散裝填料塔設(shè)計及核算軟件開發(fā)研究

1、<p>　　散裝填料塔設(shè)計及核算軟件開發(fā)研究</p><p>　　摘要：通過分析研究現(xiàn)有的文獻資料，研究了用于填料塔流體力學(xué)計算的數(shù)學(xué)模型，并提出了負荷性能圖繪制的方法，編寫了散裝填料塔設(shè)計及核算軟件，實現(xiàn)了散裝填料塔負荷性能圖的繪制及輸出，為填料塔的設(shè)計及改造提供參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：軟件開發(fā) 散裝填料 流體力學(xué) 負荷性能圖 設(shè)計及核算 </p>

2、<p>　　填料塔是化工生產(chǎn)中常用的一種分離設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于精餾、吸收、解吸、氣體洗滌、液體萃取等單元操作過程。自20世紀初，填料塔應(yīng)用于工業(yè)分離過程以來，在增產(chǎn)、節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善環(huán)境和減少投資等方面的優(yōu)勢明顯，應(yīng)用范圍越來越廣，而填料塔的設(shè)計要求也越來越高。 </p><p>　　1 計算模型的確定 </p><p>　　1.1 液泛氣速計算模型 </p>

3、<p>　　文獻針對鮑爾環(huán)，用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖、Bain-Haugen公式、Billet等泛點氣速預(yù)測模型與實驗值進行了對比，結(jié)果表明Bain-Haugen公式與實驗數(shù)據(jù)吻合的較好，因此本文采用Bain-Haugen公式作為液泛氣速計算模型。 </p><p>　　1.2 塔徑計算模型 </p><p>　　塔徑的計算方法主要有泛點法、載點法和FP-Cmax圖法。若要求

4、操作穩(wěn)定，壓降小，則可以選擇載點以下的操作氣速。但目前對于載點關(guān)聯(lián)式的研究較少，并且在很多場合下（尤其在大液量時）載點氣速難以確定，而泛點算法則是在填料塔計算中普遍使用的方法。FP-Cmax圖法是工業(yè)上普遍用來計算規(guī)整填料塔塔徑。因此本文采用泛點法作為塔徑的計算模型。 </p><p>　　1.3 壓降計算模型 </p><p>　　計算填料塔壓降的模型方法分為兩類，一類是專門適用于某特定

5、類型的，這種模型算法往往由填料開發(fā)者提出，有些沒有公開發(fā)表，需向填料制造商咨詢；另一類是通用的計算模型。 </p><p>　　目前主要的壓降算法模型有Eckert通用關(guān)聯(lián)圖、Billet模型、S-B-F壓降模型、新Eckert通用關(guān)聯(lián)圖、Kister通用關(guān)聯(lián)圖、BRF法、Robbins法。以文獻的實驗數(shù)據(jù)為基準值，對適用于散裝填料的模型進行了比較計算，結(jié)果表明新Eckert壓降通用關(guān)聯(lián)圖與實驗值比較吻合，因此本

6、文采用新Eckert壓降通用關(guān)聯(lián)圖的擬合公式作為壓降計算模型。 </p><p>　　1.4 持液量計算模型 </p><p>　　持液量的計算模型主要有Mackowiak模型、Billet模型、大竹模型、Rocha模型等。文獻認為Mackowiak模型和大竹公式的誤差較大；Rocha模型較為復(fù)雜，參數(shù)眾多，文獻只提供部分參數(shù)；文獻認為Billet模型的預(yù)測值與實驗值誤差較小，尤其在恒持液

7、量區(qū)，因此本文采用Billet模型作為持液量的計算模型。 </p><p>　　1.5 等板高度計算模型 </p><p>　　目前等板高度的計算模型有Hands and Whitt公式、Frank公式、Murch公式、Strigle公式、Rocha模型、Brova公式、Lockett模型、Carillo模型等。有文獻推薦Frank公式作為等板高度計算模型，因此本文采用Frank公式。另外

8、，可根據(jù)填料廠家提供的等板高度推薦值手動輸入。 </p><p>　　2 負荷性能圖限制線確定 </p><p>　　2.1 負荷性能圖氣相上限線 </p><p>　　填料塔內(nèi)氣體流率增加，持液量趨于增加，壓降也相應(yīng)增加，在泛點處液體在填料表面處積累并逐漸增多，氣體負荷略微增加，壓降將趨于無窮大，此時填料床層出現(xiàn)液泛現(xiàn)象。許多實際情況下，操作可以維持在泛點，但這種

9、操作狀況極不穩(wěn)定，操作性能較差。因此本文將泛點時的氣體量作為負荷性能圖的氣相上限線。 </p><p>　　2.2 負荷性能圖氣相下限線 </p><p>　　氣相流速與填料層持液量和壓降有明顯關(guān)系，氣速降低，填料層持液量和壓降也降低，當氣速下降到一定程度時，塔內(nèi)氣液相湍動程度明顯降低，氣相分布不均，則氣液傳質(zhì)效率明顯降低。 </p><p>　　Kister以壓降

10、作為判斷氣相負荷下限的標準，由最小壓降計算出氣相負荷的下限，推薦操作時散裝填料層的壓降應(yīng)不低于0.1英寸水柱/英尺填料層高度，而在實際操作中操作壓降低于上述推薦值時仍可處于正常操作狀態(tài)。因此以Kister的推薦值作為計算氣相負荷下限的標準并不準確。孫津生認為當氣相負荷因子在0到0.6時，存在一個傳質(zhì)拐點，在此拐點以下，傳質(zhì)效率大幅下降，而在實際工程設(shè)計中如果負荷因子取在0.5～0.6之間時，一般認為風險較大，所以本文將氣相動能因子為0.

11、6時的氣相負荷作為負荷性能圖的氣相下限線。 </p><p>　　2.3 負荷性能圖液相上限線 </p><p>　　由于填料具有較大空隙率，與板式塔相比，填料塔一般不會發(fā)生液相超負荷現(xiàn)象，所以對于填料的液相負荷上限研究較少。文獻研究表明對于高效填料塔最大液相噴淋密度應(yīng)低于200 m3/（m2?h），但對于填料吸收塔最大液相噴淋密度超過200 m3/（m2?h）時，部分情況下，也處于正常操

12、作狀況。關(guān)于填料的最大液相噴淋密度還有待于進一步研究。本文暫采用最大噴淋密度200 m3/（m2?h）作為負荷性能圖的液相上限線。 </p><p>　　2.4 負荷性能圖液相下限線 </p><p>　　要保證填料塔正常操作，必須有一定的液體噴淋量。當液相的操作負荷低于某一值時，填料單體提供的表面積得不到有效的潤濕，液體在填料表面不能建立穩(wěn)定的液膜， 從而降低了氣液傳質(zhì)效率。因此，本文以

13、最小噴淋密度作為負荷性能圖的液相下限線。 </p><p>　　2.5 負荷性能圖液泛線 </p><p>　　填料塔中液相在填料表面形成液膜流動，氣相向上流動對液膜流動產(chǎn)生牽制作用，隨氣相速度增加，液膜下降速度逐漸減小，氣相速度增加到一定程度時液膜增厚，氣相速度進一步增加，液膜進一步增厚，如此循環(huán)，持液量增加。最終液相變?yōu)檫B續(xù)相，氣相成為分散相，此現(xiàn)象即為液泛。同理，當氣相速度一定時，液

14、相噴淋量增加到一定后，也會造成液泛現(xiàn)象發(fā)生。因此液泛可以反映填料塔內(nèi)氣液兩相相互影響的極限值。本文以Eckert關(guān)聯(lián)圖中泛點線的回歸解析式作為負荷性能圖的液泛線。 </p><p>　　3 軟件設(shè)計功能考核 </p><p>　　用水吸收空氣中的SO2氣體，混合氣體處理量為100kmol，其中SO2的含量為7%，空氣含量93%，要求凈化氣中SO2的含量達到15%（mol），操作壓力為常壓，

15、氣體入口溫度為25℃，洗手液中不含SO2，水入口溫度為25℃，要求設(shè)計吸收塔，對其進行工藝計算并輸出填料塔的負荷性能圖。 </p><p>　　其中液相流率L=72530kg/s，氣相流率G=3148kg/s，理論板數(shù)10塊，其他物性參數(shù)：=998.2kg/m3，氣相密度=1.383kg/m3，液相粘度=1mPa?s，氣相粘度=0.018 mPa?s，液相表面張力0.07154N/m。選用DN38塑料鮑爾環(huán)填料。

16、設(shè)計及核算結(jié)果如表1所示。 </p><p><b>　　4 結(jié)語 </b></p><p>　　軟件的計算結(jié)果和核算結(jié)果與文獻值相差較小，誤差在工程允許誤差范圍內(nèi)，所以本軟件計算結(jié)果準確可靠，可應(yīng)用于實踐。另外軟件繪制出了填料塔的負荷性能圖，表示出了填料塔的可行穩(wěn)定操作區(qū)域，為填料塔設(shè)計、改造提供了直觀的依據(jù)。 </p><p><b&

17、gt;　　參考文獻： </b></p><p>　　[1] 李軍，陳亮，孫蘭義等.填料萃取塔設(shè)計軟件CUP-Tower的開發(fā)[J]，石油化工設(shè)備，2009，38（3）：20～23 </p><p>　　[2] 田正義.規(guī)整填料塔軟件開發(fā)[D].青島：青島科技大學(xué)，2009 </p><p>　　[3] 閆蓉，仇汝臣，田正義.絲網(wǎng)波紋規(guī)整填料塔設(shè)計軟件開發(fā)