旋转填料床精馏性能研究

从图 3 可以得出如下结论。
( 1) 在回流量不变的情况下, < 42. 95 时, 理
论塔板数随着超重力因子的增加而增加。在回流
量为 10. 2 L / h 时, 理论板数从 4. 6 增加到 5. 5。 原因是:
1) 由公式( 6) 可以得到, 超重力因子增大, 转
子的旋转速度增大。根据文献[ 12] 3. 2. 1 液体 流动模型 得知, 在低转速区( 约小于 60 g) , 流体
表 2 转子尺寸
外径/ mm 内径/ mm 高/ mm 厚/ mm
180
60
40
1. 5
孔隙率 0. 65
Fra Baidu bibliotek
材料 碳钢
表3
直径/ mm
堆积密度 / ( kg m- 3)
0. 285 361. 72
波纹丝网填料性能
几何比表面积 / ( m2 m- 3)
孔隙率
7 100
0. 954 2
材料 不锈钢
1. 3 实验条件 原料液 w ( 乙醇) 10% ~ 20% 旋转转速 n ( 200~ 2 400) r/ min 回流液量 qv ( 4~ 20) L/ h 利用比重 天平测量回流液 和再沸器 溶液浓
第3期
化的曲线。
栗秀萍, 等 . 旋转填料床精馏性能研究
27
在不同的回流液量下, 超重力因子与理论塔 板数的实验曲线见图 3。
图 2 F 因子对理论板数的影响
从图 2 实验数据可得出以下结论。
( 1) 在 同一 旋转 转 速下, 气 相 动能 因 子在 ( 0. 22~ 0. 46) kg0. 5 m- 0. 5 s- 1之间, 理论塔板数
其因次式为
[
qv 3
T-
1]
b[
M
0.
5q
v
0. 5
T-
1]
c[
MT-
2
qv -
1]
d
= T - b- c- 2dqv 3b- 0. 5 c- dM 0. 5c+ d
因 T 、qv 、M 为独立因次, 故其幂指数必为零, 即
- b- c- 2d = 0 3b - 0. 5c - d = 0
0. 5c + d = 0 解之得
填料床的理论板数为:
N0 = N - 1
( 3)
N 0 由计算机编程求得。
2. 3 理论板数关联式
从实验结果与资料分析, 旋转填料床的理论
板数与超重力因子 , 回流液量 qv , 气相动能因子 F , 填料中液膜厚度 , 液体在填料中的停留时间
T , 转子的内外径 R1, R2, 转子轴向高度 h, 填料的 空隙率 与比表面积 af, 液体密度 、表面张力 和粘度 , 操作温度 T 与压力P 等因素有关。但对 于本实验, 使用的旋转填料床的结构不改变, 填料 不改变。因此应用因次分析法求理论板数与其它
当 > 0. 3 时, = 0. 893 8x - 1. 062
( 2)
式中 x 为乙醇摩尔分率。
关联式 的平均 偏差 为 0. 75% , 最大偏 差为
5. 9% , 能较好地拟合气液平衡数据, 因此笔者采
用上式进行气液平衡的编程计算。
2. 2 理论塔板数
在实验中, 再沸器视为一块理论板, 所以旋转
度。
2 数据处理
2. 1 相对挥发度
对于理想溶液不同浓度的溶液相对挥发度为
常数, 而对于非理想溶液随溶液浓度变化较大, 根
据常压下乙醇水溶液的气液平衡数据, 经回归得
到相对挥发度与溶液摩尔分率的关系为[ 15] :
当
0. 3 时, = 1. 121 3( x + 0. 2)- 1. 523 5 ( 1)
表示为:
1/ 2
di = 2. 45 2 ri
( 9)
从上式可以看出: 其它条件不变时, 随着转速
的增大, 填料床内液滴的直径 di 变小, 达零点几 毫米或更小, 巨大的气流会将液滴带出, 造成液沫
夹带, 传质效率会明显降低;
2) 随着转速的增大, 液体在转子内的流动速 度增大, 停留时间变短, 不利于汽液平衡, 传质效
接触面积增大, 因而其传质效率提高;
2) 本实验为全回流操作, F 因子增大, 汽相
流量增大, 相应液相回流量亦增大, 根据文献[ 10]
液体在转子填料内的分布不均匀性可知, 液体在
填料内的流量越大, 液体分布的均匀性提高, 填料
的润湿面积增加, 诚然, 汽液接触面积增大, 有效
比表面积增大, 提高了汽液传质效果。 ( 2) 气相动能因子 F 在( 0. 46~ 0. 91) kg0. 5
随 F 因子的增大而增大。如在旋转速度为 800
r/ min时, F 因子从 0. 22 kg0. 5 m- 0. 5 s- 1变化到 0. 46 kg0. 5 m- 0. 5 s- 1时, 理论板数从 3. 86 增加
到 5. 5。主要原因是:
1) 旋转速度不变时, F 因子增大, 气体在转
子中的流动速度 u 增大, 液相湍动程度加剧, 汽液
图 1 实验流程图
26
化工科技
第 12 卷
1. 2 主要设备性能 采用立式逆流型旋转填料床。旋转床主要部
件, 转子及填料的性能如表 1~ 表 3 所示。
表 1 旋转床主要部件尺寸
入口 出口
气相管 / mm
56 56
液相管 液体分布管 / mm 直径/ mm 数量
6
56
1
4
外壳 /mm
220
材料 碳钢
科研开发
化工科技, 2004, 12( 3) : 25~ 29 SCIENCE & T ECHNO LOGY IN CHEM ICA L I NDU ST RY
旋转填料床精馏性能研究
栗秀萍, 刘有智, 祁贵生, 章德玉, 焦纬洲
( 华北工学院 化学工程系, 山西 太原 030051)
摘 要: 以乙醇- 水溶液为物系, 对转子内径为 60 mm, 外径为 180 mm, 高 40 mm 的旋转填料床进行
体的滞留死 区, 汽液接触面增大, 有利于传质进
行。
( 2) 在超重力因子 > 67. 11 时, 理论塔板数
随着 的增大而减小, 近似成负数次幂关系。原
因是:
1) 根据文献[ 12] 可知, 在高转速区( 约大于
100 g ) , 流体在填料中主要以填料表面上的液膜
和液滴两种形式流动, 液滴直径与转速的关系可
1 实验部分
1. 1 工艺流程 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 一个静止分布器 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。
在填料中主要是以填料表面上的液膜与覆盖填料
孔隙眼的液膜的形式流动, 液膜厚度与转速的关
系可用下式( 7) 表示:
= 4. 20
108
v qv f 2R
( 7)
从上式可以看出: 其它条件不变时, 旋转角速度变
大, 转子内的液体所受的离心力增大, 液体相对滑 动速度增加, 巨大的剪切应力将克服其表面张力,
m- 0. 5 s- 1之间, 理论板数随着 F 因子的增大而
减小。主要原因是: F 因子增大, 汽液流量均增
大, 在填料中的流动速度同时增大, 停留时间变
短, 不利于气液平衡。
( 3) 在气相动能因子 F 为 0. 46 kg0. 5 m- 0. 5 s- 1时, RPB 的传质效率最好, 理论板数为 5. 5。
使液体在丝网填料( 不锈钢) 中的液膜变得更薄,
汽液接触面积增大, 从而强化传质过程。
2) 根据液体在超重力旋转填料床内流动的 不均匀性可知, 液体周向绕流流动速度与旋转速
度的关系为:
u
=
A 3v
R
i
2
( 8)
式中 A 为实验所测, 为第 R i 层填料半径。
由上式可得到, 在其它条件不变时, 随着旋转
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
因素的模型时, 物理量选择为理论板数 N , 超重 力因子 , 回流液量 qv , 气相动能因子 F 与操作压 差 P。
实验显示, 旋转填料床的理论板数可写成与 超重力因子 、回流量 qv 、F 因子和操作压降 P 的幂指数关系。因此可将超重力旋转床的理论板
数表达为:
N = A qvbFc Pd
( 4)
率亦下降。
( 3) 超重力因子在 42. 95~ 67. 11 之间, 超重
力旋转填料床的传质效果最好, 理论塔板数为最
大, 在本实验的操作条件下, 最多达 5. 5 块。原因
是: 在该转速区, 液体在填料内以填料表面上的液
膜、覆盖填料孔隙眼的薄液膜、很细的丝和很小的
在传统的填料塔中, 液相是靠重力自然地由 上而下流动, 因此, 液膜流动缓慢, 所形成的液膜 厚度大, 单位体积内有效接触面积小, 由液膜控制 的传质的传质系数 KL a 低。特别是容易液泛, 操 作弹性受到极大的限制; 另一个不可克服的缺点 是气阻较高。故这类设备体积庞大, 空间利用率 和设备生产强度低, 材耗多, 投资大, 能耗和操作 费用高。多年来, 国内外科研工作者不断寻求强 化传质的途径和节能设备。旋转填料床技术在这 方面受到人们的极大关注。在旋转填料床中, 由 于液体受数百倍或更高的重力场的作用及旋转填 料巨大的剪切力的作用, 被拉成极薄的膜、很细的 丝和微小的滴, 表面被迅速更新, 产生巨大的相间 接触面积, 使相间传质速率比传统的塔器中的提 高 1~ 3 个数量级, 因此它可显著地强化 三传 过 程, 具有很高的传质系数和很大的操作弹性。此 外还具有停留时间短、微观混合均匀、持液量小等 优点, 使 其 在 某 些 应 用 方 面 呈 现 出 独 特 的 优 势[ 1~ 14] 。
作者以乙醇- 水溶液为研究介质, 在旋转填料 床内进行全回流精馏实验研究。对不同转速、不 同通量下旋转填料床的理论塔板数进行了探讨研 究。
收稿日期: 2004- 04- 02 作者简介: 栗秀萍( 1972- ) , 女, 山 西繁峙 人, 华 北工学 院 讲师, 主 要 从 事 化 学 工 程 与 工 艺 方 面 的 研 究, 电 话: 0 13 93 42 38 44 8。
5-
lg N
2
的值分别为最小, 通过求解得待定系数 A 、 、c 的
值。
3 结果与讨论
实验测定回流液和再沸器溶液的质量浓度, 计算出理论塔板数, 以理论塔板数的多少来表示 传质效率的高低。 3. 1 气相动能因子 F 对传质效率的影响
图 2 所示为转速为 400、800、1 200 r/ min 时, 旋转填料床的理论塔板数随气相动能因子 F 变
精馏试验。结果表明, 在低转速区旋转填料床的理论塔板数 随气相 动能因 子 F 和超 重力因 子 的增大
而增大, 传质单元高度为 1. 09~ 1. 76 cm; 并建立了传质模型。
关键词: 旋转填料床; 精馏; 塔板数; 传质效率 中图分类号: T Q 028. 1+ 3 文献标识码: A
文章编号: 1008- 0511( 2004) 03- 0025- 05
b= 0
d = - 0. 5c
说明理论板数与回流量无关, 故得 N = A Fc P- 0. 5c
Fc
( 5)
=A
P 0. 5
然后再应用最小二乘法, 分别对其进行多元非线
性回归。上式可化为:
lg A +
lg + clg
F P 0. 5
-
lg N =
0
应使
n
lg A + a lg + clg
F P 0.
角速度 的增大, 周向流动速度 u 成正比增大。
周向流动速度增大, 单位时间内填料的润湿面积增 加, 那么汽液接触面积增大, 因此旋转床的有效比
表面积、传质系数都随着旋转速度的增大而增大。
3) 旋 转速度增 大, 液体 所受的 离心 力也越
28
化工科技
第 12 卷
大, 填料内的细流道不会产生持液现象, 减少了液
3. 2 超重力因子对传质效率的影响
超重力因子( ) 是由华北工学院刘有智教授
在多年研究超重力技术的基础上提出的无因次因
子, 它是超重力加速度与重力加速度比的平均值。
表达式为:
=
2r g
( 6)
式中 = 2 n, r = 0. 06 m, g= 9. 8 m s- 2。
图 3 超重力因子和理论塔板数的关系