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规整填料塔中 表面张力对传质过程影响的实验研究 - PowerPoint PPT Presentation


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规整填料塔中 表面张力对传质过程影响的实验研究. 汇报人:张 悦 2013/07/11. 主要内容:. 1. 介绍表征填料塔传质性能的参数; 2. 介绍有关表面张力对传质性能影响的研究历史,从两个方面说 明研究概况。 Marangoni效应 表面张力对有效界面积的影响 3. 重点分析一篇较新的、符合度较好的文献,指导试验。. 效率高 压降小 持液量小 处理量大.

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规整填料塔中

表面张力对传质过程影响的实验研究

汇报人:张 悦

2013/07/11


主要内容:

1. 介绍表征填料塔传质性能的参数;

2. 介绍有关表面张力对传质性能影响的研究历史,从两个方面说

明研究概况。

Marangoni效应

表面张力对有效界面积的影响

3. 重点分析一篇较新的、符合度较好的文献,指导试验。


效率高

压降小

持液量小

处理量大

价格较高

对初始分布敏感

中高压操作的传质性能较差


表征填料传质特性的动力参数

(1) 理论板当量高度(HETP),多用于填料精馏和吸收塔。

(2) 传质单元高度HoG

(3) 传质系数

(4) 有效界面积


Marangoni

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zuiderweg

研究趋势:高压下规整填料塔内流体力学行为和传质行为的研究。国内外研究较少,有关表面张力的研究更少。

之后的研究集中在表面张力梯度引起的Marangoni效应对精馏过程的影响

研究历史

Rocha et.al.

90年代提出SRPⅡ模型,ae与σ关联式

1958年首次提出了表面张力对传质过程的影响,并认为其对传质的影响显著大于密度、粘度、扩散系数等其他物性


σ轻<σ重 正体系

σ轻>σ重 负体系

相差不大 中性体系

一、 Marangoni效应

定义:Marangoni效应是传热、传质过程中界面与主体相表面存在的表面张力梯度引起的一种界面湍动的现象。



二、 有效传质面积


由于受到填料发展的限制,之前的研究主要限于板式塔和散装填料塔由于受到填料发展的限制,之前的研究主要限于板式塔和散装填料塔

SRPⅠ模型

(1) 1985 年,Bravo 等人提出

(2) 第一个预测规整填料传质性能的模型,

(3) 针对丝网波纹填料

(4) 假设完全润湿

SRPⅡ模型

(1) 1993年,Rocha修正了SRPⅠ模型

(2) 通过对总持液量的校正来反映填料的润湿情况

(3) 大多预测板波纹填料传质过程

(4) 开始重视表面张力或表面张力梯度对有效界面积的影响


典型的 SRPⅡ模型由于受到填料发展的限制,之前的研究主要限于板式塔和散装填料塔

Billet, R.; Schultes, M. Predicting Mass Transfer in PackedColumns. Chem. Eng. Technol. 1993, 16, 1.

精馏实验:

吸收和解吸实验:


Rocha, J. A.; Bravo, J. L.; Fair, J. R. Distillation Columns Containing Structured Packings: A Comprehensive Model for Their Performance. 2. Mass-Transfer Models. Ind. Eng. Chem. Res.1996, 35, 1660.

引入表面增强因子Fse来表征填料表面的影响


SRP(II)模型 Containing Structured Packings: A Comprehensive Model for Their Performance. 2. Mass-Transfer Models. Ind. Eng. Chem. Res.对高压精馏的传质效率预测精度较差

Gualito对此作出了修正,提高了SRP(II)模型在中高压阶段的预测能力。

Gualito, J. J.; Cerino, F. J.; Cardenas, J. C.;Rocha, J. A.Design Method for Distillation Columns Filled with Metallic,Ceramic, or PlasticStructured Packings. Ind. Eng. Chem. Res.1997, 36, 1747


研究存在的困难和问题: Containing Structured Packings: A Comprehensive Model for Their Performance. 2. Mass-Transfer Models. Ind. Eng. Chem. Res.

1. 由于表面张力与其他物性密切相关,难以将它们对传质的共同影响

分离开;

2. 大多文献仅针对一种或多种填料和物系得到特定或普遍化的传质性

能关联式,专门研究表面张力的大小对传质性能影响的文献不多。

3. 高压下,因气体的密度、粘度、表面张力等物性都发生了很大的变

化、返混程度加剧,填料塔传质性能较差。

高压下规整填料塔传质性能亟待研究。


Robert E. Tsai, Peter Schultheiss, Andreas Kettner Containing Structured Packings: A Comprehensive Model for Their Performance. 2. Mass-Transfer Models. Ind. Eng. Chem. Res.. Influence of Surface Tension

on Effective Packing Area.Ind. Eng. Chem. Res. 2008, 47, 1253-1260

实验物系:0.1 kmol/m3 NaOH溶液吸收空气中的二氧化碳。

Mellapak 250Y

Mellapak 500Y


不加表面活性剂: σ=72 mN/m

加表面活性剂 Tergitol NP-7 和泡沫抑制剂 Dow Corning Q2-3183A

250Y 液速从12.1~73.3m3/(m2.h) ae/ap=0.78~1.11

250Y 液速从2.4~85.5m3/(m2.h) ae/ap=0.6~1.08

σ=35 mN/m

500Y 液速从2.5~30.5m3/(m2.h) ae/ap=0.34~0.56

500Y 液速从2.4~42.8m3/(m2.h) ae/ap=0.54~0.79

实验结果


具有高比表面积的填料,比低表面

积的填料结构更致密,受毛细管作

用的影响就更显著,因此500Y的

传质界面积比250Y的要小。

由于毛细管作用的影响,具有高表面张力的物系,在波纹褶皱通道以及填料片

的连接处很可能发生 "pooling" 或 "bridging"等非理想流动,导致有效传

质面积减小。

表面张力减小,抑制了毛细管现象,使得具有高比表面积的500Y填料较250Y,有效传质面积得到更显著的提高。


1. 研究表面张力对规整填料传质性能的影响,仅两个表面张力值是否足够?

2. 改变物系表面张力,填料250Y的有效传质面积不变,猜想对于不同尺寸

填料是否存在临界表面张力?

基于以上考虑,欲寻找多个不同表面张力值的物系,构成表面张力序列,探究表面张力对填料传质性能的影响,确定临界表面张力。

下一步的工作:阅读文献

设计实验,选择实验装置、实验物系和方法。


thank you! 研究表面张力对规整填料传质性能的影响,仅两个表面张力值是否足够?


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