2. 北京航天动力研究所, 北京 100076
2. Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076, China
塔器作为一种重要的分离单元设备，近年来被广泛应用于石油、化工、制药、生物等诸多行业中。自上世纪70年代初期以来，填料塔发展越来越迅速，由于其具有操作压降低、通量大、分离效率高和操作上限高等优点，在很多领域已经完全改变了传统的以板式塔为主要分离设备的局面[1]。填料主要分为规整填料和散堆填料两大类，其中规整填料有着规则的几何结构，规定了气液两相在填料内的流动通道，可有效降低由于沟流和壁流而产生的压力降[2-3]。
随着工业要求的日渐提高和人们需求量的不断增大，研究开发出更高效、通量更大的新型填料成为了填料塔的一个主要研究方向[3]。传统的X型和Y型填料是两种应用比较广泛的波纹填料，它们与竖直方向的夹角分别为30°和45°。在固定所有操作条件时，Y型填料有着更低的操作压降，X型填料有着更高的传质效率，这也说明了压降和传质效率二者对立，不可兼得[4-5]。鉴于此，为了尽可能地协调压降与传质性能之间的关系，本文采用了一种新型的波纹脉冲型填料，该填料改变了传统的波纹倾角，3种不同角度连续变化的设计形成了脉冲型缩进流道，有效地促进了液膜表面更新，进而提高了填料的传质性能。文中测定了新型脉冲填料在3种比表面积下的流体力学性能和传质性能，并与传统的CY型填料实验结果进行了对比。
1 实验部分 1.1 TPI型填料三折线脉冲(three-polygonal line-impulse，TPI)型填料的波纹结构主视图如图 1(a)所示，波纹片结构俯视图如图 1(b)所示，波纹顶角α约为90°。填料安装时每两盘相邻填料呈垂直放置。每盘填料高约166 mm，上部直线段部分高16 mm，其余3段在竖直方向高均为50 mm，与水平方向角度成45°-60°-30°。
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图 1 TPI型填料的几何结构 Fig.1 Geometric construction of TPI type packing |
TPI填料的结构在结合传统的X和Y型填料的基础上，在每盘填料的上部增加了小段直线段。因为在每两盘填料的相接处，气液流动方向发生的变化会造成较高压降，因而该部分填料结构可以有效地降低此处压降；除此之外，TPI型填料还增加了60°的新角度连接，由图 1可以看到，新角度的增加使得填料的流道产生了一个缩进，形成了脉冲填料的结构特点，该结构可以有效地促进液相流动时在填料表面的更新速率，从而更好地促进气液两相间的传质，大大提高了填料的传质效率。本文实验中的TPI填料用高锰酸钾法[6-7]进行表面处理，改善了填料的润湿性能，使液相流动时更易铺展成膜。
本文采用3种比表面积的TPI填料以及传统的CY700型填料进行了测定，不同比表面积a的计算公式如式(1)所示
| $a=\frac{2s}{hB}\left( 1-\sigma \right)$ | (1) |
式中h为峰高，2B为相邻两波峰之间的距离，σ为开孔率[1]，s为每个波峰与波谷之间的直线距离。4种填料的几何特性参数如表 1所示。
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下载CSV 表 1 填料的几何特性参数 Table 1 Characteristic geometric parameters of the packing materials |
实验在常温常压下操作，以水-氧气-空气为介质，将填料装填在内径为476 mm、装填高度约为1 m的有机玻璃塔内进行冷膜实验，塔顶采用塔盘式液体分布器，实验流程图如图 2所示。
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1—液体分布器；2—填料塔；3—规整填料；4—孔板流量计；5—风机；6—U形压差计；7—水槽；8—水泵；9—转子流量计；10—氧气饱和吸收塔；11—氧气缓冲罐；12—氧气钢瓶。 图 2 实验流程图 Fig.2 Flow diagram of the experiments |
流体力学性能的测定包括干塔和湿塔压降两方面。首先测定干塔压降，结束后对填料进行预液泛0.5 h左右，再进行湿塔压降的测定；传质性能通过富水氧解吸实验来测定，在液体进口和出口处分别取样，用YSI550A型溶氧仪(成都新锐仪器仪表有限公司)测得氧气浓度，计算出等板高度(HETP)。
2 结果与讨论 2.1 流体力学性能 2.1.1 干塔压降实验中测定了3种不同比表面积的TPI型填料的干塔压降，并与CY填料进行对比，结果如图 3所示。
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图 3 4种填料的干塔压降与F的关系图 Fig.3 The relationship between dry pressure drop and F factor for four different packing materials |
由图 3可以看出，4种填料的干塔压降均随着气相动能因子F的增大而呈增大趋势，且气速越大，增大幅度越明显。对于TPI型填料，固定气相动能因子F时，可以看到填料比表面积越大，干塔压降越大，具体为：(Δp/Z)TPI700>(Δp/Z)TPI500>(Δp/Z)TPI250。因为比表面积越大，气体在填料内流经的通道越窄，易与填料表面接触产生扰动，使阻力增加。对比CY700和TPI700的压降可以发现：TPI型填料的干塔压降比CY700型平均降低约20%。由此可以看出，新型TPI填料的竖直段结构在降低塔压降上有较为明显的作用。
2.1.2 湿塔压降采用U型压差计对3种不同比表面积的TPI型填料的湿塔压降进行了测定，从而得出TPI型填料湿塔压降与气相动能因子F关系图，如图 4所示。
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图 4 3种TPI型填料的湿塔压降与F因子的关系图 Fig.4 The relationship between wet pressure drop and F factor for three TPI packing materials |
由图 4可以看到，比表面积和喷淋密度L固定时，TPI型填料的湿塔压降随F增大呈明显的上升趋势。这是由于气速增大，导致两相接触更加剧烈，阻力变大，压降上升。以图 4(b)为例，L固定时，可以看到，当F＞1.6(m/s)·(kg/m3)0.5时，填料的湿塔压降上升速度明显加快，这是由于气速已经增大到一定程度，再继续增大气速会使两相的接触更加剧烈，气体更难通过填料层表面，因而压降迅速上升；当固定气速和比表面积时，TPI填料的湿塔压降随着喷淋密度的增大而增大，在F较小时，增大幅度较小，当F＞1.6(m/s)·(kg/m3)0.5时，湿塔压降增大较为明显，这是因为低气速时，下降的液相与气相接触不够充分，因此流量影响不大，当气速升高时，两相接触已较为充分，再继续增大液相流量时，一方面液相下降的重力增大，另一方面液体占据的填料层通道变大，使得气相通道变小，阻力变大，压降迅速升高[8]。
选取喷淋密度L=22.49 m3/(m2·h)时3种TPI型填料和CY700型填料的湿塔压降进行对比，如图 5所示。由图可以总结出如下结论：当气相动能因子F相同时，随着比表面积的增大，湿塔压降逐渐增大；因为填料的比表面积越大，填料的空隙率越小，气液两相在填料层中流动时通道越小，阻力越大，因而整个填料层压降增大。另外从图 5中可以看到，TPI700型填料相对于CY700型填料的压降有很大程度的降低，平均降低约39.4%左右，流体力学性能良好。
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图 5 L=22.49 m3/(m2·h)时4种填料的湿塔压降对比 Fig.5 Comparison of the wet pressure drop for four packing materials when L=22.49 m3/(m2·h) |
除了塔压降和传质性能之外，液泛气速也是一个表征填料性能好坏的很重要的参数[9]。液泛是塔的不正常现象之一，达到液泛气速时，气相阻力很高，导致液相不能正常下降，进而在填料层内堆积，液膜厚度逐渐增大，最终会充满填料空隙处，使得气体不能正常通过，塔压降会迅速增大，传质效率显著下降[10]。
本文对比了3种比表面积的TPI型和CY700型填料的液泛气速uf，如图 6所示。固定比表面积时，填料的液泛气速随着喷淋密度的增大呈减小趋势；固定喷淋密度时，填料的液泛气速随着比表面积增大呈减小趋势。图中也将TPI700型填料与CY700型填料进行了对比，由图可以看出，比表面积同为700时，TPI型填料比CY型填料的液泛气速高，这说明TPI型填料的垂直段起到了导流作用，同时脉冲部分的结构也使填料层的持液量增大，操作弹性因而增大。经计算可得，TPI700型填料的液泛气速比CY700型填料平均提高了约16.4%。
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图 6 4种填料的液泛气速对比 Fig.6 Comparison of the uf values for four different packing materials |
填料的传质性能可以用每米填料理论级数Nt或等板高度HETP来表征[11]。下文选用等板高度来说明TPI型填料的传质效率。HETP的计算公式如式(2)
| $H=\frac{{{H}_{\rm{OL}}}S\ln S}{S-1}$ | (2) |
式中，H为等板高度，S为解吸因子，S=mG/L, HOL为总的传质单元高度，m为相平衡常数，G和L为两相物质的量流量。
经计算得出3种比表面积的TPI型填料的等板高度HETP随气相动能因子F的变化，如图 7所示。由图可以看出，固定喷淋密度L时，等板高度HETP随着气相动能因子F的增大而增大，说明传质效率有所下降。这是由于当气速变大时，气液两相接触时间变短，接触不充分，传质效果变差。固定气速时，等板高度HETP随着喷淋密度的增大而减小，这是由于喷淋密度的增大使得液相能够更好地在填料表面润湿，进而成膜，为气液交换提供更多的场所。应注意到的是，当气速很大时，HETP增加趋势较为明显，这是由于此时发生液泛，使得传质效率急速下降，所以HETP升高明显。
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图 7 TPI型填料等板高度与F的关系 Fig.7 The relationship between HETP and F for the TPI packing materials |
在喷淋密度L=22.49 m3/(m2·h)时将3种TPI型填料和CY700型填料的等板高度HETP进行对比，结果如图 8所示。
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图 8 L=22.49 m3/(m2·h)时4种填料HETP对比 Fig.8 Comparison of HETP for four different packing materials when L=22.49 m3/(m2·h) |
对比不同比表面积的填料，填料的等板高度随着比表面积的增大而减小，说明传质效率逐渐升高。这是因为随着比表面积的增大，填料层能够为液相提供更多的面积使液相成膜，为气液接触提供了更大的接触面积；对比同一比表面积、同一喷淋密度下TPI700型和CY700型两种填料的等板高度，可以看到TPI700型填料的HETP更小，平均降低了约16.6%，说明新型的TPI结构的填料传质性能更高。这是因为TPI填料在结合原有X、Y型填料的基础上，增加了脉冲式波纹结构，这一设计使得液体在填料层表面流动时会产生流道的缩进，表面更新速率加快，气相能够充分地与更多液相表面接触，增大传质推动力，进而提高了传质效率。
由图 8应注意到的是，TPI250型填料的HETP与表面积为500、700的TPI填料相比较高，这是由于其比表面积小，提供的气液接触面积小造成的，但是TPI250的优势是压降小，因此在实际的工业应用中应当根据需要，权衡利弊，正确的选择适宜的比表面积。
3 结论(1) TPI型填料比已有的CY型填料有着更低的操作压降。以比表面积700为例，TPI700型填料比CY700型填料的干塔压降平均降低了约20%；在喷淋密度L=22.49 m3/(m2·h)时，TPI700型填料比CY700型填料的湿塔压降平均降低了约39.4%。
(2) TPI700型填料比CY700型填料的液泛气速提高了约16.4%，操作弹性更大，能够适用于处理量较大的场合。
(3) 比表面积和喷淋密度相同时，TPI型填料比CY型填料的等板高度HETP平均下降了约16.6%，传质效率更高。
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