外部液流通过下方节点时分成 3 股. 其中一股为垂
直向下运动的节点液流 , 其分数为 r ; 另两股为沿
倾斜网线流动的网线液流 , 其分数各为 015 (1 -
r) .
(3) 将网线液流分成 2 股. 当流经节点网内部
一节点时 , 分数为 p 的一股液流被处理成为此节
点的一类特殊的垂直向下运动的液流 , 此节点下方
填料 塔 液 体 分 布 性 能 直 接 影 响 塔 的 传 质 效 果[1 ,2 ] , 长期以来一直受到重视. 国外对填料塔的 液体分布已做了许多研究工作 , 也提出了几个描述 规整填料塔液体分布状况的数学模型[3～5 ] . 在参 考国外工作的基础上 , 国内也开展了卓有成效的研 究工作. 袁孝竞和李宏宇[6 ] 系统分析了金属波纹
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化 工 学 报 2003 年 5 月
体分布的数学模型与 2 类边界条件共同构成了波纹板规整填料塔的液体分布模型. 采用单纯形法对 3 个模型参
数进行了估计. 模型计算结果与实验数据一致 , 表明模型能合理地描述波纹板规整填料塔的液体分布性能.
关键词 模型 液体分布 规整填料 填料塔
中图分类号 TQ 53 文献标识码 A
Fig11 Plane node net and its liquid streams
沿填料箍和塔壁流动的液体均视做壁流 , 即将 填料箍与塔壁虚拟成一个塔壁. 从波纹通道流到塔 壁的液体一部分在重力作用下沿塔壁流下 , 另一部 分沿通道返回填料层 , 填料和塔壁之间的这种液体 交换情况比较复杂. 为了简化问题的处理 , 将与一 填料单元相对应的塔壁区抽象成一个由塔壁节点组 成的环形节点网 , 填料与塔壁间的液体交换视做在 立体节点网与环形节点网之间进行.
两网线各得这股液流的一半 ; 另一股分数为 1 - p
的液流继续沿网线流动.
(4) 节点网最末第 2 排节点的垂直向下运动的
液流分成 2 股. 此节点下方的最末排两节点各得一
股液流 ; 沿网线流向最末排节点的液体混合后垂直
向下运动离开节点网.
(5) 立体节点网内两平面节点网之间无液体交
换.
取图 1 所示的坐标系统 , 坐标原点取在填料单
111 填料单元液体分布模型
为便于模型推导 , 做如下假设.
(1) 外部液体输入平面节点网的第 1 排节点后
分成等量的 3 股. 其中一股液流继续垂直向下运
动 , 称为节点液流 ; 其余两股液流沿着与原节点网
相邻的另外两平面节点网的相应倾斜网线流动 , 称
为网线液流.
(2) 节点液流以及从节点网第 2 排节点输入的
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板规整填料中的液体流动机理 , 认为液体在重力作 用下并非完全沿规则通道流动 , 它的实际运动轨迹 与运动轨迹在水平面上投影的夹角正好是波纹斜面 与水平面的二面角. 徐崇嗣等[7 ] 基于液体沿波纹 通道流动和液体在塔壁全反射两个主要假设建立了 波纹板规整填料塔的液体分布模型. 针对徐崇嗣等 的研究工作 , 计建炳[8 ] 认为波纹填料通道上的液 体既非严格地沿波纹斜面与水平面的二面角方向流 动也非纯粹地沿波纹通道方向流动 , 而是既沿通道 方向流动又沿填料表面垂直向下流动 , 以及液体在 塔壁并非全反射 , 提出了修正的液体分布模型. 但 该模型的计算值和实验值间有明显的偏差 , 尤其是 壁流. 究其原因 , 作者认为主要有以下几点 : ①从 填料单元上端面接触点输入的液流离开此接触点时 分成同一通道网上 3 股液流的这一重要处理从规整 填料本身的结构来看并不正确. 从两相邻板片的顶 部接触点输入的液流被板片分割成一股垂直向下运 动的液流和两股沿倾斜通道运动的液流 , 而那两个 倾斜通道事实上是这两个板片各自和与其相邻的另 一板片所围成 , 这 3 股液流分属于不同的通道网. ②通道液流中垂直向下运动部分 (是通道液流中由 于受重力作用离开原通道沿板面向下流动进入下方 通道的那部分液体的简称) 和输入液流中垂直向下 运动部分的分数相同及分布方式相同的基本假设明 显不合理 , 因为它不符合流体力学原理. 通道液流 和输入液流的受力状况不同 , 故两者作垂直向下运 动的能力有大小 , 两类液流垂直向下运动部分的运 动轨迹也不相同. ③壁流部分也存在诸多问题. 模 型没有考虑通道网与塔壁区间的特定对应关系以及 有通道网对应塔壁区和无通道网对应塔壁区两者壁 流的区别 , 采用了与规整填料塔壁流分布不相适应 的模型假设及前后不一致的处理方式. 另外 , 通道 网下端输出壁流的计算式还有错误. 这些都表明模 型未能系统 、规范地建立起合理的壁流体系. ④目 标函数设计不佳. 采用以绝对偏差形式表示的目标 函数必然使得式中反映填料液体分布性能好坏的两 物理量对目标函数的贡献不一致 , 特别是当两物理 量值相差较大时 (对应填料层顶部起始数盘填料) , 难以保证参数估计的精度. 采用只与一个填料层数 据相关的目标函数不具有普遍性. ⑤全塔取恒定的 模型参数值不合理. 因为填料层顶部起始数盘填料 的液体分布状况快速变化 , 而模型参数又与填料中 的液体分布密切相关 , 故对这几盘填料必须逐盘进
1 模型建立
波纹板规整填料是由一些垂直排列的波纹板片 组装而成 , 波纹板片的波纹棱与塔轴线成一斜角. 填料中两相邻板片波纹棱倾斜方向相反 , 形成一系 列相互交错的倾斜通道. 这些倾斜通道在波纹棱上 接触 , 产生一个个通道接触点. 把两相邻板片间的 通道和通道接触点抽象成一个由网线和网线交叉点 (称为节点) 构成的平面节点网 , 如图 1 所示 , 一 盘填料 (又称填料单元) 被简化成一个由这些相互 平行的平面节点网构成的立体节点网. 经上述处理 后 , 填料单元中的液体流动过程就可以用立体节点 网中液体沿网线和节点的流动情形来模拟 , 由一定 个数的填料单元所组成的填料层中的液体分布则可 以用由相同数量的立体节点网所组成的节点网络中 的液体分布来代替.
行参数估计. 为此 , 本文在计建炳原有工作基础上 重新建立了波纹板规整填料塔液体分布的数学模 型. 它由填料单元的液体分布模型 、填料单元对应 塔壁区的液体分布模型及边界条件共同构成. 计算 结果表明本文提出的模型明显优于计建炳模型. 另 外 , 结合此液体分布模型成功预测了规整填料塔的 传质性能 , 这方面的工作将另文报道.
裘俊红 陈国标 计建炳 (浙江工业大学科学研究中心 , 浙江 杭州 310032)
摘 要 将填料单元处理成立体节点网 , 根据节点网内网线液流和节点液流各自的运动方式建立了填料单元的
液体分布模型. 通过将填料与塔壁间的液体交换规范成填料节点网与塔壁节点网间的液量传递建立了填料单元
对应塔壁区的流体分布模型. 提出了规整填料塔液体分布问题的边界条件. 2 个描述填料单元及其对应塔壁区液
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第 54 卷 第 5 期 裘俊红等 : 波纹板规整填料塔液体分布
2002 - 08 - 07 收到初稿 , 2002 - 12 - 24 收到修改稿. 联系人及第一作者 : 裘俊红 , 男 , 36 岁 , 博士 , 教授.
Received date : 2002 - 08 - 07. Corre sponding author : Prof1Q IU J unhong. E - mail : qiujh66 @
Keywords model , liquid dist ribution , st ruct ured packing , packed column
引 言
液体分布优良的规整填料塔具有效率高 、通量 大 、压降低 、放大效应小等优点 , 已在诸多工业分 离过程中得到广泛应用 , 尤其适用于真空和中压精 馏.
第 54 卷 第 5 期
化 工 学 报
Vol154 №5
2003 年 5 月 Journal of Chemical Industry and Engineering (China)
May 2003
研究论文面的正中心 , 坐标轴 i 、j 、 k 的方向分别
沿板片波高 、波宽和填料盘高方向. 与填料单元相
文章编号 0438 - 1157 (2003) 05 - 0646 - 07
LIQUID DISTRIBUTION IN CORRUGATED SHEET STRUCTURED PACKED COLUMN
QIU J unhong , CHEN Guo biao and J I J ianbing
( Scientif ic Research Center , Zhejiang U niversity of Technology , Hangz hou 310032 , Zhejiang , Chi na)
Abstract By t reating an element of st ruct ured packing as a t hree2dimensional node net and analyzing t he flow patterns of 2 kinds of liquid st ream in t he net , i1 e1 net line flow and node flow , t he liquid dist ribution model for an element of st ruct ured packing was eslablished1By t ransforming t he liquid exchange between packing and column wall into t hat between t he node net of packing and t he node net of column wall , t he liquid dist ribution model for t he column wall zone around a packing element was presented1 The boundary conditions for t he liquid dist ribution problem of st ruct ured packed columns were proposed1 The liquid dist ribution model for corrugated sheet st ruct ured packed columns was t hus composed of t he above two models and relevant boundary conditions1 Three model parameters were estimated by using t he simplex met hod1 The calculated result s agreed very well wit h t he experimental data , t hat is to say , t he mat hematical model could describe t he liquid flow behavior in corrugated sheet st ruct ured packed column correctly1