共軛環(huán)填料萃取塔的傳質(zhì)性能研究
共軛環(huán)填料萃取塔的傳質(zhì)性能研究* 黃 洪 鄧淑華** 楊卓如 陳煥欽 摘 要 在φ120的不銹鋼填料塔中，以φ16共軛環(huán)塔填料為研究對象，分別選用正丁醇-丁二酸-水和30%TBP(磷酸三丁酯)的煤油-醋酸-水2種不同界面張力的體系進(jìn)行試驗(yàn)，測定了該填料在不同兩相流速下的表觀傳質(zhì)單元高度，和相同條件下測定的同尺寸鮑爾環(huán)、拉西環(huán)和θ環(huán)作了比較，θ環(huán)的表觀傳質(zhì)單元高度(Hoxp)比共軛環(huán)小，但共軛環(huán)的(Hoxp)分別比鮑爾環(huán)小16%， 比拉西環(huán)小25%.本文對影響傳質(zhì)性能的因素也進(jìn)行了分析.
關(guān)鍵詞 塔填料； 傳質(zhì)性能； 傳質(zhì)單元高度
中圖資料分類號(hào) 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 拉西環(huán)、鮑爾環(huán)是兩種傳統(tǒng)的塔填料，在精餾、萃取等化工過程中都有應(yīng)用，θ環(huán)是一種傳質(zhì)效率較高的塔填料，共軛環(huán)［1］填料是華南理工大學(xué)研制的一種高效散堆填料，在汽-液傳質(zhì)過程中它與拉西環(huán)、鮑爾環(huán)相比，具有通量大、阻力小、傳質(zhì)效率高等優(yōu)點(diǎn)，和θ環(huán)相比具有阻力小的優(yōu)點(diǎn)，已在精餾和吸收過程中得到廣泛應(yīng)用，但在萃取過程中還未得到應(yīng)用，主要由于缺少液-液傳質(zhì)過程中的兩相流動(dòng)和傳質(zhì)數(shù)據(jù). |
1.萃取塔； 2. 水相入口； 3. 有機(jī)相入口；
4. 水相出口； 5. 有機(jī)相出口；
6、7. 泵； 8. 流量計(jì)； 9、10. 儲(chǔ)罐
圖1 φ120mm填料萃取塔流程
Fig.1 Flow chart of φ120mm packed extractioncolumn 本文主要在φ120的不銹鋼填料塔中，選用兩種不同界面張力體系對這四種填料的傳質(zhì)性能進(jìn)行測試，并對傳質(zhì)單元高度的影響因素進(jìn)行了分析. 1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)技術(shù) 1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與流程
圖1為φ120mm萃取塔流程圖.水相用耐腐磁力泵由塔頂入口送入，有機(jī)相用離心泵由塔下部進(jìn)口送入，進(jìn)出口流量用轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量并調(diào)節(jié)，控制連續(xù)相(水相)出口流量以保持相界面恒定.
1.2 實(shí)驗(yàn)體系與填料特性數(shù)據(jù)
(1)填料特性數(shù)據(jù)見表1.
(2)實(shí)驗(yàn)體系 表1 填料特性數(shù)據(jù)
Table 1 Characteristic data of towerpackings |
填料名稱 | 比表面積
a/m2.m-3 | 空隙率
e/m3.m-3 | 堆積密度
ρ/kg.m-3 |
φ16共軛環(huán) | 313 | 0.96 | 340 |
φ16θ環(huán) | 488 | 0.96 | 300 |
φ16鮑爾環(huán) | 364 | 0.94 | 380 |
φ16拉西環(huán) | 356 | 0.93 | 360 |
本文采用了兩種傳質(zhì)體系，其中水相均為連續(xù)相，有機(jī)液體作為分散相.
體系1：正丁醇-丁二酸-水
體系2：30%TBP(磷酸三丁酯)的煤油-醋酸-水
體系1為低界面張力體系，在萃取過程中形成的液滴直徑較小，當(dāng)用機(jī)械攪拌萃取裝置時(shí)易于乳化，是歐洲化學(xué)工程聯(lián)合會(huì)推薦的萃取傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系之一［2］. 體系2的界面張力比體系1的大，屬中低界面張力系，用機(jī)械攪拌萃取裝置也易乳化.中低界面強(qiáng)力體系有一定的工業(yè)生產(chǎn)背景，從界面張力方面來說和潤滑油糠醛抽提的體系相近，常用作萃取傳質(zhì)試驗(yàn)的體系，有利于和其它塔型的傳質(zhì)試驗(yàn)進(jìn)行比較. 體系的物性參數(shù)見表2. 表2 體系的物性數(shù)據(jù)
Table 2 Data of physical properties of thesystems |
體 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 |
體系1 | 846 | 987 | 3.10 | 1.20 | 1.6 | 2.80 | 6.8 |
體系2 | 829 | 1035 | 2.07 | 0.90 | 10.8 | 4.35 | 10.4 |
1.3 實(shí)驗(yàn)技術(shù)
實(shí)驗(yàn)中分散相和連續(xù)相中的溶質(zhì)濃度采用滴定法測定， 用酚酞作指示劑. 分別測定兩相的進(jìn)出口濃度.
實(shí)驗(yàn)體系的平衡關(guān)系由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定， 回歸后得到如下關(guān)系式：
體系1： (1) 線性相關(guān)系數(shù)r=0.996.標(biāo)準(zhǔn)方差0.04.
體系2： (2) 線性相關(guān)系數(shù)r=0.998.標(biāo)準(zhǔn)方差0.04.
兩條平衡曲線在低濃度范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系. 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測定的每種填料每種體系的進(jìn)出口分散相和連續(xù)相的濃度，求出表觀傳質(zhì)單元高度Hoxp［3］來進(jìn)行比較.
表觀傳質(zhì)單元高度的計(jì)算如圖2： |
圖2 柱塞流模型示意圖
Fig.2 Diagram of plug flow model (3) Noxp=hKoxpa/vx (4) Hoxp=H/Noxp (5) 邊界條件： (6) X表示連續(xù)相濃度，X*表示平衡濃度，xF表示連續(xù)相進(jìn)口濃度，xR表示連續(xù)相出口濃度，yE表示分散相出口濃度，yS表示分散相進(jìn)口濃度．X*由平衡關(guān)系式(1)、(2)求得，可算得Hoxp.圖3、4是四種填料在兩種體系中的傳質(zhì)單元高度比較結(jié)果. |
圖3 體系1四種填料表觀傳質(zhì)單元高度比較
Fig.3 Comparison of height of mass transfer unit (four packings,system 1) |
圖4 體系2四種填料表觀傳質(zhì)單元高度比較
Fig.4 Comparison of height of mass transfer unit (four packings,system 2) 從圖中可看出，相同的兩相流速下，共軛環(huán)填料的表觀傳質(zhì)單元高度比θ環(huán)稍大，但分別比鮑爾環(huán)、拉西環(huán)小16%和25%.與鮑爾環(huán)和拉西環(huán)相比，共軛環(huán)填料具有較好性能，其主要原因如下：(1)共軛環(huán)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)集中了環(huán)形和鞍形填料的優(yōu)點(diǎn)，流體在兩相間不易造成屏蔽作用.在萃取塔中促進(jìn)了兩相界面的接觸.(2)共軛環(huán)填料在堆填時(shí)，相互間主要形成點(diǎn)接觸，所以不但單個(gè)填料具有均勻性，在全塔中也具有均勻的空隙.使分散相在全塔中具有良好的分布. 塔填料的不均勻分布可能會(huì)使局部傳質(zhì)系數(shù)增大，但肯定不足以彌補(bǔ)其它地方的傳質(zhì)系數(shù)的下降.
和θ環(huán)相比，共軛環(huán)的表觀傳質(zhì)單元高度略大，但共軛環(huán)塔填料的阻力遠(yuǎn)小于θ環(huán)，也小于鮑爾環(huán)和拉西環(huán).［4］
從圖中也可以看出，相同填料、相同兩相流速下，體系2的表觀傳質(zhì)單元高度遠(yuǎn)大于體系1， 這是由于體系2的界面張力大于體系1.因?yàn)轶w系2的分散相液滴直徑大于體系1，所以對于低界面張力體系宜采用填料萃取塔. 3 結(jié) 論 共軛環(huán)填料在萃取塔中具有優(yōu)良的傳質(zhì)性能，共軛環(huán)填料的表觀傳質(zhì)單元高度分別比鮑爾環(huán)、拉西環(huán)小16%和25%.和鮑爾環(huán)、拉西環(huán)相比，使用共軛環(huán)塔填料在萃取過程中將具有廣闊的應(yīng)用前景.對于低界面張力體系宜采用填料萃取塔. 符 號(hào) 說 明 D—擴(kuò)散系數(shù)，m2/s | v—表觀速度，m/s | Koxa—基于連續(xù)相的“真實(shí)”體積傳質(zhì)系數(shù)，1/s | | H—無因次填料高度 | Nox—“真實(shí)”傳質(zhì)單元數(shù) | Koxpa—基于連續(xù)相的表觀體積傳質(zhì)系數(shù)，1/s | | Noxp—表觀傳質(zhì)單元數(shù) | Pe—Peclect準(zhǔn)數(shù) | X—平推流下連續(xù)相濃度，mol/L | | x—真實(shí)的連續(xù)相濃度，mol/L | y—真實(shí)的分散相濃度，mol/L | Y—平推流下分散相濃度，mol/L | | ρ—密度，kg/m3 | μ—粘度，kg/(m.s) | | | 下標(biāo) | | | | c,x—連續(xù)相 | d,y—分散相 | S—溶劑相 | R—萃余相 | F—水相進(jìn)口 | E—溶劑相出口 | 0—塔頂 | 1—塔底 |
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