ⅱ)模13]陈国邦低温工程技术数据卷[M]北京:化学工业出版社,2006:210-211,221-22型结合 Spiegel持液量计算方法推导出泛点及压降[14]GRUNBERG L, NISSAN A H关联式,并通过试验结果论证了理论公式的合理性[刀]. Nature,1949,4158(164):799800.及适用性。[15]WILKE C R. A viscosity equation for gas mixtures [J]通过对空分状态下物性条件的分析,预测了空Chemical Physics, 1950, 18(4): 517-519