于杰　朱慎林　費維揚

關(guān)鍵詞　脈沖填料塔　流體力學(xué)　軸向混合　傳質(zhì)

YU Jie，ZHU Shen-lin，F(xiàn)EI Wei-yang
（Chemical Engineering Department，Tsinghua University，Beijing100084）

Keywords：pulsed packedcolumn，hydrodynamics，axial dispersion，mass transfer

　　脈沖填料塔將脈沖引入填料塔，既保留了填料塔的結(jié)構(gòu)簡單、投資和設(shè)備費用低等優(yōu)點，又能減小液滴平均直徑，加速液滴的“破碎-聚結(jié)”循環(huán)，大幅度提高傳質(zhì)效率。處理中、高界面張力體系時，脈沖填料塔具有突出的優(yōu)越性。

1　脈沖填料塔研究的*新進展

1.1　脈沖裝置
　　*早的脈沖是通過活塞施加到連續(xù)相上的，隨后開發(fā)了空氣脈沖裝置。Thornton^［1］指出空氣脈沖有兩個優(yōu)點：（1）脈沖系統(tǒng)與塔內(nèi)的液體不直接接觸；（2）不存在氣蝕。因而空氣脈沖在實驗室和濕法冶金生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來Simons^［2］介紹了特別適合于石油工業(yè)的脈沖裝置。該裝置的旋轉(zhuǎn)閥與塔體底部相連。旋轉(zhuǎn)閥外筒的壁上有兩個相對的孔，四個通道均勻地分布在外筒表面，這樣通過孔和通道可以將相對的一對吸入或排出筒與塔體連接。吸入筒中是負壓，排出筒中是正壓，它們通過管路分別與循環(huán)泵的吸入端和排出端相連。旋轉(zhuǎn)閥的旋轉(zhuǎn)運動使塔體交替與吸入筒和排出筒相連從而使塔內(nèi)液體產(chǎn)生往復(fù)運動。脈沖填料塔的脈沖頻率由旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)速決定，脈沖振幅通過改變循環(huán)泵的流量來調(diào)節(jié)。這種裝置結(jié)構(gòu)緊湊、便于放大，在己內(nèi)酰胺等工藝生產(chǎn)過程中得到了成功的應(yīng)用。

1.2　大幅度提高處理能力
　　一些工業(yè)裝置的脈沖填料塔常用低空隙率的傳統(tǒng)填料，其通量比較低。近年來，隨著高孔隙率新型填料的開發(fā)應(yīng)用^［3］，使用新型填料的脈沖填料塔的生產(chǎn)能力得到了明顯改善。Pilhofer等^［4］采用甲苯／丙酮／水體系對使用不同填料的脈沖填料塔的液泛通量的研究表明，在0＜a^{.＜0.020m／s范圍內(nèi)，使用Sulzer-SMV新型填料的脈沖填料塔的通量比使用拉西環(huán)、鮑爾環(huán)等傳統(tǒng)填料的高80％以上。QH-1型扁環(huán)}［5］是清華大學(xué)化工系開發(fā)的新型填料，研究表明^［6］在相同的脈沖條件下，裝填QH-1型扁環(huán)（16）的脈沖填料塔的液泛通量比裝填陶瓷拉西環(huán)（16×16×4）的高20％以上f

　　脈沖填料塔和脈沖篩板塔都是通過脈沖來強化傳質(zhì)的設(shè)備。Bcker等^［7］對比了裝填規(guī)整填料（Sulzer公司生產(chǎn)的Mellapak500Y、Glitsch公司生產(chǎn)的Gempak4AT和MontzpakB1-500）的脈沖填料塔與篩板孔隙率為20％的脈沖篩板塔的通量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)對相間的體系，脈沖填料塔的通量和操作范圍均比脈沖篩板塔高1倍以上。

脈沖填料塔中的兩相流動狀況非常復(fù)雜，雖然填料可以減小軸向混合，但是脈沖增加了兩相的湍動程度，另外液液萃取過程中兩相的密度差小，這些都對脈沖填料塔的軸向混合產(chǎn)生較大影響。軸向混合的存在不僅減小了兩相間的傳質(zhì)推動力，而且降低了塔的處理能力。

脈沖填料塔軸向混合方面的研究工作很多^{［11～15］}，表1列出一些主要的試驗體系和得到的軸向混合系數(shù)計算公式。盡管在研究中采用的填料和試驗體系不同，但在恒定的液相流速下，當脈沖強度從零開始增加時，連續(xù)相軸向擴散系數(shù)E_c先減小，達到一個*小值后迅速增加。說明存在一個脈沖強度范圍，在該范圍內(nèi)脈沖填料塔的E_c低于填料塔。E_c存在*小值的主要原因是適當?shù)拿}沖可減小連續(xù)相徑向流速分布的不均勻程度，但過大的脈沖又會加大返混。

　　Simons等^［15］對實驗室和工業(yè)尺寸的脈沖填料塔（塔徑從0.05m到2.40m）進行了系統(tǒng)的研究，試驗中使用不同尺寸和材質(zhì)的拉西環(huán)，測定了單相流和兩相流條件下的軸向混合系數(shù)。除了發(fā)現(xiàn)E_c存在*小值外，研究工作還表明脈沖填料塔的軸向混合與表觀流速、脈沖強度及填料的性質(zhì)有關(guān)，而與塔徑無關(guān)。
　　由于對分散相軸向擴散系數(shù)E_d的研究報道甚少，使考慮軸向混合的脈沖填料塔的傳質(zhì)計算難以進行。

表1　脈沖填料塔軸向混合系數(shù)關(guān)聯(lián)式

1.4　提高傳質(zhì)效率
　　脈沖的引入減小了液滴平均直徑，促進了液滴的“破碎-聚并”循環(huán)，加速了表面更新，這些都有利于強化傳質(zhì)。Reissinger等^［16］報道了對于甲苯／丙酮／水體系，脈沖可使裝填　15　mm鮑爾環(huán)的填料塔的理論板數(shù)由3塊／m提高到7塊／m。其它研究結(jié)果^{［9，17，18］}也表明脈沖可大幅度提高填料塔的傳質(zhì)性能。
　　脈沖篩板塔中的液滴主要在篩板附近發(fā)生破碎與聚并，而脈沖填料塔中液滴不斷與填料發(fā)生碰撞，液滴的表面更新頻率快，傳質(zhì)效果好。Hoting等^［18］采用乙酸丁酯／丙酮／水體系對比了裝填Montz-PakB1-350規(guī)整填料的脈沖填料塔和使用標準板的脈沖篩板塔的等板高度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同的脈沖強度下前者的等板高度比后者低50％以上，脈沖填料塔的等板高度*低可達0.10m。Bcker等^［7］的研究表明對于完成相同的分離任務(wù)，裝填Mellapak　500Y填料的脈沖填料塔除塔徑比使用標準板的脈沖篩板塔小外，塔高也比脈沖篩板塔低20％左右。說明脈沖填料塔的處理能力和傳質(zhì)效率均高于脈沖篩板塔。
　　由于不同填料的形狀、空隙率、比表面積不同，它們與分散相液滴群的相互作用不同，造成裝填不同填料的脈沖填料塔的流動和傳質(zhì)特性存在較大差異。新型填料的獨特設(shè)計，使得使用新型填料的脈沖填料塔的性能得到大幅提高。裝填不銹鋼QH-1型扁環(huán)（16）和傳統(tǒng)不銹鋼拉西環(huán)（16×16×0.5）的脈沖填料塔的傳質(zhì)性能對比^［6］?？梢钥闯?，前者的H_oxp比后者高25％以上。

　　除了對脈沖填料塔的傳質(zhì)性能進行宏觀研究外，Hoting^［19］還研究了脈沖填料塔中的單液滴傳質(zhì)系數(shù)，試驗中采用的是Montz-PakB1-350規(guī)整填料和乙酸丁酯／丙酮／水體系。結(jié)果表明脈沖對液滴的總傳質(zhì)系數(shù)沒有影響，脈沖填料塔傳質(zhì)性能的提高主要由于脈沖明顯增大了傳質(zhì)比表面積。
1.5　數(shù)學(xué)模型的研究
　　對脈沖填料塔的模擬*早采用級模型進行。Simons^［20］將級模型與生產(chǎn)己內(nèi)酰胺的HPO法（該法是DSM公司開發(fā)的生產(chǎn)己內(nèi)酰胺的新工藝）流程中的肟化反應(yīng)和物料平衡結(jié)合，建立了一個過程工程模型（PEM），用于模擬和優(yōu)化脈沖填料塔的操作。模擬結(jié)果顯示脈沖填料塔幾乎是在活塞流條件下操作（Pe＞50）。另外還發(fā)現(xiàn)級模型的級數(shù)在一定范圍內(nèi)變化對模擬結(jié)果沒有影響。
　　王德華^［21］采用返流模型模擬了試驗測得的脈沖填料塔的穩(wěn)態(tài)濃度剖面，并得到了軸向混合和傳質(zhì)參數(shù)。計算中采用Rod等^［22］提出的將Marquart方法和*大似然函數(shù)結(jié)合的優(yōu)化算法，計算的濃度剖面與實測結(jié)果比較吻合。
　　近年來隨著群體平衡模型（population balancemodel）研究^［23］的升溫，研究人員也將該模型用于脈沖填料塔的模擬。Arimont等^［24］以單個液滴從形成、破碎、聚并到離開塔的整個生命周期為基礎(chǔ)，模擬了乙酸丁酯／丙酮／水在脈沖填料塔中的萃取過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在多分散情況下丙酮的萃取率遠高于單分散情況。Hoting等^{［25，26］}根據(jù)單液滴試驗測得的傳質(zhì)系數(shù)、破碎和聚并等參數(shù)用群體平衡模型模擬了裝填規(guī)整填料的脈沖填料塔的操作性能。模擬結(jié)果顯示液滴直徑、存留分數(shù)等參數(shù)沿塔高發(fā)生變化。但是正如Goundon等^［27］所指出的，雖然這種模型清楚地指明了研究的方向，但由于萃取塔內(nèi)兩相流動的復(fù)雜行為，可靠的放大設(shè)計方法尚有待于進一步發(fā)展。
　　Stevens^［28］也指出，由于難以準確地估計軸向混合和傳質(zhì)性能，脈沖填料塔的設(shè)計、放大仍離不開中間試驗。

2　脈沖填料塔在石油化工中的應(yīng)用
　　荷蘭的DSM公司于70年代開始將大型脈沖填料塔用于石油化學(xué)工業(yè)，并在該公司迅速推廣應(yīng)用。目前，工業(yè)中應(yīng)用的脈沖填料塔的塔徑已達3.0m，處理量超過250m³／h。表2是脈沖填料塔在DSM公司應(yīng)用中的一些實例^［29］。該公司認為脈沖填料塔具有以下優(yōu)點：逆流操作、軸向混合小、分散相在塔內(nèi)分散均勻、傳質(zhì)比表面積可以控制、在流體力學(xué)類似的條件下萃取效率與塔徑無關(guān)、萃取過程非常經(jīng)濟以及脈沖的機械問題已經(jīng)解決等。

表2　脈沖萃取塔的工業(yè)應(yīng)用實例

　　Simons^{［2，20］}介紹了脈沖填料塔在HPO法生產(chǎn)己內(nèi)酰胺中的應(yīng)用。該法將羥胺合成與肟化工藝結(jié)合，生產(chǎn)中無副產(chǎn)物硫酸銨。圖6是HPO法生產(chǎn)己內(nèi)酰胺的流程示意圖，其中肟化反應(yīng)器是脈沖填料塔，在該塔中反應(yīng)與萃取同時進行。Simons^{［2，20］}的研究表明脈沖填料塔的傳質(zhì)效率與塔徑和塔中是否存在反應(yīng)無關(guān)，即脈沖填料塔的放大因子為1，因此可以方便地進行脈沖填料塔的放大設(shè)計。Simons^［20］還研究了脈沖強度與功率消耗間的關(guān)系，認為脈沖填料塔的能耗與其它機械攪拌設(shè)備相當，綜合考慮各種因素，脈沖填料塔是該工藝中*經(jīng)濟的塔型。
　　我國從90年代初先后引進了多套己內(nèi)酰胺的生產(chǎn)裝置。一些裝置中的肟化塔、硫萃塔和反萃塔都是脈沖填料塔，這些塔中分別裝填了陶瓷拉西環(huán)和不銹鋼拉西環(huán)。隨著己內(nèi)酰胺需求量的增加，一些生產(chǎn)裝置在超負荷條件下操作，造成脈沖填料塔萃取率下降、夾帶嚴重等問題，急需進行改造。

　　Mayer等^{［30，31］}研究了將脈沖填料塔用于苯乙烯的乳液聚合反應(yīng)。脈沖填料塔良好的局部攪動提供了適當?shù)娜榛?、強烈的徑向混合和反?yīng)器壁快的傳熱速率；而脈沖填料塔低的軸向混合避免了乳液聚合反應(yīng)在連續(xù)攪拌槽反應(yīng)器（CSTR）中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)化率和粒子數(shù)持續(xù)波動。因此，脈沖填料塔中乳液聚合的反應(yīng)速度和單程轉(zhuǎn)化率明顯高于CSTR，將脈沖填料塔用于乳液聚合具有明顯的優(yōu)勢。
　　傳統(tǒng)的離子交換設(shè)備存在壓降大、樹脂利用效率低、附屬設(shè)備多等缺點。研究表明^［32］，將裝填規(guī)整填料的脈沖填料塔用于離子交換，不僅可以克服上述缺陷，而且脈沖的引入大大提高了傳質(zhì)系數(shù)，增強了離子交換效果。
　　Gebel等^［33］提出將脈沖填料塔用于固-液反應(yīng)，并研究了裝填玻璃拉西環(huán)的脈沖填料塔的分散相存留分數(shù)。Fortuin等^［34］進一步介紹了用于固-液接觸的脈沖填料塔裝置，指出脈沖可以使固-液相間的傳質(zhì)、傳熱效果提高幾倍，并提出脈沖填料塔可用于以下固-液操作：（1）用固相選擇性吸附或除去液相中的某些組份，如用活性炭凈化廢水；（2）用液相選擇性浸取或除去固相中的某些組份，如稀土元素的浸取；（3）在塔器的液相中進行的反應(yīng)，如固相催化反應(yīng)。由于石油化工生產(chǎn)中大量的反應(yīng)是固-液反應(yīng)，因此脈沖填料塔在石油化工生產(chǎn)中有廣闊的應(yīng)用前景。

3　結(jié)語
　　脈沖填料塔具有通量大、軸向混合小、傳質(zhì)效率高、設(shè)備投資少等優(yōu)點，它的性能還可以通過使用新型填料得到進一步提高。因此脈沖填料塔已在荷蘭的DSM、德國的拜耳等大的化工公司的石油化工生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。而我國投入運行的脈沖填料塔不超過10座，有關(guān)研究較少。因此，深入開展脈沖填料塔性能和數(shù)學(xué)模型的研究，對于消化吸收國外先進技術(shù)、開發(fā)高性能的脈沖填料塔和改進設(shè)計放大方法具有非常重要的意義。

符號說明
a　　　　　　脈沖振幅，m
B　　　　　　參數(shù)，與填料尺寸有關(guān)
C₁，C₂，C₂　　參數(shù)，通過擬合試驗數(shù)據(jù)得到
d_e　　　　　　填料層的當量直徑，m
d_p　　　　　　填料直徑，m
E　　　　　　軸向擴散系數(shù)，m²／s
f　　　　　　脈沖頻率，Hz
K₀　　　　　　待定參數(shù)
Re　　　　　　雷諾數(shù)
St　　　　　斯坦頓數(shù)
U　　　　　　表觀流速，m／s
v　　　　　　運動粘度，m²／s
ε　　　　　　填料空隙率
　　　　　篩板的開孔率，分散相存留分數(shù)
₁，₂　　待定參數(shù)，與脈沖振幅有關(guān)
μ　　　　　粘度，Pa^．s
ρ　　　　　密度，kg／m³
下角標
c　　　　　連續(xù)相
d　　　　　分散相