填料塔作為重要的傳質(zhì)分離設備，被廣泛應用于化工領(lǐng)域，涉及精餾、吸收、萃取、蒸發(fā)等單元操作過(guò)程。近年來(lái)規整填料的發(fā)展使填料塔應用更廣泛，并日益大型化。規整填料塔具有效率高、處理量大、壓降小、放大效應小等優(yōu)點(diǎn)。自20世紀80年代以來(lái)，許多學(xué)者研究了不同規整填料塔的傳質(zhì)過(guò)程，提出了一系列傳質(zhì)模型。

規整填料塔中，影響傳質(zhì)性能的因素很多，Zuiderweg等認為表面張力對傳質(zhì)的影響顯著(zhù)大于密度、黏度、擴散系數等其他物性。之后很多學(xué)者研究了表面張力梯度引起的Marangoni效應對精餾傳質(zhì)的影響，研究物系大多集中在能形成較大表面張力梯度的有機物水溶液。由于表面張力與其他物性密切相關(guān)，且表面張力對傳質(zhì)過(guò)程的影響機理相當復雜，至今沒(méi)有一個(gè)滿(mǎn)意的結論。近年來(lái)，精餾領(lǐng)域的傳質(zhì)過(guò)程研究主要集中在過(guò)程模擬，國內外對新型高比表面積規整填料的傳質(zhì)過(guò)程的實(shí)驗研究還不多，有關(guān)工業(yè)尺寸的規整填料塔則更少涉及。

綜上所述，鑒于規整填料塔在現代分離工業(yè)中的重要地位以及表面張力對其傳質(zhì)性能的影響，研究低表面張力物系在規整填料塔中的傳質(zhì)過(guò)程對于完善高性能填料的傳質(zhì)數據，深入研究流動(dòng)和傳質(zhì)機理具有重大的理論意義和應用價(jià)值。本文選用具有低表面張力的正庚烷-甲基環(huán)己烷物系，在內徑400mm的不銹鋼精餾塔中，測定目前廣泛使用的經(jīng)典高效規整填料Mellapak 500Y和750Y的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能。

1實(shí)驗方法

1.1實(shí)驗裝置

實(shí)驗流程如圖1所示。實(shí)驗裝置由主塔、副塔、冷凝系統、加熱系統四大部分組成。主塔為內徑400mm的不銹鋼精餾塔，填料層裝填高度1.8m，每盤(pán)填料高200mm，共9盤(pán)。主塔塔頂上升蒸汽及其冷凝液在副塔內進(jìn)行換熱，得到飽和的回流液，避免過(guò)冷現象的發(fā)生。塔釜再沸器采用熱導油加熱，換熱面積為27.5m2。塔頂冷凝器采用冷卻水制冷，換熱面積為29.9m2。實(shí)驗采用常壓下的全回流操作。

全塔共設有4個(gè)取樣口。1#取樣口設在塔頂回流處；2#取樣口設在距填料底部1200mm處；3#取樣口設在距填料底部400mm處；4#取樣口設在填料段以下。填料段的取樣口，即2#、3#取樣口的樣式如圖2所示。取樣器沿水平方向向上傾斜3°放置，伸入填料段的部分為半圓管，長(cháng)度為200mm，直徑為10mm。這樣設計以保證液相樣品順利地由填料中取出，且取出的液相樣品具有代表性。

1.2實(shí)驗物系

有機物水溶液的表面張力和表面張力梯度都很大，Marangoni效應十分顯著(zhù)，一般情況下正、負體系分離效率相差很大，表面張力梯度的影響超過(guò)了表面張力本身；而純有機物系的表面張力低，在塔內形成的表面張力梯度小，Marangoni效應不明顯，一般情況下正體系的效率比負體系略高。實(shí)驗旨在研究低表面張力物系在規整填料塔中的傳質(zhì)過(guò)程，故選擇表面張力較低的純有機物系；對于純有機物系，表面張力正體系和負體系的傳質(zhì)性能相差不大，為了實(shí)驗研究的方便，選取正庚烷-甲基環(huán)己烷為實(shí)驗物系。正庚烷-甲基環(huán)己烷物系的表面張力較低，實(shí)驗范圍內接近中性體系。實(shí)驗物系的表面張力數據見(jiàn)表1。

1.3實(shí)驗數據處理

1.3.1計算HETP

由4個(gè)取樣口的組成數據可以計算填料塔的理論板當量高度，根據定義有式（1）。

Z=N*HETP=NogHog  （1）

正庚烷-甲基環(huán)己烷物系沸點(diǎn)差很小，分離程度不高，可近似將平衡線(xiàn)視為直線(xiàn)，氣提因子如式（2）。

總體積傳質(zhì)系數Kya是氣相總傳質(zhì)系數和有效界面積的乘積，直觀(guān)反映了塔內傳質(zhì)的好壞。氣相流率一定時(shí)，測定Nog隨塔高的變化，可以得出氣相總體積傳質(zhì)系數隨塔高的變化，分析塔內傳質(zhì)行為。

低表面張力物系在規整填料塔中的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能（一）

低表面張力物系在規整填料塔中的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能（二）