低表面张力物系在规整填料塔中的传质性能

张悦，袁希钢

（化学工程联合国家重点实验室(天津大学)，天津 300072）

填料塔作为重要的传质分离设备，被广泛应用于化工领域，涉及精馏、吸收、萃取、蒸发等单元操作过程。近年来规整填料的发展使填料塔应用更广泛，并日益大型化。规整填料塔具有效率高、处理量大、压降小、放大效应小等优点。自20 世纪80年代以来，许多学者研究了不同规整填料塔的传质过程，提出了一系列传质模型[1-10]。

规整填料塔中，影响传质性能的因素很多，Zuiderweg 等[11]认为表面张力对传质的影响显著大于密度、黏度、扩散系数等其他物性。之后很多学者研究了表面张力梯度引起的Marangoni 效应对精馏传质的影响[12-18]，研究物系大多集中在能形成较大表面张力梯度的有机物水溶液。由于表面张力与其他物性密切相关，且表面张力对传质过程的影响机理相当复杂，至今没有一个满意的结论。近年来，精馏领域的传质过程研究主要集中在过程模拟，国内外对新型高比表面积规整填料的传质过程的实验研究还不多，有关工业尺寸的规整填料塔则更少 涉及。

综上所述，鉴于规整填料塔在现代分离工业中的重要地位以及表面张力对其传质性能的影响，研究低表面张力物系在规整填料塔中的传质过程对于完善高性能填料的传质数据，深入研究流动和传质机理具有重大的理论意义和应用价值。本文选用具有低表面张力的正庚烷-甲基环己烷物系，在内径400mm 的不锈钢精馏塔中，测定目前广泛使用的经典高效规整填料Mellapak 500Y和750Y的流体力学性能和传质性能。

1 实验方法

1.1 实验装置

实验流程如图1 所示。实验装置由主塔、副塔、冷凝系统、加热系统四大部分组成。主塔为内径400mm 的不锈钢精馏塔，填料层装填高度1.8m，每盘填料高200mm，共9 盘。主塔塔顶上升蒸汽及其冷凝液在副塔内进行换热，得到饱和的回流液，避免过冷现象的发生。塔釜再沸器采用热导油加热，换热面积为27.5m2。塔顶冷凝器采用冷却水制冷，换热面积为29.9m2。实验采用常压下的全回流操作。

全塔共设有4 个取样口。1#取样口设在塔顶回流处；2#取样口设在距填料底部1200mm 处；3#取样口设在距填料底部400mm 处；4#取样口设在填料段以下。填料段的取样口，即2#、3#取样口的样式如图2 所示。取样器沿水平方向向上倾斜3°放置，伸入填料段的部分为半圆管，长度为200mm，直径为10mm。这样设计以保证液相样品顺利地由填料中取出，且取出的液相样品具有代表性。

图1 实验流程

图2 液相取样口

1.2 实验物系

有机物水溶液的表面张力和表面张力梯度都很大，Marangoni 效应十分显著，一般情况下正、负体系分离效率相差很大，表面张力梯度的影响超过了表面张力本身；而纯有机物系的表面张力低，在塔内形成的表面张力梯度小，Marangoni 效应不明显，一般情况下正体系的效率比负体系略高[11-18]。实验旨在研究低表面张力物系在规整填料塔中的传质过程，故选择表面张力较低的纯有机物系；对于纯有机物系，表面张力正体系和负体系的传质性能相差不大，为了实验研究的方便，选取正庚烷-甲基环己烷为实验物系。正庚烷-甲基环己烷物系的表面张力较低，实验范围内接近中性体系。实验物系的表面张力数据见表1。

1.3 实验数据处理

1.3.1 计算HETP

由4 个取样口的组成数据可以计算填料塔的理论板当量高度，根据定义有式（1）。

正庚烷-甲基环己烷物系沸点差很小，分离程度不高，可近似将平衡线视为直线，气提因子如式（2）。

表1 实验物系的表面张力[19]

对于全回流，y=x，dy=dx，正庚烷-甲基环己烷物系沸点差很小，在操作范围内相对挥发度基本不变，如式（6）～式（7）。

1.3.2 Nog随填料层高度的变化

对微元塔段做物料衡算，如式（8）。

全回流时G=L，y=x，整理得式（9）。

总体积传质系数Kya 是气相总传质系数和有效界面积的乘积，直观反映了塔内传质的好坏。气相流率一定时，测定Nog随塔高的变化，可以得出气相总体积传质系数随塔高的变化，分析塔内传质 行为[19]。

2 实验结果及讨论

开始实验时，先调至最大加热负荷使塔内填料预液泛，再降至固定负荷，待全塔工况基本稳定后精馏2～2.5h。于各个取样口取样，同时记录各个实验参数的值。调节加热电压，改变导热油的温度进而改变塔釜蒸汽量，测定不同负荷下的实验值直至液泛。回流量由质量流量计测得，填料层压降由高精度的西门子TDS 4433 差压变送器测得。液相样品的组成用气相色谱仪Agilent 7890 A 测定。

2.1 压降

正庚烷-甲基环己烷物系在500Y 和750Y 型规整填料塔中的压降随气相F 因子的变化如图3 所示。从图3 可以看出，两种填料的压降均随气相F因子的增大显著增加，相同气相负荷下750Y 填料的压降明显高于500Y 填料。这是由于750Y 填料的结构相对500Y 更为致密，故压降也较高。高压降限制了实验操作的通量，故500Y 操作范围更广，在一定负荷范围内也更稳定。

图3 压降随气相F 因子的变化

2.2 液泛性能

实验测定了回流量从小到大直至液泛的流体力学性能和传质性能，得到了液泛时的实验数据，给定了操作的极限。图4(a)为500Y 填料塔的全塔传质效率随气相F 因子的变化，从图中可以看出随F因子的增大，HETP 先下降后升高，即填料塔的传质效率先升高后下降，在气相 F 因子为1.8kg0.5/(m0.5·s)附近出现转折。图4(b)为750Y 填料塔的全塔传质效率随气相F 因子的变化，从图中可以看出随F 因子的增大，HETP 变化趋势与500Y相似，传质效率先升高后下降，转折点在F 因子等于1.5kg0.5/(m0.5·s)附近。

转折是由于液泛的发生使填料塔传质效率下降，由此可以得出500Y 规整填料塔的最大F 因子Fmax=1.8kg0.5/(m0.5·s); 750Y 规整填料塔的最大F 因子Fmax=1.5kg0.5/(m0.5·s)。对于正庚烷-甲基环己烷物系，500Y 填料的泛点气速为uF=0.98m/s，750Y 填料的泛点气速为uF=0.82m/s。目前预测填料泛点气速的方法主要有经验关联式法和通用关联图法。经典的预测泛点气速的关联式为贝恩(Bain)-霍根(Hougen)关联式[20]，即如式（10）。

图4 500Y 和750Y 填料塔的全塔HETP 值随F 因子的变化

式中，A 、K 为关联常数，与填料的形状和材质有关，根据实验结果得出500Y 和750Y 填料的关联常数值，见表2。

表2 500Y 和750Y 的泛点气速关联常数

2.3 传质性能

图5 表示500Y 和750Y 填料塔HETP 值随气相F 因子的变化。由图5 可以看出，泛点以下，两种填料的HETP 随气相F 因子的增大而减小，即传质效率随气液相负荷的增加而升高；泛点以上，两种填料的HETP 随气相F 因子的增大而增大，即传质效率随气液相负荷的增加而降低。这是因为泛点以下，随气相负荷的增大，气相传质系数和传质界面积均增大。全回流条件下，液相流速和气相流速变化一致，气相负荷增大时，液相负荷也增加，大液量提高了填料的润湿率，增加了有效传质界面积； 另一方面高气速增加了液膜的湍动，也会增加有效传质界面积[17]。

图5 500Y 和750Y 填料的全塔HETP

图6 为500Y 和750Y 填料塔中不同高度填料段HETP 随气相F 因子的变化。高度以填料层底部为基准。如图6 所示，填料段下部传质效率较高，上部传质效率下降。这是由于流体分布不均造成的。液相从顶端向下流动时，由于端效应，经过一定高度填料层后液相才能铺展开，接近均匀分布。而气相因为受液相流动的影响，在填料塔下端气相入口段分布比较均匀，在填料段顶端分布不均。从图6还可以看出填料段中上部的传质效率波动较大，这是由于在此段填料内流动状况较为复杂，持液量和传质面积波动较大。Basden 等[21]指出持液量随塔高并不是恒定的，在一定的气液相流量下，Mellapak 500Y 和MellapakPlus 752Y 的持液量随塔高的变化规律与本文中传质效率随塔高的变化规律一致。

图6 500Y 和750Y 填料塔中HETP 随气相F 因子的变化

图7 500Y 和750Y 填料塔Nog 随塔高的变化

2.4 传质性能随塔高的变化

总体积传质系数Kya 是气相总传质系数和有效界面积的乘积，直观反映了塔内传质的好坏。由式（9）得，气相流率一定时，测定Nog随塔高的变化，可以得出气相总体积传质系数随塔高的变化，分析塔内传质行为。

图7 为500Y 和750Y 填料塔中Nog随塔高的变化。由图7(a)可以看出，大多数情况下500Y 填料塔中Nog随塔高的变化为一条直线，即总体积传质系数沿塔高不发生变化。这是因为在适宜的操作范围内，塔内流动状态比较稳定，气相负荷一定时，气相传质系数不变。正庚烷-甲基环己烷为纯有机物系，表面张力中性体系，塔内形成的微弱的正表面张力梯度有利于液膜的稳定，从而使有效传质面积保持恒定。由此可以推测，对有机负体系而言，负的表面张力梯度会引起液膜沿流动方向不断破碎，造成有效传质面积的减小，因此Kya 随塔高下降不断降低。这与耿皎等[18]在直径为30mm 的玻璃精馏塔中选用正体系庚烷-甲苯和负体系苯-庚烷的精馏实验得到的结论一致。从图7(a)可得当气相负荷过小或过大时，500Y 填料塔中Nog随塔高的变化并不是一条直线，这说明总体积传质系数Kya 沿塔高发生变化。当气相负荷很小时，总体积传质系数Kya沿气相流动方向减小；当气相负荷很大时，总体积传质系数Kya 沿液相流动方向减小。当流体流量过高或过低时，塔内流动状态极不稳定，过低的气相负荷，使气相传质系数沿气相流动方向减小、气液相接触减弱，即表现为总体积传质系数Kya 随塔高增加而减小；而过大的气相负荷，引起液泛，液体积聚在塔上部很难流下，使沿液相流动方向液相传质系数减小、气液相接触减弱，即表现为总体积传质系数Kya 随塔高降低而减小。对比图7(a)和7(b)可得，750Y 填料塔中总体积传质系数Kya 随塔高的变化规律与500Y 填料塔一致。

2.5 相同气相负荷下传质性能的差异

实验为确定传质效率的转折点，在气相负荷F=1.8kg0.5/(m0.5·s)附近反复测量多次，发现如下现象。当气相负荷由小到大变化时同一实验点测得的传质效率略低于当气相负荷由大到小变化时的传质效率，如图8 所示。传质效率的差异可能与流动过程中动态接触角的变化有关。液体流动过程中，液滴与填料之间的接触角并不是静态接触角，液滴沿流动方向上有很强的弯曲界面，形成一个很大的接触角，这是前进角，其通常大于静态接触角；与液滴流动方向相反的拖尾位置处，有一个很小的接触角，一般来说该接触角小于静态接触角，这是后退角。液体流量对液体的流动状态有决定性的影响，改变液体流量可以改变液体的局部流动状态，从而影响填料的持液量，进而影响填料的传质性能。

3 结 论

实验测定了正庚烷-甲基环己烷在Mellapak500Y 和750Y 型规整填料塔中的流体力学性能和传质性能。实验在内径400mm 的不锈钢精馏塔中进行，测定了气相负荷从小到大直至液泛的实验数据，由实验结果，可以得出以下结论。

图8 500Y 填料塔的HETP 随气相负荷递增和递减的变化

（1）在一定负荷范围内，750Y 填料的分离效率优于500Y 填料，但单位填料高度的压降高于500Y 填料，导致操作稳定性比500Y 填料差，处理量比500Y 填料小。

（2）实验测定了气相负荷从小到大直至液泛的流体力学性能和传质性能，得到了液泛时的实验数据，给定了操作的极限。500Y 规整填料塔的最大F因子Fmax=1.8kg0.5/(m0.5·s); 750Y 规整填料塔的最大F 因子Fmax=1.5kg0.5/(m0.5·s)。对于正庚烷-甲基环己烷物系，500Y 填料的泛点气速为uF=0.98m/s，750Y填料的泛点气速为uF=0.82m/s。并由实验结果拟合出贝恩(Bain)-霍根(Hougen)关联式中常数A、K 的值。对于500Y 填料A=0.291，K=1.75；对于750Y填料A=0.420，K=1.75。

（3）气相负荷递增变化时的传质效率略低于 气相负荷递减变化时的传质效率。

（4）在适宜负荷范围内，对于纯有机物系，正体系和中性体系的总体积传质系数Kya 沿塔高不发生变化；负体系的总体积传质系数Kya 随塔高下降不断降低。当气相负荷过低时，总体积传质系数Kya沿气相流动方向减小；当气相负荷过高时，总体积传质系数Kya 沿液相流动方向减小。

符 号 说 明

A —— 贝恩(Bain)-霍根(Hougen)关联式关联常数

at—— 填料比表面积，m2/m3

F —— 气相负荷动能因子，kg0.5/(m0.5·s)

G —— 气相摩尔流量，mol/(m2·s)

g —— 重力加速度，m/s2

Hog—— 气相总传质单元高度，m

HETP —— 等板高度，m

K —— 贝恩(Bain)-霍根(Hougen)关联式关联常数

Kya —— 气相总体积传质系数，mol/(m3·s)

L —— 液相摩尔流量，mol/(m2·s)

myx—— 气液平衡线斜率

N —— 理论板数，量纲为1

Nog—— 液相总传质单元数，量纲为1

uF—— 泛点气速，m/s

x —— 液相轻组分摩尔分率，量纲为1

xi—— 各取样口液相轻组分摩尔分率，i=1，2，3

xb—— 塔底取样口液相轻组分摩尔分率，量纲为1

y—— 气相轻组分摩尔分率，量纲为1

y*—— 与液相组成平衡的气相摩尔分率，量纲为1

Z—— 填料层高度，m

αm—— 平均相对挥发度，量纲为1

ε—— 填料层孔隙率，m3/m3

λ—— 气提因子，量纲为1

μL—— 液体黏度，mPa·s

ρL—— 液相密度，kg/m3

ρV—— 气相密度，kg/m3

ωL—— 液相质量流量，kg/h

ωV—— 气相质量流量，kg/h

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