CN1089015C - 一种装有级间转动挡板的转盘萃取塔 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种装有级间转动挡板的转盘萃取塔，该萃取塔包括塔体、固定环、转轴、转盘和转动挡板。转动挡板置于两转盘之间，并固定在转动轴上，与固定环处于同一平面，转动挡板的直径与转盘的直径之比为：1～0.8∶1；转动挡板上开有以同心圆排列的小孔，小孔直径为10～30mm，转动挡板上的开孔率为40～60%。从速度场的测量结果来看，增加筛孔挡板后能有效地抑制级间的轴向返混，同时级内的混合强度增加，有利于转盘塔内两相间的传质。
Description
本发明涉及一种装有级间转动挡板的转盘萃取塔，属于化工分离设备领域。
大型转盘萃取塔是一种重要的化工传质设备，它在化工、石油和环境保护等领域有着广泛的应用。转盘萃取塔(RDC)具有结构简单，处理量大，投资小等优点。因此，自从其本世纪50年代问世以来，一直在石油及化学工业中得到了广泛的应用。影响转盘萃取塔传质的主要因素是分散相存留分数和轴向返混。转盘萃取塔在进行工业放大时，由于轴向返混而使75～90％的塔高用于补偿轴向返混带来的传质推动力的降低。在萃取柱中连续相内的轴向返混被认为是由以下几种因素中的一个或几个而引起的：1)由于流体和流体搅拌而引起的涡流扩散；2)径向速度分布；3)分散相液滴尾流内连续相的夹带；4)分散相液滴流动引起的涡流。但具体造成返混的因素、来源、影响程度以及影响区域研究的还很不充分。除此之外，对于转盘萃取塔，由于沟流和短路而在萃取塔截面上产生的非理想连续相分布；分散相由于液滴上升流速随液滴大小而产生前混以及液滴破碎和液滴间的聚并都是产生转盘塔内非理想流动的因素。对于转盘萃取塔传质特性的已相当广泛和深入，其中包括液滴直径的预测、传质系数的关联、液滴破碎、液滴特征速度、滑动速度关联式、转盘塔径的大小对传质的影响等。然而，转盘萃取塔，特别是工业规模的转盘萃取塔的非理想因素的研究相当困难。已知的确定轴向返混的经验关联式仅限于固定的转盘塔的几何尺寸，大塔径下的实验数据相当少。
计算流体力学(CFD)是一门发展迅速的前沿学科，它在航天及汽车工业中的应用取得了巨大的成功。在化工领域的运用也在迅速发展。Weiss等人通过计算流体力学的方法理论计算了转盘塔(直径为150mm)内的流场，研究了塔内流体流动的流型。他们指出基于动量方程的模型可以为萃取塔的设计和操作提供有用的工具。Bart等人则对转盘萃取塔内单相和两相流体流动规律进行了深入的研究。他们指出，充分的径向动量传递是保证传质过程中设备体积的有效利用的充分条件。如果设备的几何结构不能保证这种径向的动量传递，增加转盘塔转速也不可能达到充分的传质和分离要求，特别是对大塔径的转盘塔。在层流边界层流动情况下，转盘的径向动量传递是通过从转盘边缘向外释放自由液体射流来实现的。根据边界层理论，在射流轴上的最大流速在层流情况下是以X-1/3的速度减小(X为设立轴向距离)。在湍流状态下则以X-1/2的速度递减。如果这个速度与液体连续相流速相比很小，由转盘离心力而向塔壁方向流动的流体将达不到塔壁。湍流状态下的径向动量传递是由转盘边缘上的涡流产生的。在大塔径萃取塔内，这种层流和湍流机理将失去其有效性，流体有效的切向运动将被打破。在这种情况下，返混就会产生，塔的有效利用体积会降低。
本发明的目的是设计一种装有级间转动挡板的转盘萃取塔，改变已有技术的结构，消除转盘塔内的级间返混，保证在通量基本不变的前提下提高传质效率。
本发明设计的装有级间转动挡板的转盘萃取塔，包括塔体、固定环、转轴、转盘和转动挡板。转动挡板置于两转盘之间，并固定在转动轴上，与固定环处于同一平面，转动挡板的直径与转盘的直径之比为：1～0.8∶1；转动挡板上开有以同心圆排列的小孔，小孔直径为10～30mm，转动挡板上的开孔率为40～60％。
使用本发明设计的装有级间转动挡板的转盘萃取塔，从速度场的测量结果来看，增加筛孔挡板后能有效地抑制级间的轴向返混，同时级内的混合强度增加，有利于转盘塔内两相间的传质。
附图说明：
图1是本发明设计的装有级间转动挡板的转盘萃取塔的结构示意图。
图2是转盘塔萃取塔增设转动挡板前后传质效率的比较。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。
图1中，1是塔体，2是固定环，3是转盘，4是转轴，5是转动挡板，6是转动挡板上的小孔。
如图1所示，本发明设计的装有级间转动挡板的转盘萃取塔，包括塔体1、固定环2、转轴4、转盘3和转动挡板5。转动挡板5置于两转盘3之间，并固定在转动轴4上，与固定环2处于同一平面，转动挡板5的直径与转盘3的直径之比为：1～0.8∶1，本实施例为1∶1。转动挡板上开有以同心圆排列的小孔6，小孔直径为10～30mm，转动挡板上的开孔率为40～60％。
现在对本发明进行描述。本发明中的筛孔式转动挡板，将安装在转盘萃取塔固定环平面上。转动挡板可以由两个半圆形挡板组成，安装时卡在转盘萃取塔的转轴上。也可以是一个整体，安装时从轴的一端套入。挡板直径为转盘直径的80～100％。挡板上开有圆孔，孔径为10～30mm，视具体过程而定，开孔率为40～60％。
本发明的工作原理为：转盘塔内两相之间的传递是靠转盘3在两个固定环2之间的转动引起流体相互混合发生质量交换。但在两转盘之间的固定环平面上、下同时也会发生质量交换，即级间返混或轴向返混，影响了转盘塔的传质效率。在固定环平面增设转动挡板5后，有效地抑制在该平面上下的传质(轴向返混)，使转盘塔传质效率大大提高。
以下以实施例说明本发明的效果。
在流场测量和计算流体力学模拟的基础上，在塔径为100mm的转盘萃取塔内进行了传质实验。实验中，选用了正丁醇—丁二酸—水体系进行实验研究。这是一个典型的低界面张力体系，也是欧洲化学工程师联合会推荐用于萃取研究的三个标准体系之一。实验时，正丁醇作为连续相，水作为分散相，丁二酸作为溶质。其中，水是经电渗析器处理后的去离子水，正丁醇是北京化工厂生产的化学纯试剂，丁二酸是北京求贤化工厂生产的分析纯试剂。实验所使用的转盘塔塔体材质为硬质玻璃，固定环和转盘均为不锈钢材质制成。转盘安装在一根直径为15mm的不锈钢轴上。实验体系物性数据列于表1，塔的部分结构参数如表2所示。
表1 实验体系物性数据
| 物性 | ρc(kg/m3) | ρd(kg/m3) | μc(cP) | μdcP | σ(mN/m) | Dc(μm2/s) | Dd(μm2/s) |
| 无溶质 | 846.0 | 985.6 | 3.364 | 1.426 | 1.75 | ||
| 有溶质 | 876.2 | 1000.0 | 3.925 | 1.610 | 0.75 | 229 | 584 |
表2 转盘塔的结构参数
| 塔高(mm) | 塔径(mm) | 固定环直径(mm) | 转盘直径(mm) | 隔室高度(mm) |
| 1000 | 100 | 80 | 60 | 30 |
各种操作条件下改进型转盘塔和普通转盘塔的传质效率的比较绘于图2。传质实验结果表明，安装挡板的改进型转盘塔传质效率如果以有机相作为分散相平均提高20～40％，而以水相作为分散相则平均提高15～30％。本发明的优势在于：对现有转盘萃取塔无需进行改动，改造简单易行且对工艺操作无影响，改造投资费用低，经济效益可观。
Claims (1)
1、一种装有级间转动挡板的转盘萃取塔，该萃取塔包括塔体、固定环、转轴、转盘，其特征在于还包括转动挡板；所述的转动挡板置于两转盘之间，并固定在转动轴上，与固定环处于同一平面，转动挡板的直径与转盘的直径之比为：1～0.8∶1；转动挡板上开有以同心圆排列的小孔，小孔直径为10～30mm，转动挡板上的开孔率为40～60％。
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