北京化工大学-超重力课程设计

超重力隔壁精馏塔分离三组分结构设计

摘要

超重力技术是强化多相流传递及反应过程的新技术，由于它的广泛适用性以及具有传统设备所不具有的体积小、重量轻、能耗低、易运转、易维修、安全、可靠、灵活以及更能适应环境等优点，使得超重力技术在环保和材料生物化工等工业领域中有广阔的商业化应用前景。

精馏是石油化工等工业过程中应用最广泛的单元操作之一，但其存在能耗高、热力学效率低的问题。隔壁塔作为完全热耦合的一种特殊结构，可以在一个塔壳内同时完成三组分的分离，具有设备投资少、能耗低的特征。

本文尝试将两种结构结合，强强联合下产生超重力隔壁精馏塔，希望得到更加高效的分离效率。

关键词：超重力；隔壁塔；超重力隔壁精馏塔

目录

1超重力 (1)

1.1旋转填料床结构及特点 (1)

1.2旋转床分类 (2)

2精馏 (3)

2.1精馏过程及特点 (3)

2.2隔壁塔 (4)

3超重力精馏的提出 (5)

4超重力隔壁精馏塔结构设计 (5)

5可行性 (6)

参考文献 (8)

1超重力

通过旋转产生离心力来模拟超重力。超重力机以气液、液液两相或气液固三相在模拟的超重力环境中，多孔填料或孔道内，进行混合、传质与反应为其主要特征。对传递和微观混合过程的极大强化。

1.1旋转填料床结构及特点

超重力实现的过程中使用最多的是旋转填料床。旋转填料床是利用高速旋转的填料形成超重力场并对通过填料的汽液进行无限切割，使其表面不断更新的高效分离设备。其主要结构包括外壳、转子和液体分布器。设备的核心部分是转子，其主要作用是固定填料并带动其旋转，实现良好的气液接触与微观混合。转子一般由上下盘片和转鼓构成，通过轴与电机连接。轴与旋转填料床外壳用轴承连接并加以密封，防止汽、液向外渗漏。转子在轴的带动下以每分钟数百至数千转的速度旋转。

图1 超重力实现方式

通过多年对旋转填料床的基础理论研究和应用研究，发现旋转填料床有以下特点：（l）在相同的操作条件下，与常用的板式塔、填料塔相比，传质单元高度可降低

1-2个数量级，体积传质系数可提高1-3个数量级，设备的体积可缩小10倍以上；

（2）气液通量可得到极大提高，气体、液体通量可相应增大到很大而不产生液泛；

（3）填料空隙率一般在90%以上，远大于普通的填料塔。在高通量下，气相压降一般比相同传质单元数的普通填料塔还低，所以能耗比较小；

（4）持液量比较小，液体在转子内的停留时间很短，适合处理一些热敏性、昂贵或者有毒的物料；

（5）体积较小，重量轻，可以垂直、水平或任意方向安装，不怕震动与颠簸，适用于舰船、飞行器等运动物体或高度、大小受限制的场合；

（6）占地面积和体积大幅度减小，不仅节省大量的基建投资，而且设备的重量轻、维修方便、可缩短检修工期。设备费用比传统塔设备大幅度减小，有利于降低产品成本；

（7）开停车容易，几分钟就可以达到稳定。

1.2旋转床分类

目前，旋转床的结构一般分为立式和卧式两种，它主要由转子、密封、填料、壳体、液体分布器等部分组成。转子是其核心部分，转子有不同的结构形式，一般由多孔填料构成，通过转轴与电机连接，以每分钟数百转至数千转的速度旋转，提供超重力环境。工作时气相经气体进口管由切向进入转子外腔，在气体压力的作用下由转子外缘处进入填料，液体由液体进口进入转子内腔，经液体分布器喷头喷洒在转子内缘上，进入转子的液体受到转子内填料的作用，周向速度增加，所产生的离心力将其推向转子外缘。在此过程中，液体被填料分散、破碎形成极大的不断更新的液膜，曲折的流道更是加剧了液体表面的更新，液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下与气体以极大的相对速度在填料孔道中逆向接触，极大地强化了传质过程。而后，液体被转子抛到外壳汇集后经液体出口管离开旋转填料床，气体自转子中心离开转子，由气体出口管引出，在此过程中完成传质、传热及反应过程。

图2 旋转填料床结构

2精馏

2.1精馏过程及特点

精馏是指利用溶液中各组分相对挥发度的差异，经过多次部分冷凝与汽化，使组分得以分离的化工单元操作过程。精馏是目前应用最广的一类液体混合物分离方法，其具有如下特点:

(l)通过精馏分离可以直接获得所需要的产品，而吸收。萃取等分离方法，由于有外加的溶剂，需进一步使所提取的组分与外加组分再进行分离，因而精馏操作流程通常较为简单。

(2)精馏分离的适用范围广，它不仅可以分离液体混合物，而且可用于气态或固态混合物的分离。例如，可将空气加压液化，再用精馏方法获得氧。氮等产品;再如，脂肪酸的混合物，可用加热使其熔化，并在减压下建立汽液两相系统，用精馏方法进行分离。

(3)精馏过程适用于各种浓度混合物的分离，而吸收。萃取等操作，只有当被提取组分浓度较低时才比较经济。

(4)精馏操作是通过对混合液加热建立汽液两相体系的，所得到的气相还需要再冷凝液化。因此，精馏操作耗能较大。

精馏过程中的节能是个值得重视的问题。精馏作为现代工业应用最广的分离技术之一，目前已具有一定的基础理论研究和相当成熟的工程设计经验。精馏是石油化工、

有机化工、精细化工、制药等行业生产过程中最重要的单元之一，是产品分离、提纯的重要手段，在生产中对产品质量、生产效率、能耗等具有举足轻重的影响。随着化学工业、石油化工、环境工业等领域的不断发展，精馏分离过程的处理量大、操作连续化等优势得以充分发挥，但其高能耗、体积庞大等特点，在大型工业化生产过程中无可避免地遇到高能耗、大体积、大投资等与产品的高纯度的矛盾。因此，如何解决产品达到高纯度和精馏装置的高能耗之间的矛盾就成为目前精馏学科和工程研究开发的主要目标。

2.2隔壁塔

隔壁塔作为精馏设备的一种，有着节能的优势。隔壁塔（Dividing Wall Column，简称DWC）属于完全热耦合的特殊类型。分壁精馏塔实质就是在塔内部增设一个竖立的隔板，将常规精馏塔的内部一分为二，在一个精馏塔内同时完成传质和传热过程。与完全热耦合精馏塔相比，分壁精馏塔将完全热耦合精馏塔的预分馏塔与主塔组合在同一个精馏塔内，这样的结构省去了一个再沸器和一个冷凝器，从而节省了设备投资，同时由于热量在同一个塔内重复循环利用，因此也节省了能耗。

图3 隔壁塔工艺流程图

隔壁塔分为4个区域，1区为AB/BC的与分离塔，为预分馏段。通过2区得到较纯的A，并为1、4区提供液相回流，为公共精馏段。通过3区得到较纯的C，并为1、4区提供气相回流，为公共提馏段。通过4区得到B，为侧线采出段。