萃取塔计算

1填料萃取塔的设计计算1.概述填料萃取塔是应用最广泛的萃取设备之一，在石油炼制、石油化工和环境保护等领域得到广泛的应用。它的结构如图1所示。为了改善两相接触、减少纵向混合以提高传质效率,在萃取塔的塔体内装填了适当的填料。填料有环形、鞍形与金属丝网等各种形式，可以用陶瓷、塑料或金属材料等制成。由于填料的存在，促进了液滴群的分散－聚合－再分散循环，并抑制了塔内的非理想流动，从而提高其传质效率。填料材料应该浸润连续相，以避免分散相液滴群在填料表面上聚合而减小相际接触面积。为了减少沟流现象，对于比较高的填料塔通常隔一定的距离安装一个液体再分布器。填料的尺寸应小于塔径的1/8，以减小壁效应和使填料装得比较密实。图1填料萃取塔示意图近年来，随着新型填料（如金属Intalox鞍、阶梯环、扁环填料和规则填料2等）的迅速发展，它们在液－液萃取中的研究和应用也日趋广泛。由于它们具有空隙率高、比表面积大等特点，因而处理能力较大。一般说来,对于界面张力较低,所需理论级数不多和处理能力很大的场合,新型填料萃取塔往往是一种优选的塔型。从环境保护的角度来看,萃取塔可以大幅度降低溶剂夹带损失,克服排出物中残留溶剂的二次污染问题,其优越性更为明显。对于填料萃取塔液泛速度和传质特性的研究工作很多，但是大多局限于小直径的陶瓷填料，空隙率低，实验体系的界面张力也很大，应用范围有限。由于液-液萃取过程的两相密度差小,连续相粘度较大,两相轴向返混严重,界面现象复杂,因而设计计算比较困难。与精馏和吸收等气液传质过程相比较,填料萃取塔的设计方法不够成熟。因此有必要对填料萃取塔的特点作进一步的讨论。2填料萃取塔的特点2.1对填料的选择具有不同的要求虽然填料萃取塔常常使用与气液传质过程相似的填料,但是萃取过程对填料的要求与精馏和吸收过程有明显的差别。Cavers曾指出[1]:在填料萃取塔内分散相不应与填料表面浸润,如果液滴群与填料表面浸润,就会引起液滴群的聚结和形成沿着填料表面的液流。由于填料萃取塔内的相际传质过程是在分散相液滴群和连续相之间进行的,上述由于与填料表面浸润而引起的聚结现象会明显降低传质效率。Stevens更明确地指出[2]:在气-液接触过程如精馏和吸收过程中,液相沿着填料表面流动,传质过程的相际界面与填料被湿润的表面积有关。因而在气液传质过程中设计选用比表面积大而易被液相湿润的填料。然而,在液-液萃取过程中,填料通常优先为连续相所湿润,分散相以分离的液滴群的形式上升或下降。这样,在液-液萃取过程中填料的作用是降低连续相严重的对流或轴向返混并提供表面积来促进分散相的粉碎和聚合以强化传质。比表面积高的填料虽然常常有益,但并不象气-液接触过程那样起决定性的作用。实践也表明一些比表面很大而且表面带毛刺的规整填料用于减压精馏时性能优异,但用于液-液萃取时性能并不理想。尹国玉对两种表面特性不同的规整填料的传质性能进行了研究,结果表明,表面带毛刺的填料的传质效率大幅度3下降。这是因为分散相液滴群容易附着在填料表面上,形成厚的液膜,使有效的传质比表面积大大下降[3]。清华大学化工系根据液-液萃取的特点,研制了内弯弧形筋片扁环填料(SMR或QH-1型)[4]。和梅花扁环(PFMR或QH-2型)[5]这两种填料采用内弯弧形筋片结构,使填料内部的流道更为合理,促进了液滴群的分散-聚合-再分散循环,还通过0.2至0.3的极低的高径比,使填料在乱堆时也能体现一定程度的有序排列的特点,从而有效地抑制两相的非理想流动。有助于提高处理能力和传质效率。(参看图2)a)QH-1(SMR)填料b)H-2（PFMR）填料图2QH-1(SMR)和QH-2（PFMR）型扁环填料实验研究和工业应用表明,这两种填料用于低界面张力体系的液-液萃取时,性能明显优于Pall环、Intalox鞍等国外引进的新型填料,轴向混合小,处理能力大,传质效率提高20%以上。用于中等界面张力体系的液-液萃取时,此填料的性能也明显优于Pall环和Mellapak填料。这说明,必须根据液-液萃取的特点来选择适当的填料型式。2.2.体系的物性是影响设计计算的重要因素体系特性如界面张力,两相的密度和粘度等对填料萃取塔性能具有重要的影响。其中,界面张力是影响分散相液滴平均直径的关键因素,因此对塔的处理能力和传质效率起着决定性的影响。工业上常用萃取体系的界面张力变化范围很大。润滑油酚精制的界面张力很低,约为1.0mN/m,环丁砜芳烃萃取塔内两相的界面张力变化很大,约在3.0mN/m至10.0mN/m之间变化。而液化气脱H2S等工业体系的界面张力则很高。因此不同体系的液泛速度和传质性能往往有很4大的差别。表1中列出了国际上通用的三种萃取实验体系的主要物性。它们分别是高、中、低界面张力体系的代表。文献中的很多数据都是这些体系测定的。由于这三种体系的物性(特别是界面张力)差别很大,覆盖范围很宽,因此,可以根据实际体系的物性,在设计计算过程中参考适当的数据,并选用适当的设计计算公式。表1三种典型的用于液-液萃取的实验体系[]123水相水有机相甲苯酯酸丁酯正丁醇分子式C7H8C6H12O2C2H10O沸点110.4℃126.09℃117.5℃溶质丙酮丙酮丁二酸分子式C3H6OC3H6OC4H6O4x1质量%γmNm−103.137.6735.427.019.303.817.8614.111.79.603.876.581.751.00.7x1质量%ρ13kgm−03.137.67997.8993.7987.803.038.11997.0993.3986.403.566.25985.6995.61003.1x1质量%ρIkgm13−03.137.67866.5864.5862.603.038.11882.1879.4873.603.566.25846.0866.5881.4x1质量%µImPaS⋅03.137.671.0061.0781.203.038.111.02371.111.2803.565.291.4261.5361.61x1质量%µIImPaS⋅03.137.670.5860.5750.56003.038.110.73450.720.682703.565.293.3643.7493.925mformyx=110%8%0610831≤≤−x..0%8%090981≤≤−x..0%65%131121≤≤−x...x1质量%DI10ms721−0.593.455.961.141.071.010.0331.8674.151.0930.5981.680.693.665.210.570.520.47xII质量%DII10ms721−0.723.264.372.72.662.510.2541.9279.762.22.1962.5060.433.715.560.240.230.2152.3纵向混合的影响不容忽视液-液萃取过程中两相密度小,粘度小,逆流流动过程中两相流动状况比较复杂。例如连续相在流动方向上速度分布不均匀；连续相内存在涡流漩涡,局部速度过大处,可能夹带分散相液滴,造成分散相的返混；分散相液滴群存在一定的液滴直径分布,大小不均匀,液滴速度分布也不均匀,这样可能造成部分液滴的前混等。通常,把导致两相流动非理想性和使两相停留时间有一分布的各种现象统称为纵向混合。纵向混合包括返混、前混等各种混合现象。纵向混合对萃取柱的性能产生很不利的情况,它不仅降低了传质推动力,而且降低了萃取柱的处理能力。由于纵向混合,在两相入口处形成浓度的突然变化,即浓度突跃。在萃取柱内造成溶质的纵向传递,会大大降低萃取柱内的传质推动力。纵向混合对精馏、吸收等气液传质设备的性能也有不利的影响。但是由于液-液萃取过程中两相密度差小,粘度大,因此纵向混合对萃取设备的不利影响更为严重。如果不考虑纵向混合,在模型柱内测定的传质系数和生产装置中测定的数据的差别将会很大。因此,可靠地进行萃取柱的放大设计往往是很困难的。为了发展比较可靠的考虑纵向混合的萃取塔的设计计算方法,人们对萃取柱的纵向混合进行了大量的研究工作,发展了多种数学模型,如级模型、返流模型、扩散模型、前混模型、组合模型和群体平衡模型等。近年来在萃取设备的设计计算中,均已考虑纵向混合的影响,设计方法有了较大的改进。其中扩散模型(Dispersionmodel)应用比较广泛。这种模型假定,由于纵向混合的影响,在连续逆流传质过程中,除了相际传质以外,每一相中都还存在着从高浓端向低浓端的传质过程。溶质在柱高方向的传递速率和该相的浓度梯度成正比,其比例系数分别称为x相和y相的纵向扩散系数。这样,萃取柱内的纵向混合用两相的纵向扩散系数来表示。这种模型的数学描述和有代表性的近似解法的详细说明参见[7,8]。2.4.分布器的设计必须充分考虑液-液体系的特点与气液传质过程一样,分布器的设计对填料萃取塔的性能具有重要的影响。由于液-液两相密度差小,粘度小,因此填料萃取塔一般采用管式分布器(如排管式分布器等)而不用填料精馏塔中使用的窄槽式分布器。设计计算方法也和气液6体系具有很大的差别。用于气液传质过程的液体分布器喷口速度往往很高,使管系的阻力降集中在喷孔处,这样可以使液体分布比较均匀。但是对于液-液体系的分布器而言,喷口速度过高,容易造成流体的过度粉碎或乳化,甚至导致填料萃取塔的局部液泛。费维扬等[9]对大型萃取塔液体分布器性能和设计方法进行了研究,可供设计计算中参考。3设计计算步骤3.1.概述填料萃取塔的设计需要根据给定的处理能力,分离要求,体系物性,填料特性和操作条件等,通过计算来确定塔的直径和高度,并对液体分布器及其他塔内构件的设计提出要求。有关萃取塔的理论级数NT或传质单元数NTU的计算可参阅有关教科书[8],本节仅对塔径的计算及给定NT或NTU的塔高的计算进行讨论。在进行设计计算时,根据原料的组成、选定的溶剂、分离要求和处理量,需给出以下的已知条件。(1)料液的处理量和溶剂用量并选定分散相;(2)操作温度和压力下两相的物性如密度、粘度、界面张力、分配平衡关系和分子扩散系数等;(3)所选定的填料特性如公称直径,比表面积和空隙率;(4)完成给定分离要求所需的理论级数NT(或NTU);(5)体系的稳定性,腐蚀性等工程设计所需信息。3.2塔径的计算3.2.1.液泛速度的计算液泛速度的计算是填料萃取塔设计和核算的一个重要内容。对于运行中的填料萃取塔,可以从液泛速度推算它的最大处理能力。对于新设计的填料萃取塔,可以根据液泛速度确定在给定负荷下操作的填料萃取塔的塔径。通常,有两类计7算液泛速度的方法。(1)直接计算法填料萃取塔的液泛速度和体系物性、填料特性和操作流比等因素有关,影响因素很复杂。文献中报导了大量的的实验结果和关联式,可供参考。例如Kumar和Hartland[10]在总结大量文献数据的基础上,建议用下列公式来计算填料萃取塔的液泛速度。uLgcegcfRpdpcCp()///../..1112211540412213030015+=×ααραµµα∆ρ∆ρ∆ργ(1)式中,α为表示填料表面浸润性能的系数。当填料表面优先浸润连续相时,α=1,而当填料表面优先浸润分散相时,α=1.29。C1为与填料类型有关的修正系数,几种常用填料的C1值如表2所示。表2计算液泛速度的填料类型的修正系数C1填料类型C1乱堆填料拉西环和Intalox鞍0.28鲍尔环0.20球形填料0.30规整填料SulzerBX型0.26SulxerXMr型0.22Norton2t0.29据作者报导,用来回归(1)式的数据库包括845个实验点,复盖的体系物性和填料类很宽。数据回归的平均相对偏差为19.5%。但由于绝大部分实验数据为高、中界面张力体系用于低空隙率填料的数据,且为有机相分散。因此这种通用公式用于水相分散的情况对需将公式前的常数修正约30%,用于低界面张力体系和高孔隙率填料(e90%)的情况时,计算误差也大。8(2)通过特性速度来计算液泛速度[11]为了克服直接计算液泛速度的半经验公式的局