XD-I 新型 锥度螺旋填料的 流体力学特性及其机理研究

1. XD-I 新型锥度螺旋填料的流体力学特性及其机理研究 湘潭大学化工学院 2 0 0 7 年 11 月

2. 一、新型塔填料的研发应依赖新的理论 • 填料塔与塔填料技术是一项成熟的工业技术，目前依 然是化工行业的主要的分离设备之一。和其他塔设备相 比，因结构简单、投资少,压降小、能耗低而备受青睐。 • 国内塔填料的研发在上世纪90年代就已取得辉煌成就, 众多具有自主知识产权的塔填料均达到世界先进水平 。 • 90年代后，填料技术的发展已变得异常缓慢，因为各 项新技术的应用，使传统塔填料的技术性能几乎接近极 限，要取得新的突破变得异常艰难。 • 新型高效填料的开发，必须依赖新技术与新理论的应 用，完全打破传统填料的结构束缚，才有可能取得突破 性进展。XD-I新型塔填料的研发为打破传统填料的结构 束缚做了大胆的尝试，并取得一定的成果，本文意与同 行交流，为新型塔填料的研发走出一条新路。

3. 气相 气相 液相 新型节能填料 ---- 锥度螺旋填料结构 结构示意图 工作原理图

4. 锥度螺旋填料的结构特征 • 气液两相流体可以借助于离心力，可获得较大的分离因素； • 将塔内气液两相流体的逆流接触方式改为错流接触，可大幅度减少阻力，增加负荷； • 可在填料的螺旋间隙中形成稳定液膜，且更新频率极高，能有效增加传质面积，提高传质效率； • 气液两相分布状况好，无壁流，液相的停留时间比常规填料要长，但不会形成死角，更不会导致液相的局部累积； • 液泛气速大，具有较强的自清洗功能，即使用于含固体颗粒的结晶体系，或高粘度物系，填料层的也无堵塞现象。

5. 随着喷淋密度的增加，填料 层的压降增加也越显著。 在较大的操作负荷范围内填 料层的压降并无明显增加，仅 在接近泛点时，才有较为显著 的增大。 锥度螺旋填料在不同的喷淋 密度下均有一压降的相对稳定 区，但稳定区的范围随喷淋密 度的增大而逐渐缩小。 在稳定区内，随喷淋密度的 增加，填料层压降的增加并不 十分明显。 实验研究结果与分析----压降特性 ΔP /Pa·m-1 FV /m.s.(kg.m-3)0.5 锥度螺旋填料不同喷淋密度下的压强降

6. 低气速时，锥度螺旋填料的压 降比θ环略高，随着气速的增 加，压降之差明显减少； 当气速较高时，锥度螺旋填料 的压降反而低很多，相同喷淋密 下，气速越高差值越大，这说明 在相同压降下，锥度螺旋填料允 许更大的气相负荷，或在相同负 下，压降更小； 实验研究表明，在相同气相负 荷，锥度螺旋填料的压降平均要 低50.2％，最高可达81．4％。 而在相同压降的情况下，锥度螺 旋填料的生产负荷平均可提高 20.8％，最高可达28.8％。 实验研究结果与分析----压降比较 Pactapered thread packing ΔP /Pa·m-1 FV / m.s.(kg.m-3)0.5 锥度螺旋填料与q环的压降比较

7. 喷淋密度 m3．m-2．h-1 81.51 97.81 114.11 130.4 146.7 163.0 泛点气速 m·s-1 0.45 0.41 0.34 0.29 0.27 泛点压降 Pa·m-1 1346 2145 1985 1816 1863 θ环 泛点气速 m·s-1 0.41 0.36 0.32 0.27 0.25 泛点压降 Pa·m-1 2853 3445 3421 3981 3106 丝网波纹填料 拉西环 泛点气速 m·s-1 泛点气速 m·s-1 0.25 0.43 0.18 0.14 0.38 / 0.31 / 0.26 / 0.24 泛点压降 Pa·m-1 泛点压降 Pa·m-1 3297 1508 3266 3314 2301 / 2223 2009 / 2063 / 泛点气速与泛点压降的比较 填料 名称 锥度 螺旋

8. 在相同喷淋密度下，与θ环填料相比，其泛点气速平均要高出8.76%，而泛点压降则要低45.38％ ； • 与拉西环填料相比，泛点压降则要低58.8％，泛点气速则要高出2～3倍，其优势更为明显。 • 与波纹丝网填料相比，泛点气速平均要高出9.25%，而泛点压降平均也要低6.74％ ；

9. 实验填料的结构参数 填料 填料规格 峰高 mm 比表面积 M2·m-3 空隙率 锥度螺旋填料 大径×小径×高 78×8×62 — 324 82.27 拉西环 外径×厚×高 8×1×8 — 438 78.09 θ环 外径×厚×高 8×0.2×8 — 527 94.73 丝网波纹填料 外径×高 78×87 4.2 500 85

10. 锥度螺旋填料结构的机理分析 • 空隙率的比较： 锥度螺旋︰拉西环︰ q环︰波纹丝网 ＝ 82.27︰ 78.09 ︰ 94.73 ︰95 • 比表面积的比较： ＝ 324︰ 438 ︰ 497︰504 • 压降的比较： 锥度螺旋＜（拉西环＞ q环＞波纹丝网） • 传质单元高度（m) 的比较： • ＝0.073︰ 0.094 ︰0.082 ︰ 0.078 锥度螺旋＜（拉西环＞ q环＞波纹丝网）

11. 锥度螺旋填料的特殊结构因素及其影响 经实验研究表明，新型XD-1锥度螺旋填料其独特的锥度螺旋 结构已展示出它和常规填料完全不同的压降特性和传质效果。 压降特性完全不同于传统填料： • 在相同喷淋密度条件下，和q环相比空隙率低1.31％，单位填料层压降却要低49.67％，生产能力可提高12.4％； • 和拉西环相比，空隙率仅高33.06％，单位填料层压降平均则要低95.73％，而生产能力还可提高一倍； • 和波纹丝网填料相比，空隙率低3.2 %,单位填料层压降平均也要低6.74%，节能降耗效果非常明显。 在传质性能方面和传统填料相比也有明显改善： • 和拉西环相比，比表面积要小26％，而HETP却要低22.3％； • 和q环相比，比表面积要小34.8％，而HETP却要低11.1％； • 和波纹丝网相比，比表面积要小35.7％，而HETP也要低6.4％；

12. 锥度螺旋填料的结构分析： • 打破传统填料的设计思路，更注重于流体在串级漩涡流场中离心力的应用，以获得更大的分离因素。 • 独特的锥度螺旋结构，使旋转下流的液体可以借助于离心力和流体自身的表面张力，在锥度螺旋间隙中形成一层很薄的流动液膜，并在锥度螺旋流道和流体流动惯性的共同作用下形成稳定而有序的流动。 • 有序流动的液膜不仅使气液两相流体可以借助于离心力可使两相流体的逆流接触方式改为错流接触，有效降低了填料层压降，改善了塔内的两相流动状况。 • 螺旋间隙中形成的非填料表面的液膜不仅大大增加了有效传质面积，极易被气流穿破，也极易被后续高速旋转的液流所修复，更新频率极高的液膜对传质十分有利。

13. 液体在流动惯性力的推动下沿锥度螺旋间隙流道旋转下流时会形成漩涡，并在液膜内侧形成螺旋上升的气芯和形成一定程度的负压，使液膜内外两侧产生微压差，气相由垂直向上运动转变为水平流动。液体在流动惯性力的推动下沿锥度螺旋间隙流道旋转下流时会形成漩涡，并在液膜内侧形成螺旋上升的气芯和形成一定程度的负压，使液膜内外两侧产生微压差，气相由垂直向上运动转变为水平流动。 • 液固表面的液膜张力力远大于气液表面的液膜张力，当气相穿破液膜的瞬间，在表面张力的协助下缺口将迅速扩大，这非常有利于减少气相流体穿过液膜的阻力，因而使锥度螺旋填料层的平均压降小于常规填料，而且表面张力越大的物系这一趋势越明显。 • 随着液相流量的增加，液膜的厚度也会随之增加；在微压差的作用下，液膜将受到一个由外向内的挤压力作用，但同时液膜所受到的由内向外的离心力作用也会随之增大，在两个方向相反的力的共同挤压作用下，液膜的厚度又会减薄，从而在一定的操作范围内，锥度螺旋流道中会维持一定厚度的液膜，使填料层的压降在一定的操作范围内维持一相对稳定的值，这已被我们的实验研究结果所证明。

14. 结 论 ： • 锥度螺旋填料独特的锥度螺旋结构，展示出它与其他常规填料有着完全不同的流体力学与压降特性。 • 使填料层内两相流体的流动由逆流接触改为错流接触，有效降低了填料层压降，改善了两相流动状况。 • 锥度螺旋填料借助于串级漩涡的离心力，在一定的操作负荷范围内，在其螺旋流道中能维持一定厚度的液膜，可使压降维持相对的稳定，在高液相负荷时，表现尤为明显。 • 锥度螺旋填料可获得比传统填料更高的液相负荷与持液量；它有更高的液泛气速和更低的塔压降； • 通过在螺旋间隙中形成的大量液膜，不仅可获得大量非填料表面的传质面积，更新频率极高的液膜还强化了传质过程。 • 锥度螺旋填料独特的锥度螺旋结构，有效打破了“高空隙率才有低压降，高比表面积才能提高传质效率”的传统概念。

15. 具有独特结构的锥度螺旋填料，为新一代高效塔填料的开发提供了一条可供参考的新的思路和有效途径。具有独特结构的锥度螺旋填料，为新一代高效塔填料的开发提供了一条可供参考的新的思路和有效途径。 可以预见，新型锥度螺旋填料的工业开发将有十分广阔的应用前景，也将为我国节能降耗的国策注入新的活力。 谢谢各位同行的莅临！ 期盼各位同行的赐教与交流！