超重力在精馏中的应用

传统精馏的取代者——超重力精馏闪俊杰刘润静杜振雷马建兵崔文豪摘要：对超重力技术在化工中应用的现状,尤其是在精馏领域的应用作了较全面的总结。介绍了超重力技术的基本原理和特点及超重力精馏的基本流程图,并对其在精馏领域的优越性进行了较为详细的叙述。Abstract:AcomprehensivereviewontherecentadvancesofHIGEEappliedinchemicalindustryandespeciallyindistillationisgiveninthispaper.ThebasalprincipiumandcharacteristicofHIGEEarepresented.Andthebasicflowsheetofdistillationinthehigh-gravityconditionisalsogiven.Atthesametime,thesuperiorityofHIGEEinthefieldofdistillationisdescribedindetail.关键词：超重力精馏相间传质分离在化学工业中，高达百分之八十的投资用于化工产品的净化和提纯，而精馏无疑是其中最重要的操作单元之一，精馏技术的发展直接关系到产品的质量、生产的效率及能耗的高低。因此，现有精馏技术的提高将会大大促进化学工业发展并显著提高其经济效益，超重力精馏就是一种较前沿的分离技术。目前超重力技术已经凭借其独特的优点成功应用于化学工业的多个领域，如包括超细粉体制备、油田注水脱氧、脱硫、除尘、精馏以及吸收等。本文将重点介绍超重力技术在精馏方面的应用。1.超重力技术的基本原理超重力是在比地球重力大的多的环境下物质所受到的力。在超重力的环境下，不同大小分子间的分子扩散与相间传递过程均比常规重力场下的要快得多，气－液、液－液及液－固两相在比地球重力场大数百倍至数千倍的超重力环境下的多孔介质或孔道中产生流动接触，巨大的剪切力将液体撕裂成微米至纳米级的液膜、液丝和液滴，产生巨大的和快速更新的相界面，使得相间传质速率比传统的塔器中的提高1～3个数量级，极大强化了微观混合和传质过程，从而有效的促进了许多化学反应过程[1]。在地球上，实现超重力环境的方法是通过旋转产生离心力，这种经过特殊设计的旋转设备称为超重力机，又称为旋转填充床。它也因为其突破性的优点而被誉为“化学工业的晶体管”。2.超重力机的特点由于超重力环境的特殊作用，使得超重力机具有以下特点：(1)极大地强化了传递过程(传质单元高度仅1～3cm);(2)极大地缩小了设备尺寸与重量(不仅降低了投资,也增加了对环境地改善);(3)物料在设备内的停留时间极短(10～100ms);(4)气体通过设备的压降与传统设备相近;(5)易于操作,易于开停车。由启动到进入定态运转时间极短(1min内);(6)运转维护与检修方便的程度可与离心机或离心风机相比;(7)可垂直、水平或任意方向安装,不怕振动与颠簸。可安装于运动物体如舰船、飞行器、及海上平台;(8)快速而均匀的微观混合。基于以上特点，超重力技术可以应用在以下特殊过程：热敏性物料的处理（利用停留时间短）；昂贵物料或者有毒物料的处理（利用机内残留量少）；选择性吸收分离；高质量纳米材料的生产；聚合物脱除单体等[2]～[4]。3.超重力在精馏中的应用3.1超重力精馏的原理相间传质过程是化学工业中最基本的过程，是精馏操作这一过程的实质。因此，强化相间传质过程对提高精馏效率有着根本性的意义。对于传统的传质设备如填料塔、板式塔等，由于在重力场的作用下，其相间传质速率不可避免的受到重力场的影响，因此，要想强化传质过程，缩小设备体积，就必须突破重力场的影响[5]。超重力传质技术就是在此背景下诞生的一种前沿技术，它利用强大的离心力场代替了重力场，从而实现了传质过程的强化。从理论上讲,在超重力场中,精馏过程中的汽液两相由于接触面积大且相界面又能快速更新,使得汽液两相在较短的时间内能达到相平衡,从而达到降低理论塔板高度的目的。因此，利用超重力环境下高度强化的传质过程和微观混合过程特性，可以将往往高达几十米的巨大的精馏塔用不到两米的超重力机代替，这无疑将会大大降低生产成本并极大的提高其分离效率。3.2超重力精馏典型工艺流程超重力精馏的实验流程如图1所示，由再沸器1出来的蒸汽从气体进口管16进入旋转床外腔15,在气体压力的作用下自外向内作强制性流动通过填料层2,最后汇集于填料床的中心管13,然后从气体出口11进入冷凝器9。经冷凝器9冷凝后,回流液体通过转子流量计8计量,然后进入位于中央的一个液体分布器12,经喷嘴14喷入旋转填料内在离心力作用下自内向外通过填料甩出。液体由旋转床的外壳15收集,经液体出口16流回再沸器1循环进行。1-再沸器;2-填料;3-机壳;4-液体入口;5-取样口;6-温度计;7-阀门;8-流量计;9-冷凝器;10-压力表;11-气体出口;12-液体分布器;13-旋转填料床中心管;14-喷嘴;15-RPB外腔;16-气体进口、液体出口;17-转轴;18-取样口图1实验流程图3.3超重力精馏在国外的发展由于超重力技术具有了以上这些无可比拟的优势,世界上许多大的化学公司和研究部门都在竞相对超重力技术进行开发研究并进行了一系列中试或工业性运行，以求替代传统的精馏分离操作。其中最早的超重力精馏尝试是英国帝国化学公司(ICI)于1983年报道的工业规模的超重力机进行乙醇与异丙醇和苯与环己烷分离的实例,这套装置成功运转了数千小时,从而肯定了这一新技术的工程与工艺可行性。其传质单元高度仅为1～3cm，较传统填料塔的1～2m下降了两个数量级，这也是超重力机问世的同时进行的首次实验；接下来该超重力技术又被应用于脱除被污染的地下水中的有机物，成功将水中的苯、甲苯、二甲苯的含量由500～3000μg/kg脱除到1μg/kg左右；在美国得克萨斯州的奥斯汀大学也建立了一套半工业化装置来考察超重力机的精馏特性，并成功分离了环己烷－庚烷体系，该装置的外径只有60cm，传质单元高度在3～5cm左右；TrevourKelleher等[6]对环己烷正庚烷体系进行了精馏试验,并应用于小规模生产。在致力于超重力应用于工业的同时，其理论研究工作也在进行，美国Tennessee州立大学的Singh,s.p.于1989年的博士论文中描述了对超重力机的传质、液泛、功耗进行了研究；与此同时，美国的一些大公司如DuPont、Dorton等也都在自行进行这方面的研究。由于超重力技术可能带来的巨大经济利益，在国外无论是ICI公司还是其他公司都很少对这一技术进行实质性的技术报道，只是发表一些应用性的研究成果与商业性报道。3.4超重力精馏在国内的发展在国内，超重力技术同样受到了学术界的高度重视。汪家鼎院士曾于1984年作过关于超重力技术及其应用前景的报告；浙江大学陈文炳等曾经发表过常规填料超重力机内传质实验的结果；天津大学的朱慧铭于1991年发表关于超重力分离过程研究的硕士论文；其中北京化工大学的陈建峰教授及其所在的超重力工程研究中心对超重力技术在我国的发展作出了突出的贡献，尤其是在纳米级超细粉体制备方面取得了显著的成果；关于超重力在精馏方面应用的文献并不多，主要集中在中北大学。理论研究方面，北京化工大学的许明等[7]进行了超重力旋转床中气液两相流动与传质过程的数值模拟研究，提出并证明了超重力旋转床中气－液两相流动和传质过程的数学模型；中北大学与山西超重力化工工程技术研究中心的栗秀萍、刘有智等[8]-[9]以乙醇-水溶液为体系进行了旋转填料床精馏性能的研究，实验表明随着气相动能因子(F)和超重力因子(β)的增大，理论塔板数存在一个峰值，即当F为0.46kg0.5·m－0.5·s－1、β介于42.95～67.11时理论塔板数最大为5.5，此时传质效果最好。并且得出该旋转填料床的传质单元高度在1.09～1.76cm之间，与传统填料塔相比，传质单元高度降低到1/100左右。以上数据均证实了旋转填料床用于精馏单元操作的可行性，此外作者还建立了传质模型，即N=100.06987β0.1056(F/△P0.5)0.3330，将回归结果与实验结果进行对比，所有的点平均误差为9%，回归结果与实验结果比较吻合。这次研究提供了旋转填料床用于精馏单元操作的实验数据和理论依据,为旋转填料床精馏操作的工业化奠定了基础；后来栗秀萍等[10]又以甲醇-水溶液为体系进一步研究了精馏过程中转子对旋转填料床传质性能的影响，也证明在超重力场中精馏过程存在最佳操作条件，即回流量为10.4L/h、转速1600r/min时理论塔板数出现最大值，而且其转子结构对精馏装置的精馏性能有较大影响，并将超重力精馏装置与传统填料塔进行了比较，传质效率高1～2个数量级,气相压降低1/3～1/2，传质单元高度最小为9.5mm，设备体积小，能耗小，特别是不易液泛；在以上实验基础上栗秀萍等[11]又对超重力场中甲醇-水溶液的精馏过程进行了研究，除得出了与先前实验相同的结果外，还建立了超重力装置精馏过程的另一传质模型与流体力模型，即超重机精馏全回流操作的气相△P=39.25β0.3215F0.4535L0.2961，其中L为回流量。此模拟与试验结果进行对比,平均偏差为5.64%，说明该关联式能很好地吻合试验数据；在以上对旋转填料床精馏特性研究的基础上,中北大学的喻华兵等[12]以塑料多孔板为填料、乙醇-水为体系,进一步研究了气相动能因子(F)、超重力因子(β)和回流量(L)对旋转填料床流体力学特性的影响，研究表明气相压降随着F、β和L得增加而增加，证明了旋转填料床的压降较小，其基本范围为50~400Pa，能耗较低；康荣灿等[13]研究了填料结构对错流旋转填料床传质性能的影响，得出在错流旋转填料床中体积传质系数随超重力因子、气液流量的增加而增大的结论，并针对四种不同填料分别建立、证明了传质系数模型，其拟合结果与实验结果对比，最大相对误差14.6%,平均相对误差3.6%,模型结果与实验符合很好；鲍铁虎等[14]对转子直径为500mm的折流式旋转床进行了精馏试验,在液体流量25L/h、转速1200r/min的操作条件下,获得9.8块理论塔板的效果,传质单元高度为5cm。以上这些基础研究虽然还未达到工业化的程度，却为超重力技术应用于精馏过程提供了大量可贵的数据。在实际应用方面，浙江大学曾进行过超重力环境下精馏分离乙醇－水体系，得到的传质单元高度为4cm左右，此结果与美国奥斯汀大学的实验结果不谋而合；近年来，浙江工业大学分离工程研究所与杭州科力化工设备有限公司联合开发出的超重力精馏设备——折流式超重力旋转床[15]-[16]，已成功地应用于工业生产中的连续精馏过程，此设备直径为830ｍｍ、高度仅为0.8ｍ，其分离效果与10多米高的填料塔相当，可达15～20块理论板，而设备的占地面积不足2ｍ２，开创了在单台超重力旋转床设备中实现工业生产中连续精馏过程的先河。由此可见，不同的研究者利用不同的体系得出了近乎相同的结论，这给了一个重要的启示，利用超重力技术进行精馏操作，只要填料选择得当，定会取得理想的分离效果。3.5超重力精馏在发展中遇到的困难目前超重力已经成功在纳米材料制备、水脱氧、环境工程及生物化工等领域获得较大规模工业化应用，相比之下在精馏领域的发展仍然比较缓慢，虽然超重力技术在精馏方面确实存在着传统精馏方式无法比拟的巨大优势，这一点已经得到世界学术界的一致认可，但是至今并未实现较大规模的普及，其原因很多。首先，精馏涉及到大量的热交换，这就对超重力机的材质性能及结构等方面均提出了严格的要求，使得用于精馏的超重力机加工起来比较困难而且精细度的要求较难达到；其次，不同于吸收过程，精馏塔以进料口为界分为精馏段和提留段，普通的超重力机只有一个进料口，则一台超重力机只能作为精馏塔的一个段，或是精馏段，或是提留段。因此若要在一台超重力机完成全部操作，则需要对超重力机进行特殊的设计；化学工业生产中大多为连续精馏过程，由于超重力机单台设备分离能力有限、无法实现中间进料等原因，也为超重力技术的