脉冲填料塔研究新进展及其在石油化工中的应用 于杰 朱慎林 费维扬 关键词 脉冲填料塔 流体力学 轴向混合 传质 YU Jie,ZHU Shen-lin,FEI Wei-yang (Chemical Engineering Department,Tsinghua University,Beijing100084) Keywords:pulsed packedcolumn,hydrodynamics,axial dispersion,mass transfer 脉冲填料塔将脉冲引入填料塔,既保留了填料塔的结构简单、投资和设备费用低等优点,又能减小液滴平均直径,加速液滴的“破碎-聚结”循环,大幅度提高传质效率。处理中、高界面张力体系时,脉冲填料塔具有突出的优越性。 1 脉冲填料塔研究的*新进展 1.1 脉冲装置 *早的脉冲是通过活塞施加到连续相上的,随后开发了空气脉冲装置。Thornton[1]指出空气脉冲有两个优点:(1)脉冲系统与塔内的液体不直接接触;(2)不存在气蚀。因而空气脉冲在实验室和湿法冶金生产中得到了广泛的应用。近年来Simons[2]介绍了特别适合于石油工业的脉冲装置。该装置的旋转阀与塔体底部相连。旋转阀外筒的壁上有两个相对的孔,四个通道均匀地分布在外筒表面,这样通过孔和通道可以将相对的一对吸入或排出筒与塔体连接。吸入筒中是负压,排出筒中是正压,它们通过管路分别与循环泵的吸入端和排出端相连。旋转阀的旋转运动使塔体交替与吸入筒和排出筒相连从而使塔内液体产生往复运动。脉冲填料塔的脉冲频率由旋转阀的转速决定,脉冲振幅通过改变循环泵的流量来调节。这种装置结构紧凑、便于放大,在己内酰胺等工艺生产过程中得到了成功的应用。 1.2 大幅度提高处理能力 一些工业装置的脉冲填料塔常用低空隙率的传统填料,其通量比较低。近年来,随着高孔隙率新型填料的开发应用 [3],使用新型填料的脉冲填料塔的生产能力得到了明显改善。Pilhofer等 [4]采用甲苯/丙酮/水体系对使用不同填料的脉冲填料塔的液泛通量的研究表明,在0<a .<0.020m/s范围内,使用Sulzer-SMV新型填料的脉冲填料塔的通量比使用拉西环、鲍尔环等传统填料的高80%以上。QH-1型扁环[5]是清华大学化工系开发的新型填料,研究表明 [6]在相同的脉冲条件下,装填QH-1型扁环(16)的脉冲填料塔的液泛通量比装填陶瓷拉西环(16×16×4)的高20%以上f 脉冲填料塔和脉冲筛板塔都是通过脉冲来强化传质的设备。Bcker等[7]对比了装填91视频下载链接(Sulzer公司生产的Mellapak500Y、Glitsch公司生产的Gempak4AT和MontzpakB1-500)的脉冲填料塔与筛板孔隙率为20%的脉冲筛板塔的通量。结果发现对相间的体系,脉冲填料塔的通量和操作范围均比脉冲筛板塔高1倍以上。 1.3 轴向混合的研究 脉冲填料塔中的两相流动状况非常复杂,虽然填料可以减小轴向混合,但是脉冲增加了两相的湍动程度,另外液液萃取过程中两相的密度差小,这些都对脉冲填料塔的轴向混合产生较大影响。轴向混合的存在不仅减小了两相间的传质推动力,而且降低了塔的处理能力。 脉冲填料塔轴向混合方面的研究工作很多[11~15],表1列出一些主要的试验体系和得到的轴向混合系数计算公式。尽管在研究中采用的填料和试验体系不同,但在恒定的液相流速下,当脉冲强度从零开始增加时,连续相轴向扩散系数Ec先减小,达到一个*小值后迅速增加。说明存在一个脉冲强度范围,在该范围内脉冲填料塔的Ec低于填料塔。Ec存在*小值的主要原因是适当的脉冲可减小连续相径向流速分布的不均匀程度,但过大的脉冲又会加大返混。 Simons等[15]对实验室和工业尺寸的脉冲填料塔(塔径从0.05m到2.40m)进行了系统的研究,试验中使用不同尺寸和材质的拉西环,测定了单相流和两相流条件下的轴向混合系数。除了发现Ec存在*小值外,研究工作还表明脉冲填料塔的轴向混合与表观流速、脉冲强度及填料的性质有关,而与塔径无关。 由于对分散相轴向扩散系数Ed的研究报道甚少,使考虑轴向混合的脉冲填料塔的传质计算难以进行。 表1 脉冲填料塔轴向混合系数关联式 |