第38卷 第7期2005年7月天 津 大 学 学 报Journa l of T i a n ji n Un i versityVol.38 No.7Jul.2005板波纹规整填料液相分布模型3谷 芳,刘春江,袁希钢,余国琮(天津大学化工学院化学工程联合国家重点实验室,天津300072)摘 要:为研究板波纹规整填料内的液体流动状况,建立了相应的液相分布数学模型,并对4种板波纹规整填料的持液量和有效润湿面积进行了模拟计算及实验验证.结果表明,在无气相影响下,无论是均匀进料还是点源进料,液体在填料内的分布最终将达到稳定的自然流状态,而有效润湿面积的模拟结果显示,无气相影响时,即使在很大液相负荷下填料片的有效润湿面积比也不会超过1.另外,降低液体表面张力有利于在填料片上形成较大的润湿面积,而液体黏度对润湿面积的影响不大.关键词:板波纹规整填料;液相分布模型;持液量;有效润湿面积中图分类号:T Q053.5 文献标志码:A 文章编号:049322137(2005)0720586206L i qu i d D istr i buti on M odel for SheetCorruga ted Structured Pack i n gG U Fang,L I U Chun2jiang,Y UAN Xi2gang,Y U Guo2cong(State Key Laborat ory of Chem ical Engineering,School of Chem ical Engineering and Technol ogy,Tianjin University,Tianjin300072,China)Abstract:A mathematic model for liquid distribution in sheet corrugated structured packing was p r oposed inorder to p r ovide much accurate and reliable liquid distribution.The liquid holdup s and effective wetted areas of4types of structured packing were si mulated by the model and validated by relevant experi m ents.It sho ws that,under the conditi on of no gas flow,liquid distributi on in structured packing will become a steady natural flo wpattern ulti mately,whether unifor m feeding or point feeding is given.It als o shows fr om the si m ulative effectivewetted area that the rati o of the effective wetted area will not be larger than1even when there is no gas fl ow.Inadditi on,decreasing liquid surface tensi on will be beneficial to for m larger wetted area on the packing surface.However,liquid viscosity only has a little effect on the wetted area.Keywords:sheet corrugated structured packing;liquid distributi on model;liquid holdup;effective wettedarea 针对规整填料塔内液相流动分布的计算,人们提出了很多模型.早期的有扩散模型[1],其理论基础是散堆填料,用于规整填料时误差较大;徐崇嗣等人[2]根据规整填料塔内液相流动的规律性提出了结点分布模型,在此模型基础上,许多研究者提出了改进的结点分布模型[3～5],但这些模型只计算了液相分布,均未涉及润湿面积和持液量分布的定量预测;O lujic′等人[6]提出的LDESP模型类似于结点分布模型,但该模型假设填料单元的壁面被完全润湿,这与实际情况相差甚远. 目前有关规整填料塔内液相流动过程的理论研究主要集中在流量分布的预测上,对于有效润湿面积和持液量分布的定量研究较少,另外现有的各种模型均有各自的局限性.针对这些不足,笔者提出了液相结点分布模型,该模型不仅能够准确预测液体在规整填料3 收稿日期:2004202224;修回日期:2004206229. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(20206021);天津市自然科学基金资助项目(023606711). 作者简介:谷 芳(1976— ),女,博士研究生,gufang76@.内的流动分布,还可以定量预测规整填料的有效润湿面积和持液量分布等情况.为验证模型的可靠性,建立了相应的流体力学测试装置,对液体的流动分布和持液量进行了实验测量.1 数学模型1.1 模型假设 模型的假设如下: (1)液体以溪流方式进入流道,在填料表面迅速扩展成膜状流动; (2)液膜在结点处分成3部分:结点混合部分、横向扩散部分和沿原流道流动部分; (3)结点混合部分又分成3个流股,即沿左斜流道流动部分、沿右斜流道流动部分和竖直向下流动部分,其中沿左、右斜流道流动的液量相等; (4)液体在塔壁处发生部分反射; (5)同一流道内的液膜汇集成溪流,沿流道底端结点流下. 结点定义为:液体在填料片交叉孔道内发生液相混合和再分配的单元.1.2 液体分布模型方程 图1给出了填料片上的结点行列编号;图2为单个结点处的液体分配模型.图1 结点编号示意F i g .1 Sche ma ti c d i a gram of crunodes nu mber图2 结点液体分配数学模型F i g .2 M a thema ti c m odel of li qu i d d istr i buti on a t crunodes 1)初始液相分布为 Q 0=[q (i )]M(1) 2)填料内部结点液体分配形式为C (k,i )=L (k -1,i +1)f +R (k -1,i -1)・f +E (k -2,i )L (k,i )=L (k -1,i +1)(1-f -t )+C (k,i )P Z +L (k -1,i -1)tR (k,i )=R (k -1,i -1)(1-f -t )+C (k,i )P Y +R (k -1,i +1)tE (k,i )=C (k,i )P G(2) 3)壁流流道液体分配形式分左、右流道,即左壁流道为 C (k,1)=L WL (k -1)+L (k -1,2)(1-t )R (k,1)=C (k,1)r +R (k -1,2)tL WL (k )=C (k,1)(1-r )(3)右壁流道为 C (k,M )=L W R (k -1)+R (k -1,M -1)(1-t )L (k,M )=C (k,M )r +L (k -1,M -1)tL W R =C (k,M )(1-r )(4) 上述模型共有4个独立参数,即f 、t 、P G 和r ,这些参数可由液体分布实验数据拟合得到.1.3 局部持液量和局部有效润湿面积的计算模型 将两片填料相交形成的交叉流道视为一个结点单元,其特征尺寸与填料片特征尺寸相同,单元内液相・785・ 2005年7月 谷 芳等:板波纹规整填料液相分布模型流量由各个结点上的液相流量提供. 根据持液量定义,每个结点单元内的持液量为[7] hL i =δi(πd e a E/a G)πd2e/4=4a E ia G iδid e(5)式中结点单元内的有效润湿比表面积aE i由式(6)计算得到,即 aE i={[b Y(i,j)+2δY(i,j)]l Y+[b z(i,j)+2δz(i,j)]l z+[b G(i,j)+2δG(i,j)]l G+[b YH(i,j)+2δYH(i,j)]l YH+[b ZH(i,j)+2δZH(i,j)]l ZH}1V i(6)式中:Vi代表每个结点单元的体积;l表示每条溪流的长度,根据填料孔道结构尺寸得到;液膜宽度b和液膜厚度δ的计算方法见文献[8];结点单元等效直径de 的计算方法见文献[9].1.4 总体平均持液量和总体平均有效润湿面积 总体平均持液量和总体平均有效润湿面积可通过对局部量的加权平均得到,即 Ht =6Ii=1V i h L iV=6I i=1V i V h L i(7) aE =6Ii=1V i a E iV=6I i=1V i V a E i(8)2 实验研究 为确定模型参数,并验证模拟结果,对Mellapak 250X/Y和350X/Y等4种金属板波纹填料进行了流体力学实验.实验对象为两片宽400mm、高200mm、表面未开孔的填料.测定方法选用称量法.鉴于载点以下的持液量几乎不受气相影响,在实验中无气相负荷.表1是根据实验测定的液相分布数据拟合得到的f、t、r和P G4个模型参数.表1 模型参数Tab.1 M odel param eters填料类型f t r P G 250X0.1150.0020.3310.018250Y0.0820.0220.3280.017350X0.0950.0990.2640.028350Y0.0460.0260.1680.0253 结果与讨论3.1 持液量 图3对比了不同气相F因子下250Y填料的持液量.当F因子在2.457以下时,在两相流条件下测定的持液量与在无气相负荷时测定的结果基本一致;当F 因子增加到3.075时,持液量陡然上升.在载点以下(F<3),无气相负荷时测定的持液量与气液两相时测定的持液量的相对误差在20 0～40 0之间,因而关于载点以下持液量受气相负荷影响很小的假设是合理的.图3 250Y型填料在不同F因子下的持液量F i g.3 Li qu i d holdup for250Y pack i n ga t d i fferen t F factors 图4显示,持液量的实验结果略小于文献[10]的结果.偏小原因可能是:文献中的实验针对整塔进行测定,由于上下两盘填料放置方向转变90°,形成较大的流动阻力,造成较多积液,而本次实验仅对两片填料进行测试,没有填料盘之间的积液,因而测定数据比文献值偏小.图5中对比了4种填料(250X/Y、350X/Y)的持液量实验值与计算值.结果显示,各种填料持液量的计算值与实验值之间均有很好的吻合性.图4 持液量实验值与文献[10]实验值比较(250Y填料)F i g.4 Exper i m en t a l li qu i d holdup of th is paperand i n Ref[10](250Y packing)・885・天 津 大 学 学 报 第38卷 第7期 图5 各种型号填料持液量的实验值与模拟值比较F i g .5 Co m par ison of exper i m en t a l li qu i d holdup w ithsi m ul a ted soluti on s for var i ous pack i n g 图6是模拟得到的均匀进料时250Y 填料在不同液相流量下的局部持液量等势图.在填料片开始几层,持液量分布比较均匀,等势线呈一条直线;随着液体向下流动,壁面处的持液量逐渐增大,而与之相邻的填料片内部持液量逐渐减小.这表明,液体在向下流动过程中有向壁面聚集的趋势.但壁流又不是无限增加的,当达到一定的流动高度后壁面处的持液量也达到稳定.可将填料壁面至持液量等势线收缩边界之间的区域称为壁流影响区.对比图6(a )和(b )发现,随液体流量增加,持液量的分布形式变化不大.这说明无气相负荷情况下,液相流量的大小不影响液体在填料内的分布状况.(a ) 液相流量0.1m 3/h(b ) 液相流量0.5m 3/h图6 250Y 型填料在均匀进料下的局部持液量等势图F i g .6 Con tours of loca l li qu i d holdup for 250Ypack i n g i n the ca se of un i form feed i n g 图7是单点源进料时250X /Y 填料的持液量分布.该图表明,Y 型填料的液体横向分布特性优于X 型填料,这得益于Y 型填料的孔道倾角较大,从而促进了液体的横向扩散分布.点源进料时,液体呈扇面状分布,持液量由外侧向内侧逐渐减小.这说明,大部分液体首先沿着与注入点相对应的两个倾斜流道流动,在流动过程中液体受重力作用,不断向中间斜下方流道扩散.从流动分布趋势可以推断,当填料达到一定高度,点源进料时的持液量分布也将达到均匀进料时的稳态分布.可以说,只要填料片足够长,无论是何种进料方式总能达到一个稳定的流动状态,该状态并非是液体均匀地分布在整个填料片内,而是主流区和壁流区并存的一种平衡状态,即自然流状态.(a )250X 填料(液相流量0.1m 3/h )(b )250Y 填料(液流量0.1m 3/h )图7 点源进料下250X 和250Y 填料片内的局部持液量等势图F i g .7 Con tours of loca l li qu i d holdup for 250X and250Y pack i n g i n the ca se of po i n t feed i n g3.2 有效润湿面积 图8对比了本文模型与其他文献模型[6、11～14]计算得到的有效润湿面积,计算物系为水,填料型号为250Y .结果表明,本文模型与BRF [11]、BS [12]两模型最为接近.除B rit o 模型[14]之外,其他模型的计算结果均表明即使在液相负荷很大的情况下,有效润湿面积也没有超过填料片的名义比表面积.・985・ 2005年7月 谷 芳等:板波纹规整填料液相分布模型图8 各种模型有效润湿面积的比较F i g .8 Co m par ison of effecti ve wettedarea for var i ous m odels 图9是液体物性对有效润湿面积的影响.水和乙醇黏度相近,表面张力相差较大,而在相同液相负荷下,乙醇的有效润湿面积远大于水的有效润湿面积,表明降低液相表面张力有助于提高填料的有效润湿面积,甚至在大的液体流速下有可能达到填料的名义比表面积.乙醇和环己烷/庚烷混合物的表面张力相近,黏度相差较大,对比两条曲线发现,低黏度物系(环己烷/庚烷)的有效润湿面积有所增加,但增加幅度不大,表明了液体黏性对有效润湿面积的影响不大.图9 液体物性对有效润湿面积的影响F i g .9 Effect of li qu i d properti es oneffecti ve wetted area4 结 语 通过建立板波纹规整填料的液相分布模型,提出了计算持液量和有效润湿面积的方法.持液量模拟计算结果与实验测量结果吻合较好,能够较为真实地反映规整填料内部的流动状况.持液量分布的模拟结果表明,无气相影响下,无论是均匀进料还是点源进料液体在填料片内的分布最终将达到稳定的自然流状态,并且液相负荷对液体分布状况影响不大.有效润湿面积计算结果与已有文献报道结果吻合良好.液体的表面张力对填料片的润湿面积有重要影响,降低液体的表面张力可大幅度提高填料片的润湿面积,而液体的黏度对填料片上的润湿面积影响不大.符号说明:a G ———填料几何比表面积,m 2/m 3;a E ———填料有效润湿比表面积,m 2/m 3;C ———结点处参加混合的液体流量,m 3/s;d e ———润湿孔道水力直径,m;E ———结点处竖直液相流量,m 3/s;f ———填料片混合因数;F ———气相动能因子,m ・s-1・(kg ・m -3)0.25G ———结点处竖直液相流量,m 3/s;h L i ———结点单元局部持液量,m 3/m 3;H t ———填料片总体平均持液量,m 3/m 3;i ———结点横向坐标;I ———填料片结点单元数,I =(M -2)/2(K 0-1);k ———结点纵向坐标;k 0———填料片纵向计算步数;l ———溪流长度,m;L ———结点处向左斜流道流动的液相流量,m 3/s;L WL ,L WR ———左、右壁流液相流量,m 3/s;M ———填料片横向计算步数;P Z ,P Y ,P G ———结点液量分配系数,P Z +P Y +P G =1,P Z =P Y ;q (i )———每个孔道内的初始液相流量,m 3/s;Q L ———填料孔道内的局部液相流量,m 3/s;Q 0———液相流量的初始分布,m 3/s;r ———壁流反射因子;R ———结点处向右斜流道流动的液相流量,m 3/s;t ———横向扩散因数;V ———填料片总体积,m 3;V i ———结点单元体积,m 3;δi ———结点单元局部液膜厚度,m.下标:L ———液相;WL 、WR ———左壁流和右壁流;Z 、Y 、G ———向左、向右和向下;YH 、ZH ———横向向左和横向向右.参考文献:[1] Hoek P J,W esselingh J A,Zuider weg F J.S mall scale andlarge scale liquid maldistributi on in packed colu mns [J ].Che m Eng Res D es,1986,64(6):431—449.[2] 徐崇嗣,楼建中,姜庆泉.金属板波纹填料液流分布的研究[J ].化工学报,1986,37(4):402—411.Xu Congsi,Lou J ianzhong,J iang Q ingquan .Study on the liquid distributi on of metal corrugated sheet packing [J ].Journal of Che m ical Industry and Engineering,1986,(4):402—411(in Chinese ).[3] 计建炳,董谊仁,徐崇嗣.金属板波纹填料液体分布修正・095・天 津 大 学 学 报 第38卷 第7期 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