超重力減壓間歇精餾的傳質(zhì)性能

栗秀萍，李寧，劉有智，宋子彬，李道明（中北大學山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心，山西 太原 03005；超重力化工過程山西省重點實驗室，山西 太原 03005）

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研究開發(fā)

超重力減壓間歇精餾的傳質(zhì)性能

栗秀萍1，2，李寧1，2，劉有智1，2，宋子彬1，2，李道明1，2
（1中北大學山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051；2超重力化工過程山西省重點實驗室，山西 太原 030051）

摘要：以不銹鋼波紋絲網(wǎng)為填料，應(yīng)用超重力減壓精餾間歇全回流操作分離乙醇/水共沸物系。考察了進料乙醇質(zhì)量分數(shù)xf為50%～95%、操作壓力P為101.33～11.33kPa和超重力因子β為20.90～130.64時乙醇-水體系的傳質(zhì)性能。實驗中設(shè)備運行穩(wěn)定并且單級旋轉(zhuǎn)精餾床傳質(zhì)性能隨著超重力因子β的增大先增強后減弱，隨著壓力P的減小和進料濃度xf的增加而增強，并在P=11.33kPa時分離高濃度原料時打破共沸點。與相同條件下傳統(tǒng)填料塔相比，分離效果明顯高于傳統(tǒng)塔，且HETP為7.94～14.20mm，僅為傳統(tǒng)塔的1/6～1/4，傳質(zhì)性能顯著增強。并對能耗進行分析，超重力裝置由于自身體積小等優(yōu)點便于達到所需真空度，能耗降低明顯。

關(guān)鍵詞：單級旋轉(zhuǎn)精餾床；減壓精餾；乙醇/水；傳質(zhì)性能

無水乙醇是一種非常重要的基礎(chǔ)化工生產(chǎn)原料，已被廣泛應(yīng)用于橡膠、香料、油漆及化妝品等精細化學品生產(chǎn)，還可用于電子工業(yè)、航天工業(yè)、國防工業(yè)和科研實驗等許多領(lǐng)域中[1]。目前國內(nèi)無水酒精年產(chǎn)量約為30萬噸，市場需求量80萬噸左右，且每年還在以 20%的速度增加用量[2]。因此高效、快速、直接的精餾分離工藝回收乙醇成為焦點。

超重力精餾作為一種新型過程強化技術(shù)，具有傳質(zhì)效率高、設(shè)備體積小、能耗低等特點[3-6]。1994 年MCCUTCHEN和WILMOT[7]最早設(shè)計出一套旋轉(zhuǎn)真空蒸餾裝置，主要應(yīng)用于流體凈化處理。2013年北京化工大學[8]申請了專利《用于減壓精餾的超重力裝置及應(yīng)用方法》，適用于高黏度熱敏性物料的分離提純等過程，塔頂產(chǎn)品中輕組分濃度均可達到90%。2009年栗秀萍教授完成了較系統(tǒng)的超重力精餾技術(shù)研究，涉及基礎(chǔ)傳遞理論、應(yīng)用技術(shù)研究、新型填料開發(fā)、中試實驗探討和工程化設(shè)備構(gòu)思等多個方面。且在2012年首次指導(dǎo)涂傳璞研究超重力減壓精餾全回流工藝，將超重力精餾技術(shù)與減壓精餾結(jié)合拓寬應(yīng)用領(lǐng)域[9]。但此次研究僅涉及熱力學計算以及部分單因素實驗，并未對傳質(zhì)性能進行系統(tǒng)探討。

本研究以乙醇/水共沸體系為研究對象，以山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心研發(fā)的單級旋轉(zhuǎn)精餾床為主體設(shè)備，自行搭建一套間歇操作超重力減壓精餾裝置，重點研究了間歇全回流操作影響因素對傳質(zhì)性能的影響，并對能耗進行分析。

1 研究方向

1.1 工藝流程

實驗工藝流程如圖1所示，工藝流程包括三部分：超重機、緩沖罐與真空泵連接形成真空系統(tǒng)；再沸器和冷凝器分別產(chǎn)生蒸汽和回流液；若干貯槽、流量計和壓力表用來貯存流體、測量流量和壓力。原料液經(jīng)再沸器加熱后汽化進入超重機中，與回流液在旋轉(zhuǎn)填料床中逆流接觸進行傳質(zhì)傳熱，經(jīng)多次汽化和冷凝后輕組分逐漸進入氣相，重組分則進入液相中，蒸氣進入冷凝器冷凝后，全部回流，回流液經(jīng)超重機液體進口進入超重機中與上行蒸氣傳質(zhì)傳熱后經(jīng)液體出口流回再沸器中，如此往復(fù)循環(huán)，塔頂即可得到高純度輕組分。

1.2 實驗方案

處理液量恒定為6L，塔釜加熱溫度Tw≥100℃，經(jīng)過約40min預(yù)熱后，體系可維持回流循環(huán)液量2～4L/h，保證超重力減壓精餾全回流間歇操作實驗順利進行。操作條件因素-水平分析分別考察分離效果隨超重力因子 β、操作壓力P、進料乙醇質(zhì)量分數(shù)xf的影響，探究超重機傳質(zhì)性能隨操作變量的變化規(guī)律。在負壓下對接近常壓時共沸組成濃度的乙醇/水原料進行分離，考察超重力減壓精餾的傳質(zhì)性能。

研究所采用的單因素精餾分離探究實驗表如表1所示。

1.3 分析方法

分析檢測采用TM7900氣相色譜分析儀測定乙醇濃度；利用玻璃轉(zhuǎn)子流量計控制塔頂、塔底餾出液和原料液、回流液流量；超重力因子由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速決定，即變速驅(qū)動器；餾出液體積由量筒測量；超重機氣相壓降由U形壓差計測量[10]。

圖1 超重力減壓全回流間歇精餾實驗流程圖

表1 單因素精餾分離探究實驗表

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 超重力因子對傳質(zhì)性能的影響

超重力因子β指超重力場下任意處的離心加速度與重力加速度比的面積平均值，是衡量超重機內(nèi)超重力場強度的重要指標[6]。

操作壓力P分別設(shè)為101.33kPa和61.33kPa，進料乙醇質(zhì)量分數(shù)為xf=90%，全回流操作。超重力因子β對塔乙醇質(zhì)量分數(shù)xd，最小理論板數(shù)Nmin的變化趨勢如圖2所示。

由圖2可知，Nmin和xd隨β增大先增加后減小，并發(fā)現(xiàn) β=64.01~83.61時分離效果較佳且在β=80時達到峰值，說明設(shè)備傳質(zhì)性能此時最好。經(jīng)分析，β增大液體受力增強被填料切割形成液滴、液絲、液膜，使相界比表面積增大從而增強傳質(zhì)，因此Nmin和xd增大。若β太小，液體未能充分潤濕填料，傳質(zhì)傳熱效果差導(dǎo)致填料床強化精餾過程效果降低；若β過大，液體從填料中被快速徑向甩出，停留時間縮短，無法與氣相充分混合傳質(zhì)傳熱，最終導(dǎo)致Nmin和xd降低，能耗也因此增加。

由表2得知，在實驗條件下，P=101.33kPa時單級旋轉(zhuǎn)精餾床等板高度 HETP為 21.82～85.66mm，P=61.33kPa時HETP為12.21～39.95mm。由HETP變化情況發(fā)現(xiàn)壓力減小傳質(zhì)性能增強。

圖2 β對xd和Nmin的影響

表2 單級旋轉(zhuǎn)精餾床HETP隨β的變化關(guān)系

2.2 操作壓力對傳質(zhì)性能的影響

變壓精餾分離共沸體系時，操作壓力對體系共沸溫度和共沸組成發(fā)揮關(guān)鍵性作用。真空度越大產(chǎn)品收率越高[11]。但對設(shè)備及操作要求苛刻[12]，因此用超重力減壓精餾技術(shù)考察P對分離效果的影響十分重要。設(shè)定β=64.01，對xf分別等于70%、90% 和95%，在操作變量壓力P為11.33～101.33kPa的范圍內(nèi)進行實驗研究，分離結(jié)果如圖3、圖4。

圖3 操作壓力P對xd的影響

圖4 操作壓力P對Nmin的影響

由圖3、圖4發(fā)現(xiàn)，隨著P減小，xd逐漸增加，Nmin逐漸增大，傳質(zhì)性能顯著增強。分析原因為：①高真空度通過降低沸點從而提高兩物質(zhì)相對揮發(fā)度 α，依據(jù)精餾原理可提高分離效果和塔板效率進而增強傳質(zhì)性能；②壓力越低，溶液沸點越低，乙醇/水體系共沸點隨 P減小逐漸向高乙醇濃度方向移動，當壓力減小到一定程度時便可得到無水乙醇。

由表3中數(shù)據(jù)規(guī)律得知：P降低，HETP隨之逐漸減小。且高濃度原料與低濃度原料HETP數(shù)據(jù)相比，傳質(zhì)效果明顯提升，xf=95%時HETP=7.94～14.20mm，優(yōu)于xf=90%時HETP=9.22～26.96mm，又明顯優(yōu)于xf=70%時HETP=17.83～44.66mm。分析原因為高真空度降低兩物質(zhì)沸點，促使其相對揮發(fā)度提高，進而增強傳質(zhì)推動力。分離高濃度原料時，塔內(nèi)形成相對穩(wěn)定的高濃度回流循環(huán)過程，最終隨原料濃度增加和壓力降低設(shè)備達到自身傳質(zhì)上限，穩(wěn)定在高傳質(zhì)水平。

表3 單級旋轉(zhuǎn)精餾床HETP隨壓力P的變化關(guān)系

2.3 進料乙醇濃度對傳質(zhì)性能的影響

設(shè)定P=61.33kPa，β=64.01，考察進料乙醇濃度xf的影響，由于xf高于95%的原料涉及共沸現(xiàn)象，所以考察xf在50%～95%范圍內(nèi)的分離結(jié)果以及傳質(zhì)性能參數(shù)，如圖5所示。

圖5 進料乙醇xf對Nmin和xd的影響

由圖5可知，隨著xf增大，xd和Nmin隨之快速增加，說明進料濃度增加，精餾床的傳質(zhì)性能增強。原因是乙醇濃度增加進而使上升蒸氣增加，氣液在填料內(nèi)混合更加充分。就所用實驗裝置與工藝而言，壓力P=61.33kPa時，xf低于90%的進料，xd最高達到94.83%，沒有突破常壓下的共沸點。但是xf高于90%的進料，xd最高達到95.71%，打破共沸。說明隨進料濃度增加塔頂可獲得無水乙醇。

由表4發(fā)現(xiàn)，HETP為8.66~45.74mm，傳質(zhì)性能良好。xf較高時實驗接近連續(xù)操作，傳質(zhì)效果較高。為對其規(guī)律充分了解，本實驗對高進料濃度進行深入研究，如圖6、圖7。

由圖6、圖7得知，xf增加，xd和Nmin隨之逐漸增大，表現(xiàn)較高的傳質(zhì)特性。并且壓力越低，xd和Nmin越大，傳質(zhì)性能越好。且在P=11.33kPa時打破共沸。在此壓力下探究Nmin和xd變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，當其他操作因素確定時，原料液濃度提高至一定濃度，超重機設(shè)備的性能參數(shù)穩(wěn)定在最優(yōu)值附近，經(jīng)分析可得該條件下產(chǎn)生足量高濃度蒸氣并與回流液體在填料層內(nèi)逆流接觸傳質(zhì)傳熱充分，從而發(fā)現(xiàn)超重力精餾設(shè)備發(fā)揮出強大的過程強化能力。

表4 單級旋轉(zhuǎn)精餾床HETP隨進料xf的變化關(guān)系

圖6 高進料乙醇質(zhì)量分數(shù)對xd的影響

圖7 高進料乙醇xf對Nmin的影響

從表5數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，進料濃度較高以及壓力較低時單級旋轉(zhuǎn)精餾床表現(xiàn)出較高的傳質(zhì)性能，且P=11.33kPa時 HETP維持在 7.94～13.98mm之間。

表5 單級旋轉(zhuǎn)精餾床HETP隨高進料濃度的變化關(guān)系

3 傳質(zhì)性能的對比

3.1 傳統(tǒng)填料塔減壓精餾間歇操作模擬流程的建立

Aspen Plus中Flowsheet運行類型提供化工過程基本流程模擬。通過定義流程，設(shè)定組分，選擇物性方法，校對二元交互參數(shù)，設(shè)置進料條件，規(guī)定塔參數(shù)，運行正常后對結(jié)果進行分析討論。本次模擬過程需要設(shè)置的基本參數(shù)包括塔釜加熱信息、物流信息和填料信息等。如圖8所示，為使流程快速收斂，采用Newton收斂方法。

3.2 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比

傳統(tǒng)填料塔減壓精餾分離結(jié)果與旋轉(zhuǎn)填料床（RPB）實驗結(jié)果對比如圖9所示，傳統(tǒng)填料塔與RPB的傳質(zhì)參數(shù)對比見圖10。

由圖9、圖10所示，相同操作條件下分離90% 和95%的原料，超重力精餾塔分離效果均優(yōu)于傳統(tǒng)填料塔，Nmin也高于傳統(tǒng)填料塔。充分證明RPB傳質(zhì)性能很好。并且隨壓力降低，分離效果和理論塔板數(shù)都明顯增加。由此證明超重力精餾與減壓精餾耦合傳質(zhì)性能提高顯著。由于實驗為間歇操作過程，超重力場中各因素的影響被放大，各操作條件處于最優(yōu)值時超重機分離水平相對較高。

圖8 Aspen batch distillation模擬流程圖

圖9 傳統(tǒng)塔與RPB的xd對比圖

圖10 傳統(tǒng)塔與RPB的Nmin的對比圖

由表6得出，傳統(tǒng)填料塔HETP維持為50.03～53.91mm，負壓時傳質(zhì)推動力增強，保持在較高分離水平，并且分離xf=95%的高濃度原料傳質(zhì)效果優(yōu)于常壓。但相同操作條件下，隨壓力降低 RPB的HETP減小幅度更加明顯并維持在7.94～14.20mm僅為傳統(tǒng)塔的 1/6～1/4，直接說明了超重機強化傳質(zhì)方面的優(yōu)勢。

表6 傳統(tǒng)填料塔與超重力精餾設(shè)備HETP對比表

4 技術(shù)優(yōu)勢分析

本研究中使用單臺水環(huán)真空泵來實現(xiàn)工藝負壓操作，表7中列出了相關(guān)該真空泵的部分參數(shù)。

表7 實驗真空系統(tǒng)部分操作參數(shù)

普通減壓精餾傳質(zhì)傳熱差，達到相同分離要求所需塔設(shè)備體積龐大，并且真空度設(shè)置越高，熱負荷差額才會越大，但能耗也隨之增加。而超重力裝置自身體積小，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，在相同條件下操作，更容易達到高真空。由此超重力減壓精餾工藝僅需單臺水環(huán)真空泵即可滿足需求，且物料受熱停留時間短、安裝維修方便、便于開停車、操作彈性大。成本及能耗明顯降低。

5 結(jié) 論

本研究應(yīng)用超重力減壓精餾間歇工藝分離乙醇/水共沸體系，整個實驗過程超重機平穩(wěn)運行。在整個工藝中，單級旋轉(zhuǎn)精餾床的傳質(zhì)性能隨著β的增大先增強后減弱，隨著壓力P的減小和進料乙醇濃度的增加逐漸增強。在P=11.33kPa時分離高濃度原料時可打破共沸點。與傳統(tǒng)填料塔在相同條件下進行對比，超重力減壓精餾的分離效果優(yōu)越性明顯。并且超重機HETP為7.94～14.20mm僅為傳統(tǒng)塔的1/6～1/4，傳質(zhì)性能顯著增強。對能耗分析發(fā)現(xiàn)超重力裝置由于體積小，開停車方便，操作彈性大等優(yōu)點，與傳統(tǒng)塔相比能耗降低明顯，為在工業(yè)化中廣泛應(yīng)用提供借鑒。

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研究開發(fā)

第一作者：栗秀萍（1972—），女，教授，碩士生導(dǎo)師，從事超重力精餾技術(shù)研究。E-mail lxpzhongxin@126.com。

中圖分類號：TQ 053.5

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）07-2001-06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.07.010

收稿日期：2015-09-23；修改稿日期：2015-12-16。

Process of mass transfer property of batch high gravity vacuum distillation

LI Xiuping1，2，LI Ning1，2，LIU Youzhi1，2，SONG Zibin1，2，LI Daoming1，2
（1Research Center of Shanxi Province for High Gravity Chemical Engineering and Technology，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China；2Shanxi Province Key Laboratory of Higee-Oriented Chemical Engineering，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

Abstract：Using stainless steel corrugated wire mesh packing，the separation of co-boiling system (ethanol/water) was studied by using the high gravity vacuum distillation.The effects of the ethanol mass fraction of feed xf(50%～95%)，the operating pressure P (101.33～11.33 kPa ) and average high gravity factor β (20.90～130.64) on the mass transfer property of ethanol/water system were studied.In this experiment，the running of the single-stage higee distillation equipment was stable and the mass transfer property increased first then decreased with increasing β.And it increased with decreasing P and increasing xf，and broke the azeotropic point when P was 11.33 kPa.Under the same conditions， the separation effect of the single-stage higee distillation equipment was higher than that of the traditional tower.The mass transfer property was 7.94～14.20 mm，only 1/6～1/4 of the traditionl tower.Mass transfer property was significantly enhanced.The energy consumption analysis showed that the gravity device itself was small and easy to reach the desired degree of vacuum，reducing energy consumption significantly.

Key words：single-stage higee；vacuum distillation；ethanol/water；mass transfer property