填料型饱和热水塔气相传质系数与传热系数的计算与应用资料下载.pdf
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本文根据传热与传质的类比关系提出了饱和热水塔内增湿、减湿过程气液传质系数和对流传热系数的计算方法,并将其用于填料层高度的计算。
2数学模型在气、液直接接触的增湿、减湿过程中,气相与液相间的热量与质量的传递同时发生在两相界面附近。
当液相为水时,传热与传质阻力都集中在气膜内;
在相界面上,气相与液相不存在温度差且达到气液平衡,一般可以认为相界面上的温度tI近似等于液相水的主体温度,相界面上的湿含量为该温度下水的饱和湿含量。
对于一微元相界面气液相间的传质速率为dGl=kg（pV-pI）dA
（1）式中GL传递的水分量,kg?
h;
kg气相传质系数,kg?
（m2hkPa）;
pV气相主体水汽分压,kPa;
pI气、液相界面的水蒸汽分压,kPa;
A传递面积,m2。
由传质引起的潜热传递量为Q1=dGL即Q1=rkg（pV-pI）dA
（2）式中Q1潜热传递量,kJ?
水的汽化潜热,kJ?
kg。
在绝热条件下,气膜两侧因温差引起的显热传递量为Q2=（tg-tI）dA（3）式中Q2显热传递量,kJ?
气相对流传热系数,kJ?
（m2h）;
tg气相主体温度,;
tI气相和液相界面温度,。
气、液相间总的传热量是显热传递量与潜热传递量之和:
Q=Q1+Q2或Q=kg（pV-pI）dA+（tg-tI）dA（4）式
（1）（4）表示的质量传递和热量传递,均31第1期王双成填料型饱和热水塔气相传质系数与传热系数的计算与应用以气相至液相的方向为正,液相至气相的方向为负。
当水分通过惰性组分扩散时,传热因子jh和传质因子jd可分别表示为1jh=CpGuG（CpGGG）0.67（5）jd=kgRTuMmpBmp（GGDG）0.67（6）式中u空塔气速,m?
pBm气体中惰性组分的平均分压,kPa;
G气体的粘度,kg?
（mh）;
G气体的密度,kg?
m3;
DG气相中水对惰性组分的扩散系数,m2?
G气体的导热系数,kJ?
Mm气体的平均摩尔质量,kg?
kmol;
CpG气体的比热容,kJ?
（kg）T气体的温度,K;
p气体的压力,kPa。
因为jh=jd,使式（5）和式（6）右边相等并代入=Mmp?
（RT）经化简得kgCpGpBm=（GCpGGDG）0.67（7）利用式（7）可由气相传质系数kg计算气相传热系数。
填料塔中的气相传质系数用下式计算2:
kgRTatDGyBm=5.23（GGatG）0.7（GGDG）13（atdp）-2.0（8）式中at填料的比表面,m2?
yBm气体中惰性组分的摩尔分率;
GG气体的空塔质量流速,kg?
（m2s）;
dp填料的名义尺寸,m。
无因次数群atdp表示填料类型的影响,拉西环为4.7,鲍尔环为5.8,矩鞍形填料为7.1。
球形填料为3.4,圆棒形填料为3.5,弧鞍形填料为5.6,其它符号意义同前。
根据式（7）和式（8）求出kg和后,便可根据工艺要求计算所需的填料层高度。
增湿与减湿过程计算填料层高度的数学模型相同,只是物质传递方向相反。
饱和热水塔示意见图1。
微元段内气液两相有效接触面积dA为:
dA=awR2dZ（9）式中R填料塔半径,m;
dZ微元段高度,m;
aW填料润湿比表面,m2?
m3。
aW按下式计算2图1饱和热水塔示意图aWat=1-exp-1.45（cL）0.75（GLatL）0.1（G2LLLat）0.2（atG2L2Lg）-0.05（10）式中c填料材质的临界表面张力,N?
m;
其中陶瓷为0.061,钢为0.075;
L液体的表面张力,N?
GL液体的空塔质量流速,kg?
L液相的粘度,NS?
m2;
L液相的密度,kg?
g重力加速度,g=9.81m?
s2。
由式
（2）和式（9）知气、液相间的传质速率与填料层高度的关系为:
dGLdZ=kg（pstl-py）aWR2（11）由式（4）和式（9）可得dtldZ=aWR2（tl-tG）+tlkg（pstl-y）GLCpl,tl（12）由总物料衡算得Ggb=Ggi+Glb-Glo（13）由水衡算得yb=Ggiyi+Glb+GloGgi+Glb-Glo（14）由热量衡算得41化肥设计1999年第37卷tgb=Ggi（CPG,tgitgi+yio）+GlbCpl,tlbtlb-GloCpl,tlotlo-Ggbybo?
（GgbCpg,tgb）（15）边界条件Z=0,Ggb=Ggi,tgb=tgi;
Z=H,Glb=Gli,tlb=tli（16）式（11）至式（16）中:
Gg,Gl分别为气相和液相流量,kmol?
tg,tl分别为气相和液相温度,;
y气相中水汽的摩尔分率。
式（11）至式（16）中下标:
l,g分别为液相和气相;
i,o,b分别为塔入口,塔出口和微元段利用式（11）（16）计算填料层高度时,先初估出塔液体的流量Glo和温度tlo的值,然后逐段向上计算（利用差分法或龙格库塔法）,当计算至某一高度求出的Glb和tlb与入塔液体的流量Gli和温度tli之差达到收敛精度时,得出的填料层高度即为所需高度;
否则重新估计Glo和tlo,从塔底重新开始向上计算。
3计算实例3.1饱和热水塔操作条件
（1）饱和塔操作压力pB=780kPa,热水塔操作压力pR=740kPa;
（2）饱和塔入口气体流量Ggi,B=151.58kmol?
h,入口气体温度tgi,B=35;
热水塔入口气体流量Ggi,R=218kmol?
h,入口气体温度tgi,R=106;
（3）饱和塔入塔热水流量Gli,B=500kmol?
h,热水温度tli,B=128;
热水塔入塔热水流量Gli,R和温度tli,R由饱和塔出塔热水流量、温度决定。
（4）饱和塔、热水塔入塔气体组成见表1。
表1饱和塔与热水塔入塔气体的组成（mol%）组分COCO2H2N2CH4O2H2O合计饱和塔入口29.298.0039.0521.361.270.390.64100.00热水塔入口1.0424.6045.3514.710.88013.50100.00（5）饱和塔内气体平均温度取76.5,液体平均温度取99;
热水塔内气体平均温度为89,液体平均温度为84;
饱和塔内气体中水汽平均含量为yB=0.1160,热水塔内气体中水汽平均含量为yR=0.0916（均为摩尔分率）。
（6）饱和热水塔内采用名义尺寸为50mm的矩鞍环陶瓷填料。
以上操作条件中的物料流量是以生产1吨氨作为基准。
3.2计算结果
（1）按饱和热水塔内气、液平均温度和组成求出饱和塔的气相传质系数kgB=4.345kmol?
（m2h）,气相对流传热系数B=145.052kJ?
热水塔的气相传质系数kgR=5.385kmol?
（m2h）,气相对流传热系数R=185.832kJ?
（m2h）。
（2）按上述操作条件和求出的传质系数与传热系数,求得饱和塔填料层高度为7.6m,出塔气体流量为194.49kmol?
h,水汽含量为0.2256,气体温度为119.19,出塔液体流量为471kmol?
h,液体温度为71.2;
求得热水塔填料层高度为5.2m,出塔气体流量为198.315kmol?
h,气体温度为72.44,水汽含量为0.0491,出塔液体流量为500kmol?
h,液体温度为98。
将以上计算结果与某合成氨厂的生产数据比较,有关参数能很好吻合。
4结论本文根据传热与传质的类比关系,导出了计算填料型饱和热水塔气相传质系数和对流传热系数的计算模型,并结合实例计算了气相传质系数、传热系数和填料层高度,计算值与生产实际相符。
本文的计算方法为填料型饱和热水塔的设计提供了依据。
参考文献1朱炳辰主编.无机化工反应工程.北京:
化学工业出版社,1981:
3872朱炳辰主编.化学反应工程.北京:
化学工业出版社,1993:
243（修改稿日期:
1998-09-22）51第1期王双成填料型饱和热水塔气相传质系数与传热系数的计算与应用
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