轉盤萃取塔的改進

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

2、廠研究所, 南京 210038)? ? ? ? ? ? ? 關鍵詞? 萃取塔? 改進轉盤塔? 閉式渦輪轉盤塔 中圖分類號? TQ 028. 32 引 ? 言 轉盤塔 ( RDC) 具有結構簡單、通量大、造價 低、操作維修方便等優(yōu)點,得到廣泛應用.但 RDC 靠平滑轉盤在全塔上、下一致地對連續(xù)相 ( c) 和分散相 ( d) 整體輸入能量造成以下問題. (1) 轉速 NR較高,導致 c 相軸向混合嚴重、 能耗大、轉軸晃動厲害,塔內界面張力 ?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. 即進口端液滴不能被最初幾塊轉盤充分分散, 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被轉盤不 斷分散, 以至出口端分散過度,dp過小、? 偏大, 易過早出現液泛.塔內 ? 變化大的物系則更加 突出. 為了優(yōu)化 RDC 的性能,許多學者作了大量改 進研究,開發(fā)出多種改進型轉盤塔, 如開式渦輪轉 盤塔 ( OTRDC) 1 、加 裝絲網的改進型轉 盤塔 (MRDC) 2 、不對稱轉盤塔 ( ARD) 、采用六葉槳 式攪拌器的 Kuhni 塔及 Scheibel 塔等 3,4.但往往 對 RDC 結構上的缺陷改進不力, 而自身結構更趨 復雜. 本文以保持 RDC 結構簡單為原則,以降低 NR、減小 dp并使其軸向

4、分布趨于均勻為目的,成 功地開發(fā)了一種改進型萃取塔 ? 閉式渦輪轉盤塔 ( CTRDC,rotating disk contactor with closed tur? bine) ,即在 d 相進口端以 1 2 塊閉式渦輪代替平 滑轉盤, 其余部分與 RDC 結構完全一樣.由于閉 式渦輪的強烈攪拌作用, 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) 分散, 且所需 NR相應 低得多 ( 一般小于 RDC 的臨界轉速 NRc) .因此, 已被渦輪分

5、散的液滴在沿軸向上升途中被轉盤進一 步分散的幾率較小. 這樣,便達到既降低 NR又減 小 dp及軸向液滴大小分布過寬的目的.而塔上部 的轉盤又保證了塔內液體湍動的能量需要, 以獲得 高的傳質效率.實驗結果很好地驗證了開發(fā)設計 意圖. 1 ? 實驗部分 1. 1? CTRDC實驗設備 設備設計須確定定環(huán)內徑 Ds、轉盤直徑 DR、 隔室高度 HT與塔內徑 DT的關系.以文獻 5 提供的經驗關聯式為依據,考慮到 NR較低,DT/ DR、DT/ HT、Ds/ DT取值時兼顧了結構參數對通 量和塔效率的影響. 結構尺寸見表 1.塔體為兩節(jié) 厚壁擴口玻璃管,兩端用法蘭連接.定環(huán)經定距管 由 3 根直徑

6、5 mm 的拉桿固定,轉盤及閉式渦輪經 定距管固定于直徑 14 mm 的轉軸上.閉式渦輪外 徑 45 mm,吸入口內徑 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? 實驗物系 實驗所用物系及物性數據見表 2.甲苯、丙 酮、正丁

7、醇均為工業(yè)級, 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? 實驗流程及方法 實驗裝置流程見圖 1.開機后,當每相流過

8、 3 倍塔體積, 塔內和測壓管內界面均穩(wěn)定后,測取實 驗數據.兩相流量用計量泵控制.轉速由直流調速 電機控制和數字顯示儀測量.持液率采用壓差法測 量6. 由靜力學原理可導得 ?= ( h1- h2)/ ( H - h2) .丙酮、甲苯、水用 102G 氣相色譜儀分析, 工業(yè)中試時的 JBRF 用化學法分析.液滴直徑采用 照相法測定 7.兩拍照點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 寸的照片上測量約 80 100 個液滴直徑, 以計算 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 ? 實驗結果與討論 2. 1? 流體力學 2. 1. 1? 轉速 ? RDC 存在 NRc. 按 Laddha8的經驗 公式計算本實驗的 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, 而且有利于轉軸的設計、安裝和操作維護. 如 對于物系- 1,正常操作轉速可由 800 1100 r? min- 1降至 550 r?min- 1以下. 2. 1. 2? 持液

11、率 ? 圖 2 標繪了物系- 1 不含丙酮時 的 ? 與功耗因子 PI ( N 3 RD 5 R/ HTD 2 T) 的關系,并 且與文獻 9 中同一物系相同操作條件下在 RDC 中的 相 應值 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 ? 實驗觀察發(fā)現,在 CTRDC 中 從閉式渦輪出口到塔頂

12、上界面整個范圍內液滴大小 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 相進口端有長達 0. 5 m 左右的過渡塔段不能發(fā)揮有效作用.液滴平均直 徑的測量結果見圖 3、圖 4. 圖 3 中文獻值為 Strand 等 9用相同物系在 RDC 中的測量結果.顯然,相同轉速和流速條件 下 CT RDC 中的 dp比 RDC 中的 dp小得多.上、 下兩拍照點的液滴平均直徑 dp1、dp2標繪于圖 4. 由圖可見,兩者一致性較好,幾乎所有點均落在 ? 15% 的誤差線之內. 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? ? ? 報? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 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 2. 2. 1? 萃取理論級數 NT及塔效率 ? 以丙酮為 溶質 ( 初始質量分數 5% 6%) 用物系- 1 進行傳

14、 質實驗, 主要研究了 NT及 ?與NR、流量 V ( V = Vc+ Vd) 的關系.實驗溫度、濃度范圍內的平 衡線方程見式 ( 1) ,該式引自文獻 10 并經實驗 校正系統(tǒng)誤差.因傳質實驗在較低質量分數 ( 6%) 下進行,物系- 1 的互溶度極小, 故操作線 可當作直線處理. 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) 用計算機編程進行逐級計算,獲得 NT.每 m 塔

15、高 的理論級數即為塔效率 ?.實驗結果如圖 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.這可用于指導選擇優(yōu) 化工藝條件. 2. 2. 2 ? 應用實例 ? 在用RDC進行某工業(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 中試萃取研究時發(fā)現,塔底有長達 0. 5 m 以 上的塔段 d 相尚未充分分散時塔頂已發(fā)生液泛, 無 法滿

16、足工藝分離要求.經研究發(fā)現原因在于該物系 ?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,能在很寬范圍內滿足廢液中 JBRF 濃度 1. 0 g?L- 1的工藝指標要求. 3 ? 結 ? 論 實 驗 結 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, 同時又保持了 RDC 結構簡單 的優(yōu)點. CTRDC 應用于界面張力較高或界面張力 變化較大的物系時優(yōu)點更為明顯, 并有

17、中試結果佐 證. 流體力學和傳質實驗結果可供設計和操作時作 參考. 符號說明 c, d? ? 連續(xù)相、分散相 DR? ? 轉盤直徑, m Ds? ? 定環(huán)內徑, 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: 轉盤萃取塔的改進? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? H ? ? 塔高, m HT? ? 隔室高度, m h1,h2? ? 測壓管內、塔內上界面高度, m L ? ? 流量比 ( L= Vd/ Vc) NR, NRC

18、? ? 操作轉速、RDC 臨界轉速, r?min- 1 NT? ? 理論級數 n1? ? 隔室數 n2? ? 閉式渦輪數 t ? ? 溫度, ? U ? ? 表觀速度, m?s- 1 V ? ? 流量 ( V= Vd+ Vc) , L?h- 1 x ? ? 連續(xù)相質量分數, % y ? ? 分散相質量分數, % ? ? 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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