低溫精餾分離13C的耦合傳遞理論與試驗研究.pdf

1、本論文針對一氧化碳(CO)低溫精餾分離穩(wěn)定同位素13C這一熱量、質量、動量耦合傳遞體系進行了詳細的試驗及模擬研究。主要包括低溫精餾裝置工藝設計及試驗測試、新型高效絲網波紋填料的開發(fā)及性能測試、低溫精餾流程模擬優(yōu)化及填料內CO汽-液兩相流動模擬分析。具體內容如下:
　?。ㄒ唬┗跓崃亢馑恪⑽锪虾馑?、真空計算，設計了一套采用一氧化碳低溫精餾分離穩(wěn)定同位素13C的工藝流程。針對13C低溫分離流量小、低溫絕熱要求高的特殊要求，提出并設計研

2、制了多層絕熱的低溫精餾塔結構專利技術;開發(fā)了高比表面積絲網波紋填料及鋸齒形波紋填料專利技術，滿足低溫精餾分離穩(wěn)定同位素13C的工藝要求;設計研制了低溫精餾分離同位素13C的控制方案，建立了國內第一座采用CO低溫精餾分離同位素13C的試驗裝置。
　?。ǘ┎捎每諝?水冷模實驗及對/鄰二甲苯二元混合體系熱模實驗，測試了峰高1.6、2.0、2.5 mm三種規(guī)格的高比表面積絲網波紋填料的流體力學性能及傳質性能。得到了三種規(guī)格填料的Leva

3、壓降關聯(lián)式、Bain-Houzen液泛點關聯(lián)式、動持液量關聯(lián)式;通過試驗得到了高效規(guī)整不銹鋼金屬絲網規(guī)整填料的傳質性能數(shù)據(jù)，可以推廣到CO低溫精餾分離同位素13C中。
　　（三）詳細的實驗測試結果表明，本文建立的CO低溫精餾試驗裝置當氣體動能因子F在0.26-0.53m/s(kg/m3)1/2時，試驗每米理論板數(shù)為25-28塊。試驗裝置的全回流平衡時間為4天、開車濃縮時間為23-30天、極限濃縮達到15％13C、達到了年產500克

4、10％13C的生產能力。本文開發(fā)的新型高比表面積絲網波紋規(guī)整填料比傳統(tǒng)填料具有更好的分離能力，其單位比表面積分離功和單位比表面積理論板數(shù)均超過了國外同類裝置的2倍以上。
　?。ㄋ模┩ㄟ^對12C16O-13C16O-12C18O三元組分同位素體系低溫精餾過程的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)模擬研究，對影響13C同位素分離的因素進行了數(shù)值模擬計算。單因素穩(wěn)態(tài)模擬分析表明，塔壓的降低、回流比的增加、氣體動能因子的降低有利于提高產品豐度。通過均勻實驗設計得出

5、，對于建立的精餾塔，蒸發(fā)功率為250 W時，優(yōu)化設計的操作條件為操作壓力為54 kPa，回流比為84。而低壓力、高回流比有利于降低本試驗裝置的操作能耗。動態(tài)模擬結果表明，增大進料量、增大再沸器功率有利于縮短平衡時間。
　　（五）建立了表征波紋填料單元結構的三維物理模型。通過CFD模擬計算表明，在兩相逆流的精餾過程中，傳統(tǒng)的波紋填料由于結構缺陷表面大部分沒有被液體流覆蓋，液體在填料表面呈溪流流動。液體分布不均主要內在原因是由填料結構