轉(zhuǎn)盤萃取塔的改進(jìn)

1、? 第 51 卷? 第 3 期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 化? ? ? 工? ? ? 學(xué)? ? ? 報(bào)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Vol. 51? ? 3? ? 2000 年 6 月? ? ? ? ? ? ? Journal? of? Chemical? Industry ? and? Engineering ( China)? ? ? ? ? ? ? June? 2000? 研究簡報(bào)轉(zhuǎn)盤萃取塔的改進(jìn)? ? ? ? ? 齊鳴齋? ? ? ? ? ? ? ? 戴 ? 杰 ? ? ? ? ? (華東理工大學(xué)化工系, 上海 200237)? ? ?( 南京化工

2、廠研究所, 南京 210038)? ? ? ? ? ? ? 關(guān)鍵詞? 萃取塔? 改進(jìn)轉(zhuǎn)盤塔? 閉式渦輪轉(zhuǎn)盤塔 中圖分類號(hào)? TQ 028. 32 引 ? 言 轉(zhuǎn)盤塔 ( RDC) 具有結(jié)構(gòu)簡單、通量大、造價(jià) 低、操作維修方便等優(yōu)點(diǎn),得到廣泛應(yīng)用.但 RDC 靠平滑轉(zhuǎn)盤在全塔上、下一致地對(duì)連續(xù)相 ( c) 和分散相 ( d) 整體輸入能量造成以下問題. (1) 轉(zhuǎn)速 NR較高,導(dǎo)致 c 相軸向混合嚴(yán)重、 能耗大、轉(zhuǎn)軸晃動(dòng)厲害,塔內(nèi)界面張力 ?大的物 系更是如此; ( 2) 液滴平均直徑 dp、持液率 ? 軸向分布過 寬. 即進(jìn)口端液滴不能被最初幾塊轉(zhuǎn)盤充分分散, dp大上升快,? 小, 較長一塔

3、段 ( 約 0. 5 m 左右) 不能發(fā)揮有效作用.而液滴上升過程中會(huì)被轉(zhuǎn)盤不 斷分散, 以至出口端分散過度,dp過小、? 偏大, 易過早出現(xiàn)液泛.塔內(nèi) ? 變化大的物系則更加 突出. 為了優(yōu)化 RDC 的性能,許多學(xué)者作了大量改 進(jìn)研究,開發(fā)出多種改進(jìn)型轉(zhuǎn)盤塔, 如開式渦輪轉(zhuǎn) 盤塔 ( OTRDC) 1 、加 裝絲網(wǎng)的改進(jìn)型轉(zhuǎn) 盤塔 (MRDC) 2 、不對(duì)稱轉(zhuǎn)盤塔 ( ARD) 、采用六葉槳 式攪拌器的 Kuhni 塔及 Scheibel 塔等 3,4.但往往 對(duì) RDC 結(jié)構(gòu)上的缺陷改進(jìn)不力, 而自身結(jié)構(gòu)更趨 復(fù)雜. 本文以保持 RDC 結(jié)構(gòu)簡單為原則,以降低 NR、減小 dp并使其軸向

4、分布趨于均勻?yàn)槟康?成 功地開發(fā)了一種改進(jìn)型萃取塔 ? 閉式渦輪轉(zhuǎn)盤塔 ( CTRDC,rotating disk contactor with closed tur? bine) ,即在 d 相進(jìn)口端以 1 2 塊閉式渦輪代替平 滑轉(zhuǎn)盤, 其余部分與 RDC 結(jié)構(gòu)完全一樣.由于閉 式渦輪的強(qiáng)烈攪拌作用, d相入塔后即被吸入閉式 1999?01 ?25 收到初稿, 1999 ?05?28 收到修改稿. 聯(lián)系人及第一作者: 齊鳴齋, 男, 44 歲, 博士, 副教授. 渦輪攪拌器而被充分 ( 預(yù)) 分散, 且所需 NR相應(yīng) 低得多 ( 一般小于 RDC 的臨界轉(zhuǎn)速 NRc) .因此, 已被渦輪分

5、散的液滴在沿軸向上升途中被轉(zhuǎn)盤進(jìn)一 步分散的幾率較小. 這樣,便達(dá)到既降低 NR又減 小 dp及軸向液滴大小分布過寬的目的.而塔上部 的轉(zhuǎn)盤又保證了塔內(nèi)液體湍動(dòng)的能量需要, 以獲得 高的傳質(zhì)效率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地驗(yàn)證了開發(fā)設(shè)計(jì) 意圖. 1 ? 實(shí)驗(yàn)部分 1. 1? CTRDC實(shí)驗(yàn)設(shè)備 設(shè)備設(shè)計(jì)須確定定環(huán)內(nèi)徑 Ds、轉(zhuǎn)盤直徑 DR、 隔室高度 HT與塔內(nèi)徑 DT的關(guān)系.以文獻(xiàn) 5 提供的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為依據(jù),考慮到 NR較低,DT/ DR、DT/ HT、Ds/ DT取值時(shí)兼顧了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)通 量和塔效率的影響. 結(jié)構(gòu)尺寸見表 1.塔體為兩節(jié) 厚壁擴(kuò)口玻璃管,兩端用法蘭連接.定環(huán)經(jīng)定距管 由 3 根直徑

6、5 mm 的拉桿固定,轉(zhuǎn)盤及閉式渦輪經(jīng) 定距管固定于直徑 14 mm 的轉(zhuǎn)軸上.閉式渦輪外 徑 45 mm,吸入口內(nèi)徑 30 mm,葉片高度 10 mm, 厚度 1 mm, 6 片葉片與徑向成 60? ( 向后斜) 安 裝. 所有內(nèi)件均用不銹鋼制造. Table 1? Parameters of CTRDC DT / m Ds / m DR / m HT / m H / m DT DR DT HT Ds DT n1n2 0. 0750. 0490. 0450. 03 1. 60 1. 67 2. 50 0. 65 502 1. 2? 實(shí)驗(yàn)物系 實(shí)驗(yàn)所用物系及物性數(shù)據(jù)見表 2.甲苯、丙 酮、正丁

7、醇均為工業(yè)級(jí), 水為自來水. Table 2? Physical properties of systems ( 20 ? ) SystemName ? / kg?m- 3 ? / mPa?s ? / mN?m- 1 Purity / % 1 2 toluene ( d)867? 0. 586 water ( c)9991. 0 acetone ( solute)7910. 322 n- butanol ( d)8102. 89 water ( c)9991. 0 ? 34. 0 1. 7 99. 5 99. 5 99. 0 1. 3? 實(shí)驗(yàn)流程及方法 實(shí)驗(yàn)裝置流程見圖 1.開機(jī)后,當(dāng)每相流過

8、 3 倍塔體積, 塔內(nèi)和測(cè)壓管內(nèi)界面均穩(wěn)定后,測(cè)取實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù).兩相流量用計(jì)量泵控制.轉(zhuǎn)速由直流調(diào)速 電機(jī)控制和數(shù)字顯示儀測(cè)量.持液率采用壓差法測(cè) 量6. 由靜力學(xué)原理可導(dǎo)得 ?= ( h1- h2)/ ( H - h2) .丙酮、甲苯、水用 102G 氣相色譜儀分析, 工業(yè)中試時(shí)的 JBRF 用化學(xué)法分析.液滴直徑采用 照相法測(cè)定 7.兩拍照點(diǎn)分別位于渦輪上方第 12 隔室和第 39 隔室 ( 上、下兩玻璃段中間) .從每張 放大為 5 寸的照片上測(cè)量約 80 100 個(gè)液滴直徑, 以計(jì)算 液 滴 Sauter 平 均直 徑 , 即 dp= ? d3pi/ ? d 2 pi. Fig. 1?

9、Flow diagram 1? D. C. motor; 2? pressure tube; 3, 13? settler; 4? interface controller; 5? column; 6, 7? sampling valve; 8? water vessel; 9? camera; 10? closed turbine; 11? D. C. power; 12? techometer; 14? raffinate vessel; 15? outlet valve; 16? solvent vessel; 17? metering pump; 18? raw material ve

10、ssel; 19? extract vessel 2 ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 2. 1? 流體力學(xué) 2. 1. 1? 轉(zhuǎn)速 ? RDC 存在 NRc. 按 Laddha8的經(jīng)驗(yàn) 公式計(jì)算本實(shí)驗(yàn)的 NRc,物系- 1 的 NRc1= 650 r? min- 1,物系- 2 的 NRc2= 200 r?min- 1.CTRDC 所需的操作轉(zhuǎn)速小于 NRc.NR的明顯降低, 不僅 使功耗下降,c 相軸向混合程度減小,塔效率提 高, 而且有利于轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)、安裝和操作維護(hù). 如 對(duì)于物系- 1,正常操作轉(zhuǎn)速可由 800 1100 r? min- 1降至 550 r?min- 1以下. 2. 1. 2? 持液

11、率 ? 圖 2 標(biāo)繪了物系- 1 不含丙酮時(shí) 的 ? 與功耗因子 PI ( N 3 RD 5 R/ HTD 2 T) 的關(guān)系,并 且與文獻(xiàn) 9 中同一物系相同操作條件下在 RDC 中的 相 應(yīng)值 作比 較.由 圖 可見,相 同 功耗 下 CTRDC 比 RDC 中的 ? 高得多.同理,為獲得相 同的 ? 值,CT RDC 所需的功耗比 RDC 小得多. Fig. 2? Comparison of hold- up between CT RDC and RDC ( Uc= Ud= 0. 15 cm?s- 1) 2. 1. 3? 液滴大小 ? 實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn),在 CTRDC 中 從閉式渦輪出口到塔頂

12、上界面整個(gè)范圍內(nèi)液滴大小 分布非常均勻.在 RDC 中則可較明顯地看出從下 往上液滴越來越小, 尤其在 d 相進(jìn)口端有長達(dá) 0. 5 m 左右的過渡塔段不能發(fā)揮有效作用.液滴平均直 徑的測(cè)量結(jié)果見圖 3、圖 4. 圖 3 中文獻(xiàn)值為 Strand 等 9用相同物系在 RDC 中的測(cè)量結(jié)果.顯然,相同轉(zhuǎn)速和流速條件 下 CT RDC 中的 dp比 RDC 中的 dp小得多.上、 下兩拍照點(diǎn)的液滴平均直徑 dp1、dp2標(biāo)繪于圖 4. 由圖可見,兩者一致性較好,幾乎所有點(diǎn)均落在 ? 15% 的誤差線之內(nèi). 與 RDC 相比,由于 CTRDC 中 NR、dp大大 降低,且 dp軸向分布更均勻,從而持

13、液率上升, 通量增加,軸向混合程度下降,塔效率提高,塔的 ?400? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 化? ? ? 工? ? ? 學(xué)? ? ? 報(bào)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2000 年 6 月? Fig. 3? Comparison of dpbetween CTRDC and RDC (system- 1) Fig. 4? Comparison of axial dp 操作彈性變大. 2. 2? 傳? 質(zhì) 2. 2. 1? 萃取理論級(jí)數(shù) NT及塔效率 ? 以丙酮為 溶質(zhì) ( 初始質(zhì)量分?jǐn)?shù) 5% 6%) 用物系- 1 進(jìn)行傳

14、 質(zhì)實(shí)驗(yàn), 主要研究了 NT及 ?與NR、流量 V ( V = Vc+ Vd) 的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)溫度、濃度范圍內(nèi)的平 衡線方程見式 ( 1) ,該式引自文獻(xiàn) 10 并經(jīng)實(shí)驗(yàn) 校正系統(tǒng)誤差.因傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)在較低質(zhì)量分?jǐn)?shù) ( 6%) 下進(jìn)行,物系- 1 的互溶度極小, 故操作線 可當(dāng)作直線處理. 操作線方程見式 ( 2) . y = 189. 1exp- 622/( t+ 273. 15) ? ( 1- 0. 02548x + 0. 005248x2)(1) y = yin+ ( x - xout) ( yout- yin)/( xin- xout)(2) 用計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行逐級(jí)計(jì)算,獲得 NT.每 m 塔

15、高 的理論級(jí)數(shù)即為塔效率 ?.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5、圖 6 所示.由圖可見,? 隨 NR和 V 的變化規(guī)律與 RDC 中相仿,存在最大值.這可用于指導(dǎo)選擇優(yōu) 化工藝條件. 2. 2. 2 ? 應(yīng)用實(shí)例 ? 在用RDC進(jìn)行某工業(yè)物系 Fig. 5? Effect of NRon efficiency ( Vd= 36 L?h- 1,Vc= 24 L?h- 1) Fig. 6? Effect of V on efficiency ( L= 1. 5, NR= 350 r?min- 1) JBEF 中試萃取研究時(shí)發(fā)現(xiàn),塔底有長達(dá) 0. 5 m 以 上的塔段 d 相尚未充分分散時(shí)塔頂已發(fā)生液泛, 無 法滿

16、足工藝分離要求.經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)原因在于該物系 ?變化太大 ( 從塔底 ?= 6. 9mN?m- 1至塔頂 ?= 2. 0 mN?m- 1) . 改用 CTRDC 后該問題迎刃而解, 操作彈性大大增加,能在很寬范圍內(nèi)滿足廢液中 JBRF 濃度 1. 0 g?L- 1的工藝指標(biāo)要求. 3 ? 結(jié) ? 論 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 證 明,CTRDC 與 RDC 相 比, CTRDC 的 NR大大降低、dp減小且其軸向分布趨 于均勻, 因此, 持液率和通量增加、軸向混合程度 減弱、塔效率提高, 同時(shí)又保持了 RDC 結(jié)構(gòu)簡單 的優(yōu)點(diǎn). CTRDC 應(yīng)用于界面張力較高或界面張力 變化較大的物系時(shí)優(yōu)點(diǎn)更為明顯, 并有

17、中試結(jié)果佐 證. 流體力學(xué)和傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可供設(shè)計(jì)和操作時(shí)作 參考. 符號(hào)說明 c, d? ? 連續(xù)相、分散相 DR? ? 轉(zhuǎn)盤直徑, m Ds? ? 定環(huán)內(nèi)徑, m DT? ? 塔徑, m dp? ? 液滴 Sauter 平均直徑, m ?401? ? 第 51 卷 第 3 期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 齊鳴齋等: 轉(zhuǎn)盤萃取塔的改進(jìn)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? H ? ? 塔高, m HT? ? 隔室高度, m h1,h2? ? 測(cè)壓管內(nèi)、塔內(nèi)上界面高度, m L ? ? 流量比 ( L= Vd/ Vc) NR, NRC

18、? ? 操作轉(zhuǎn)速、RDC 臨界轉(zhuǎn)速, r?min- 1 NT? ? 理論級(jí)數(shù) n1? ? 隔室數(shù) n2? ? 閉式渦輪數(shù) t ? ? 溫度, ? U ? ? 表觀速度, m?s- 1 V ? ? 流量 ( V= Vd+ Vc) , L?h- 1 x ? ? 連續(xù)相質(zhì)量分?jǐn)?shù), % y ? ? 分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù), % ? ? 塔效率, stages?m- 1 ? ? 黏度, mPa?s ? ? 密度, kg?m- 3 ? ? 界面張力, N?m- 1 ? ? 分散相的持液率 References 1? Zhu Jiawen ( 朱家文).Study of Open T urbine Rotating

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