北京化工大學(xué)-超重力課程設(shè)計(jì)

1、超重力隔壁精微塔分離三組分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要超重力技術(shù)是強(qiáng)化多相流傳遞及反應(yīng)過(guò)程的新技術(shù)，由于它的廣泛適用性以及具有傳統(tǒng)設(shè)備所不具有的體積小、重量輕、能耗低、易運(yùn)轉(zhuǎn)、易維修、安全、可靠、靈活以及更能適應(yīng)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，使得超重力技術(shù)在環(huán)保和材料生物化工等工業(yè)領(lǐng)域中有廣闊的商業(yè)化應(yīng)用前景。精儲(chǔ)是石油化工等工業(yè)過(guò)程中應(yīng)用最廣泛的單元操作之一，但其存在能耗高、熱力學(xué)效率低的問(wèn)題。隔壁塔作為完全熱耦合的一種特殊結(jié)構(gòu)，可以在一個(gè)塔殼內(nèi)同時(shí)完成三組分的分離，具有設(shè)備投資少、能耗低的特征。本文嘗試將兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合下產(chǎn)生超重力隔壁精儲(chǔ)塔，希望得到更加高效的分離效率。關(guān)鍵詞：超重力；隔壁塔；超重力隔壁精儲(chǔ)塔目錄1

2、超重力11.1 旋轉(zhuǎn)填料床結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)11.2 旋轉(zhuǎn)床分類22精儲(chǔ)32.1 精儲(chǔ)過(guò)程及特點(diǎn)32.2 隔壁塔43超重力精儲(chǔ)的提出54超重力隔壁精儲(chǔ)塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)55可行性6參考文獻(xiàn)81超重力通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力來(lái)模擬超重力。超重力機(jī)以氣液、液液兩相或氣液周三相在模擬的超重力環(huán)境中，多孔填料或孔道內(nèi)，進(jìn)行混合、傳質(zhì)與反應(yīng)為其主要特征。對(duì)傳遞和微觀混合過(guò)程的極大強(qiáng)化。1.1 旋轉(zhuǎn)填料床結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)超重力實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中使用最多的是旋轉(zhuǎn)填料床。旋轉(zhuǎn)填料床是利用高速旋轉(zhuǎn)的填料形成超重力場(chǎng)并對(duì)通過(guò)填料的汽液進(jìn)行無(wú)限切割，使其表面不斷更新的高效分離設(shè)備。其主要結(jié)構(gòu)包括外殼、轉(zhuǎn)子和液體分布器。設(shè)備的核心部分是轉(zhuǎn)子，其主要作

3、用是固定填料并帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)良好的氣液接觸與微觀混合。轉(zhuǎn)子一般由上下盤片和轉(zhuǎn)鼓構(gòu)成，通過(guò)軸與電機(jī)連接。軸與旋轉(zhuǎn)填料床外殼用軸承連接并加以密封，防止汽、液向外滲漏。轉(zhuǎn)子在軸的帶動(dòng)下以每分鐘數(shù)百至數(shù)千轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。液體進(jìn)口氣體出口氣體進(jìn)口4液體出口圖1超重力實(shí)現(xiàn)方式通過(guò)多年對(duì)旋轉(zhuǎn)填料床的基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)填料床有以下特點(diǎn):(1)在相同的操作條件下，與常用的板式塔、填料塔相比，傳質(zhì)單元高度可降低1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，體積傳質(zhì)系數(shù)可提高1-3個(gè)數(shù)量級(jí)，設(shè)備的體積可縮小10倍以上；(2)氣液通量可得到極大提高，氣體、液體通量可相應(yīng)增大到很大而不產(chǎn)生液泛；(3)填料空隙率一般在90%以上，遠(yuǎn)大于

4、普通的填料塔。在高通量下，氣相壓降一般比相同傳質(zhì)單元數(shù)的普通填料塔還低，所以能耗比較小；(4)持液量比較小，液體在轉(zhuǎn)子內(nèi)的停留時(shí)間很短，適合處理一些熱敏性、昂貴或者有毒的物料；(5)體積較小，重量輕，可以垂直、水平或任意方向安裝，不怕震動(dòng)與顛簸，適用于艦船、飛行器等運(yùn)動(dòng)物體或高度、大小受限制的場(chǎng)合；(6)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(shè)備的重量輕、維修方便、可縮短檢修工期。設(shè)備費(fèi)用比傳統(tǒng)塔設(shè)備大幅度減小，有利于降低產(chǎn)品成本；(7)開(kāi)停車容易，幾分鐘就可以達(dá)到穩(wěn)定。1.2 旋轉(zhuǎn)床分類目前，旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)一般分為立式和臥式兩種，它主要由轉(zhuǎn)子、密封、填料、殼體、液體分布器等部分

5、組成。轉(zhuǎn)子是其核心部分，轉(zhuǎn)子有不同的結(jié)構(gòu)形式，一般由多孔填料構(gòu)成，通過(guò)轉(zhuǎn)軸與電機(jī)連接，以每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)至數(shù)千轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，提供超重力環(huán)境。工作時(shí)氣相經(jīng)氣體進(jìn)口管由切向進(jìn)入轉(zhuǎn)子外腔，在氣體壓力的作用下由轉(zhuǎn)子外緣處進(jìn)入填料，液體由液體進(jìn)口進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，經(jīng)液體分布器噴頭噴灑在轉(zhuǎn)子內(nèi)緣上，進(jìn)入轉(zhuǎn)子的液體受到轉(zhuǎn)子內(nèi)填料的作用，周向速度增加，所產(chǎn)生的離心力將其推向轉(zhuǎn)子外緣。在此過(guò)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(dòng)、強(qiáng)混合以及界面急速更新的情況下與氣體以極大的相對(duì)速度在填料孔道中逆向接觸，極大地強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程而后，液體被轉(zhuǎn)子拋到外殼匯集

6、后經(jīng)液體出口管離開(kāi)旋轉(zhuǎn)填料床，氣體自轉(zhuǎn)子中心離開(kāi)轉(zhuǎn)子，由氣體出口管引出，在此過(guò)程中完成傳質(zhì)、傳熱及反應(yīng)過(guò)程。圖2旋轉(zhuǎn)填料床結(jié)構(gòu)2精微2.1精微過(guò)程及特點(diǎn)精儲(chǔ)是指利用溶液中各組分相對(duì)揮發(fā)度的差異，經(jīng)過(guò)多次部分冷凝與汽化，使組分得以分離的化工單元操作過(guò)程。精儲(chǔ)是目前應(yīng)用最廣的一類液體混合物分離方法，其具有如下特點(diǎn)：(1)通過(guò)精微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(jìn)一步使所提取的組分與外加組分再進(jìn)行分離，因而精儲(chǔ)操作流程通常較為簡(jiǎn)單。(2)精儲(chǔ)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，再用精儲(chǔ)方法獲得

7、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)，用精儲(chǔ)方法進(jìn)行分離。(3)精儲(chǔ)過(guò)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(dāng)被提取組分濃度較低時(shí)才比較經(jīng)濟(jì)。(4)精儲(chǔ)操作是通過(guò)對(duì)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，精儲(chǔ)操作耗能較大。精儲(chǔ)過(guò)程中的節(jié)能是個(gè)值得重視的問(wèn)題。精儲(chǔ)作為現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用最廣的分離技術(shù)之一，目前已具有一定的基礎(chǔ)理論研究和相當(dāng)成熟的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。精儲(chǔ)是石油化工、有機(jī)化工、精細(xì)化工、制藥等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、能耗等具有舉足輕重的影響。隨著

8、化學(xué)工業(yè)、石油化工、環(huán)境工業(yè)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，精微分離過(guò)程的處理量大、操作連續(xù)化等優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，但其高能耗、體積龐大等特點(diǎn)，在大型工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)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，如何解決產(chǎn)品達(dá)到高純度和精微裝置的高能耗之間的矛盾就成為目前精微學(xué)科和工程研究開(kāi)發(fā)的主要目標(biāo)。2.2隔壁塔隔壁塔作為精儲(chǔ)設(shè)備的一種，有著節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。隔壁塔(DividingWallColumn,簡(jiǎn)稱DWC)屬于完全熱耦合的特殊類型。分壁精儲(chǔ)塔實(shí)質(zhì)就是在塔內(nèi)部增設(shè)一個(gè)豎立的隔板，將常規(guī)精儲(chǔ)塔的內(nèi)部一分為二，在一個(gè)精儲(chǔ)塔內(nèi)同時(shí)完成傳質(zhì)和傳熱過(guò)程。與完全熱耦合精儲(chǔ)塔相比,分壁精儲(chǔ)塔將完全

9、熱耦合精儲(chǔ)塔的預(yù)分儲(chǔ)塔與主塔組合在同一個(gè)精儲(chǔ)塔內(nèi)，這樣的結(jié)構(gòu)省去了一個(gè)再沸器和一個(gè)冷凝器，從而節(jié)省了設(shè)備投資，同時(shí)由于熱量在同一個(gè)塔內(nèi)重復(fù)循環(huán)利用，因此也節(jié)省了能耗。圖3隔壁塔工藝流程圖隔壁塔分為4個(gè)區(qū)域，1區(qū)為AB/BC的與分離塔，為預(yù)分儲(chǔ)段。通過(guò)2區(qū)得到較純的A,并為1、4區(qū)提供液相回流，為公共精儲(chǔ)段。通過(guò)3區(qū)得到較純的C,并為1、4區(qū)提供氣相回流，為公共提儲(chǔ)段。通過(guò)4區(qū)得到B,為側(cè)線采出段。3超重力精微的提出汽液傳質(zhì)設(shè)備如填料塔、板式塔等，已廣泛地應(yīng)用于化學(xué)及相關(guān)工業(yè)。而在這些傳質(zhì)設(shè)備中，液體的流動(dòng)一般是依靠重力作用實(shí)現(xiàn)的，由于重力場(chǎng)引力較弱，液膜流動(dòng)緩慢，傳質(zhì)系數(shù)較低，導(dǎo)致填料塔、板式

10、塔等傳質(zhì)設(shè)備體積龐大、生產(chǎn)強(qiáng)度低。隨著現(xiàn)代化工工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，設(shè)備體積也越來(lái)越大，設(shè)備投資費(fèi)用、操作費(fèi)用及設(shè)備的維修費(fèi)用不斷攀升，己大大限制了經(jīng)濟(jì)效益的提高。長(zhǎng)期以來(lái)，人們從以下三個(gè)方面不斷地研究汽液兩相傳質(zhì)的強(qiáng)化。一是通過(guò)改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，以改善兩相流動(dòng)和接觸。二是引入質(zhì)量分離劑，提出各種耦合或復(fù)合型傳質(zhì)分離技術(shù)。三是引入能量分離劑（如磁場(chǎng)、電場(chǎng)、超聲波），實(shí)現(xiàn)目標(biāo)組分分離。強(qiáng)化汽液兩相傳質(zhì)過(guò)程的目的是最大限度地提高單位體積設(shè)備的傳質(zhì)通量、縮小設(shè)備尺寸、簡(jiǎn)化工藝流程、降低投資成本和操作費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)低耗高效的工業(yè)生產(chǎn)，以提高化學(xué)工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。超重力不僅使液體的表面張力變得微不足道，

11、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(zhì)速率，也提高汽液逆流操作的泛點(diǎn)氣速，這一切都對(duì)分離與操作有利。4超重力隔壁精微塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到超重力技術(shù)中旋轉(zhuǎn)填料床和精儲(chǔ)中的隔壁塔設(shè)備在各自領(lǐng)域都有著很大的優(yōu)勢(shì)，那他們兩個(gè)能不能結(jié)合起來(lái)形成一種新的設(shè)備？達(dá)到更好的節(jié)能優(yōu)勢(shì)呢個(gè)？設(shè)計(jì)超重力隔壁精儲(chǔ)塔需要考慮以下問(wèn)題：1）塔整體如何設(shè)計(jì)？2）如何在旋轉(zhuǎn)床中實(shí)現(xiàn)隔壁塔中的隔板效果？3）如何實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)的中間進(jìn)料？于是設(shè)計(jì)了圖4所示的超重力隔壁精儲(chǔ)塔，虛線為液體經(jīng)過(guò)路線，實(shí)線為氣體經(jīng)過(guò)路線，在塔內(nèi)氣液兩相逆流接觸，以達(dá)到更好的傳質(zhì)效果。131.液相回流2.導(dǎo)

12、向板3.液相回流4.塔頂采出A5.冷凝器6.側(cè)線采出B7.液體分布器8.擋板9.擋板10.氣體分布器11.進(jìn)料管12.塔釜采出C13.再沸器圖4超重力隔壁精儲(chǔ)過(guò)程示意圖5可行性（1）在基礎(chǔ)研究方面，研究者發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)填充床區(qū)別于傳統(tǒng)塔器設(shè)備最突出的特征一一旋轉(zhuǎn)填充床的端效應(yīng)區(qū)，即在轉(zhuǎn)子內(nèi)緣環(huán)形區(qū)域傳質(zhì)效率數(shù)倍于轉(zhuǎn)子主體區(qū)（轉(zhuǎn)子內(nèi)除去端效應(yīng)區(qū)的部分）。因此在上圖左右兩端（相當(dāng)于公共精儲(chǔ)段和公共提儲(chǔ)段）的旋轉(zhuǎn)機(jī)利用導(dǎo)流板將液體匯集到中心區(qū)域，充分利用端效應(yīng)來(lái)增加傳質(zhì)效率（2）在中間部分（相當(dāng)于預(yù)分儲(chǔ)段和側(cè)線采出段）的旋轉(zhuǎn)機(jī)的設(shè)計(jì)采用隔壁塔的設(shè)計(jì)方法，為了使隔壁塔中的隔壁能在旋轉(zhuǎn)機(jī)中起到分離氣液兩相的

13、作用，中間部分旋轉(zhuǎn)機(jī)用臥式旋轉(zhuǎn)機(jī)，在適當(dāng)位置加入隔板，并在遠(yuǎn)離中心端設(shè)置氣相分配器，將氣體按照一定的比例分配到左右兩個(gè)區(qū)域(預(yù)分儲(chǔ)段和側(cè)線采出段)。為了能在中間部分(預(yù)分儲(chǔ)段)進(jìn)料，在其中適當(dāng)位置加入導(dǎo)流管，直接將液體送入旋轉(zhuǎn)機(jī)內(nèi)部。(3)超重力隔壁塔與普通旋轉(zhuǎn)機(jī)相比，能夠一次分離三組分，效率更好。而且普通的旋轉(zhuǎn)機(jī)完成三組分精儲(chǔ)，會(huì)至少需要兩個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)，因此需要兩個(gè)蒸發(fā)器和兩個(gè)冷凝器，而超重力隔壁塔只需要一個(gè)蒸發(fā)器和一個(gè)冷凝器就可以，節(jié)省了一個(gè)一個(gè)蒸發(fā)器和一個(gè)冷凝器的設(shè)備費(fèi)用。而且使用一個(gè)蒸發(fā)器和一個(gè)冷凝器對(duì)蒸汽和冷凝介質(zhì)的利用率更高。(4)超重力隔壁塔與普通隔壁塔相比，由于使用了超重力技術(shù)，傳質(zhì)效率更好，因此設(shè)備尺寸大大減小，減少了設(shè)備費(fèi)用。參考文獻(xiàn)1陳陽(yáng)，超重力精儲(chǔ)技術(shù)J.化學(xué)中間體，2013,4:24-28.2羅勇初廣文等，導(dǎo)向板式旋轉(zhuǎn)填充床的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及其基礎(chǔ)研究R.2015中國(guó)化工學(xué)會(huì)第1分會(huì)場(chǎng),20153栗秀萍等，超重力精儲(chǔ)的應(yīng)用與發(fā)展J.化學(xué)中間體,2010,7:14-17.4雷鋒斌,新型精儲(chǔ)旋轉(zhuǎn)床的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究J.中北大學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(3):261-2665高鑫，初廣文等，新型多級(jí)逆流式超重力旋轉(zhuǎn)床精微性能研究J.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(4):1-56HongZhao,LeiShao,Jian-FengChen.High-Gra