短塔技术的研究现状

本文介绍了近年发展起来的短塔技术以及应用短转盘塔和振动筛板槽进行的有关液滴运动、轴向混合、传质性能、液液分散特性等方面的研究工作。     

往复振动筛板萃取塔放的大设计模型

对往复振动筛板萃取塔（RPEC）塔内的传质过程进行了理论分析，并在此基础上，从单液滴传质模型出发，应用数学统计方法建立了RPEC放大设计模型，即进行放大设计时应遵循通量、塔板间距、振幅和频率不变的原则计算表观传质单元高度H_OXP.采用林可霉素-正丁醇-酸水物系对塔径100 mm的RPEC实验塔研究表明：真实传质单元高度H_OX与体系物性、表观速度、输入能量（振幅A×频率f）有关，而与塔径无关，且不受轴向混合的影响，模型较好地预测了H_OX随输入能量的增加而减小，而通量的变化则对其影响较小;分散传质单元高度H_OXD是塔径D、输入能量、通量U_s和体系物性的函数，实验结果表明模型较好地描述了输入能量和通量增加强化传质起主导作用，有效降低分散传质单元高度H_OXD的传质过程部分，而不能描述轴向混合起主导作用部分.应用放大设计模型对直径325 mm的RPEC放大设计结果验证模型的预测误差在20％以内.     

折流板脉冲萃取柱水力学性能研究

以体积分数30%三烷基氧膦(TRPO)煤油溶液和1 mol/L硝酸溶液为体系,在100 mm折流板脉冲萃取柱中考察了折流板脉冲萃取柱的操作参数(脉冲振幅、脉冲频率、流速和流比)和结构参数(板间距)对其水力学性能(液泛通量、液泛存留分数和正常操作时分散相存留分数)的影响。实验研究表明:液泛通量随着脉冲强度的减小而增大,与流比和板间距无关,并给出其关联式;操作参数和柱结构参数对液泛存留分数的影响均可忽略;正常操作时分散相存留分数与连续相的流速、流比成正比关系,而与脉冲频率无关,并随板间距和脉冲振幅的增大而增大,并给出了分散相存留分数的经验关联式。     

ø50折流板脉冲萃取柱水力学性能

以30%TRPO煤油溶液和1 mol·L-1硝酸溶液为体系,在ø50折流板脉冲萃取柱中考察了折流板脉冲萃取柱的操作参数(脉冲振幅、脉冲频率、流速和流比)和结构参数(开孔率和板间距)对其水力学性能(液泛通量、液泛存留分数和正常操作时分散相存留分数)的影响.结果表明在乳化操作区,液泛通量随着开孔率增加、脉冲强度和流比的减小而增大,与板间距无关;根据液泛存留分数的结果,给出了最优开孔率为23%;此时正常操作时分散相存留分数与连续相的流速、流比和脉冲振幅呈正比,而与脉冲频率无关,浸润性的影响造成了板间距对以硝酸溶液和30%TRPO煤油溶液为连续相时的分散相存留分数影响规律不同.     

φ50折流板脉冲萃取柱水力学性能

以30％TRPO煤油溶液和1 mol·L^-1硝酸溶液为体系,在φ50折流板脉冲萃取柱中考察了折流板脉冲萃取柱的操作参数（脉冲振幅、脉冲频率、流速和流比）和结构参数（开孔率和板间距）对其水力学性能（液泛通量、液泛存留分数和正常操作时分散相存留分数）的影响.结果表明：在乳化操作区,液泛通量随着开孔率增加、脉冲强度和流比的减小而增大,与板间距无关;根据液泛存留分数的结果,给出了最优开孔率为23％;此时正常操作时分散相存留分数与连续相的流速、流比和脉冲振幅呈正比,而与脉冲频率无关,浸润性的影响造成了板间距对以硝酸溶液和30%TRPO煤油溶液为连续相时的分散相存留分数影响规律不同.     

考虑水力学可行性的反应精馏塔板持液量设计及优化

以筛板塔为塔板基础构型,以原料转化率最大为目标,以塔径和出口堰高为主要调节参数,以塔板水力学可行性为约束条件,建立了一种可优化塔板液相持液量的塔板结构设计方法. 塔模拟计算在Aspen Plus平台上进行,化学反应采用动力学方程表达,塔板水力学计算采用Cup-Tower软件. 结果表明,本设计方法应用于DPC反应精馏过程,在满足流体力学可行性条件下,塔板上液相持液量比基础设计提高了1.39倍,苯酚转化率提高了33.6%.     

静态混合器的入口结构对液液分散的影响

静态混合器广泛应用于溶剂萃取,改造静态混合器的入口结构可以提升混合效果。为探究不同入口结构对液液分散的影响,以传统SK型静态混合器、非对流入口静态混合器、Roughton静态混合器、Y-静态混合器4种不同入口结构的静态混合器为研究对象,通过计算流体力学-种群平衡模型（CFD-PBM）数值模拟方法,考察了不同入口结构对静态混合器中液体流速、混合效果和Sauter平均直径（d32）的影响。模拟结果表明：不同入口结构的静态混合器具有显著差异的流体流动状态、混合效果和液液分散效果。混合效果和液液分散效果从好到差依次为Y-静态混合器、Roughton静态混合器、非对流入口静态混合器和传统SK型静态混合器。在混合元件区,4种入口类型的静态混合器的流速相同,但是混合元件发挥混合和分散的作用不同。Y-静态混合器和Roughton静态混合器作为液液分散设备,可以以较少的混合元件数实现高分散效果。     

转盘萃取塔中连续相轴向混合的研究

根据塔内流体运动规律,分别研究了转盘萃取塔单相流和两相逆流时连续相轴向混合的机理.采用光导纤维测定脉冲示踪的浓度响应,从而得到单相流轴向混合Peclet数和两相逆流时分散相对连续相轴向混合的影响(f_w-△~W)的数学表达式.这些表达式对轴向混合的计算,能从高转盘转速扩展到低转速,并能适用于较广的流速范围.为了分析连续相的轴向混合,对分散相滞留量及分散相液滴直径也作了初步研究,并得出了关联式.     

往复振动筛板塔对低界面张力体系萃取过程的强化

对低界面张力体系正丁醇-丁二酸-水在往复振动筛板塔中的萃取性能进行研究,体系中水为萃取剂,萃取正丁醇中的丁二酸。实验考察了两相流速、相比、传质方向和筛板振动速率对流体力学性能和传质性能的影响,并且与相同操作条件下固定筛板萃取塔的性能作对比。结果表明,筛板振动速率不高于3.5 cm/s的情况下体系没有发生乳化现象,相比增大到2.8时接近液泛点,实验稳定性较差。流速和相比增大能够获得更好的液滴分布和更大的体积传质系数,但增大的幅度要综合考虑设备的最大通量和两相在塔内的停留时间。分散相到连续相的传质方向传质相界面积大,更有利于提高传质效率。相同操作条件下,连续相中的轴向混合远大于分散相的轴向混合。与固定筛板塔的萃取性能相比,振动筛板改善液滴分布、增大处理能力和强化传质的作用都很明显。     

翼形轴流桨用于液液分散的冷模研究

翼形桨是新一代高效轴向流叶轮。本文将这类叶轮用于液液分散的冷模试验，测定了基本流型及其造成的液滴大小分布，研究了分散特性与搅拌功率的关系，并与传统叶轮比较了搅拌混合的综合性能。     

往复板式萃取塔的分散相滞液量

通过测定往复筛板液—液萃取塔中分散相在连续相中的总滞液量x,对两个不同的物系,即煤油—水,煤油—35％(质量百分率)甘油水溶液的实验进行了研究。通过改变分散相流率V_d、连续相流率V_c、往复筛板的振幅a和开孔率φ等不同条件,观察筛板(?)复运动的振动频率f与分散相滞液量X之间的关系而得知。筛板往复运动的振动频率与分散相滞液量之间的关系存在一个过渡区,即在一定的振动频率下出现一分散相滞液量的最低值,只是在不同的条件下最低值的数值不同而已。混合澄清区和乳化区分别位于最低值的前后,这个现象很类似脉冲筛板萃取塔和转盘萃取塔的研究报道。     

气液并流向上填充鼓泡塔液体混合特性的研究

在内径为165 mm气液并流向上填充鼓泡塔中采用示踪法考查了表观气速、表观液速、液体黏度、填料大小等因素对液体轴向混合特性的影响。根据实验结果得出:Peclet准数随表观液速的增加而增大,轴向返混程度减小,而随表观气速或液相黏度的增加而Peclet准数略有减小,轴向混合程度增加。同时,填料的引入明显减少轴向混合程度,随着填料直径的增加,Peclet准数明显减少,轴向混合程度增大。根据实验结果,关联了实验范围内Peclet准数的计算式,为填充鼓泡塔反应器的设计与放大提供了一定的指导作用。     

搅拌筛板萃取塔液泛特性研究

为明确萃取塔对不同体系、不同操作条件下的性能,在内径为50 mm的三级搅拌筛板萃取塔中,针对7个不同物性特点的体系进行了液泛特性研究,液泛点采用观察法判断。实验结果表明,穿流式筛板的过孔阻力和过度搅拌是液泛产生的两个原因;萃取塔的两相总空塔流速与搅拌转速关系曲线将塔的操作区域分为搅拌不足液泛区、正常操作区、搅拌过度液泛区和流速过高液泛区等区域;增大分散相流速比增大连续相流速更容易造成液泛。通过比较不同界面张力、两相密度差、连续相黏度体系的液泛特性可知,该萃取塔适合中、低界面张力体系在低流速下操作。     

翼形桨在气液固三相搅拌反应釜中的混合性能

<正>机械搅拌槽中高速旋转的叶轮产生的排出流中,径向速度主要用于气体的剪切分散,而其轴向速度是固体悬浮和液相轴向混合的主要动力。三相体系的混合不仅要求叶轮具有较强的径向剪切分散能力,而且要有一定的轴向混合能力,以此达到对气体和固体的同时分散。理想的混合水平不仅要求达到二者在宏观上的均匀,而且在微观混合上也要达到一定的均匀度,为此对搅拌桨的设计提出了较高的要求。在气液二相的混合操作中比较多的采用了盘式涡轮桨,而在液固二相的混合操作中比较多的使用螺旋桨,这都是为了利用各自不同的混合优势。涉及到气液固三相混合,由于气体和固体的分散是一个相互制约的问题,完全的径向     

充液填料塔液相轴向混合的研究

采用了6×6、8×8、10×10和12×12mm四种拉西环,在空气-水系统中,以气相、液相流速及π型管相对高度为变量,用微型计算机直接采集、处理实验数据,研究了充液填料塔的液相轴向混合,获得下面的关系式:u_ld_e/D_e=6.29(u_ld_e/v_l)~(0.467)(u_Gd_e/v_g)~(0.196)(d_Q/D)~(-3.48)((h/H)η)~(-0.194)((?)/d_e)~(-2.68)实验结果表明,充液填料塔的液相轴向混合程度与普通填料塔位于相同的水平.     

分散降液筛板塔传质性能

在筛板塔的基础上,研发了一种新型板式塔--分散降液筛板塔,将传统筛板塔的弓形降液管改为均布于塔板筛孔间的多降液管结构,使整个塔板面成为均匀降液和受液的传质区,并新增淋降和喷溅传质区,在全塔空间内实现立体、连续的微分接触式气液传质过程,另外,塔板之间可以加装填料来强化传质,或装填催化剂以促进伴随化学反应的传质过程。以“氧气-空气-水”为体系,初步研究了分散降液筛板的传质性能及其影响因素,并与传统筛板进行比较,结果表明:分散降液筛板气液分布均匀,接触充分,在同等条件下传质效率比传统筛板提高了8.4%~9.7%。     

气体搅拌的萃取塔中轴向混合性质的研究

在内径为50mm的气体搅拌萃取塔中，研究了空气－水－煤油系统的轴向混合特征。实验以水为连续相，煤油为分散相，以空气为搅拌动力源，采用脉冲应答技术，分别测定了连续相和分散相的轴向扩散系数，并讨论了连续相流速、分散相流速、气相流速及在塔内装入静态混合器时对塔内轴向混合性质的影响，得到了在操作范围内的经验关联式。     

丙碳脱碳塔传质计算与工艺条件的模拟

通过对丙碳脱碳塔的传质计算与比较,给出了此塔气液传质系数和HETP的相应数据,应用有关软件中传质分离多级模拟程序,就脱碳塔工艺条件对理论板数和净化气指标的具体影响,得出有规律性的结果,对设计和生产运行均有指导意义。     

不同折板絮凝器对薄荷水提液的絮凝效果研究与比较

为了优化折板絮凝器结构及提升折板絮凝器对中药液的絮凝效果,利用FLUENT软件对同波/对波折板絮凝器的内部流场进行了模拟,分析了两种折板絮凝器内的涡旋分布及涡量。以薄荷水提液为研究对象,壳聚糖为絮凝剂,采用不同折板絮凝器对薄荷水提液进行絮凝处理,以薄荷水提液澄清层高度、絮体沉降速度、总黄酮保留率、絮凝率、药液吸光度及絮体形态为指标,考察了两种折板絮凝器在不同进液流速下对薄荷水提液的絮凝效果。结果表明,同波折板絮凝器流场内以单侧涡旋为主,对波折板絮凝器内在折板两侧均产生涡旋,相同进液流速下,同波折板絮凝器产生的涡量小于对波折板絮凝器。随进液流速增加,同波/对波折板絮凝器对薄荷水提液的絮凝效果均呈先升高后降低的趋势,同波折板絮凝器最佳进液流速为0.068 m/s,药液总黄酮保留率为91.2%,絮凝率为85.3%;对波折板絮凝器最佳进液流速为0.051 m/s,药液总黄酮保留率为91.8%,絮凝率为85.4%。     

多级搅拌塔气液液系统的轴向混合

本文在内径为５４ｍｍ，级数为１６的多级搅拌塔中，研究了空气－水－煤油系统的轴向混合性质。讨论了搅拌转速、水相流速、有机相流速及气相流速对液体连续相和分散相轴向混合的影响。得到了操作范围内描述塔内轴向扩散系数的关联式。对连续水相：Ｅｃ＝０．７４５·Ｎｓ０．５３０·ｕｇ０．４５９·ｕｃ０．６９１·ｕｄ０．３１９对分散有机相：Ｅｄ＝２１．９２·Ｎｓ０．４６５·ｕｇ０．８９８·ｕｃ０．２５８·ｕｄ０．７６２