超重力技术在精馏中的应用

1、超重力精馏技术新进展姓 名：刘 啸 龙学 号：030120777班 级：化学工程 125班课程名称：化工过程强化技术指导老师：漆志文时 间：2012.12.20摘要本文介绍了超重力技术在精馏方面的应用进展，并着重介绍了超重力旋转床中气液两相流和传质过程的数学模型。超重力精馏具有传统精馏所无法比拟的优势，这主要是因为超重力精馏技术突破重力因素的限制，使整个过程的传质过程得到强化，传质传热系数可急剧提高，实现了汽液间快速多次冷凝和快速气化，液体混合物得到高效快速分离。本文还介绍了新一代的超重力精馏设备，以及它们的工作原理。如超重力旋转床和在此基础上开发出的多级连续操作超重力精馏设备，以及折流式超重

2、力旋转床。超重力精馏技术新进展气液传质过程是化学工业中最基本的过程，不仅大量的单元操作如精馏、吸收、解析等离不开这一过程，而且化学反应过程，尤其是气液固多相反应过程也极大地受制于传质的速率。对于传统的气液平衡传质设备如填料塔、鼓泡塔等，由于在重力场下操作，其泛点和气液相传质速率不可避免地受到重力场的影响，许多研究早已揭示了这些影响的规律。因此，要缩小传统设备体积，强化传质过程就必须要突破重力场的影响。超重力传质技术正是在此背景下产生的一种离心传质技术。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1。所谓超重力指的是在比地球重力加速度大得多的环境下，物质所受到的力(包括引力或排斥力

3、)，在地球上，实现超重力环境的最简便方法是通过旋转产生离心力而实现，即通过旋转床实现，在超重力环境下，不同大小分子间的分子扩散和相间传质过程均比常规重力场下的要快得多，气液、液液、液固两相在比地球重力场大上百倍至千倍的超重力环境下的多孔介质或孔道中产生流动接触，巨大的剪切力和快速更新的相界面，使相间传质速率比传统的塔器中的提高13个数量级，微观混合和传质过程得到极大强化。超重力技术开发研究始于20世纪70年代末，1976年美国太空署征求微重力场实验项目，英国ici公司(帝国化学工业公司)的ramshaw教授等做了化工分离单元操作)蒸馏、吸收等过程中微重力场和超重力场影响效应的研究，发现超重力使

4、液体表面张力的作用相对变得微不足道，液体在巨大的剪切力作用下被拉伸成微小的液膜、液丝和液滴，产生出巨大的相间接触面积，因此极大地提高了传递速率系数，而且还使气液逆流操作的泛点速率提高，大大增加了设备生产能力，这些都对分离过程有利2-3。一、超重力旋转床中气液两相流和传质过程的数学模型分析超重力旋转床中的反应传质，必须对气液两相流体流动与传质有深入的认识。在前人的流体力学和传质模型4中，主要存在三个方面的问题：1.忽略了气相，而气相的存在对液体分散相的运动和凝并及分散有一定的影响；2.相比于实际的填料丝网的结构，模型中对于丝网的处理过于简化；3.没有考虑液滴的凝并和破碎。许明等利用简化了丝网的结

5、构，并在考虑液滴凝并和破碎的前提下，采用欧拉-拉格朗日法对超重力旋转床内的气液两相运动进行了研究。根据实验观测，对气相，超重力旋转床内的气相流动基本上可视为不可压缩牛顿流体的拟稳态湍流流动，进一步假设气体流动沿旋转床的转动方向(周向)分布均匀，各物理量无梯度分布，从而表现为沿径向和轴向的轴对称流动的形式；对分散液滴相，只考虑气相对液滴相的曳力和离心力的作用，忽略重量、惯性力、虚假质量力、basset力、saffman力和magnus力等的影响。图1 简化的丝网填料结构模型将丝网填料的几何结构简化为周向丝、沿轴向的横丝和沿径向的竖丝，每层丝网由周向丝和横丝构成，层与层之间由竖丝来连接。奇数层与奇

6、数层(或偶数层与偶数层)具有相同的丝网结构，而相邻的奇数层与偶数层的周向丝和横丝交错分布;连接相邻两层丝网的竖丝与连接下面相邻两层的竖丝交错分布，而连接奇数层-偶数层(或偶数层-奇数层)的层间竖丝具有相同的结构(见图1)。旋转床中液滴的传质模型5无因次化后求解，可以获得无量纲的浓度分布其中进而得到液相传质的sherwood数只要知道了液滴的直径和飞行时间就可以得到丝网空间内液相的传质系数k。根据液滴相运动方程可以获得液滴在丝网空间的的停留时间，进一步获得丝网空间内液相的平均体积传质系数。停留时间内液相的平均体积传质系数为超重力精馏过程传质原理在超重力装置的填料中，液体受超重力与磨擦力的双重作用

7、，形成微米至纳米级的液膜、液丝和液滴，并快速聚并与分散，产生巨大的和快速更新的相界面，使液膜和汽膜的浓度时刻与各相主体的浓度处于一致状态，双膜扩散不再是超重力精馏传质的主要因素，彻底解决了双膜扩散控制的瓶颈，使整个过程的传质过程得到强化，传质传热系数可急剧提高，实现了汽液间快速多次冷凝和快速气化，液体混合物得到快速分离。超重力精馏装置内，液体以液膜、液丝与液滴的形式存在，为分散相，而气体为连续相。但流体在流动过程中，液体以比重力场下快几个数量级的速度流动，且与填料连续碰撞，致使液膜与液相主体快速混合，强制了溶质在液相内的扩散过程，大大缩短了扩散时间。从理论上讲，超重力精馏过程克服了双膜理论、渗

8、透理论与表面更新理论中的瓶颈，是超重力精馏传质过程得到强化的主要原因6。二、单级超重力精馏设备技术超重力分离技术的核心部件为一高速旋转的环状转子，转子内由塔板或填料组成，形成了气液相接触的表面通道，液体从伸人转子中心的静止液体分布器引人，先经分布器预分布后喷向转子内缘，在离心力作用下向外甩出，气体由转子的外缘进入转子，依靠气体压力，由外向内与液体逆流接触。气液两相在转子产生的极大离心力场中进行传质交换，在离心力的作用下，液体形成的液膜很薄，表面更新极快，而且液体内的微元湍动程度加大，因此极大地强化了液相传质系数，使传质单元高度极大的减小。另外，由于离心力极大地提高了设备操作的液泛限，使气液相的

9、流率和填料比表面均比传统塔器大大提高，因此体积传质强度比传统设备提高了两个数量级。这样，一个很高的塔器就变成一个十分矮小的超重力传质机，不仅极大地降低了设备的材料成本，而且降低了设备操作的能耗7。图2 超重力精馏的实验流程典型的超重力精馏的实验流程如图2所示。由再沸器出来的蒸汽从气体进口管进入旋转床外腔，在气体压力的作用下自外向内作强制性流动通过填料层，最后汇集于填料床的中心管，然后从气体出口进入冷凝器。经冷凝器冷凝后，回流液体通过转子流量计计量，然后进入位于中央的一个液体分布器，经喷嘴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收集，经液体出口流回再沸器循环进行。随着

10、回流量的增大，液体在填料中的周向流速和径向流速均增大，填料的润湿面积增大，有利于传质进行;同时在全回流操作中，回流量增大，气体流量相应增大，气体在填料中的流速增大，气液湍动程度加剧，亦有利于传质进行;但物料在填料中的停留时间却随着流量的增大而变短，不利于传质进行。两者相互竞争，得到最佳操作条件。图3 理论塔板数随超重力因子的变化关系由图3可知:3种转子的理论塔板数随着的增大有相同的变化规律，均随着的增大先增多后减少，说明超重机的传质效率不是超重力因子越大越好，而是有最佳操作点。转子特性不同，最佳操作点也不同8。栗秀萍等对超重力场中甲醇-水溶液的精馏过程进行了研究，研究得出超重机的理论塔板数与超

11、重力因子、气相动能因子f、回流量l和塔顶、塔底溶液的摩尔浓度差(x)幂指数关系：应用最小二乘法，对进行多元线形回归，并通过试验所测数据，求解系数后得到超重机(转子)理论塔板数的经验关联式如下:应用matlab软件将回归结果与试验结果进行对比，平均偏差为4.33%。说明该关联式能很好地吻合试验数据。理论塔板高度精馏设备的传质性能可以用理论塔板高度来说明。理论塔板高度hetp为填料径向厚度(r2-r1)与理论塔板数n的比值，即在超重力因子为2.68386.58，回流量为4.420.0l/h，填料比表面积为510m2/m3，空隙率为0.9542时，转子（r2=180，r1=60，h=40，=0.65

12、）的理论塔板高度在0.01090.0176m之间。与传统填料塔相比，理论板高度降低到l/10左右。在美国奥斯汀的得克萨斯州大学9 (university of texasat austin)也建立了1套半工业化装置来考察超重力机的精馏传质特性，并成功分离了环己烷/庚烷体系，该装置外径只有60cm，传质单元高度在30-50mm，建立了传质，压降和床层sherwood液泛模型，并应用于小规模生产。印度理工学院(indian institute of technology)也进行了自己的超重力精馏技术研究，其特点是将再沸器整合在超重力精馏装置中，传质高度为10-20mm。目前国内外已将超重力旋转床技

13、术成功地应用到化工10，制药等工业过程的分离和反应操作。不过超重力精馏设备尽管具有传统塔设备无法比拟的优势，但由于单级超重力精馏装置通常由一台超重机单独构成，无法同时进行精馏段和提馏段的操作，所以实现多台超重机串联或者单台超重机包含多层填料以达到连续完整的精馏操作，就显得尤为必要。二、多级式超重力装置1、二级超重力装置riehard d.baker以异丙醇/乙醇为物系，用两台直径为800mm的旋转床串联进行了精馏实验，在转速为1500-3000rpm，重力加速度为200-1000g时，得到40层理论塔板，实验可以在真空和2kpa下操作，整个工艺装置重量不到40t，一台设备平稳运行了500h，另

14、一台平稳运行了3500h11-12。图4 两级分离式超重力精馏中试流程示意图13图4中的rpb1作为精馏塔的提馏段，rpb2作为精馏塔的精馏段。实验开始，加热再沸器，原料液被泵压入rpb1的液体进料口处，通过液体分布器后由填料层内侧向填料层外侧流动。从填料层外边缘离开后液体经rpb1底部的液体收集管流入再沸器。流入再沸器的液体一部分作为塔底产物被收集，另一部分则被加热为上行蒸汽进入rpb1。同时，rpb1中的蒸汽以从填料层外侧向内侧与液体呈逆流方向进行传质与传热。蒸汽在到达填料层内边缘后，由rpb1的顶部导管进入作为精馏段的rpb2内部。而由rpb2进入冷凝器的蒸汽分为2部分，一部分当作回流液

15、再次进入rpb2，另一部分作为塔顶产品进入产品罐。图5为在原料液流量f=15l/h，回流比r=1条件下的系统，精馏段和提馏段理论塔板数ntp随超重力因子变化的趋势。图5 超重力因子对理论塔板数的影响由图5可见，随着的上升，系统、精馏段及提馏段ntp都呈增加趋势。其原因是，随着的上升，液滴由于剪切力增大而被分散得更细小，填料中的液膜也被拉扯的更薄，填料润湿面积和相接触面积均增大，有利于气液传质过程的强化，增强了超重力精馏的传质效率。选取对于ntp有影响的因子:超重力因子，馏出比q(q=d/f，即馏出液流量比原料液流量)，回流比r，进料摩尔分率xf，馏出摩尔分率xd等应用文献中的方法建立ntp的数

16、学模型，并用matlab软件中的regress多元回归函数结合所得到的实验数据以最小二乘法原则计算得到：两级分离式超重力精馏中试装置在实验过程中运行平稳，无故障。在乙醇/水体系两级分离式超重力精馏中试装置的理论塔板高度hetp最小为8.11mm，最大为35.68mm，其传质效率优于实验室设备和常规塔设备14。2、多级式超重力装置山西省超重力化工工程技术研究13中心开发并设计了多级超重力精馏工艺。多级超重力精馏实验流程如图6所示，图中的多级旋转填料床作为一个整体取代传统塔设备进行精馏分离过程，实验采用常压下连续操作，使用金属波纹丝网填料，气液以逆流方式接触原料液由原料罐2经由原料泵打人多级超重力

17、旋转填料床4的液体进料口，通过液体分布器后由填料层内侧向填料层外侧流动，从填料层外边缘离开后液体经多级旋转填料床4底部的液体收集管流人再沸器1，流人再沸器1的液体一部分作为塔底产物被收集，另一部分则被加热为上行蒸汽进人多级旋转填料床4。1.再沸器;2.原料储罐;3.产品储罐;4.多级旋转填料床;5.冷凝器;6.缓冲罐;7，8.液位计;9，0，1，12.液体流且计图6 多级超重力精馏实验流程图同时，多级旋转填料床4中的蒸汽以从填料层外侧向内侧与液体呈逆流方向进行传质与传热，而由多即旋转填料床4进人冷凝器5的蒸汽分为两部分，一部分当作回流液经过缓冲罐6再次进人多级旋转填料床4，另一部分作为塔顶产品

18、进人产品罐3。在多级超重力精馏实验研究中，以乙醇/水体系作为实验的考察物系，两级分离式超重力精馏设备运行稳定，传质性能与传统塔设备相比提升很大。乙醇/水体系多级重力精馏装置的理论塔板高度hetp最优为2.946mm，最差为44.709 mm。三、折流式超重力旋转床浙江工业大学在其超重力精馏研究中为提高分离能力，其研制的多级折流式超重力旋转床可在一台设备上安装多对折流式转子来提高单台设备的分离能力。折流式超重力旋转床的核心部件为动静结合的转子，将若干同心圈固定在动盘之上构成动折流圈群，由转轴带动其旋转，与动折流圈相对且与其嵌套安装的直接固定在静盘上的为静折流圈群，其结构如下图所示。其工作原理是：

19、作为连续相的气体由进气口2进入壳体，在压差的作用下，从转子外缘沿着静折流圈与动折流圈之间的间隙曲折地由外向中心逐圈流动，最后经出气口5离开床体；作为分散相的液体由进液口6进入并被引流至动盘中心，随后被一系列高速旋转的动折流圈反复甩向静折流圈，最后在壳体内收集后由出液口9引出。液相在其间经历了多次分散聚集的过程，在此过程中，液体以极其细微的液滴甩离动圈，高速运动的液滴在静圈上被碰撞、剪切和飞溅，在旋转气体离心力的作用下形成了比表面积极大而又不断更新的气液界面，实现极高的传质速率15-16。图7 折流式超重力场旋转床结构简图与重力场下的传统塔器相比，折流式超重力旋转床同样具有常规的超重力旋转床（填

20、料式或碟片式等）所具有的特点，传质效率高，设备体积小，停留时间短，持液量小，抗堵能力强，开停车容易，适用于贵重物料、热敏物料、高粘度物料或者有毒的物料的处理，可以在高度、大小受限制的场合使用。但与常规的超重力旋转床相比，折流式超重力旋转床在结构上具有更显著的优点：1）折流式超重力旋转床内气液接触元件为折流圈，其中动折流圈具有自分布功能，转子内液体被多次的分散，不需要初始液体分布器，防堵塞能力强。而常规的超重力旋转床需要初始液体分布器，否则由于液体分布不均匀会大大降低传质效率。2）折流式超重力旋转床“s”型的曲折通道适当的增长了气液接触时间，有利于传质效率的提高。而常规的超重力旋转床的直径有限（

21、受动平衡的限制），尽管转子内气液传质具有极高的速率，但由于气液接触时间极短，使单台设备的分离能力受到限制，不能满足常规有机物精馏分离的要求。3）由于转子与壳体间不存在动密封，再加之液体可以在转子间自动串联流动，因此折流式超重力旋转床可以在同一个壳体内方便地在同一轴上安装多层转子，将单台设备的理论板数成倍地提高，图8即为一台三层转子的折流式超重力旋转床的结构示意图。图8 三层式折流式旋转床结构示意图4）折流式旋转床的转子的静盘和壳体固定连接，气体无法绕过转子形成/短路，因此无需转子与壳体间的动密封。这便进一步简化了内部结构，同时提高了设备的可靠性。5）折流式超重力旋转床的上盘静止，可以方便地在任

22、一个上盘的任意位置设置进料口，可以应用于连续精馏过程。而常规的超重力旋转床，必须将2台旋转床串连才能实现连续精馏的中间进料，这样使得流程复杂，设备投资增大17-19。四、结论与展望超重力精馏作为一种可能带来巨大社会和经济效益的新兴化工分离工程技术，如今正吸引了世界各处的科研工作者对其进行研究。目前，在化工工业上已经成功地应用了超重力精馏技术，并显示出超重力设备相对传统塔设备的极大优越性。基于此，包括glitseh tech ,a kzonobel 在内的著名化工企业都开设了专门研究超重力精馏技术及设备的部门。不仅如此，超重力技术作为一项新兴的强化传递过程的技术在化工、生物、制药、食品、材料和环

23、保等领域都拥有广阔的市场前景。因此加快对超重力技术的应用基础研究，有针对性设计开发出高效紧凑型超重力技术装备具有重要的理论和应用价值20。由于它广泛的适用性，可生产出传统设备所难以生产出的更小、更精、更安全、更高质量的产品,以及具有更能适应环境和对环境友好等特殊性能，将成为21世纪过程工业过程强化的主导技术之一。参考文献1杨村,冯武文,刘玮等.超重力传质技术及其应用精细与专用化学品.2001,第9期 p42-44.2邹海魁,邵磊,陈建峰超重力技术进展从实验室到工业化，化工学报，2006.8,第57卷第8期,p1810-1815.3 chen jian feng. high gravity te

24、chnology and application- a new generation of reaction and separation technology. beijing: chemical industry press, 20034guo f, zheng c, guo k, et al. hydrodynamics and mass transfer in cross- flow in rotating packed bed j .chem eng sci, 1997, 52( 21) : 3853- 3859.5许明,张建文,沈志刚等,超重力旋转床中气液两相流动与传质过程的数值模拟，北京化工大学学报，2004年第31卷第5期，p30-35.6栗秀萍,刘有智,张振翀,超重力精馏传质过程强化理论分析.化学工程.2010.12, vol.38 no. 12,p8-11.7宁方尧,黄悦, 超重力传递机理初探.中国甜菜糖业, 2005 no.1,p35-37. 8栗秀萍,刘有智.超重力场精馏过程探讨现代化工2006,10第26卷增刊(2)p315-319.9kelleher tj r fair.distillati on studies in a high grav ity contactorj.ind en