超重力課程設計--超重力隔壁精餾塔分離三組分結構設計

1、<p>　　超重力隔壁精餾塔分離三組分結構設計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　超重力技術是強化多相流傳遞及反應過程的新技術，由于它的廣泛適用性以及具有傳統(tǒng)設備所不具有的體積小、重量輕、能耗低、易運轉、易維修、安全、可靠、靈活以及更能適應環(huán)境等優(yōu)點，使得超重力技術在環(huán)保和材料生物化工等工業(yè)領域中有廣闊的商業(yè)化應用前景。</

2、p><p>　　精餾是石油化工等工業(yè)過程中應用最廣泛的單元操作之一，但其存在能耗高、熱力學效率低的問題。隔壁塔作為完全熱耦合的一種特殊結構，可以在一個塔殼內同時完成三組分的分離，具有設備投資少、能耗低的特征。</p><p>　　本文嘗試將兩種結構結合，強強聯(lián)合下產(chǎn)生超重力隔壁精餾塔，希望得到更加高效的分離效率。</p><p>　　關鍵詞：超重力；隔壁塔；超重力隔壁精

3、餾塔</p><p><b>　　1超重力</b></p><p>　　通過旋轉產(chǎn)生離心力來模擬超重力。超重力機以氣液、液液兩相或氣液固三相在模擬的超重力環(huán)境中，多孔填料或孔道內，進行混合、 傳質與反應為其主要特征。對傳遞和微觀混合過程的極大強化。</p><p>　　1.1旋轉填料床結構及特點</p><p>　　超重

4、力實現(xiàn)的過程中使用最多的是旋轉填料床。旋轉填料床是利用高速旋轉的填料形成超重力場并對通過填料的汽液進行無限切割，使其表面不斷更新的高效分離設備。其主要結構包括外殼、轉子和液體分布器。設備的核心部分是轉子，其主要作用是固定填料并帶動其旋轉，實現(xiàn)良好的氣液接觸與微觀混合。轉子一般由上下盤片和轉鼓構成，通過軸與電機連接。軸與旋轉填料床外殼用軸承連接并加以密封，防止汽、液向外滲漏。轉子在軸的帶動下以每分鐘數(shù)百至數(shù)千轉的速度旋轉。</p&g

5、t;<p>　　圖1 超重力實現(xiàn)方式</p><p>　　通過多年對旋轉填料床的基礎理論研究和應用研究，發(fā)現(xiàn)旋轉填料床有以下特點：</p><p>　　（l）在相同的操作條件下，與常用的板式塔、填料塔相比，傳質單元高度可降低1-2個數(shù)量級，體積傳質系數(shù)可提高1-3個數(shù)量級，設備的體積可縮小10倍以上；</p><p>　?。?）氣液通量可得到極大提高，

6、氣體、液體通量可相應增大到很大而不產(chǎn)生液泛；</p><p>　?。?）填料空隙率一般在90%以上，遠大于普通的填料塔。在高通量下，氣相壓降一般比相同傳質單元數(shù)的普通填料塔還低，所以能耗比較小；</p><p>　?。?）持液量比較小，液體在轉子內的停留時間很短，適合處理一些熱敏性、昂貴或者有毒的物料；</p><p>　?。?）體積較小，重量輕，可以垂直、水平或任

7、意方向安裝，不怕震動與顛簸，適用于艦船、飛行器等運動物體或高度、大小受限制的場合；</p><p>　?。?）占地面積和體積大幅度減小，不僅節(jié)省大量的基建投資，而且設備的重量輕、維修方便、可縮短檢修工期。設備費用比傳統(tǒng)塔設備大幅度減小，有利于降低產(chǎn)品成本；</p><p>　　（7）開停車容易，幾分鐘就可以達到穩(wěn)定。</p><p><b>　　1.2旋轉

8、床分類</b></p><p>　　目前，旋轉床的結構一般分為立式和臥式兩種，它主要由轉子、密封、填料、殼體、液體分布器等部分組成。轉子是其核心部分，轉子有不同的結構形式，一般由多孔填料構成，通過轉軸與電機連接，以每分鐘數(shù)百轉至數(shù)千轉的速度旋轉，提供超重力環(huán)境。工作時氣相經(jīng)氣體進口管由切向進入轉子外腔，在氣體壓力的作用下由轉子外緣處進入填料，液體由液體進口進入轉子內腔，經(jīng)液體分布器噴頭噴灑在轉子內緣上

9、，進入轉子的液體受到轉子內填料的作用，周向速度增加，所產(chǎn)生的離心力將其推向轉子外緣。在此過程中，液體被填料分散、破碎形成極大的不斷更新的液膜，曲折的流道更是加劇了液體表面的更新，液體在高分散、高湍動、強混合以及界面急速更新的情況下與氣體以極大的相對速度在填料孔道中逆向接觸，極大地強化了傳質過程。而后，液體被轉子拋到外殼匯集后經(jīng)液體出口管離開旋轉填料床，氣體自轉子中心離開轉子，由氣體出口管引出，在此過程中完成傳質、傳熱及反應過程。<

10、/p><p>　　圖2 旋轉填料床結構</p><p><b>　　2精餾</b></p><p>　　2.1精餾過程及特點</p><p>　　精餾是指利用溶液中各組分相對揮發(fā)度的差異，經(jīng)過多次部分冷凝與汽化，使組分得以分離的化工單元操作過程。精餾是目前應用最廣的一類液體混合物分離方法，其具有如下特點:</p>

11、<p>　　(l)通過精餾分離可以直接獲得所需要的產(chǎn)品，而吸收。萃取等分離方法，由于有外加的溶劑，需進一步使所提取的組分與外加組分再進行分離，因而精餾操作流程通常較為簡單。</p><p>　　(2)精餾分離的適用范圍廣，它不僅可以分離液體混合物，而且可用于氣態(tài)或固態(tài)混合物的分離。例如，可將空氣加壓液化，再用精餾方法獲得氧。氮等產(chǎn)品;再如，脂肪酸的混合物，可用加熱使其熔化，并在減壓下建立汽液兩相系統(tǒng)

12、，用精餾方法進行分離。</p><p>　　(3)精餾過程適用于各種濃度混合物的分離，而吸收。萃取等操作，只有當被提取組分濃度較低時才比較經(jīng)濟。</p><p>　　(4)精餾操作是通過對混合液加熱建立汽液兩相體系的，所得到的氣相還需要再冷凝液化。因此，精餾操作耗能較大。</p><p>　　精餾過程中的節(jié)能是個值得重視的問題。精餾作為現(xiàn)代工業(yè)應用最廣的分離技術之一

13、，目前已具有一定的基礎理論研究和相當成熟的工程設計經(jīng)驗。精餾是石油化工、有機化工、精細化工、制藥等行業(yè)生產(chǎn)過程中最重要的單元之一，是產(chǎn)品分離、提純的重要手段，在生產(chǎn)中對產(chǎn)品質量、生產(chǎn)效率、能耗等具有舉足輕重的影響。隨著化學工業(yè)、石油化工、環(huán)境工業(yè)等領域的不斷發(fā)展，精餾分離過程的處理量大、操作連續(xù)化等優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，但其高能耗、體積龐大等特點，在大型工業(yè)化生產(chǎn)過程中無可避免地遇到高能耗、大體積、大投資等與產(chǎn)品的高純度的矛盾。因此，如何解

14、決產(chǎn)品達到高純度和精餾裝置的高能耗之間的矛盾就成為目前精餾學科和工程研究開發(fā)的主要目標。</p><p><b>　　2.2隔壁塔</b></p><p>　　隔壁塔作為精餾設備的一種，有著節(jié)能的優(yōu)勢。隔壁塔（Dividing Wall Column，簡稱 DWC）屬于完全熱耦合的特殊類型。分壁精餾塔實質就是在塔內部增設一個豎立的隔板，將常規(guī)精餾塔的內部一分為二，在一

15、個精餾塔內同時完成傳質和傳熱過程。與完全熱耦合精餾塔相比，分壁精餾塔將完全熱耦合精餾塔的預分餾塔與主塔組合在同一個精餾塔內，這樣的結構省去了一個再沸器和一個冷凝器，從而節(jié)省了設備投資，同時由于熱量在同一個塔內重復循環(huán)利用，因此也節(jié)省了能耗。</p><p>　　圖3 隔壁塔工藝流程圖</p><p>　　隔壁塔分為4個區(qū)域，1區(qū)為AB/BC的與分離塔，為預分餾段。通過2區(qū)得到較純的A，并為

16、1、4區(qū)提供液相回流，為公共精餾段。通過3區(qū)得到較純的C，并為1、4區(qū)提供氣相回流，為公共提餾段。通過4區(qū)得到B，為側線采出段。</p><p><b>　　3超重力精餾的提出</b></p><p>　　汽液傳質設備如填料塔、板式塔等，已廣泛地應用于化學及相關工業(yè)。而在這些傳質設備中，液體的流動一般是依靠重力作用實現(xiàn)的，由于重力場引力較弱，液膜流動緩慢，傳質系數(shù)較低

17、，導致填料塔、板式塔等傳質設備體積龐大、生產(chǎn)強度低。隨著現(xiàn)代化工工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，設備體積也越來越大，設備投資費用、操作費用及設備的維修費用不斷攀升，己大大限制了經(jīng)濟效益的提高。長期以來，人們從以下三個方面不斷地研究汽液兩相傳質的強化。一是通過改進設備結構，以改善兩相流動和接觸。二是引入質量分離劑，提出各種耦合或復合型傳質分離技術。三是引入能量分離劑(如磁場、電場、超聲波)，實現(xiàn)目標組分分離。強化汽液兩相傳質過程的目的是最大限度地提

18、高單位體積設備的傳質通量、縮小設備尺寸、簡化工藝流程、降低投資成本和操作費用，實現(xiàn)低耗高效的工業(yè)生產(chǎn)，以提高化學工業(yè)及相關產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益。超重力不僅使液體的表面張力變得微不足道，而且液體在巨大剪切力的作用下被拉伸成膜成絲成滴，產(chǎn)生出巨大的相間接觸面積。因此極大地提高了傳質速率，也提高汽液逆流操作的泛點氣速，這一切都對分離與操作有利。</p><p>　　4超重力隔壁精餾塔結構設計</p><p

19、>　　考慮到超重力技術中旋轉填料床和精餾中的隔壁塔設備在各自領域都有著很大的優(yōu)勢，那他們兩個能不能結合起來形成一種新的設備？達到更好的節(jié)能優(yōu)勢呢個？</p><p>　　設計超重力隔壁精餾塔需要考慮以下問題：</p><p>　　1）塔整體如何設計？</p><p>　　2）如何在旋轉床中實現(xiàn)隔壁塔中的隔板效果？</p><p>　　3

20、）如何實現(xiàn)旋轉機的中間進料？</p><p>　　于是設計了圖4所示的超重力隔壁精餾塔，虛線為液體經(jīng)過路線，實線為氣體經(jīng)過路線，在塔內氣液兩相逆流接觸，以達到更好的傳質效果。</p><p>　　1.液相回流 2.導向板 3.液相回流 4.塔頂采出A 5.冷凝器 6.側線采出B 7.液體分布器 8.擋板 9.擋板 10.氣體分布器 11.進料管

21、12.塔釜采出C 13.再沸器</p><p>　　圖4 超重力隔壁精餾過程示意圖</p><p><b>　　5可行性</b></p><p>　?。?）在基礎研究方面，研究者發(fā)現(xiàn)了旋轉填充床區(qū)別于傳統(tǒng)塔器設備最突出的特征——旋轉填充床的端效應區(qū)，即在轉子內緣環(huán)形區(qū)域傳質效率數(shù)倍于轉子主體區(qū)（轉子內除去端效應區(qū)的部分）。因此在上圖左右兩端（

22、相當于公共精餾段和公共提餾段）的旋轉機利用導流板將液體匯集到中心區(qū)域，充分利用端效應來增加傳質效率。</p><p>　　（2）在中間部分（相當于預分餾段和側線采出段）的旋轉機的設計采用隔壁塔的設計方法，為了使隔壁塔中的隔壁能在旋轉機中起到分離氣液兩相的作用，中間部分旋轉機用臥式旋轉機，在適當位置加入隔板，并在遠離中心端設置氣相分配器，將氣體按照一定的比例分配到左右兩個區(qū)域（預分餾段和側線采出段）。為了能在中間部

23、分（預分餾段）進料，在其中適當位置加入導流管，直接將液體送入旋轉機內部。</p><p>　?。?）超重力隔壁塔與普通旋轉機相比，能夠一次分離三組分，效率更好。而且普通的旋轉機完成三組分精餾，會至少需要兩個旋轉機，因此需要兩個蒸發(fā)器和兩個冷凝器，而超重力隔壁塔只需要一個蒸發(fā)器和一個冷凝器就可以，節(jié)省了一個一個蒸發(fā)器和一個冷凝器的設備費用。而且使用一個蒸發(fā)器和一個冷凝器對蒸汽和冷凝介質的利用率更高。</p&g

24、t;<p>　?。?）超重力隔壁塔與普通隔壁塔相比，由于使用了超重力技術，傳質效率更好，因此設備尺寸大大減小，減少了設備費用。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　陳陽,超重力精餾技術[J].化學中間體,2013,4:24-28.</p><p>　　羅勇,初廣文等,導向板式旋轉填充床的創(chuàng)新設計及其基

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