《化工设计概论》讲座-2化工开发设计3

[e-mail]2.6.2脉冲萃取塔的开发设计朱明乔浙江大学化工系[e-mail]目录一、课题的提出二、解决课题的初步方案三、实验中碰到的问题四、实验过程中问题的解决五、实验结果和讨论六、放大设计七、生产运行八、展望九、论文和成果[e-mail]一、课题的提出课题背景己内酰胺，锦纶-6单体拉西（Raschig）法工艺为主，占90%生产工艺路线简介分离精制——苯萃取，巨化集团公司锦纶厂含有5~10%己内酰胺的残液排放掉，既污染了环境，又损失了己内酰胺产品技术指标残液处理能力：600L/h残液分离要求：6.4%（wt）降到1%以下[e-mail]二、解决课题的初步方案ASPENPLUS流程模拟软件工厂原有的分离方案及技术改造失败的原因剖析国内外的研究及分离技术的调研萃取率提高的关键问题提出——提高传质效率工业化过程中的基础数据获得及放大规则确立的方案[e-mail]三、实验中碰到的问题液液平衡数据的设计和测定方法脉冲萃取塔的小试设计和加工脉冲发生器的设计和加工小试实验流程的建立进出物料组成的确定小试脉冲萃取塔性能测试点的分布中试实验流程的建立和试验方案[e-mail]四、实验过程中问题的解决(1)液液平衡数据实验条件创造实验点的分布分析方法确定脉冲萃取塔小试脉冲筛板及连接脉冲筛板柱和填料柱脉冲发生器的选择与改进实验流程[e-mail]四、实验过程中问题的解决(2)脉冲萃取塔小试实验点性能测试脉冲萃取塔中试中试方案确定[e-mail]五、实验结果和讨论(1)液液平衡研究结果[e-mail]五、实验结果和讨论(2)液液平衡研究结果[e-mail]五、实验结果和讨论(3)液液平衡研究结论（1）测定了7套与己内酰胺残液回收有关的液液平衡数据：20℃、30℃、40℃下己内酰胺-水-苯体系；20℃、30℃下己内酰胺-水-硫酸铵-苯体系；pH=2、4下己内酰胺-水-硫酸铵-硫酸-苯体系。其中后6套体系未见文献报道。（2）在温度20~40℃范围内，温度升高对己内酰胺萃取回收有利。（3）在pH=2~6范围内，pH升高对己内酰胺萃取回收有利。（4）在己内酰胺水溶液中加入硫酸铵，对己内酰胺萃取回收有利。[e-mail]五、实验结果和讨论(4)脉冲萃取塔小试结果脉冲筛板萃取塔液泛试验脉冲筛板萃取塔操作稳定性考察萃取比对己内酰胺水溶液萃取效果的影响脉冲筛板萃取塔操作性能测试正交试验[e-mail]五、实验结果和讨论(5)脉冲萃取塔中试操作现象[e-mail]五、实验结果和讨论(5)脉冲萃取塔中试操作稳定性考察[e-mail]五、实验结果和讨论(6)脉冲筛板萃取塔表观传质单元高度关联oxpToxpNTUHHTU'，mRFRFoxpxxxxxdxxxNTU*'2404.05536.00911.05536.02404.03315.0')()(8125.1)(8125.1dccdcoxpuuafuafuuHTU[e-mail]六、放大设计(1)61.02121ttDDtteHH1tH2tH1tD2tD在设计萃取塔时，系统的相平衡数据、两相的物性参数，以及萃取操作的温度、两相始末浓度与流量，通常都是已知的。设计计算的内容是使所确定的塔径与塔高，满足化工工艺对生产能力和分离效能的要求。塔径的放大对液体力学状况的影响很小，故计算液泛流速时不必考虑塔径的大小。但塔径增大加剧了流浪分布不均匀与逆向混和，因此从模型塔测得的传质单元高度，用以计算工业塔时，须按下式校正（经验）：——工业塔的传质单元高度，m；——模型塔的传质单元高度，m；——工业塔的直径，m；——模型塔的直径，m。[e-mail]六、放大设计(2))(1'TTDDnoxpoxpeHTUHTU其中n=0.61。根据以上的RH相当于oxpoxpHTUHTU'可得到当DT从0.005m变为0.01m时，n值为0.34，这与logsdail的结果n=0.61有一定的差别,为了既结合实验结果，又考虑实践经验，可选取n近似地为n=（0.34+0.61）/2=0.475≈n1实验得到：[e-mail]六、放大设计(3)1、塔径计算2、有效塔高计算3、塔内部件设计及加工塔板设计分离段设计脉冲系统设计4、脉冲系统结构[e-mail]生产装置[e-mail]脉冲系统结构[e-mail]七、生产运行图4.3实际生产进出料含己关系图(1)02468100102030405060实际生产取样点残液含己wt%进料含己出料含己生产HTUoxp=5.1705uc0.3315ud-0.2404(af)-0.5536则从小试到生产的放大过程中，其n=0.447，记n为n2，则（n1-n2）/n1=5.96%，说明设计时考虑中试实验和经验得到的n1和从小试到生产的放大过程n2比较接近。因此，设计和生产还是吻合得比较好。[e-mail]八、展望国际上已有专业性的溶剂萃取期刊定期出版，而且每2~3年有一次世界性的溶剂萃取国际学术会议（ISEC）在不同国家轮流举行。随着能源和资源利用、生物和医药工程、环境工程和高新材料开发的进展，以及对传统化工萃取技术的改造，脉冲萃取塔的应用将会更多。溶剂萃取具有处理能力大、选择性好、操作方便、能耗较低和回收率高等优点。专利的推广及带动新型萃取技术的开发[e-mail]九、论文和成果(1)项目己内酰胺生产装置废液回收中试项目，作为巨化集团公司2001年重点技术攻关项目，列入2001年公司科研开发计划（巨化集团公司）巨化5kt/a己内酰胺装置废液回收中试研究课题，作为浙江省重点攻关项目列入2001年省科学技术研究计划项目（省科技厅）[e-mail]九、论文和成果(1)专利用于萃取的脉冲塔，申请日：2003,04,30，授权日：2005,05,18，专利号：ZL03116771.3，证书号：208964。用于萃取塔的脉冲发生器，公开号2477245，专利号：ZL01221114.1，申请日：2001,04,12，授权日：2002,02,20。用于脉冲萃取的筛板塔，公开号2477247，专利号：ZL01221108.7，申请日：2001,04,12，授权日：2002,02,20。[e-mail]九、论文和成果(2)奖励用脉冲筛板塔回收残液中的己内酰胺小试，通过鉴定，浙科鉴字[2000]379，2000.9。己内酰胺装置废液回收中试技术，通过巨化集团公司评审，填补国内空白。脉冲筛板塔回收废液中己内酰胺技术改造项目，获巨化集团公司2001年度科技进步一等奖、省科技进步二等奖等。论文XieF.Y.,ZhuM.Q.,LiuJ.Q.,HeC.H.ExtractionofCaprolactamfromAmmoniumSulfateSolutionUsingPulsedPackedColumn,ChineseJ.Chem.Eng.(SpecialIssue),[e-mail]九、论文和成果(3)HeC.H.,LiuJ.Q.,XieF.Y.,ZhuM.Q.RecoveryofCaprolactamfromWasteWaterinCaprolactamProductionFactoryusingPulsed-sieve-plateExtractionColumn,ChineseJ.Chem.Eng.,inpressHEChaohong,ZHUMingqiaoLIUJianqing,andXIEFangyou.Scale-upEffectofPulsedSieve-PlateColumnforRecoveringCaprolactamfromWasteWater,ProceedingsofCKCSST’01,Oct.31-Nov.22001,HangzhouChinaZHUMingqiao,HEChaohong,LIUJianqing,andXIEFangyou.ExtractionofCaprolactamfromAmmoniumSulfateSolutionUsingPulsedPackedColumnProceedingsofCKCSST’01,Oct.31-Nov.22001,[e-mail]九、论文和成果(4)效益以该研究成果为核心技术的己内酰胺脉冲筛板塔回收残液技改项目，回收己内酰胺年新增经济效益120多万元；排放废水中的COD从原110000mg/l降至60000mg/l，年减少COD排放800t/a以上，年减少处理费用100多万元，有较好的经济效益和环保效益。其它研究的影响2001国家自然科学基金：批准号，20176049；从植物中高效地提取分离黄酮类化合物的基础研究，2002~20042002年国家自然科学基金申请及省自然科学基金申请：己内酰胺合成的绿色催化研究中石化其它的绿色催化研究[e-mail]!!![e-mail]生产工艺路线比较分子筛+H2SO4-(NH4)2SO4+NH2OH+H2SO4--(NH4)2SO4+H2O2+NH3TS-1+O2+O2+H2O[H]-ZSM-5+O2+3H2Ru催化剂+3H2苯苯环己烷环己烯环己醇环己醇环己酮环己酮环己酮肟环己酮肟己内酰胺己内酰胺尼龙66尼龙66尼龙6尼龙[e-mail]精制分离流程简图硫铵萃取塔粗油萃取塔苯来自蒸苯塔去蒸苯塔硫铵溶液粗油[e-mail][e-mail][e-mail][e-mail]脉冲筛板萃取塔液泛试验[e-mail]脉冲筛板萃取塔操作稳定性考察[e-mail]萃取比对己内酰胺水溶液萃取效果的影响[e-mail]操作性能测试正交试验脉冲筛板萃取塔操作性能测试各因素水平的划分水平因素123进料量qF，L/h3.56.28.9萃取比Rm567脉冲振幅a，cm0.380.510.64脉冲频率f，[e-mail]操作性能测试正交试验正交表应用计算表如下表所示。2010-03zh