催化蒸餾元件的流體力學(xué)性能

潘 蓉，李永紅

（1.天津大學(xué)綠色合成與轉(zhuǎn)化教育部重點實驗室，天津300072；2.天津大學(xué)精餾技術(shù)國家工程研究中心，天津300072；3.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072）

催化蒸餾是一種將化學(xué)反應(yīng)和蒸餾分離相耦合的過程強(qiáng)化節(jié)能技術(shù)，具有成本小、操作費用低、節(jié)能、收率高及選擇性好等優(yōu)點［1］。催化劑的裝填方式是催化蒸餾過程的關(guān)鍵，而氣-液、液-固分別接觸的裝填方式［2］避免了由于氣相與固體催化劑直接接觸而導(dǎo)致的床層壓降過大、蒸餾塔通量過低等問題，因此得到了廣泛應(yīng)用。

目前已開發(fā)設(shè)計出多種氣-液、液-固分別接觸式的催化填料，如工業(yè)上常用的捆扎包［3］，將催化劑裝填在玻璃纖維布制成的口袋里，但由于催化劑被一層玻璃布包著，催化劑包內(nèi)傳質(zhì)阻力大；美國Koch工程公司［4］研制生產(chǎn)的 Multipak催化填料以及Sulzer公司［5］研制出的 Katapak-SP催化填料，由波紋絲網(wǎng)薄片和垂直放置的催化劑包交替排列組成，這種結(jié)構(gòu)催化劑利用率高，但催化劑更換困難，需要停車后人工進(jìn)塔更換，要求催化劑有較長的壽命；還有 Yeoman等［6］提出的將催化劑顆粒裝入降液管中，這種結(jié)構(gòu)使催化劑裝卸方便，但隨著操作長時間后，催化劑床層會越來越緊密，使床層下方的催化劑有可能被壓碎；另有Buchholz等［7］在催化精餾塔內(nèi)設(shè)置方形交錯的氣、液傳質(zhì)通道，其余空間放置催化劑顆粒，主要的缺點是用于裝載催化劑的體積有限，裝填催化劑過量將影響塔的正常操作。

在此基礎(chǔ)上，本研究提出了一種新型的反應(yīng)液與催化劑滲流接觸式的催化蒸餾元件，研究其流體力學(xué)性能及影響因素，并得出了床層壓降、泛點氣速及持液量的預(yù)測關(guān)聯(lián)式，可為催化蒸餾元件的工業(yè)放大提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 催化蒸餾元件的結(jié)構(gòu)和裝填方式

催化蒸餾元件主體為一個敞口圓柱形容器，容器底部由不銹鋼絲網(wǎng)支撐，內(nèi)部設(shè)有若干個擋板形成氣體通道，氣體通道上方設(shè)有人字擋板，通道的大小和個數(shù)由催化劑裝填量及處理量來決定。元件的結(jié)構(gòu)及裝填方式如圖1所示。

圖1 催化蒸餾元件的結(jié)構(gòu)及裝填方式Fig.1 Packing structure of the catalytic distillation column

該元件將催化劑均勻分布在塔中，改善了氣液兩相的分布，增強(qiáng)了氣液通過能力；催化劑床層上方可以累積一定的液體，利用液體自身重力促使反應(yīng)物以可調(diào)控的速度滲流通過催化劑床層；液體經(jīng)過人字擋板全部進(jìn)入催化劑床層，對于液相反應(yīng)可有效提高反應(yīng)效率，同時最大限度地減少了氣體通道的阻力。本實驗所用催化蒸餾元件的裝填結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1。

表1 催化蒸餾塔裝填結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of the novel catalytic packing

1.2 實驗裝置與流程

實驗裝置及其流程如圖2所示。主體裝置由4節(jié)有機(jī)玻璃塔節(jié)制成，塔體總高 1.2 m，塔內(nèi)徑Φ206mm，每節(jié)均設(shè)有液體分布器。實驗介質(zhì)采用空氣-水體系?？諝庥射鰷u氣泵輸送經(jīng)過氣體流量計從塔柱下端的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入塔內(nèi)，流經(jīng)元件的氣體通道后，進(jìn)入規(guī)整填料區(qū)域與液體逆流接觸，從塔頂出口流出；水槽中的水由離心泵輸送，經(jīng)過液體流量計從塔頂流入，經(jīng)過液體分布器和絲網(wǎng)填料，進(jìn)入元件內(nèi)的催化劑床層。實驗所用規(guī)整填料為CY700的波紋絲網(wǎng)填料，元件內(nèi)部裝填粒徑為0.4～1.0mm的大孔強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂。

圖2 實驗裝置圖Fig.2 Experimental device

1.3 實驗方法

干塔壓降：在無液體噴淋的情況下，測定不同氣速下的床層壓降。

濕塔壓降：在一定的液體噴淋密度下，由小到大調(diào)節(jié)氣速，測定在不同氣速下的床層壓降。測定結(jié)果具有可重復(fù)性。

泛點氣速：可由測定的濕塔壓降曲線得到。

動持液量：實驗所用水源為內(nèi)循環(huán)式，因此采用體積法測定。在一定的氣、液流速下，同時關(guān)閉氣液進(jìn)、出口后，記錄關(guān)閉前后的塔釜液位，根據(jù)液位計算得到的體積差，減去空白試驗中絲網(wǎng)填料、分布器及管路等攔截的液體體積，即得催化劑床層的動持液量。

2 結(jié)果與討論

通過實驗研究不同氣體通道截面積和催化劑裝填高度下的流體力學(xué)性能，測量范圍：液體噴淋密度 L：（0 ～18.9）m3·m-2·h-1，氣相 F因子 u：（0 ～0.6）m·s-1。實驗得到了干塔壓降、濕塔壓降和動持液量隨空塔氣速的變化關(guān)系曲線及泛點氣速曲線，并采用最小二乘法回歸得出了各參數(shù)的預(yù)測關(guān)聯(lián)式。

2.1 干塔壓降

氣相流通截面分率是指催化蒸餾元件的氣體通道截面積占元件總底面積的比例。不同氣相流通截面分率下的干塔壓降隨空塔氣速變化曲線如圖3所示。由于氣相流通截面分率減小意味著氣體通道截面積減小，阻力增大，干塔壓降隨氣相流通截面分率的減小而增大。

干塔壓降可視為氣體通過元件內(nèi)通道時的壓力損失，采用關(guān)聯(lián)式［8］：

采用最小二乘法回歸得到各氣相流通截面分率下的干塔壓降回歸系數(shù)及最大誤差列于表2，通過氣相流通截面分率與回歸系數(shù)的相關(guān)性表達(dá)式為：

可進(jìn)一步預(yù)測到其他不同氣相流通截面分率時的回歸參數(shù)及干塔壓降關(guān)聯(lián)式。

圖3 不同氣相流通截面分率下的干塔壓降曲線對比Fig.3 Pressure drop without spray density

表2 干塔壓降的關(guān)聯(lián)式系數(shù)及誤差Table 2 Correlation parameter and error of pressure drop without spray density

2.2 濕塔壓降

2.2.1 催化劑裝填高度對壓降的影響

當(dāng)氣相流通截面分率為0.255，液體流量為200 L/h時，在不同催化劑裝填高度下元件的濕塔壓降隨空塔氣速變化曲線如圖4所示。

圖4 不同催化劑裝填高度下的床層壓降曲線Fig.4 Pressure drop with different loading height of catalyst

催化劑裝填高度從60mm增加至70mm時，床層壓降幾乎沒有變化。說明絕大部分氣體進(jìn)入氣體通道，是不通過催化劑床層的，催化劑床層的高度只影響液體的滲流速率。

2.2.2 氣相流通截面分率對壓降的影響

在催化劑裝填高度為60mm，液體流量為200 L/h的情況下，不同氣相流通截面分率的元件濕塔壓降隨空塔氣速變化曲線如圖5所示。

圖5 不同氣相流通截面分率下的濕塔壓降曲線對比Fig.5 Pressure drop with spray density

隨著氣相流通截面分率逐步減小，氣體通道有效截面積減小，床層阻力增大，元件的濕塔壓降也逐步增大。在相同的氣相流通截面分率下，氣速較小時，床層壓降增幅較??；隨著氣速增大，由于氣體對液體的攔截作用，降低了液體的滲流速率，從而使得催化劑床層上方的積液量不斷增加，滿溢后進(jìn)入氣體通道，導(dǎo)致氣體通道有效截面積變小，壓降迅速增大；此時氣速再繼續(xù)增大，從元件內(nèi)溢出的液體對氣體通道的影響減弱，因此壓降增幅逐漸變緩。

在相同的氣相流通截面分率（0.255），催化劑裝填高度為60mm的情況下，元件在不同噴淋密度下的濕塔壓降隨空塔氣速變化曲線如圖6所示。

圖6 不同噴淋密度下的濕塔壓降曲線Fig.6 Pressure drop with different spray density

在泛點及泛點以下，濕塔壓降隨氣相F因子的變化關(guān)系用式（3）關(guān)聯(lián)［8］。

采用最小二乘法回歸得到參數(shù) a=10.91，b=0.4936，c=0.0084，R=0.9697。由該關(guān)聯(lián)式得到的計算值與實測值對比，誤差在±1.6%以內(nèi)。

2.3 泛點

2.3.1 氣相流通截面分率對泛點氣速的影響

當(dāng)催化劑裝填高度為60mm時，不同氣相流通截面分率下的泛點氣速曲線如圖7所示。

泛點氣速隨氣相流通截面分率的減小而減小，這是由于氣相流通截面分率減小意味著氣體通道面積減小，則床層阻力變大，液體滲流阻力增大，導(dǎo)致催化劑上方液體累積加快，液泛提早出現(xiàn)。

泛點數(shù)據(jù)可以采用 Bain-Hougen公式［9-10］來關(guān)聯(lián)。

圖7 各氣相流通截面分率下的泛點曲線Fig.7 Correlation of flooding point with three different voidage of packing

各氣相流通截面分率下的泛點氣速關(guān)聯(lián)式系數(shù)及計算值與實驗值的最大誤差列于表3，得到不同氣相流通截面分率與回歸系數(shù)的相關(guān)性方程可用式（5）來表達(dá)：

表3 各氣相流通截面分率下泛點氣速的關(guān)聯(lián)式系數(shù)及誤差Table 3 Correlation parameter and error of flooding point

2.3.2 催化劑裝填高度對泛點氣速的影響

當(dāng)氣相流通截面分率為0.255時，不同催化劑裝填高度下的泛點氣速曲線如圖8所示。

圖8 不同催化劑裝填高度下的泛點曲線Fig.8 Correlation of flooding point with different loading height of catalyst

催化劑裝填高度為60mm和70mm時泛點氣速總體變化不大，這與催化劑裝填量對壓降的影響相一致。在液體噴淋密度大于 13.5 m3/（m2·h）后，催化劑裝填高度為70mm時的泛點氣速略小，這是由于裝填高度為70mm時，液體流量對催化劑床層的滲透速率影響較大。

采用式（4）關(guān)聯(lián)得到不同氣相流通截面分率下的泛點氣速回歸系數(shù)及計算值和實驗值的最大誤差列于表4。

表4 不同催化劑裝填高度下泛點氣速的關(guān)聯(lián)式系數(shù)及誤差Table 4 Correlation parameter and error of flooding point

2.4 動持液量

液體動持液量是決定填料塔壓降、通量的一個重要參數(shù)。對于該催化蒸餾元件來說，絲網(wǎng)填料的持液量相比元件內(nèi)催化劑的持液量要小得多，因此用單位體積的催化劑床層持有的液體體積來表示元件的動持液量。

2.4.1 液體噴淋密度對動持液量的影響

圖9為在氣相流通截面分率為0.255，催化劑裝填高度為60mm的情況下，元件的動持液量隨氣相F因子的變化關(guān)系圖。

圖9 元件的動持液量-氣相F因子曲線Fig.9 Correlation of liquid holdup and F-factor

在一定的氣速下，隨著液體噴淋密度的增加，動持液量變化分為3個階段：開始階段氣速較?。‵因子＜0.15）時，催化劑床層內(nèi)累積液體較少，動持液量變化很??；隨著氣速不斷增大（F因子 ＞0.15），液體通過催化劑床層阻力變大，床層內(nèi)累積液體速度加快，持液量增大；最后當(dāng) F因子達(dá)到0.35時，催化劑床層上方累積液體至滿溢，這部分溢出的液體還未來得及反應(yīng)便通過氣體通道直接進(jìn)入下一塔節(jié)，此時隨著氣相F因子繼續(xù)增大，床層內(nèi)持液量增幅變緩，趨于平穩(wěn)。

對泛點前的動持液量數(shù)據(jù)采用式（6）［8］。

得到參數(shù) a=3.200 ×10-4，b=0.0473，c=1.429，R=0.9808。由該關(guān)聯(lián)式得到的計算值與實測值相比，誤差在±4.4%以內(nèi)。

2.4.2 氣相流通截面分率對動持液量的影響

當(dāng)催化劑裝填高度為60mm，液體流量為200 L/h時，不同氣相流通截面分率下的動持液量變化曲線如圖10所示。

圖10 不同氣相流通截面分率下的動持液量變化曲線Fig.10 Correlation of liquid holdup with different voidage

動持液量隨氣相流通截面分率的減小而增大，這是由于氣相流通截面分率減小意味著催化劑裝填區(qū)域變大，持液量增加；另一方面氣體通道有效面積減小使得液體在催化劑床層內(nèi)的滲流阻力增大，同等壓降下，催化劑上方液體累積更快。

2.4.3 催化劑裝填高度對動持液量的影響

在氣相流通截面分率為0.255，液體流量為200 L/h的情況下，不同催化劑裝填高度下的泛點氣速曲線如圖11所示。

圖11 不同催化劑裝填高度下的動持液量曲線Fig.11 Correlation of liquid holdup with different loading height of catalyst

動持液量隨催化劑裝填高度的增大而增大，這是由于催化劑裝填量越大，液體在催化劑床層內(nèi)的滲流阻力越大，滲流速率變慢，催化劑上方液體累積速率加快。

3 結(jié)論

提出了一種新型的反應(yīng)液滲流接觸式催化蒸餾元件，通過流體力學(xué)實驗研究了元件的結(jié)構(gòu)對流體力學(xué)參數(shù)的影響，得到以下結(jié)論。

1）催化劑裝填高度在（60～70）mm范圍內(nèi)，元件的濕塔壓降及泛點氣速沒有明顯變化；

2）實驗范圍內(nèi)，F(xiàn)因子 ＜0.15時，催化劑床層內(nèi)累積液體較少，動持液量變化很小；當(dāng)F因子＞0.15，床層內(nèi)累積液體速度加快，持液量增大；當(dāng) F因子大于0.35后，隨著氣相F因子繼續(xù)增大，床層內(nèi)持液量增幅變緩，趨于平穩(wěn)。

3）得到了效果較好的床層壓降、動持液量及泛點氣速的預(yù)測關(guān)聯(lián)式，誤差均在±4.5%以內(nèi)。

符號說明：

a-床層比表面積，m2/m3；

g-重力加速度，m/s2；

GG-氣相質(zhì)量流量，kg/（m2·s）；

GL-液相質(zhì)量流量，kg/（m2·s）；

L-液體噴淋密度，m3/（m2·h）；

△Pd-干塔壓降，Pa；

△Pw-濕塔壓降，Pa；

uf-泛點氣速，m/s；

ε-催化劑床層空隙率，m3/m3；

ρG-氣相密度，kg/m3；

ρL-液相密度，kg/m3；

μ-黏度，Pa·s。

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