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详细内容

共轭环填料萃取塔的传质性能研究

共轭环填料萃取塔的传质性能研究*
黄 洪 邓淑华** 杨卓如 陈焕钦
  摘 要 φ120的不锈钢填料塔中,以φ16共轭环塔填料为研究对象,分别选用正丁醇-丁二酸-水和30%TBP(磷酸三丁酯)的煤油-醋酸-水2种不同界面张力的体系进行试验,测定了该填料在不同两相流速下的表观传质单元高度,和相同条件下测定的同尺寸鲍尔环、拉西环和θ环作了比较,θ环的表观传质单元高度(Hoxp)比共轭环小,但共轭环的(Hoxp)分别比鲍尔环小16%, 比拉西环小25%.本文对影响传质性能的因素也进行了分析.
  关键词 塔填料; 传质性能; 传质单元高度
  中图资料分类号 TQ028.32
STUDY ON MASSTRANSFER PERFORMANCE OF EXTRACTION
COLUMN PACKED WITH CONJUGATE RING
HuangHong Deng Shuhua YangZhuoru Chen Huanqin
(Res. Inst. of Chemical Eng., South China Univ. of Tech.,Guangzhou 510640)
  Abstract Ina 120mm extraction column, two different extractionsystems, butanol-succinic-water and 30%(TBP) kerosene-aceticacid-water are chosen to examine the mass transfer performanceof φ16 conjugate ring under various continuous phase and disperse phase velocities, and compared with that of same size rashing ring, pall ring and θ ring under the same conditions. Results show that Hoxp (height of mass transfer unit based on plug flow and continuous flow) of conjugate ring is bigger than that of θ ring, but less than that of pall ring and rashing ring at a rate of 16% and 25% respectively. Factors of affecting mass transfer were discussed.
  Key words tower packing; mass transfer performance; height of mass transfer unit
  拉西环、鲍尔环是两种传统的塔填料,在精馏、萃取等化工过程中都有应用,θ环是一种传质效率较高的塔填料,共轭环[1]填料是华南理工大学研制的一种高效散堆填料,在汽-液传质过程中它与拉西环、鲍尔环相比,具有通量大、阻力小、传质效率高等优点,和θ环相比具有阻力小的优点,已在精馏和吸收过程中得到广泛应用,但在萃取过程中还未得到应用,主要由于缺少液-液传质过程中的两相流动和传质数据.
1.萃取塔; 2. 水相入口; 3. 有机相入口;
4. 水相出口; 5. 有机相出口;
6、7. 泵; 8. 流量计; 9、10. 储罐
图1 φ120mm填料萃取塔流程
 Fig.1 Flow chart of φ120mm packed extractioncolumn
  本文主要在φ120的不锈钢填料塔中,选用两种不同界面张力体系对这四种填料的传质性能进行测试,并对传质单元高度的影响因素进行了分析.
1 实验装置及实验技术
1.1 实验装置与流程
  图1为φ120mm萃取塔流程图.水相用耐腐磁力泵由塔顶入口送入,有机相用离心泵由塔下部进口送入,进出口流量用转子流量计计量并调节,控制连续相(水相)出口流量以保持相界面恒定.
1.2 实验体系与填料特性数据
  (1)填料特性数据见表1.
  (2)实验体系
表1 填料特性数据
Table 1 Characteristic data of towerpackings
 
填料名称
比表面积
a/m2.m-3
空隙率
e/m3.m-3
堆积密度
ρ/kg.m-3
φ16共轭环
313
0.96
340
φ16θ
488
0.96
300
φ16鲍尔环
364
0.94
380
φ16拉西环
356
0.93
360
 
  本文采用了两种传质体系,其中水相均为连续相,有机液体作为分散相.
  体系1:正丁醇-丁二酸-水
  体系2:30%TBP(磷酸三丁酯)的煤油-醋酸-水
  体系1为低界面张力体系,在萃取过程中形成的液滴直径较小,当用机械搅拌萃取装置时易于乳化,是欧洲化学工程联合会推荐的萃取传质实验标准体系之一[2]. 体系2的界面张力比体系1的大,属中低界面张力系,用机械搅拌萃取装置也易乳化.中低界面强力体系有一定的工业生产背景,从界面张力方面来说和润滑油糠醛抽提的体系相近,常用作萃取传质试验的体系,有利于和其它塔型的传质试验进行比较. 体系的物性参数见表2.
表2 体系的物性数据
Table 2 Data of physical properties of thesystems
 
体 系
ρd/kg.m-3
ρc/kg.m-3
μd/10-3kg.(m.s)-1
μc/10-3kg.(m.s)-1
r/10-3
N.m-1
Dd/10-10
m2.s-1
Dc/10-10
m2.s-1
体系1
846
987
3.10
1.20
1.6
2.80
6.8
体系2
829
1035
2.07
0.90
10.8
4.35
10.4
 
1.3 实验技术
  实验中分散相和连续相中的溶质浓度采用滴定法测定, 用酚酞作指示剂. 分别测定两相的进出口浓度.
  实验体系的平衡关系由实验标定, 回归后得到如下关系式:
  体系1:
(1)
  线性相关系数r=0.996.标准方差0.04.
  体系2:
(2)
  线性相关系数r=0.998.标准方差0.04.
  两条平衡曲线在低浓度范围内呈良好的线性关系.
2 实验结果与分析
  根据实验中测定的每种填料每种体系的进出口分散相和连续相的浓度,求出表观传质单元高度Hoxp[3]来进行比较.
  表观传质单元高度的计算如图2:
图2 柱塞流模型示意图
Fig.2 Diagram of plug flow model
(3)
Noxp=hKoxpa/vx
(4)
Hoxp=H/Noxp
(5)
  边界条件:
(6)
  X表示连续相浓度,X*表示平衡浓度,xF表示连续相进口浓度,xR表示连续相出口浓度,yE表示分散相出口浓度,yS表示分散相进口浓度.X*由平衡关系式(1)、(2)求得,可算得Hoxp.图3、4是四种填料在两种体系中的传质单元高度比较结果.
图3 体系1四种填料表观传质单元高度比较
Fig.3 Comparison of height of mass transfer unit (four packings,system 1)
图4 体系2四种填料表观传质单元高度比较
Fig.4 Comparison of height of mass transfer unit (four packings,system 2)
  从图中可看出,相同的两相流速下,共轭环填料的表观传质单元高度比θ环稍大,但分别比鲍尔环、拉西环小16%和25%.与鲍尔环和拉西环相比,共轭环填料具有较好性能,其主要原因如下:(1)共轭环的独特结构集中了环形和鞍形填料的优点,流体在两相间不易造成屏蔽作用.在萃取塔中促进了两相界面的接触.(2)共轭环填料在堆填时,相互间主要形成点接触,所以不但单个填料具有均匀性,在全塔中也具有均匀的空隙.使分散相在全塔中具有良好的分布. 塔填料的不均匀分布可能会使局部传质系数增大,但肯定不足以弥补其它地方的传质系数的下降.
  和θ环相比,共轭环的表观传质单元高度略大,但共轭环塔填料的阻力远小于θ环,也小于鲍尔环和拉西环.[4]
  从图中也可以看出,相同填料、相同两相流速下,体系2的表观传质单元高度远大于体系1, 这是由于体系2的界面张力大于体系1.因为体系2的分散相液滴直径大于体系1,所以对于低界面张力体系宜采用填料萃取塔.
3 结 论
  共轭环填料在萃取塔中具有优良的传质性能,共轭环填料的表观传质单元高度分别比鲍尔环、拉西环小16%和25%.和鲍尔环、拉西环相比,使用共轭环塔填料在萃取过程中将具有广阔的应用前景.对于低界面张力体系宜采用填料萃取塔.
符 号 说 明
D—扩散系数,m2/s
v—表观速度,m/s
Koxa—基于连续相的“真实”体积传质系数,1/s
 
H—无因次填料高度
Nox—“真实”传质单元数
Koxpa—基于连续相的表观体积传质系数,1/s
 
Noxp表观传质单元数
Pe—Peclect准数
X—平推流下连续相浓度,mol/L
 
x—真实的连续相浓度,mol/L
y—真实的分散相浓度,mol/L
Y—平推流下分散相浓度,mol/L
 
ρ—密度,kg/m3
μ—粘度,kg/(m.s)
 
 
下标
 
 
 
c,x—连续相
d,y—分散相
S—溶剂相
R—萃余相
F—水相进口
E—溶剂相出口
0—塔顶
1—塔底
 
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