化工设计概论讲座

1、2.6.2 脉冲萃取塔的开发设计脉冲萃取塔的开发设计朱明乔朱明乔浙江大学化工系浙江大学化工系2009-08目目 录录n一、课题的提出一、课题的提出n二、解决课题的初步方案二、解决课题的初步方案n三、实验中碰到的问题三、实验中碰到的问题n四、实验过程中问题的解决四、实验过程中问题的解决n五、实验结果和讨论五、实验结果和讨论n六、放大设计六、放大设计n七、生产运行七、生产运行n八、展望八、展望n九、论文和成果九、论文和成果2009-08一、课题的提出一、课题的提出n课题背景课题背景n己内酰胺，锦纶己内酰胺，锦纶-6单体单体n拉西（拉西（Raschig）法工艺为主，占）法工艺为主，占90%n生产工艺

2、路线简介生产工艺路线简介n分离精制分离精制苯萃取，巨化集团公司锦纶厂含有苯萃取，巨化集团公司锦纶厂含有510%己内酰胺的残液排放掉，既污染了环境，又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损失了己内酰胺产品n技术指标技术指标n残液处理能力：残液处理能力：600L/hn残液分离要求：残液分离要求：6.4%（wt）降到）降到1%以下以下2009-08二、解决课题的初步方案二、解决课题的初步方案nASPEN PLUS流程模拟软件流程模拟软件n工厂原有的分离方案及技术改造失败的工厂原有的分离方案及技术改造失败的原因剖析原因剖析n国内外的研究及分离技术的调研国内外的研究及分离技术的调研n

3、萃取率提高的关键问题提出萃取率提高的关键问题提出提高传提高传质效率质效率n工业化过程中的基础数据获得及放大规工业化过程中的基础数据获得及放大规则确立的方案则确立的方案2009-08三、实验中碰到的问题三、实验中碰到的问题n液液平衡数据的设计和测定方法液液平衡数据的设计和测定方法n脉冲萃取塔的小试设计和加工脉冲萃取塔的小试设计和加工n脉冲发生器的设计和加工脉冲发生器的设计和加工n小试实验流程的建立小试实验流程的建立n进出物料组成的确定进出物料组成的确定n小试脉冲萃取塔性能测试点的分布小试脉冲萃取塔性能测试点的分布n中试实验流程的建立和试验方案中试实验流程的建立和试验方案2009-08四、实验过程

4、中问题的解决四、实验过程中问题的解决(1)n液液平衡数据液液平衡数据n实验条件创造实验条件创造n实验点的分布实验点的分布n分析方法确定分析方法确定n脉冲萃取塔小试脉冲萃取塔小试n脉冲筛板及连接脉冲筛板及连接n脉冲筛板柱和填料柱脉冲筛板柱和填料柱n脉冲发生器的选择与改进脉冲发生器的选择与改进n实验流程实验流程2009-08四、实验过程中问题的解决四、实验过程中问题的解决(2)n脉冲萃取塔小试脉冲萃取塔小试n实验点实验点n性能测试性能测试n脉冲萃取塔中试脉冲萃取塔中试n中试方案确定中试方案确定2009-08五、实验结果和讨论五、实验结果和讨论(1)n液液平衡研究结果液液平衡研究结果2009-08五

5、、实验结果和讨论五、实验结果和讨论(2)n液液平衡研究结果液液平衡研究结果2009-08五、实验结果和讨论五、实验结果和讨论(3)n液液平衡研究结论液液平衡研究结论n（1）测定了）测定了7套与己内酰胺残液回收有关的液液平衡数据：套与己内酰胺残液回收有关的液液平衡数据：20、3030、4040下下己内酰胺己内酰胺-水水-苯体系；苯体系；20、3030下下己内酰胺己内酰胺-水水-硫酸铵硫酸铵-苯体系；苯体系；pH=2、4下己内酰胺下己内酰胺-水水-硫硫酸铵酸铵-硫酸硫酸-苯体系苯体系。其中后。其中后6 6套体系未见文献报道。套体系未见文献报道。n（2）在温度）在温度2040范围内，温度升高对范围内

6、，温度升高对己内酰胺萃取回己内酰胺萃取回收有利。收有利。n（3）在）在pH=26范围内，范围内，pH升高对升高对己内酰胺萃取回收有利。己内酰胺萃取回收有利。n（4）在己内酰胺水溶液中加入硫酸铵，）在己内酰胺水溶液中加入硫酸铵，对对己内酰胺萃取己内酰胺萃取回收有利。回收有利。2009-08五、实验结果和讨论五、实验结果和讨论(4)n脉冲萃取塔小试结果脉冲萃取塔小试结果n脉冲筛板萃取塔液泛试验脉冲筛板萃取塔液泛试验n脉冲筛板萃取塔操作稳定性考察脉冲筛板萃取塔操作稳定性考察n萃取比对己内酰胺水溶液萃取效果的影响萃取比对己内酰胺水溶液萃取效果的影响n脉冲筛板萃取塔操作性能测试正交试验脉冲筛板萃取塔操作

7、性能测试正交试验2009-08五、实验结果和讨论五、实验结果和讨论(5)n脉冲萃取塔中试操作现象脉冲萃取塔中试操作现象2009-08五、实验结果和讨论五、实验结果和讨论(5)n脉冲萃取塔中试操作稳定性考察脉冲萃取塔中试操作稳定性考察2009-08五、实验结果和讨论五、实验结果和讨论(6)n脉冲筛板萃取塔表观传质单元高度关联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. 1dccdcoxpuuafuafuuHTU200

8、9-08六、放大设计六、放大设计(1)61. 02121ttDDtteHH1 tH2tH1tD2tD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

9、大加剧了流浪分布不均匀与逆向混和，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）：正（经验）：工业塔的传质单元高度，工业塔的传质单元高度，m；模型塔的传质单元高度，模型塔的传质单元高度，m；工业塔的直径，工业塔的直径，m；模型塔的直径，模型塔的直径，m。 2009-08六、放大设计六、放大设计(2)(1TTDDnoxpoxpeHTUHTU实验得到：实验得到：2009-08六、放大设计六、放大设计(3)n1、塔径计算、塔径计算n2、有效塔高计算、有效塔

10、高计算n3、塔内部件设计及加工、塔内部件设计及加工n塔板设计塔板设计n分离段设计分离段设计n脉冲系统设计脉冲系统设计n4、脉冲系统结构、脉冲系统结构2009-08生产装置生产装置2009-08脉冲系统结构脉冲系统结构2009-08七、生产运行七、生产运行图图4.3 实际生产进出料含己关系图( 1 ) 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 w t %进料含己出料含己2009-08八、展望八、展望n国际上已有专业性的溶剂萃取期刊定期出版，而且每国际上已有专业性的溶剂萃取期刊定期出版，而且每23年有一次世界性的溶剂萃取国际学术会议（年有一次

11、世界性的溶剂萃取国际学术会议（ISEC）在不）在不同国家轮流举行。同国家轮流举行。n随着能源和资源利用、生物和医药工程、环境工程和高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，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脉冲萃取塔的应用将会更多。n溶剂萃取具有处理能力大、选择性好、操作方便、能耗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。较低和回收率高等优点。n专利的推广及带动新型萃取技术的开发专利的推广及带动新型萃取技术的开发2009-08九、论文和成果九、论文和成果(1)n项目项目n己

12、内酰胺生产装置废液回收中试项目，作为巨化集团己内酰胺生产装置废液回收中试项目，作为巨化集团公司公司2001年重点技术攻关项目，列入年重点技术攻关项目，列入2001年公司科研年公司科研开发计划（巨化集团公司）开发计划（巨化集团公司）n巨化巨化5kt/a己内酰胺装置废液回收中试研究课题，作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为浙江省重点攻关项目列入2001年省科学技术研究计年省科学技术研究计划项目（省科技厅）划项目（省科技厅）2009-08九、论文和成果九、论文和成果(1)n专利专利n用于萃取的脉冲塔，申请日：用于萃取的脉冲塔，申请日：2003,04, 30，授，授权日：权

13、日：2005,05,18，专利号：，专利号：ZL 03 1 16771.3，证书号：证书号：208964。n用于萃取塔的脉冲发生器，公开号用于萃取塔的脉冲发生器，公开号2477245，专利号：专利号：ZL 01 2 21114.1，申请日：，申请日：2001,04,12，授权日：授权日：2002,02,20。n用于脉冲萃取的筛板塔，用于脉冲萃取的筛板塔， 公开号公开号 2477247，专，专利号：利号：ZL 01 2 21108.7，申请日：，申请日：2001,04,12，授权日：授权日：2002,02,20。 2009-08九、论文和成果九、论文和成果(2)n奖励奖励n用脉冲筛板塔回收残液中

14、的己内酰胺小试，通过鉴定，浙用脉冲筛板塔回收残液中的己内酰胺小试，通过鉴定，浙科鉴字科鉴字2000379，2000.9。n己内酰胺装置废液回收中试技术，通过巨化集团公司评审，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。填补国内空白。n脉冲筛板塔回收废液中己内酰胺技术改造项目，获巨化集脉冲筛板塔回收废液中己内酰胺技术改造项目，获巨化集团公司团公司2001年度科技进步一等奖、省科技进步二等奖等。年度科技进步一等奖、省科技进步二等奖等。n论文论文nXie F.Y., Zhu M.Q., Liu J.Q., He C.H. Extraction of Caprolactam fr

15、om Ammonium Sulfate Solution Using Pulsed Packed Column , Chinese J. Chem. Eng.(Special Issue), in press2009-08九、论文和成果九、论文和成果(3)nHe C.H., Liu J.Q., Xie F.Y., Zhu M.Q. Recovery of Caprolactam from Waste Water in Caprolactam Production Factory using Pulsed-sieve-plate Extraction Column, Chinese J. Che

16、m. Eng., in pressnHE Chaohong, ZHU Mingqiao LIU Jianqing, and XIE Fangyou. Scale-up Effect of Pulsed Sieve-Plate Column for Recovering Caprolactam from Waste Water, Proceedings of CKCSST01, Oct. 31-Nov.2 2001, Hangzhou ChinanZHU Mingqiao, HE Chaohong, LIU Jianqing, and XIE Fangyou. Extraction of Cap

17、rolactam from Ammonium Sulfate Solution Using Pulsed Packed Column Proceedings of CKCSST01, Oct. 31-Nov.2 2001, Hangzhou China2009-08九、论文和成果九、论文和成果(4)n效益效益n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技改项目，回收己内酰胺年新增经济效益120多万元；排放多万元；排放废水中的废水中的COD从原从原110000mg/l降至降至60000 mg/l，年减少

18、，年减少COD排放排放800t/a以上，年减少处理费用以上，年减少处理费用100多万元，有较好多万元，有较好的经济效益和环保效益。的经济效益和环保效益。n其它研究的影响其它研究的影响n2001国家自然科学基金：批准号，批准号，20176049；从植物中高；从植物中高效地提取分离黄酮类化合物的基础研究，效地提取分离黄酮类化合物的基础研究，20022004n2002年国家自然科学基金申请及省自然科学基金申请：己己内酰胺合成的绿色催化研究内酰胺合成的绿色催化研究n中石化其它的绿色催化研究其它的绿色催化研究2009-08THANK YOU!2009-08生产工艺路线比较生产工艺路线比较分子筛分子筛+H

19、2SO4 -(NH4)2SO4+NH2OH+H2SO4 - -(NH4)2SO4+H2O2+NH3 TS-1+O2+O2+H2O H-ZSM-5+O2+3H2 Ru催化剂催化剂+3H2苯苯苯苯环己烷环己烷环己烯环己烯环己醇环己醇环己醇环己醇环己酮环己酮环己酮环己酮环己酮肟环己酮肟环己酮肟环己酮肟己内酰胺己内酰胺己内酰胺己内酰胺尼龙尼龙66尼龙尼龙66尼龙尼龙6尼龙尼龙6Classical routeNew route2009-08精制分离流程简图精制分离流程简图硫硫铵铵萃萃取取塔塔粗粗油油萃萃取取塔塔苯来自蒸苯塔苯来自蒸苯塔去蒸苯塔去蒸苯塔硫铵溶液硫铵溶液粗油粗油2009-082009-082

20、009-082009-08脉冲筛板萃取塔液泛试验脉冲筛板萃取塔液泛试验2009-08脉冲筛板萃取塔操作稳定性考察脉冲筛板萃取塔操作稳定性考察2009-08萃取比对己内酰萃取比对己内酰胺水溶液胺水溶液萃取效果的影响萃取效果的影响2009-08操作性能测试正交试验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，s-10.831.001.252009-08操作性能测试正交试验操作性能测试正交试验脉冲筛板萃取塔操作性能测试 L9（34）正交表 因素试验号进料量qF，

21、L/h萃取比Rm脉冲振幅a，cm脉冲频率f，s-1111322211133123412215223363212713138232293331正交表应用计算表正交表应用计算表如下表所示。如下表所示。2009-08 L L9 9（3 34 4）正交表应用计算表（以表观传质单元高度）正交表应用计算表（以表观传质单元高度HTUHTUoxpoxp为试验目标）为试验目标）列号列号1 12 23 34 4因素因素进料量进料量q qF F，L/hL/h萃取比萃取比R Rm m脉冲振幅脉冲振幅a a，cmcm脉冲频率脉冲频率f f，s s-1-1传质单元高度传质单元高度H Hoxpoxp，m m试验号试验号水平

22、水平1 11 1（3.53.5）1 1（5 5）3 3（0.640.64）2 2（1.01.0）H Hoxp1oxp1=0.302=0.3022 22 2（6.26.2）1 11 1（0.380.38）1 1（0.830.83）H Hoxp2oxp2=0.479=0.4793 33 3（8.98.9）1 12 2（0.510.51）3 3（1.251.25）H Hoxp3oxp3 =0.324 =0.3244 41 12 2（6 6）2 21 1H Hoxp4oxp4=0.386=0.3865 52 22 23 33 3H Hoxp5oxp5=0.313=0.3136 63 32 21 12 2H Hoxp6oxp6=0.414=0.4147 71 13 3（7 7）1 13 3H Hoxp7oxp7=0.323=0.3238 82 23 32 22 2H Hoxp8oxp8=0.343=0.3439 93 33 33 31 1H Hoxp9oxp9=0.358=0.358I Ij jIIIIj jIIIIIIj jk kj jI Ij j / k / kj