導(dǎo)向格柵規(guī)整填料萃取塔的操作性能

范召運(yùn)，蔡衛(wèi)濱，楊蘊(yùn)輝，王玉琪，王玉軍，朱慎林

（1 西北大學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710069；2 清華大學(xué)化學(xué)工程系，化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084； 3 啟東巨龍石油化工裝備有限公司，江蘇 啟東 226200）

引 言

萃取塔是一種廣泛應(yīng)用于石化、核工業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域的傳質(zhì)分離設(shè)備，具有密閉性好、設(shè)備緊湊、體積效率高、類型多等優(yōu)點(diǎn)[1]。常用的萃取塔設(shè)備主要有轉(zhuǎn)盤塔、篩板塔、填料塔、噴淋塔、擋板塔等[2-3]，其中填料萃取塔具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝制造、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。填料是填料塔最重要的組成部分，填料性能的優(yōu)劣直接決定了填料萃取塔的性能，因此改善填料萃取塔性能的一個(gè)最有效的手段就是設(shè)計(jì)開發(fā)高效率的塔填料[6]。通過設(shè)計(jì)開發(fā)合理的填料，能夠增加液泛通量，更好地分散液滴，減少軸向返混，提高傳質(zhì)效率。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)萃取塔的處理能力提出了更高的要求。當(dāng)前國(guó)內(nèi)的萃取塔填料，由于運(yùn)行通量普遍偏低，在應(yīng)用中受到了較大制約，迫切需要開發(fā)大通量的高效塔填料。近年來，針對(duì)新型萃取塔填料的開發(fā)以及萃取塔水力學(xué)和傳質(zhì)模型的研究受到了越來越多的關(guān)注[7-12]。清華大學(xué)化工系在開發(fā)推廣FG 系列蜂窩狀格柵填料[5,13]的基礎(chǔ)上又開發(fā)了一種新型的導(dǎo)向格柵規(guī)整填料，旨在保持較高傳質(zhì)效率的同時(shí)，進(jìn)一步提高萃取塔的運(yùn)行通量。本文針對(duì)該新型填料進(jìn)行了系統(tǒng)的水力學(xué)和傳質(zhì)性能測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)采用玻璃萃取塔，方便觀察和采用照相法[13]記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，其中萃取塔填料段高度為1000 mm，內(nèi)徑為100 mm，填料填充高度為950 mm，實(shí)驗(yàn)所用填料由江蘇啟東巨龍石油化工裝備有限公司制造，圖2為其示意圖，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。該填料主體采用一定傾斜度的平行板交錯(cuò)排列，通過平行板引導(dǎo)兩相沿其表面流動(dòng)，抑制無序流動(dòng)，使兩相整體趨于平推流，有利于減小返混，提高傳質(zhì)效率。在板片上開設(shè)導(dǎo)向孔后，利用導(dǎo)向孔外緣對(duì)分散相液滴較強(qiáng)的切割作用，可有效地將大液滴破碎成小液滴，提高兩相接觸傳質(zhì)面積；同時(shí)，導(dǎo)向孔對(duì)液滴的擾動(dòng)，也能促進(jìn)液滴的表面更新，這兩點(diǎn)都有利于提高傳質(zhì)效率。與FG 蜂窩狀格柵填料中的圓孔相比，由于導(dǎo)向孔較強(qiáng)的切割作用，導(dǎo)向孔可以更小，在一定程度上有利于分散相的通過而減少連續(xù)相的過孔流動(dòng)，降低連續(xù)相對(duì)過孔分散相的阻礙作用，從而有利于提高塔通量。此外，導(dǎo)向格柵規(guī)整填料仍沿用蜂窩格柵規(guī)整填料的基本結(jié)構(gòu)，兩相沿格柵板片表面流動(dòng) 時(shí)，沖刷作用較強(qiáng)，對(duì)填料表面的臟堵物有自清洗作用，這使其同樣具有較好的抗堵塞性能。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備流程圖Fig.1 Flow chart of experimental equipment

圖2 導(dǎo)向格柵填料示意圖Fig.2 Diagram of flow-guided grid packing

表1 導(dǎo)向格柵填料結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of flow-guided grid packing

為全面考察填料性能，采用兩種不同界面張力的實(shí)驗(yàn)體系，分別為煤油-苯甲酸-水體系（體系1）和30%TBP（煤油）-醋酸-水體系（體系2）。兩種體系均以水相為連續(xù)相，有機(jī)相為分散相，傳質(zhì)方向由連續(xù)相傳至分散相。分散相存留分?jǐn)?shù)φ采用體積置換法[13]求取，傳質(zhì)單元數(shù)和傳質(zhì)單元高度通過測(cè)定萃取介質(zhì)在兩相的分配系數(shù)及兩相進(jìn)出口酸的濃度等參數(shù)計(jì)算，酸的濃度采用酸堿滴定法測(cè)量，分散相存留體積及酸的濃度等數(shù)值均經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試誤差<3%，在工程誤差要求范圍內(nèi)，重復(fù)性良好。實(shí)驗(yàn)所用試劑為分析純，體系物性數(shù)據(jù)見表2。

2 結(jié)果與討論

2.1 存留分?jǐn)?shù)

存留分?jǐn)?shù)反映了液液萃取塔內(nèi)兩相間傳質(zhì)面積的大小以及分散相液滴的分散程度，是萃取塔重要的操作參數(shù)之一[14]。影響存留分?jǐn)?shù)大小的主要因素有物系性質(zhì)（黏度、表面張力、傳質(zhì)方向、塔結(jié)構(gòu)及兩相流速等[15]），存留分?jǐn)?shù)的大小在一定程度上反映萃取塔的性能[16]。

圖3為體系1 在兩個(gè)不同的連續(xù)相流速下，存留分?jǐn)?shù)隨分散相流速變化。可見，隨分散相流速的增加，存留分?jǐn)?shù)快速增加。這主要是由于，當(dāng)分散相流速增加時(shí)，單位時(shí)間進(jìn)入塔內(nèi)分散相的量同比增加，而分散相液滴在塔內(nèi)的上升速度變化不大也即停留時(shí)間變化不大，因此存留分?jǐn)?shù)增加。兩條曲線比較接近，說明連續(xù)相流速對(duì)分散相存留分?jǐn)?shù)的影響不大，這與一般填料萃取塔的變化規(guī)律相同。

表2 實(shí)驗(yàn)體系物性數(shù)據(jù)（15℃）Table 2 Physical properties of experiment systems (15℃)

圖3 體系1 存留分?jǐn)?shù)φ 隨分散相流速ud 的變化Fig.3 Dispersed-phase holdup as a function of dispersed-phase load of system 1

圖4 體系1 存留分?jǐn)?shù)φ 隨連續(xù)相流速uc 的變化Fig.4 Dispersed-phase holdup as a function of continuous-phase load of system 1

圖6 體系2 存留分?jǐn)?shù)φ 隨連續(xù)相流速uc 的變化Fig.6 Dispersed-phase holdup as a function of continuous-phase load of system 2

圖4進(jìn)一步給出了連續(xù)相流速對(duì)分散相存留分?jǐn)?shù)的影響。由圖可見，當(dāng)分散相流速較低（ud=0.0049 m·s-1）時(shí)，存留分?jǐn)?shù)隨連續(xù)相流速的變化 不明顯，隨連續(xù)相流速增加，存留分?jǐn)?shù)僅少量增加；當(dāng)分散相流速較高時(shí)（ud=0.0071 m·s-1），隨連續(xù)相流速增加，存留分?jǐn)?shù)在初始階段增加不多，當(dāng)連續(xù)相流速增大到0.02 m·s-1后，存留分?jǐn)?shù)增速迅速增大，直至液泛。

體系2 分散相和連續(xù)相流速對(duì)存留分?jǐn)?shù)的影響分別如圖5、圖6所示。從圖5可以看出，分散相流速對(duì)存留分?jǐn)?shù)影響很大，隨分散相流速增加，存留分?jǐn)?shù)接近于線性增長(zhǎng)，直至液泛。兩條曲線比較接近，說明連續(xù)相流速對(duì)存留分?jǐn)?shù)影響不大，這與體系1 類似。

從圖6看，連續(xù)相流速較低時(shí)，對(duì)存留分?jǐn)?shù)影響不大，而當(dāng)連續(xù)相流速較高時(shí)，對(duì)存留分?jǐn)?shù)影響增大。相對(duì)體系1 來說，體系2 連續(xù)相對(duì)存留分?jǐn)?shù)的影響更大，其中的一個(gè)原因是，體系2 為低界面張力體系，體系1 為中等界面張力體系。形成同樣表面積的液滴，低界面張力體系所需能量更少，也就是體系2 中的分散相更易于被分散成液滴。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，體系2 在塔內(nèi)形成的液滴較體系1 更多、更小。由于小液滴在塔內(nèi)上升速度慢，停留時(shí)間長(zhǎng)，因此體系2 的分散相存留分?jǐn)?shù)更大。

2.2 流動(dòng)特性

對(duì)于填料萃取塔，一般采用 Pratt 等[17]和Thornton[18]提出的雙層模型來描述塔內(nèi)的兩相流體力學(xué)，按照這一模型，兩相的滑動(dòng)速度us與填料空隙率ε、分散相存留分?jǐn)?shù)φ及連續(xù)相空塔速度uc、分散相空塔速度ud的關(guān)系為

Thornton[18]還提出滑動(dòng)速度us和特性速度u0之間的關(guān)系為

嚴(yán)格地講，式(2)是根據(jù)固體顆粒受阻沉降的關(guān)系得到的，僅適用于液滴之間不發(fā)生聚并的情況。汪家鼎等[19]提出了如下的修正式

特性速度u0表示當(dāng)uc=0，ud→0 時(shí)的單液滴運(yùn)動(dòng)速度，可以由實(shí)測(cè)的兩相空塔速度和分散相的存留分?jǐn)?shù)來求取。由式(1)～式(3)可得

式(5)可進(jìn)一步變?yōu)?/p>

將固定連續(xù)相流速和固定分散相流速所測(cè)存留分?jǐn)?shù)的所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(6)，通過優(yōu)化計(jì)算得到誤差最小指數(shù)n，并對(duì)?ε(1 -?)n和ud+uc?/ (1 -?)作圖，線性擬合所得直線的斜率即為特性速度u0。

對(duì)于體系1，當(dāng)指數(shù)n為1 時(shí)相關(guān)系數(shù)較好，此時(shí)的流動(dòng)特性關(guān)聯(lián)如圖7所示。可見，體系1 的終端速度u0為0.106 m·s-1。由此可得到導(dǎo)向格柵規(guī)整填料萃取塔在體系1 中的流體力學(xué)模型為

對(duì)于體系2，當(dāng)指數(shù)n為1 時(shí)相關(guān)系數(shù)不佳，當(dāng)n=0.5 時(shí)的相關(guān)系數(shù)較好。以n=0.5 計(jì)算，對(duì)?ε( 1 -?)n和ud+uc?/ (1 -?)作圖，結(jié)果如圖7所示。由圖可知，體系2 的終端速度u0為0.084 m·s-1。由此，可得到導(dǎo)向格柵規(guī)整填料萃取塔在體系2 中的流體力學(xué)模型為

圖7 流動(dòng)特性關(guān)聯(lián)Fig.7 Correlation of flow characteristics equation

2.3 液泛通量

液泛通量是衡量萃取塔處理能力的重要指標(biāo)，對(duì)一個(gè)填料萃取塔來說，其最大處理量取決于液泛通量，而液泛通量主要由填料決定。圖8為兩個(gè)不同體系在導(dǎo)向格柵填料塔中，兩相流速比對(duì)液泛通量的影響。

圖8 液泛通量Bf 與兩相流速比LR 的關(guān)系Fig.8 Relationship between LR and capacities at flooding point

由圖8可見，兩個(gè)體系都有較高的液泛通 量，在不同的流速比下，液泛通量在86～150 m3·m-2·h-1之間。對(duì)于體系1，隨流速比增加液泛通量逐漸變大，且當(dāng)兩相流速比LR為1:5 時(shí)，液泛通量Bf超過150 m3·m-2·h-1，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的萃取塔液泛通量。對(duì)于體系2，當(dāng)兩相流速比為1:5時(shí)，液泛通量也在150 m3·m-2·h-1左右。對(duì)比兩個(gè)體系，體系1 在低流速比時(shí)的液泛通量較高，而體系2 在高流速比時(shí)的液泛通量較高。

與其他典型的萃取塔填料對(duì)比，以30%TBP（煤油）-醋酸-水體系為實(shí)驗(yàn)體系時(shí)，鮑爾環(huán)的液泛通量約在30～50 m3·m-2·h-1之間，絲網(wǎng)填料的液泛通量在39～56 m3·m-2·h-1之間[20]，蜂窩格柵填料的液泛通量在70～100 m3·m-2·h-1之間[13]，可見，與上述填料相比，導(dǎo)向格柵規(guī)整填料的通量具有較大優(yōu)勢(shì)。

2.4 傳質(zhì)性能

假設(shè)兩相在柱內(nèi)作柱塞流動(dòng)，當(dāng)溶液濃度較低，萃取過程中水相流量L與油相流量V變化不大時(shí)，經(jīng)推導(dǎo)可得[21]

式中，NTUw為基于水相（連續(xù)相）的傳質(zhì)單元數(shù)，HTUw為基于水相（連續(xù)相）的傳質(zhì)單元高度。傳質(zhì)單元數(shù)是衡量萃取過程難易程度的一個(gè)尺度，傳質(zhì)單元高度反映柱內(nèi)的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)特性，它的數(shù)值反映傳質(zhì)速率的大小[21]。

2.4.1 傳質(zhì)單元數(shù)NTUw該萃取塔的傳質(zhì)單元數(shù)NTUw隨連續(xù)相流速的變化如圖9所示。

圖9 傳質(zhì)單元數(shù)NTUw 隨連續(xù)相流速uc 的變化Fig.9 NTUw as a function of continuous-phase velocity

由圖9可以看出，當(dāng)分散相流速不變時(shí)，隨連 續(xù)相流速的增加，傳質(zhì)單元數(shù)先快速減小，隨后減小速度變慢；當(dāng)連續(xù)相流速不變時(shí)，隨分散相流速的增加，傳質(zhì)單元數(shù)增加。這是因?yàn)椋S連續(xù)相流速的增加，分散相液滴明顯減小，大大增加了兩相接觸面積，同時(shí)存留分?jǐn)?shù)增加，分散相停留時(shí)間變長(zhǎng)，促進(jìn)了傳質(zhì)，傳質(zhì)單元數(shù)變小；但當(dāng)連續(xù)相流速較大時(shí)，兩相接觸時(shí)間變短反而不利于傳質(zhì)，所以傳質(zhì)單元數(shù)減小速度變慢。當(dāng)連續(xù)相流速不變時(shí)，隨分散相流速的增加，傳質(zhì)推動(dòng)力變小，完成相同分離任務(wù)，所需傳質(zhì)單元數(shù)增加。

2.4.2 傳質(zhì)單元高度HTUw該萃取塔的傳質(zhì)單元高度HTUw隨連續(xù)相流速的變化如圖10所示。

圖10 傳質(zhì)單元高度HTUw 隨連續(xù)相流速uc 的變化Fig.10 HTUw as a function of continuous-phase velocity

由圖10可以看出：隨連續(xù)相流速的增加，傳質(zhì)單元高度初始增長(zhǎng)較快，而后增速減緩；隨分散相流速的增加，傳質(zhì)單元高度降低。主要是因?yàn)殡S連續(xù)相流速的增加，根據(jù)式(10)，傳質(zhì)單元高度跟連續(xù)相流速成正比，因此增加較快；當(dāng)連續(xù)相流速較高時(shí)，分散相存留分?jǐn)?shù)增大，停留時(shí)間變長(zhǎng)，并且液滴變小，接觸面積增大，這兩方面的因素都促進(jìn)了傳質(zhì)，使得傳質(zhì)單元高度的增速降低。當(dāng)分散相流速增加時(shí)，由于分散相存留分?jǐn)?shù)隨分散相流速顯著增大，而液滴直徑變化不大，這使得兩相接觸面積增大，促進(jìn)了傳質(zhì)，因此傳質(zhì)單元高度降低。

3 結(jié) 論

研究了一種新型導(dǎo)向格柵規(guī)整填料萃取塔的水力學(xué)特性和傳質(zhì)性能。當(dāng)流速比LR為1:5 時(shí)，該萃取塔兩相液泛通量約為150 m3·m-2·h-1，與當(dāng)前的填料萃取塔相比，液泛通量有明顯提高；在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，傳質(zhì)單元高度最低達(dá)0.6 m，具有較高的傳質(zhì)效率。

新型導(dǎo)向格柵填料萃取塔特別適用于運(yùn)行通量大、對(duì)理論級(jí)數(shù)要求不高的場(chǎng)合，同時(shí)也適用于現(xiàn)有萃取塔的產(chǎn)能提升改造，有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。

符 號(hào) 說 明

Bf——液泛通量，m3·m-2·h-1

g——重力加速度，m·s-2

HTUw——基于水相的傳質(zhì)單元高度，m

L——水相流量，m3·s-1

LR——兩相流速比

NTUw——基于水相的傳質(zhì)單元數(shù)

uc——連續(xù)相流速，m·s-1

ucf——液泛時(shí)連續(xù)相的空塔速度，m·s-1

ud——分散相流速，m·s-1

udf——液泛時(shí)分散相的空塔速度，m·s-1

us——兩相的滑動(dòng)速度，m·s-1

ut——單液滴的終端速度，m·s-1

u0——當(dāng)uc=0，ud→0 時(shí)的單液滴運(yùn)動(dòng)速度，m·s-1

V——油相流量，m3·s-1

ε——空隙率，%

ρc——連續(xù)相密度，kg·m-3

ρd——分散相密度，kg·m-3

Δρ——連續(xù)相與分散相密度差，kg·m-3

σ——表面張力，N·m-1

μc——連續(xù)相黏度，Pa·s

μd——分散相黏度，Pa·s

φ——分散相存留分?jǐn)?shù)，%

φf——液泛時(shí)分散相存留分?jǐn)?shù)，%

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