Improving the Efficiency and Capacity of MethanolWater Distillation Trays 翻译 英文翻译 精馏 浮阀塔.docx

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ImprovingtheEfficiencyandCapacityofMethanolWaterDistillationTrays翻译英文翻译精馏浮阀塔

甲醇精馏浮阀塔板的效率和生产能力

N.S.Yang,K.T.Chuang和A.Afacan

加拿大,阿尔伯塔省T6G2G6,阿尔伯塔大学,化工与材料工程系，埃德蒙顿

M.R.Resetarits和M.J.Binkley

堪萨斯州67220,威奇托，街北,37号东,4111，LP，Koch-Glitsch

研究了直径0.3米甲醇-水精馏时浮阀塔板的效率和生产能力，在混合物组成上覆盖了一个比较大的范围。

测试结果显示出三个不同寻常的特点。

第一，发现在甲醇浓度非常小和非常大时效率都大幅减低。

结果表明独特的功能与表面张力梯度密切相关，即所谓的“马兰哥尼效应”。

第二，浮阀塔板的生产能力受甲醇-水中存在的杂质影响。

来自于工业甲醇精馏塔的甲醇-水混合物会存在杂质泡沫并且杂质会使塔板生产能力降低。

这也归因于马兰哥尼效应。

第三，浮阀塔的生产能力很大程度上取决于甲醇的浓度。

随着水的浓度增加，泛点因素F从4.0增加到6.5（kg/m）

/s。

在塔板间使用（规整填料作为去雾沫夹带设备（DED））能大幅度提高生产能力。

DED也通过在高F值下提高了效率。

在0.3米空气-水精馏塔的附加测试证实了DED是有效的。

同时也发现DED抑制了雾沫夹带而减少了浮阀塔的气压降。

引言

通过精馏来分离甲醇和水应该要很容易。

因为关键组分之间的相对挥发度相对较高，在3.0左右，液体表面张力和流体密度差异都很高。

由Koch和Glitsch的塔板设计手册可知，甲醇-水组成的系统没有泡沫。

在北美甲醇生产工厂，工程师认为他们的甲醇生产塔没有起泡，因此没有加入消泡剂。

然而，Zuiderweg和Harmens表明（马兰戈尼力量）可以在精馏塔中创造出出乎意料多的高泡沫。

那些被命名为高泡沫的“马兰戈尼泡沫”据称是由于与传质相关联的局部液体表面张力增加而导致的。

有趣的是，在Zuiderweg的研究中，促进泡沫系统表面张力的照片，似乎没有表明这些泡沫是由上面存在的泡沫液或者高度稳定的泡沫所促成。

相反，照片显示的是比较轻微的、稀疏的和扩张后的泡沫。

Ross和Nishioka的结果表明，泡沫也可以在即将形成的二相液体系统中形成。

Resetarits等人提出改变塔板的水力半径来减少塔板的发泡性。

本研究的目标之一是寻找甲醇-水精馏塔可能发泡的原因和影响精馏塔板效率和生产能力的因素。

对于工业精馏塔的设计，通常假设从塔顶至塔低的板效率相等。

这个假设对于甲醇-水分离需要仔细的检查。

表面张力的改变的话，可能会因马兰戈尼的作用影响局部效率，因而一路下来明显会影响到塔。

因此，一个额外的研究目标是审查甲醇浓度是否对效率有任何影响。

在2000年至2001年间，进行了甲醇—水的工业板式塔的的战略研究，即对能否增加它们的生产能力而不牺牲它们的效率进行了研究。

由Lee等人申请的美国专利5762668表明，在甲醇精馏塔中的液体流率可能太低，这样会有低堰负荷和短期泡沫。

当这些塔板在高气相流率操作下，这些泡沫会成为喷雾剂。

（喷雾流态化）效率低的原因是塔板间有大量的气沫夹带。

Lee专利介绍了如何填料可以减轻精馏塔板间大量的气沫夹带。

这些填料捕获和还回液滴到泡沫的形成处。

这些去沫夹带填料，或者称之为“DED”，有力的增加了塔板的生产能力。

第三个研究目标是要验证DED是否有力的提高了甲醇—水的精馏效率。

实验设备

精馏实验在一个直径0.3米的塔中进行，塔板上的浮阀（M-1由Koch-Glitsch提供）开度为14%，并且在一系列的甲醇浓度中进行实验。

用来实验的甲醇—水混合物来源于以下两个地方：

（1）纯实验室等级（试剂级）；

（2）取自工业精馏塔的液体样品。

图1显示了一般阿尔伯塔大学配备的塔板蒸馏装置。

塔中包含四个相同浮阀板，板间距是0.6米，每个塔板用不锈钢制成，并且在每个塔板托盘出口配备了一个热电偶和液体取样点。

塔顶两部分由高硼硅玻璃制成，以便可以观察到气相和液相的接触现象和泡沫的高度，其余的部分由不锈钢制成。

塔和塔板的详细尺寸如表1所示。

DED是88毫米厚的一层规整填料，表面积为250

（由Koch-Glitsch提供），填料固定在塔板甲板的下方。

塔在在常压下和全回流下操作（L=G）。

液体样品采用一台Hewlett-Packard5790A系列气相色谱仪来分析，该仪器有热导检测器和装满碳颗粒的色谱柱（3.17-mm-i.d.）。

在PRO/Ⅱ分离仿真程序（酒精模块）中采用汽液平衡（VLE）模型来计算板效率。

1，DP/开关；

2，流量控制器；

3，流量记录；

4，倾斜压力计；

5，等级控制器；

6，质量流量计；

7，孔板；

8，预热器；

9，压力控制器；

10，采样点；

11，过冷TC热电偶。

图1阿尔伯大学蒸馏塔

默弗里（Murphree）板效率由入口和塔板托盘采样点的液相样品来确定。

因为塔在全回流下操作，L=G，

，

，气相默弗里板效率

，可以用下式计算：

（1）

这里

和

是入口和出口处易挥发成分的液相摩尔分率，

是气相与液相接触平衡后离开板的气相组分。

图2显示阿尔伯大学的一个空气-水的精馏塔，该塔是用于测试浮阀塔水力学的一个实验装置。

这个塔用有机玻璃制成，塔的直径是0.3米，塔板间距是0.6米。

表1显示出了塔和塔板的尺寸。

压力检测头放在被测试板（中间板）的上面和下面，通过测量压力差来测量全板压力降。

泡沫的高度通过人的眼睛来观测到。

顶端塔板用来收集夹带出的泡沫，通过记录填满容器所需要的时间来测量高度。

顶部的烟囱板覆盖了一层30毫米厚的除雾网，并且塔顶部分被放大，以确保夹带的水没有从塔中跑出。

最底部的塔板设计为空气分配器。

空气的流量用一个热线风速仪来测定。

水由一个循环水泵来提供，水的流量用一个校准过的流量计来测定。

表1塔和塔板的详细参数

塔直径（m）

0.30

塔板有效面积（m

）

0.0537

开空区面积（m

）

0.00383

筛板厚度（mm）

3.0

出口堰高（m）

0.063

进口堰高（m）

0.051

堰长（m）

0.213

降液管底隙高度（m）

0.202

塔板间距（m）

0.6

孔中心距（mm）

24.0

筛孔直径（mm）

7.0

浮阀数量

18

图2阿尔伯大学空气—水蒸馏塔

结果与讨论

精馏甲醇—水

图3显示在恒气率2.5

下水浓度不同的状况下塔板的效率。

在水浓度低和高时，可以发现塔板的效率都大幅降低，无论是使用实验室试剂还是工业液体样品都一样。

效率曲线的形状对精馏塔来说是不典型的。

文献检索表明，精馏塔的板效率可能取决于组成物的表面张力。

同样奇怪的甲醇—水板效率的结果也被Ruckenstein和Smigelschi发现，最近又被Syeda用一个Oldershaw筛板塔发现。

在一个小的Oldershaw筛板塔中，泡沫起泡性很强，在目前看来，汽—液分散在混流区域。

因此，目前的结果表明这个不寻常的现象由气泡和混合后的泡沫所产生。

甲醇—水是一个表面张力正吸附的系统；即随着塔中液体收益下降表面张力增加。

图4显示了在甲醇—水精馏塔内一个典型的表面张力轮廓图。

这个轮廓图是通过使用PRO/II分离模块程序而获得。

甲醇—水表面张力的梯度在靠近塔的顶部和底部变得十分的平坦，并且分别对应着低浓度和高浓度的水。

然而，靠近进料板时，受马兰戈尼的影响，梯度急剧变化。

研究

表明，马兰戈尼效应通过产生汽—液界面的湍流来增加汽—液分散质量传递系数，并有可能通过抑制气泡聚并而增加界面的质量传递区域。

因为在水的浓度很小和很高时表面张力梯度很小，所以在这块提高效率不是预期的目标。

图3水浓度的变化对板效率的影响

图4在工业甲醇—水精馏塔表面张力轮廓图

不知道在高和低浓度甲醇下观察到的低效率是否由于用于分离模拟的VLE模型中的任何不准确的地方导致的。

图5显示从PRO/II模拟程序包中提取的VLE实验的数据。

所有在此图中所示的实验数据引用于Gmehling和Onken。

从中可以看出来自模拟程序的VLE数据与在这些测试中使用不同甲醇浓度的实验数据非常匹配。

因此图3所示的不寻常的效率轮廓图是真实的。

图5汽液平衡的实验数据和模型预测（所有

实验数据引于Gmehling和Onken12）

图6比较了不同混合物的效率，它们有相似的浓度，并且用到的浮阀塔板都装备了DED。

工业样品的效率比实验室样品的效率略低，并且在高汽速下，工业甲醇—水样品效率显著的变得很低，因为过早的产生了液泛。

肉眼观察表明，对于工业甲醇—水样品，与实验室甲醇—水样品相比来说，汽—液分散的形式为较稀疏、呈乳状和扩大化的泡沫。

工业样品表现不同，气味也不同。

乙酸甲酯的浓度为0.004%时成了工业样品的主要杂质，并且疑似它导致了发泡。

工业样品产生的泡沫也许可以叫做“乳白色泡沫”。

液体是白色的，液体里面似乎有许多小气泡被困在里面。

这扩大了液体和泡沫的体积并导致了过早的液泛。

图6在装备了DED时不同混合物的板效率

图7比较了两个样品在装有DED装置蒸馏板上的压力降。

工业甲醇—水样品有更高的压力降。

在观测中总结出工业样品会产生扩大化的泡沫。

因为工业甲醇—水样品产生了“乳白色泡沫”，而实验室样品甲醇—水样品却没有观测到泡沫的形成，这看起来产生“乳白色泡沫”是归咎于样品中存在的杂质。

在不同的时间对不同的工业样品也进行了测试，结果也是相似的。

这结果使得人们相信的是，除非杂质非常有限，否则工业精馏塔将可能存在泡沫。

图7两个样品在装有DED装置蒸馏板上的压力降。

图8比较了在没有DED和有DED情况下默弗里板效率，并且使用的水浓度也相似。

塔板效率是在因素F小于3.2情况下比较得出的，当因素F小于3.2时，汽沫夹带时可忽略不记的。

从表面上来看，DED增强质量传递可能是因为增加了可用于汽—液接触的表面。

然而，当汽沫夹带量低时，DED持有的少量液体的传热传质会迅速达到平衡。

在高气速和高汽沫夹带下，DED有点增强效率的效果。

在图8中，当因素F高于3.2时，液体夹带变得比较明显。

对于没有配备DED的塔板，当因素F为3.5时，效率大幅降低。

在配备DED的情况下，当因素F为3.9时，效率依然保持增长。

基于效率和压力降的测量以及视觉观察，装有DED的板比没有装备DED的板高出10%的生产能力。

图8在没有DED和有DED情况下默弗里板效率

图9提供了一个有关测试塔板液泛点的信息，是在有和没有DED的作用时不同水浓度情况下的结果。

浮阀塔的生产能力强烈依赖于水的组成。

液泛点的重大变化与甲醇—水组成系统的物理性质有关。

在高水含量下，液体的表面张力时很高的。

从泡沫中跑出的雾滴很大，不容易被夹带。

因此在高水含量下蒸汽容量很高。

图9水的浓度对生产能力的影响

在空气—水精馏塔中的流体力学。

先前所描述的精馏过程是在全回流操作和汽—液摩尔比统一固定下进行的。

在一个空气—水的精馏塔里，流体力学可以在一个广泛的气体和液体流率操作条件下得到检验，其它的信息（如液沫夹带和泡沫高度）也可以得到，液体流率范围从1.5到5.84kg/（sm）,而空气的流率范围从1.5到5.9

。

图10比较了空气—水浮阀塔板在有和没有DED时的总压力降。

在非常低的因素F下，装有DED的塔板压力降稍微高，这是因为DED存在额外的气体流动阻力。

因为DED具有高空隙率，增加的压力降相对较小。

在高液速和高因素F下，没有安装DED时塔板的压力降慢慢上升。

DED抑制汽沫末夹带从而减少小液滴通过浮阀塔板是一个事实。

对于浮阀塔板没有汽沫夹带，压力降由三个部分组成：

（1）气体通过阀孔流动而产生压力降；

（2）表面张力引起的压力降（3）塔板上的液体压头产生的压力降。

当汽沫夹带很高时，不仅气相通过阀孔而且夹带的小液滴也通过阀孔。

这实质上增加通过塔板的局部气相速度，因此增加第一项的压力降。

虽然后续的第二项压力降保持不变，第三项的压力降可能增加，这是因为比较高的的汽沫夹带增加了浮阀塔板的持液量。

图10空气—水浮阀塔板在有和没有DED时的总压力降

图11比较了浮阀塔板在有和没有安装DED情况下的泡沫高度。

在较低的液速和汽速负荷下泡沫高度是相似的。

当汽—液负荷增加时有DED的塔板的泡沫高度较低。

这是在同一条竖直参考线上所观察到的压力降结果。

图11有和没有安装DED情况下的泡沫高度

图12比较了浮阀塔板在有和没有安装DED时的汽沫夹带量。

在较高的液—汽负荷下，没有安装DED的板的汽沫夹带量较高，需指出的是DED可以有效的减少汽沫夹带。

对于安装有DED的塔板，阿尔伯达的空气—水精馏塔可以不发生液泛是因为风机有一定的能力限制。

但是，在没有安装DED时精馏塔可以发生液泛。

对于工业精馏塔，操作上限经常设置在“10%的汽沫夹带”。

因此，我们可以把10%的汽沫夹带作为实际的操作点，并用它作为塔板有和没有安装DED装置的一个比较基础。

这个比较结果如图13所示。

根据液体的流率，在安装有DED的情况下，生产能力增强了14%。

图12有和没有安装DED时的汽沫夹带量

图13有和没有安装DED时生产能力的情况

在图9中表明，甲醇—水塔板的泛点强烈依赖于甲醇的浓度，其中因素F的范围从3.8到超过6.5。

空气—水精馏塔的测试结果证实在空气—水精馏塔中的泛点与低浓度的甲醇精馏塔是可比的。

结论

甲醇—水精馏看起来棘手，马兰戈尼起泡，表面活性剂起泡，或两者组合导致起泡。

过早的液泛可由喷雾式流态化或者由泡沫导致，尤其塔板是低堰口时。

当泡沫存在时，它们是乳白色的，较稀疏的和扩大化的泡沫。

这些塔的塔顶和塔底可以出现非常低的效率。

DED可以在不降低效率的情况下拓展精馏塔的生产能力。

参考文献

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