填料因子的确定方法和物理意义.pdf

第 8 卷 第 4期 1 9 9 1年 1 2 月 高檀化学工程学报 Jo u r na l o f Che m i c a l Eng i ne e r i n g of Ch i ne s e Uni ve r s i tie s No d Vo 1 8 De c 1 99 研因 液f 乏 庵睁 填料因子的确定方法和物理意义 弓 z 寻 5 f 董 谊 仁 浙 江 L业 大 学化 L系 摘 要 料 I T Q 本文提 出7确定 填料 因子的简便 方法 探讨 7填 料 因子的物理意义 认 为引入 湿填 料 因子和液 泛填 料 因子是不恰 当的 抬 荐按 K i s t e r G i l l 经 验 关联 式计算 国产 填料的泛点压降 关键词 填料 因子 填 料 填料塔 压 降 液泛压降 1 引 言 填 料因子 一 词 最早 由 L e v a 提 出 后来被 E c k e r t 等人 引用至 今 国 内许 多单 位 3 通过实测压降和气 液流量等有关物理量 从填料塔压降通用关联图 简称 G P D C 倒求得各种填料的 值 供工 程计算选 用 国外在有关填料塔设计的主要文献上 也提 供有 各种填料的 值 关 于填料 因子 的数值大小 国外 多数文献认为 虽然填料装填 方法 干装或湿 装等 塔 径大 小对 它有 一定 的影 响 但它主要是与填 料类型和尺寸相关的常数 因而是表征干填 料床 的特性常数 国内有些文 献认为 不仅是填料类型和尺寸的函数 还与 液体 喷淋 密度大 小 有关 且有压降填料因子和液泛填料因子的区别 提出了关联等压降线使用压降填料因子 关 联液泛线使 用液泛填 料因子 至于 的物理意义 国 内文献 尚未 找到一种令 人信 服的解 释 填料因子的物理意义是什么 其数值大小如何用简便而准确的方法加以确定 影响因 素有哪些 是否应划分为压降填料因子和液泛填料因子 有没有干填料因子和湿填料因子 的 区别 本文试图探讨这些问题 2 填料因子简便求法 1 9 9 2年 L e v a 嗍发表 了 重新考虑塔填 料压降关联 一文 使用 一 X为纵 横坐 标 标绘 GP C D 图 1 其中流动能力 因子 为 维普资讯 3 2 6 高校化学I程学报 一 磊 m 相对流动 因子 为 丢 c I e v a认 为 可从干填 料床的一 个压降读数计 算得 到 为此应先求得 压降与 l i mt 之 间 的关 系 其 中 1 i m r 一 P gp 1g 3 一 0 作者将图 1 中 9 根等压降线的 li m Y值列于表 1 表 单位床高压降与 l i m r 间 的关 系 千压降 序号 mmH O m 1 d 2 0 00 73 2 g 3 0 0 1 d5 3 1 0 7 0 0 2 90 2 6 0 0 0 4 3 5 5 3 3 3 0 0 5 8 0 6 d j 7 0 0 72 5 7 62 S 0 10 9 0 B B 3 3 9 45 0 0 1 2 0 0 2 1 80 以 为纵坐标 A为横坐标 在直角坐 标上作 图 可得到 一根通过 原点的直线 并关联成下式 S 奢 l 罢 d l O 01 0 0 2 0 1 O 2仉 S i 0 2 0 S 0 l O x 告 告 图 i 填料 塔新通 啊压降 关联 圈 Gp D C 一 一 4 l 0 4 取式 3 中 1 0 0 0 k g m3 1 2 k g m 2 0 c空气密度 联立式 3 和 得 1 4 2 1 5 又 夸 J 6 式中 K等于 1 m s 时的干压降值 为待定指数 对于每一种填料 K 均可从其干压降 线上求得 将式 6 代入 5 得 1 4 21 一 f 7 从式 7 可以看出 若 一 2 则 与流速无关 这正是 L e v a在文 中所指出的 只要 根据 维普资讯 填 料 因子 的确 定 方 法 和 物 理 意 义 3 2 7 任一个压降读 数 就可算 出恒定的 值 实际上 尚有 小于和大于 2的另外两种情况 它 们 的 西值 皆随流速 指数 的大小而变 西并 非常 数 为简化计算 且不失足够的准确度 本文 建 议 1 m s 故式 7 简化 为 1 4 21 K 8 对各 种常用的国产 填料 从有关的文献上查得 值 按式 8 计 算出 结果列 于表 2 同时 表中还列 出 值以及 L一 2 0 m m h时的 西值 表 2 各种类型填料的 和 值 填 料 填料图 子 邢 液 泛压降 J mmH2 O m 数据 的 尺寸和类型 材质 d 1 13 本文计算值 L一 2 0 式 1 5 计算值 测定平均值 文献来源 2 5拉 西环 陶瓷 6 0 5 d 0 6 2 0 3 1 l 2 5 2 7 2 5短拉 西环 陶瓷 d 1 5 5 4 6 1 6 3 7 1 0 9 叼 2 鲍 尔环 聚 丙烯 2 9 5 2 4 3 2 7 1 9 5 1 2 0 5 2 5 阶梯环 象丙烯 3 1 3 2 0 3 1 7 3 1 7 2 j 1 0 5 3 Dg 2 5矩鞍 陶瓷 4 3 3 2 1 3 2 2 9 1 7 8 1 9 6 D g 2 5环矩鞍 铝 2 2 9 t 5 2 l 4 3 l 0 l 4 L 3 8拉西 环 陶瓷 6 3 8 2 5 0 2 6 8 l d 7 1 0 3 8照 尔环 乘丙烯 2 2 0 1 d 2 l 3 3 1 3 4 1 1 0 5 3 8 阶梯环 聚丙烯 2 1 2 1 1 4 1 0 7 1 1 5 9 O 1 1 3 8龅 尔环 钢 1 5 3 1 2 1 1 0 7 1 2 0 9 9 d Dg 3 8矩鞍 陶瓷 3 2 2 2 2 3 0 1 9 4 9 7 1 0 Dg 3 2环矩 鞍 钢 1 2 7 9 1 9 6 9 8 9 9 g 0拉西 环 陶瓷 1 2 3 2 8 4 2 5 0 2 1 8 1 d 3 5 0鲍 尔环 聚 丙烯 5 3 1 2 3 1 0 6 1 2 1 1 3 2 g 5 0鲍 承环 钢 1 3 1 9 0 9 l 9 7 j 1 3 9 5 0 阶梯环 聚丙烯 1 4 3 9 9 9 5 1 0 4 1 0 3 1 2 D g 5 0 环矩 鞍 钢 7 0 7 l 8 l 8 9 3 填料因子的物理意义及其影 响因素 将式 5 改写成流体力学上 F a n n i n g公式 的形式 西pr u n 丽丁 B i l l e t 根 据流 体力学 基本原理 所建 立的干填料床 压降计算式为 一 t 式 中 一模拟通道 的 F a n n i n g摩擦因子 按 下式计 算 苦 式中 C 一考虑干填料几何特性和表面性质的常数 其值查文献 1 3 表 l a l b 5 a 9 1 O 维普资讯 3 2 8 高校化学I程学报 R e 一 二矗 d 一 6ll 1 2 式 1 1 中的 C为考 虑塔 壁影 响的壁因子 由下式计算 一 吾 c s 联 立式 5 a 和式 9 得 8 5 2 6 等 L 4 从式 知 和 1 4 不难看到 实 际上 相当于流体 力学上 的阻 力系数 表 示气流通过干 填料床时 单位体积气体经每米流动距离所产生的能量损失与动能 之比的一个倍数 它是 代表 干填料床 流体动力学特性的一个物理 量 将 对每 一种填料 作为常数看待带 有一 定的近 似性 式 1 0 一 1 4 明确展示 了填料 因子的影响因素 这 些 因素可归纳为 以下几类 1 填科的几何特性和表面性质 B i l l e t 通过 d A 以及实测 C 加以考虑 2 塔径 床高 装填方法等 的影 响 B i l l e t 引入壁 因子考 虑直径 比d d 的影响 K i s t e r G i ll E 在运用其 G P D C数据图群时 对塔径和床高对压降的影响有所修正 实际上可看成对 的修正 L o b o E 研究了装填方法对 了tl的影响 今天看来也可看成对 的修正 3 气体流 动雷诺数大小 的影响 在层流区 与流速 一次方成反 比 在阻力平 方区 与 R 无关 介于两者之 间 关系 比较复杂 与 R 呈 0 1次方间的关系 我们知道 流动阻力 可分解为表面摩擦阻力和形体阻力两部 分 鉴于填料床结 构的复杂性 流道的大小和方 向均 呈随机 无 规则 的变化 流动常处 于紊乱 状态 故形体阻力占主要地 位 一般可超过总阻力的 9 O 因此分析阻力变化 规律 可借鉴流体绕流颗 粒的理论 B i l l e t 则提供 了定量式 1 O 4 1 简便方法的可靠性 易于算出 忽略 大小对 值的影响带来的相对误 差分 率为 一 1 如 一一 1 8 2 相对误差 为 l 5 一 1 8 一 0 5 误差 为一1 3 工程计 算中当需要 更精确 的 值时 不妨按式 7 求得 从表 2可以看 出 对 1 7种工业上常用的乱 堆填料 按本文的计 算所得 到的 值 与通 过 淋降 压降测 定 再从 GP D C上倒求所得 值 简称倒求法 相比 两者 十分 接近 平均相差 仅 2 4 在 1 7种填料 中 相差绝 对值大于 l 5 的仅 2种 在 l O 1 5 间的有 5种 其余 都小 于 l 0 3 种 陶瓷拉西环的相差较大 各种开孔填 料 矩鞍的相差较 小 但有个别例外 为什么存在上述差别 这是 一个值得进 一步深入探讨的同题 但可 以肯定 倒求 法的误 差 要大于本法 这是 因为 干压降较淋 降压 降易于准确测 定 倒求法 存在图解求 值时 的内插 维普资讯 填料 因子的确定 方法 和物理意义 误差 倒求 法所得 值 仍然是一 个平均值 G P D C有 多个版本 纵 坐标 y的关联 数群存在 差 别 故 同一实验数据 值还 随使用 版本 不同而异 因此 本法不失 为一种合理 简便 准确 可靠的测定填料 因子 的方法 4 2 与 口 间的 关 系 式 C l 4 揭示 了 与 e 问的数量关系 是一组影响 的重 要变 量 在数值上两者相 差 甚大 见表 2 多数填料 要 比 大得多 国 内有 不少文献 将 d 称之 为干填料 因子 这 似乎不妥 因为从概念 上讲 a e 是一 个几何 因素 而 尚同气体流动状况密切相关 4 3 干填 料 因子 和 湿填 料 因子 国内有些单位 对 随液体喷淋 密度 的变 化 进行 了实验研 究 结论 颇不一致 对各种填 料 既有 随喷淋密 度 L的增 加而增大的 也有相反的变化规律 还有 与 L的变化无关 的 情况 出现 详见文献 1 6 表 7 现取表 中 2 l组数据 的算术平均值进行考察 发现即使当 L 1 0 0 m m h时 湿填料因子 倒求法所得 与干填料 因子 暂指从干压降测定所得 相 比 平 均差值 尚不到 2 完 全在 其测 定误 差范 围之 内 这个结果同本文表 2中的计 算数据是很类 似的 e v a 口 强调指出 填料因子从于压降求得 即使是填料的静持液量 也会引起干压降 6 5 8 5 的误差 国内从淋降压降 倒 求 的方法是否合理 值得进一步探讨 但无论用什么 方法求到的填料因子 指 的都是干填料 因子 或 简称填料 因子 若有干湿之分 应是填料装填 方法上的差别 即是干装或湿装 因此 建议今后对填料 因子不必再有干 湿之分 统称填料因子为好 4 4 压降填料因子和液泛填料因子 有人提 出使用液泛填斟 因子的理 由是 对于各种 填料 若使用各 自的压降填料因子来关 联 液泛 工况 则每 一种 填斟都有一根液泛线 这 就失去 了 G P D C的通 用性 为 了要使用 同一 根液泛线来关联所有填料的液泛工况 故引进了液泛填料因子这一参数 这种处理方法的优 点是可以根据液泛线 来确定泛点条件下的气 液流量 间的关系 但泛点压 降是 无法从 图上 确 定的 这 一根通用泛点线 虽位于所有 等压降线之 上 但绝不意味泛点压降一定高于最 上 一 根等 线的压降值 泛点线的这种处理方法 与早期的 G P D C上的泛点线是不同的 随着新型填料的开发 关于 液泛发生于 却 大于 2 0 0 mmH O的早期论断早 已打破 开孔 填料 的液泛压 降一般在 1 0 0 1 5 0 mmH O范 围 甚至更低 原有的 G P D C已不 能满 足关联这 些填料液泛的要求 也许这就是从 1 9 7 5 年开始 E c k e t t 口 悄悄地从原 G P D C上删去了液泛 线的原因 此后 K i s t e r G i l t 作 同样处理 并提 出一个估计液泛压 降的经验关联式 f一 4 1 7 1 1 上 式可 用于 许多填料 其最大误差 为 土1 多数 填料的误差 仅 士l 0 进 而根据 却 从 G p D C上相应的等压降线计算泛点速度 表 2还 列出 却 的 实测 平均值和按 式 1 5 的 计算值 可见 除拉 西环等少数 几种填料 外 式 1 5 有很大的可靠性 能满足工业上 对液泛 压降的预测要求 这 样 工程 上再 没有必要引入液泛填斟 因子这一物理 量 在填料塔的计算 中 只使 用一 个填料因子 问题 变得十分简 明 维普资讯 高校化学I程学报 5 结 论 1 推荐使用式 8 计 算填料因子 值 当需要更准确计 算时 则按式 7 2 填料 因子 相当于单位填料床高度的 阻力系数 是表征干 床流 体动力学 特性的 一个 物 理量 其影响因素从 式 1 4 分 析 r 3 与填料因子有 不同的含 义 建议不要将 称为干填料因子 4 将填料 因子 区分为干填料因子和湿填料因子是不合适 的 5 推荐用 K is t e r G il l 经验关联式 1 5 计算液泛压降 建议不再使用液泛填料因子这一 术 语 符号说明 一 填料床t 匕 表面积 m m 一每米高度捱点压降 m m H 2 0 m 一 填料床璧因子 R e o 一 气体雷诺披 c 一 与干填料几何特性和表面性质有关的常数 一 空塔气体建度 m 一 填料名义直径 IT x 一 相对流动因子 一 塔 内径 m Y 一 流动能力因子 一空塔动能因子w in 专 s 一 k g 告 e 一填料床空辣辜 m m 一千填料床范宁摩攘 因子 一 藏体粘度t C P 一 重力加速度w i l l s 2 一 气体运动粘度 m G 一气体 通 I g ill m h 一气 体密 度tk g m K 一 常数 从干压阵线上求得 一 藏体密度 k g m 一 液体喷淋密度 m m h 一 水的密度 k g m 一 指数 从干压阵线上求得 一 填科因子 t m叫 J 一 每米高度千填料床压降 m m H O m 参考文献 L e v a M w r m M Gt I I l n P 0 1 I血 t M S 时 c I I H H 1 9 9 1 B t tl lc t in 9 0 4 U S B L 嘲 u o f Mi埘 W酬畔 b m B d 时 t J s c m E g P o lp r 1 9 61 9 7 9 7 9 7 9 天j 大 学化学 工程 教研室 化学 工程 1 9 7 7 t B 1 1 O 2 0 古林 化 学工业公 司研 究随 化学 工程 1 9 7 7 B 1 8 1 3 3 浙江化 工学 随 化 掌工 程 1 9 7 8 7 1 1 1 3 兰州化工机械研究所二皇培嚣组 化学工程 1 9 7 9 8 3 7 8 1 石油化 学工业 部第六设计 院 化 学工程 1 9 7 6 5 3 1 8 3 2 n v M a le m E T l 摹n 1 9 9 8 8 8 1 6 9 7 2 孛阿挪 事 薏 麦奉靠 肯叠棒 化学 工程 1 9 8 4 1 a 4 3 7 4 2 吉林 化学 工业公 司研 宄院 化学 工程 1 9 7 9 8 3 2 0 3 6 浙 江化工掌 院化 工原理教 研组 化 学工程 1 柏 8 3 肥 8 9 天 j 大学 化学工 程教研塞 传质科 研组 化学工程 1 8 3 4 2 维普资讯 填 料 因子 的 确 定 方 法 和 物 理 意 义 3 3 l Bl I l e t R Se ht 0 t Che m E ng Te c hn o1 1 目g1 1 4 89 SS q H Z Gil l D R Ch 曲 b B P B r 1 9 91 8 7 2 3 2 4 2 L ob e w E Fr On d K Ha s h a l F Z z F T AI Ck E 1 94 5 41 693 化学 工业部 第走设 计硫 化 学工程 1 9 7 9 B 3 1 3 2 5 Ec k e r t J S a le m E n g P 唯 1 9 7 5 8 2 4 7 0 7 6 De t e r m i ni ng M e t hod and Phys i c a l M e an i ng o f t he Pa c k i ng Fa c t or Don g Yi r e n De par t me n t o f C h e mi c a l E n g i n e e r i n g Zh e j i a n g Un i v e r s i t y o f T