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。精儲是石油化工等工業(yè)過程中應(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32.1 精儲過程及特點(diǎn)32.2 隔壁塔43超重力精儲的提出54超重力隔壁精儲塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)55可行性6參考文獻(xiàn)81超重力通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力來模擬超重力。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。對傳遞和微觀混合過程的極大強(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并對通過填料的汽液進(jìn)行無限切割，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)方式通過多年對旋轉(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，體積傳質(zhì)系數(shù)可提高1-3個(gè)數(shù)量級，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?。?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速度在填料孔道中逆向接觸，極大地強(qiáng)化了傳質(zhì)過程而后，液體被轉(zhuǎn)子拋到外殼匯集

6、后經(jīng)液體出口管離開旋轉(zhuǎn)填料床，氣體自轉(zhuǎn)子中心離開轉(zhuǎn)子，由氣體出口管引出，在此過程中完成傳質(zhì)、傳熱及反應(yīng)過程。圖2旋轉(zhuǎn)填料床結(jié)構(gòu)2精微2.1精微過程及特點(diǎn)精儲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。精儲是目前應(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，因而精儲操作流程通常較為簡單。(2)精儲分離的適用范圍廣，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)，用精儲方法進(jìn)行分離。(3)精儲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(dāng)被提取組分濃度較低時(shí)才比較經(jīng)濟(jì)。(4)精儲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，精儲操作耗能較大。精儲過程中的節(jié)能是個(gè)值得重視的問題。精儲作為現(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(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(diǎn)，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)科和工程研究開發(fā)的主要目標(biāo)。2.2隔壁塔隔壁塔作為精儲設(shè)備的一種，有著節(jié)能的優(yōu)勢。隔壁塔(DividingWallColumn,簡稱DWC)屬于完全熱耦合的特殊類型。分壁精儲塔實(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)精儲塔的內(nèi)部一分為二，在一個(gè)精儲塔內(nèi)同時(shí)完成傳質(zhì)和傳熱過程。與完全熱耦合精儲塔相比,分壁精儲塔將完全

9、熱耦合精儲塔的預(yù)分儲塔與主塔組合在同一個(gè)精儲塔內(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)分儲段。通過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，為公共提儲段。通過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。長期以來，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、電場、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)填料床和精儲中的隔壁塔設(shè)備在各自領(lǐng)域都有著很大的優(yōu)勢，那他們兩個(gè)能不能結(jié)合起來形成一種新的設(shè)備？達(dá)到更好的節(jié)能優(yōu)勢呢個(gè)？設(shè)計(jì)超重力隔壁精儲塔需要考慮以下問題：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塔，虛線為液體經(jīng)過路線，實(shí)線為氣體經(jīng)過路線，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超重力隔壁精儲過程示意圖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)于公共精儲段和公共提儲段）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)來增加傳質(zhì)效率（2）在中間部分（相當(dāng)于預(yù)分儲段和側(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)分儲段和側(cè)線采出段)。為了能在中間部分(預(yù)分儲段)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，會至少需要兩個(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，超重力精儲技術(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中國化工學(xué)會第1分會場,20153栗秀萍等，超重力精儲的應(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