《超重力课程作业》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超重力课程作业（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、存档日期： 存档编号: 北京化工大学研究生课程论文课程名称： 超重力技术及应用 任课教师： 邵磊 完成日期： 年 月 日专 业： 学 号： 姓 名： 成 绩：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
2、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11.1旋转填料床结构及特点11.2旋转床分类22精馏32.1精馏过程及特点32.2隔壁塔43超重力精馏的提出54超重力隔壁精馏塔结构设计55可行性6参考文献8超重力隔壁精馏塔分离三组分结构设计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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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。3超重力精馏的提出汽液传质设备如填料塔
10、、板式塔等，已广泛地应用于化学及相关工业。而在这些传质设备中，液体的流动一般是依靠重力作用实现的，由于重力场引力较弱，液膜流动缓慢，传质系数较低，导致填料塔、板式塔等传质设备体积庞大、生产强度低。随着现代化工工业生产规模不断扩大，设备体积也越来越大，设备投资费用、操作费用及设备的维修费用不断攀升，己大大限制了经济效益的提高。长期以来，人们从以下三个方面不断地研究汽液两相传质的强化。一是通过改进设备结构，以改善两相流动和接触。二是引入质量分离剂，提出各种耦合或复合型传质分离技术。三是引入能量分离剂(如磁场、电场、超声波)，实现目标组分分离。强化汽液两相传质过程的目的是最大限度地提高单位体积设备的
11、传质通量、缩小设备尺寸、简化工艺流程、降低投资成本和操作费用，实现低耗高效的工业生产，以提高化学工业及相关产业的经济效益。超重力不仅使液体的表面张力变得微不足道，而且液体在巨大剪切力的作用下被拉伸成膜成丝成滴，产生出巨大的相间接触面积。因此极大地提高了传质速率，也提高汽液逆流操作的泛点气速，这一切都对分离与操作有利。4超重力隔壁精馏塔结构设计考虑到超重力技术中旋转填料床和精馏中的隔壁塔设备在各自领域都有着很大的优势，那他们两个能不能结合起来形成一种新的设备？达到更好的节能优势呢个？设计超重力隔壁精馏塔需要考虑以下问题：1）塔整体如何设计？2）如何在旋转床中实现隔壁塔中的隔板效果？3）如何实现旋
12、转机的中间进料？于是设计了图4所示的超重力隔壁精馏塔，虚线为液体经过路线，实线为气体经过路线，在塔内气液两相逆流接触，以达到更好的传质效果。1.液相回流 2.导向板 3.液相回流 4.塔顶采出A 5.冷凝器 6.侧线采出B 7.液体分布器 8.挡板 9.挡板 10.气体分布器 11.进料管 12.塔釜采出C 13.再沸器图4 超重力隔壁精馏过程示意图5可行性（1）在基础研究方面，研究者发现了旋转填充床区别于传统塔器设备最突出的特征旋转填充床的端效应区，即在转子内缘环形区域传质效率数倍于转子主体区（转子内除去端效应区的部分）。因此在上图左右两端（相当于公共精馏段和公共提馏段）的旋转机利用导流板将
13、液体汇集到中心区域，充分利用端效应来增加传质效率。（2）在中间部分（相当于预分馏段和侧线采出段）的旋转机的设计采用隔壁塔的设计方法，为了使隔壁塔中的隔壁能在旋转机中起到分离气液两相的作用，中间部分旋转机用卧式旋转机，在适当位置加入隔板，并在远离中心端设置气相分配器，将气体按照一定的比例分配到左右两个区域（预分馏段和侧线采出段）。为了能在中间部分（预分馏段）进料，在其中适当位置加入导流管，直接将液体送入旋转机内部。（3）超重力隔壁塔与普通旋转机相比，能够一次分离三组分，效率更好。而且普通的旋转机完成三组分精馏，会至少需要两个旋转机，因此需要两个蒸发器和两个冷凝器，而超重力隔壁塔只需要一个蒸发器和
14、一个冷凝器就可以，节省了一个一个蒸发器和一个冷凝器的设备费用。而且使用一个蒸发器和一个冷凝器对蒸汽和冷凝介质的利用率更高。（4）超重力隔壁塔与普通隔壁塔相比，由于使用了超重力技术，传质效率更好，因此设备尺寸大大减小，减少了设备费用。参考文献1 陈阳,超重力精馏技术J.化学中间体,2013,4:24-28.2 罗勇,初广文等,导向板式旋转填充床的创新设计及其基础研究R.2015中国化工学会第1分会场,20153 栗秀萍等，超重力精馏的应用与发展J.化学中间体,2010,7:14-17.4 雷锋斌，新型精馏旋转床的基础理论及应用研究J.中北大学学报,2009,30（3）:261-2665 高鑫,初广文等,新型多级逆流式超重力旋转床精馏性能研究J.北京化工大学学报,2010,30（4）:1-56 Hong Zhao, Lei Shao, Jian-Feng Chen. High-Gravity Process Intensification Technology and Application. Chemical Engineering Journal, 2010, 156: 588-5937 陈建峰,郭锴,郭奋,邵磊等,超重力技术及应用新一代反应与分离技术.北京：化学工业出版社,2002,78 邹海魁,初广文,赵宏,向阳,
