北京化工大学学报(

第３７卷第４期２０１０年北京化工大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．４２０１０新型多级逆流式超重力旋转床精馏性能研究高　鑫　初广文　邹海魁　罗　勇　张鹏远　陈建峰（北京化工大学教育部超重力工程研究中心，北京　１０００２９）摘　要：针对基于传统旋转填料床（ＲＰＢ）和折流旋转床（ＲＺＢ）开发的一种新型多级逆流式超重力旋转床（ＭＳＣＣＲＰＢ），在常压下通过以乙醇－水为研究体系的连续精馏实验对ＭＳＣＣＲＰＢ的精馏性能进行了研究。分别考察了旋转床转速（Ｎ）、进料浓度（ｘＦ）、进料热状况（ｑ）、回流比（Ｒ）对ＭＳＣＣＲＰＢ的理论塔板数（ＮＴ）的影响规律。结果表明：ＭＳＣＣＲＰＢ的ＮＴ随Ｎ的增加先增大后减小，随ｘＦ的增加变化不大，随ｑ的增加而增大，随Ｒ的增加而增大；在实验考察范围内，最佳操作转速为８００ｒ／ｍｉｎ，ＭＳＣＣＲＰＢ理论塔板高度在１９５～３１４ｍｍ之间；与传统两台ＲＰＢ连续精馏的理论塔板高度相当，与ＲＺＢ相比传质效率提高近一倍且最佳转速更低。关键词：多级逆流式超重力旋转床；连续精馏；理论塔板数；理论塔板高度中图分类号：ＴＱ０２８１３收稿日期：２００９－１２－３１基金项目：国家科技支撑计划重点项目（２００８ＢＡＥ６５Ｂ０１／２００８ＢＡＥ６５Ｂ０２）第一作者：男，１９８５年生，硕士生通讯联系人Ｅｍａｉｌ：[e-mail]引　言在化工生产中，液－液混合物通常通过精馏操作进行分离。精馏塔是目前最为主要的精馏设备［１］，但因其液相靠重力自上而下流动，液膜较厚且流动缓慢，存在传质系数低、设备庞大、操作弹性小等缺点。目前，在农药、医药、涂料等生产中使用各种有机溶剂，出于环保要求和经济成本的考虑，有机溶剂的回收利用受到很大的关注。另外，在利用植物发酵生产燃料乙醇领域，发酵后的粗产品乙醇体积分数一般为６％～１３％，产品的提纯精制是该领域亟待解决的问题。上述原料往往具有浓度波动大、流量不稳定，有一定的间歇性等特点［２－３］。若采用精馏操作进行分离提纯，就要求精馏设备开停车容易、操作弹性大，而传统的塔器精馏设备难以满足要求。超重力旋转床作为一种过程强化设备，具有体积小、操作弹性大、物料停留时间短、开停车简易等优点［４］，可有效弥补塔器精馏设备的不足，有望在上述领域发挥重要作用。目前，在精馏研究领域中涉及到的超重力设备主要有旋转填料床［４］（ＲＰＢ）和折流旋转床［５］（ＲＺＢ）。陈文炳等［６］用ＲＰＢ对乙醇－水体系进行了全回流精馏实验，发现ＲＰＢ分离效果相当于每ｍ２５块理论塔板数。Ｋｅｌｌｅｈｅｒ等［７］对环己烷－正庚烷体系进行了全回流实验，得到相似的结果，并建立了传质模型。但是ＲＰＢ受其机械结构的限制，在旋转的填料中难以设置进料管，不能在单台ＲＰＢ中实现连续精馏操作。栗秀萍等［８］利用两台ＲＰＢ进行了连续精馏的初步研究，并证明ＲＰＢ的精馏性能与填料性质有较大关系，但是在流程中必须增加相应的流体输送设备，增加了设备投资和操作难度。计建炳等［９］发明的ＲＺＢ解决了连续精馏的中间进料问题，并利用乙醇－水和甲醇－水进行了连续精馏实验，虽然实现了单台ＲＺＢ进行连续精馏，但因其不使用填料，导致传质效果下降，且气相阻力明显增加。本课题组在总结了传统ＲＰＢ和ＲＺＢ优缺点的基础上，已成功开发出一种新型的连续精馏设备———多级逆流式超重力旋转床（ＭＳＣＣＲＰＢ）［１０］。本文介绍了这种新型多级逆流超重力旋转床的基本结构和工作原理，并通过连续精馏实验系统考察了各操作条件对该新型设备分离效率的影响规律。１　实验部分１１　实验设备及参数本研究采用立式二级逆流式超重力旋转床，主要由外腔、转动轴和二级分层填料转子组成（如图１所示）。转子是旋转床的核心部分，由嵌套在一起的静盘和动盘组成。静盘上装有同心多孔环状挡板并与壳体固定连接，动盘上装有同心分层填料环并与轴连接随轴转动。根据Ｒｅｄｄｙ等的理论［１１］，分层填料能够使气相和液相不断地聚集分散，加快表面更新速率，同时能够有效减少液相在填料中分散不均匀的现象，提高传质效率。而且在转子静盘上能够方便的安装进料管，实现中间进料。工作时，气体由转子外缘向内缘流动；液体由转子中心分布器喷射到转子上，在离心力的作用下，向转子外缘流动。在此过程中液体与静板及填料不断切割、表面迅速更新，形成的液膜、液滴、液丝与气相逆流接触，完成传质。同时，直线型的气液流动通道和逆流接触方式能够提供很高的传质速率，并且有效减小气相压降，使得这种超重力设备更加适合连续精馏操作。该研究所用旋转床每级转子由四层填料环和四层静环组成，转子外径３７３ｍｍ，内径１４５ｍｍ。采用不锈钢波纹丝网填料，填料环高度４６ｍｍ，单层填料环厚度１６ｍｍ，装填密度３００ｋｇ／ｍ３，比表面积６７０ｍ２／ｍ３，孔隙率０９６。１—液体出口；２—中间进料口；３—开孔静板；４—填料环；５—回流液进口；６—气体出口；７—回流液液体分布器；８—中间进料液体分布器；９—气体进口图１　二级逆流式超重力旋转床结构图Ｆｉｇ．１　Ｓｋｅｔｃｈｏｆｔｈｅｔｗｏｓｔａｇｅｃｏｕｎｔｅｒｃｕｒｒｅｎｔｒｏｔａｔｉｎｇｐａｃｋｅｄｂｅｄ１２　连续精馏实验流程连续精馏实验流程如图２所示，原料在进料泵的作用下，经转子流量计计量后进入旋转床，由下层静板上的液体分布器喷射到转子上，在离心力的作用下由转子内侧向外侧甩出，经液体出口流入再沸器。再沸器中的一部分液体经转子流量计计量后作为产品采出，其余液体经加热产生蒸汽并进入旋转床下层转子。蒸汽在压力作用下由转子外侧向内侧流动并由转子中心的气体通道进入上层转子，再由上层转子外侧向内侧流动并由气体出口进入冷凝器。蒸汽经冷凝后，部分作为回流液由旋转床上层转子中心的分布器回流到上层转子，其余作为产品采出。样品从旋转床顶部和底部的出口收集，以避免冷凝器和再沸器对旋转床分离效率的影响。１—进料泵；２—回流泵；３—顶部产品储罐；４—回流转子流量计；５—进料罐；６—进料转子流量计；７—冷凝器；８—底部取样口；９—顶部取样口；１０—二级逆流式超重力旋转床；１１—再沸器图２　连续精馏实验流程图Ｆｉｇ．２　Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｆｏｒｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ１３　实验条件原料液组成为乙醇－水溶液，摩尔浓度１５％～５５％，进液量１０Ｌ／ｈ，转速４００～１２００ｒ／ｍｉｎ。采用ＧＣ４０００Ａ气相色谱仪（北京市东西分析仪器有限公司），Ｐｏｒａｐａｋ．Ｑ色谱填充柱对样品进行分析，色谱条件：柱温１００℃，气化室温度１４０℃，检测器温度２００℃。１４　数据处理利用样品浓度和其它实验条件，采用逐板计算法［１２］利用计算机编程计算得到当量理论塔板数ＮＴ，以此表征设备的分离效率。在计算中，因乙醇－水体系为非理想溶液，相对挥发度随溶液浓度变化较大，根据常压下乙醇－水溶液的气液平衡数据，经回归得到相对挥发度与溶液摩尔分率的关系为［１３］：当ｘ≤０３时，α＝１１２１２（ｘ＋０２）－１５２３５（１）当ｘ＞０３时，α＝１０８９３８ｘ－１０６２（２）式中ｘ为乙醇摩尔浓度，α为乙醇－水体系相对挥发度。２　结果与讨论２１　操作条件对分离效率的影响２１１　转速图３所示为不同操作条件下旋转床的理论塔板数ＮＴ随转子转速变化的曲线。图３表明在不同的操作条件下，旋转床的分离效率存在差异。但当操·２·北京化工大学学报（自然科学版）　　　　　　　　　　　　　　　　２０１０年作条件固定时，旋转床理论塔板数ＮＴ随转子转速的增加先增大后减小，并在转速为８００ｒ／ｍｉｎ时出现最佳值。原因是：随着旋转速度的增大，表面更新速度加快，传质速率增加。但当转速进一步增加，即使传质速率有所增加，但由于液相在填料中的停留时间变短，使物质传递总量降低。因此在不同的转速范围内这两种影响因素的显著性不同，导致出现最佳转速。图３　旋转床转速对理论板数的影响Ｆｉｇ．３　Ｅｆｆｅｃｔｏｆｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｏｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｔｒａｙｓ２１２　进料浓度图４　进料浓度对理论板数的影响Ｆｉｇ．４　Ｅｆｆｅｃｔｏｆｆｅｅｄｓｔｏｃｋｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｔｒａｙｓ图４所示为进料热状况ｑ＝１０６，回流比Ｒ＝２，进料摩尔浓度ｘＦ分别为１５％、３５％、５５％时，旋转床的理论塔板数ＮＴ随转子转速变化的曲线。图４表明在相同转速下，理论塔板数ＮＴ随进料浓度ｘＦ的变化很小，即该旋转床的分离效率不受进料浓度ｘＦ影响，该现象与传统的塔器精馏设备相似。其主要原因是ｘＦ的变化并不能改变气相和液相流量和速度，而由文献［４，８］可知，气液流量和速度的变化能明显改变液膜厚度和湍动程度，从而改变传质效率。２１３　进料热状况图５所示为进料摩尔浓度ｘＦ＝３５％，回流比Ｒ＝２，进料热状况ｑ为１０１、１０６、１１２时，旋转床的理论塔板数ＮＴ随转子转速变化的曲线。图５表明转速不变的情况下，理论塔板数ＮＴ随进料热状况ｑ的增加而增大，即冷液进料时旋转床的分离效率较高。其可能的原因为ｑ的变化能够改变气液两相在提馏段的流量，如下式所示ＦＬ′＝ＦＬ＋ｑＦ＝ＲＦＤ＋ｑＦ（３）ＦＶ′＝ＦＶ＋ｑＦ－Ｆ＝（Ｒ＋１）ＦＤ＋ｑＦ－Ｆ（４）式中ＦＬ′为液相流量，ＦＶ′为气相流量。由上式可知，ｑ的增大能够提高提馏段的气液流量，根据文献［４］可知，在一定范围内气液流量的增加能够提高气液湍动程度和接触机会，从而提高传质效率，但因ｑ值的变化很小，这种提高是非常有限的。图５　进料热状况对理论板数的影响Ｆｉｇ．５　Ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｆｅｅｄｏｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｔｒａｙｓ２１４　回流比图６　回流比对理论板数的影响Ｆｉｇ．６　Ｅｆｆｅｃｔｏｆｒｅｆｌｕｘｒａｔｉｏｏｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｔｒａｙｓ图６所示为进料摩尔浓度ｘＦ＝３５％，进料热状况ｑ＝１０６，回流比Ｒ分别等于１和２时，旋转床的理论塔板数ＮＴ随转子转速变化的曲线。图６表明·３·第４期　　　　　　　　　　　高　鑫等：新型多级逆流式超重力旋转床精馏性能研究理论塔板数ＮＴ随回流比Ｒ的增加而明显增大。根据文献［１３］可知，液相在填料内的流量增大，液体分布的均匀性提高，填料的润湿面积增加，气液接触面积增大，有效比表面积增大；气相流量也相应的增大，增加了气相湍动程度，表面更新加快，提高了气液传质效果。同时由于这种气液流量的变化遍布整个精馏段和提馏段，所以分离效率的变化更为明显。２２　与其他超重力精馏设备的比较通过计算可知新型多级逆流式超重力旋转床的当量理论塔板高度为１９５～３１４ｍｍ，实验研究范围内的最佳转速为８００ｒ／ｍｉｎ。表１对传统旋转填料床、折流旋转床、多级逆流式旋转床三种超重力精馏设备的精馏性能进行了比较。由表１可知，与折流旋转床相比ＭＳＣＣＲＰＢ的传质效率提高近一倍，且最佳转速降低，在节能方面更有优势。与传统旋转填料床相比，最佳转速基本不变，传质效率虽略有降低，但是成功实现了单台设备安装多层转子和单台超重力设备实现连续精馏操作，减少了相当一部分的设备投资，并使精馏过程更为简单安全。此外，根据设备的结构特性，ＲＺＢ中液相在转子中以“Ｓ”型方式流动，并在此过程中与气相进行逆流和错流接触，气相压降明显提高［１４］。与此相比ＭＳＣＣＲＰＢ采用了传统ＲＰＢ的气液直线型逆流接触方式，与ＲＺＢ相比液相阻力更小，停留时间更短，更适合于热敏物质的精馏提纯。表１　各种超重力精馏设备比较Ｔａｂｌｅ１　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏ