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:
　　（一）基于熱量衡算、物料衡算、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、壓降關聯式、Bain-Houzen液泛點關聯式、動持液量關聯式;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據，可以推廣到CO低溫精餾分離同位素13C中。
　?。ㄈ┰敿毜膶嶒灉y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