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——波纹规整填料倾角的确定朱慧铭②孙津生吴锦元陈慧〔天津大学化学工程研究所,天津300072)(天津理工学院化工系)空气深冷分离是一个多精馏塔偶合过程,其中上塔处于核心位置,具有许多进岀料口,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体变径。该文从双膜理论岀发,推导岀规整填料的重要结构参数之———波纹倾角对效率影响的关联,同时给岀了规整填料的通用泛点关联式。关键词:空分规整填料倾角∞0年代初,规整填料开始应用于空分深冷精馏塔,取代传统的筛板。目前国外推岀的空分装置中,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,可以显著地降低空气进入下塔的压力,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裝填180240块理论板的填料,足以把氩气中氧的浓度降至2×10-6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图1空分流程1-压缩空气;2-饱和空气;3-膨胀空气;4-液氮回流;到整套空分装置性能的好坏。与一般的精馏塔相5-富氧液空;6-液空蒸气;7-液空回流;8-氩馏分;比,空分上塔主要有三个特点:①分离精度高,氮9-氩馏分回流;10-气相氮产品;11-气相氧产品;产品浓度高达99.99%99.999%以上;②进出料口12-污氮;13-废气;14-液相氩产品;15-液相氧产品多,填料分段频繁,气液两相负荷变化大;③各段A-增压膨胀机;B-板式换热器;C-下塔;D-上塔E-板式换热器;F-粗氩一塔;G-粗氩二塔;H-精氩塔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充分发挥填料的作用,确保分离精度。若采用同一单位体积填料表面积越高,效率越高,通量越低种填料,则塔体必须变径,结构复杂。根据气液两波纹与水平面间的夹角越大,通量越高,效率越相负荷的变化对上塔中各段填料的结构参数作相应低。本文考察填料波纹倾角对填料性能的影响。调整,可以避免塔体变径。1波纹规整填料的特性2化学工程2001年第29卷第1期图2为规整填料的特性曲线11,当负荷低于A在常压操作的空气深冷精馏过程中,其液膜传点后由于填料表面的润湿状况恶化填料的传质效质阻力远低于气膜,可以忽略,式(1)(4)可简率急剧下降。在A点和载点B之间填料的传质效率化为基本保持不变仅随负荷的增加略有提高。负荷超过HETP=G(5)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其中气相分传质系数和有效传质比面积分别采用以加比较快刭达C点后,由于气液两相交互作用过下关联式3]强,气相开始夹带液相,造成返混,从而导致填料kgdDe=C Re sc42(6)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。C2=k3+h4f(7)代入式(5)得HETPC1C2a,DcRed Sc22(8)对于相同的分离任务,尽管规整填料的波纹倾B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、气液比及液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)可简化为图2规整填料特性曲线hetp= CrRes(9)由于传统的关联式都是针对某一特定的填料,因此对于填料塔的设计,填料的传质效率和通量的其表征湍动强度的参数Rec中速度采用空塔速度确定最为关键。由于填料结构的复杂性,目前还没α,若考虑波纹倾角对湍动强度的影响,应采用气有精确计算特定的物系及特定操作点下传质效率的体在倾斜流道中的速度:方法。在设计中,一般先查取标准物系下填料的传(10)质效率,然后对特定物系进行校正,再加10%15%的余量。在确定标准物系下填料的传质效率代入式(9)得到填料波纹倾角影响分离效率的关时,为了满足其可代表性及填料塔的设计弹性,以联式载点处的传质效率为基准。通量则采用通用关联的HETP= C sine y方法来确定此式中系数k仅与填料的表面积有关4002填料波纹倾角对分离效率的影响300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21HETP= HGIn;0.60.70.80.9(2)图3波纹倾角对分离效率的影响(3)目前空分中常用规整填料的比表面积有500750、1000m2/m3等,在空分上塔中采用同朱慧铭等空分上塔规整填料结构优化降过高,建议采用500比表面积的波纹填料。图3填料不同,液体在规整填料中以膜状流动为主,在为500型板波纹规整填料分离效率随波纹倾角变化散裝填料中则同时存在滴流与膜流;气体在规整填的关系。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3填料波纹倾角对通量的影响比,其通量较大,散裝填料的泛点关联不能直接用泛点为填料的操作极限,在液泛区操作极不稳于规整填料,但规整填料同样可以采用泛点关定,而且传质恶化,填料最大可操作气速为泛点的联6本文以水-空气为实验物系,测定不同倾角95%,比较经济可靠的气速为泛点的70%左右。的500型板波纹规整填料的泛点,并绘制了关联要确定填料的通量首先要确定填料的泛点。泛点的图,图4为泛点关联图,图5为倾角与填料因子间计算方法通常采用通用关联图的方法,该法比较简的关联图。单,而且只需填料因子一个参数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。0.754波纹倾角的确定典型的空分上塔一般分为五段:塔顶至污氮口、污氮口至液空口、液空口至液空蒸汽口、液空0.60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0.040.060.080.10.2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60°,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,负荷图4规整填料泛点关联图强度可以定为泛点的75%,此塔径圆整后作为最1938年Sheo等人首先把填料的干填料因终塔径,然后根据各段负荷利用泛点关联图4来计子/e3、系统物性、以及操作参数进行泛点关算各段填料的填料因子,再利用图5来确定各段填联,后人对其不断改进,用经验参数湿填料因子替料的波纹倾角代干填料因子,纵坐标一般为C、y0.3,横坐5结论标一直采用表征液气两相动能比的流动参数H5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解决这一问题。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间的关联。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0.60.70.80.9填料有效传质比表面积,m2/m3图5波纹倾角对填料因子的影响a,填料物理比表面积,,m2/m3常数联,但绝大多【上接第13页】D、D,气相、液相扩散系数,m2/sy填料因子,mdn填料水力直径λ相平衡曲线斜率m与操作线斜率L/V之比F液体流动参数,(L/G)(pc/p1y2,无因次∈填料空隙率,m3/m3∫泛点百分率,%ρ流体密度,kg/m3G、L气液摩尔流率,kmol/(m2s)液体表面张力,PasHETP填料等板高度Hc气相总传质单元高度,m参考文献k、k1、k3...常数1 Bennett D L. Optimize Distillation Columns. Chem EngK气相总传质系数,m2/sProgress,2000,96(5):29.kc、k1,气相、液相分传质系数,m/s2 Treybal R E. Mass Transfer Operations. New York: McGrawm相平衡常数,无因次Reo、Ren.气相、液相 Reynolds准数,dvp/p3 Bravo J L, et al. Mass Transfer in Gauze Packings. Hydrocar-bon process,1985,64(1):91Sc、Sh1,气相、液相 Sherwood准数,Mb/D4 Sulzer公司,. Mellapak规整填料样本Scc、Sc气相、液相 Schmidt准数,/pD5王树楹,黄杰,朱慧铭.化学工程手册,第14篇,第2u气体空塔速度,m2/s版.化学工业出版社,1996.14Optimization of Geometry Parameters for Structured PackingFilled in Upper Column of Air SeparationDetermination of the Corrugation Angle(i)Zhu Huiming, Sun Jinsheng, Wu JinyuanTianjin University Tianjin 300072)Chen huiTianjin University of Technologyir cryogenic separation is a heat-integrated distillation system. The upper column is the central column with manyfeed and side draw streams. Vapor and liquid flow rates vary significantly within different packing beds. The column diameter can be kept constant by changing the corrugation angle of structured packing. A correlation of packing efficiencyHETP VS. corrugation angle was derived from mass-transfer fundamentals. A graphic correlation for structured packing