简析填料萃取塔设计中应注意的几个环节

2022-09-12

1 填料的选择

虽然填料萃取塔常常使用与气液传质过程相似的填料, 但是萃取过程对填料的要求与精馏和吸收过程有明显的差别。在填料萃取塔内分散相不应与填料表面浸润, 如果液滴群与填料表面浸润, 就会引起聚结和形成沿着填料的液流。由干填料萃取塔内的相际传质过程是在分散相液滴群和连续相之间进行的, 上述由于与填料表面浸润而引起的聚结现象会明显降低传质效率。在气液接触过程如精馏和吸收过程中, 液相沿着填料表面流动, 传质过程的相际界面与填料被湿润的表而积有关。因而在气液传质过程中设计选用表而积大而易被液相湿润的填料。然而, 在液液萃取过程中, 填料通常优先为连续相所湿润, 分散相以分离的液滴群的形式上升或下降。这样, 在液液萃取过程中填料的作用是降低连续相严重的对流或轴向返混并提供表面积来促进分散相的粉碎和聚合以强化传质。这样, 比表面积高的填料虽然常常有益, 但并不像气液接触过程那样起决定性的作用。

因此在选择填料的时候, 尽量避开这种填料。针对液-液萃取过程的性质和特点, 选择一些QH-1型内弯弧形片环填料比较适宜。这种填料与其他填料结构上有很大的不一样, 由于其内部的流道比传统填料更加合理, 另外它的高径比很合适, 这样的话能够促进液滴群分散聚合的循环, 同时能够增强填料的强度, 并能在填料乱堆的时候起到有效排列的作用。

QH-1型填料在用于低界面张力体系的液-液萃取时, 表现出轴向混合小, 处理能力大, 传质效率比较高, 性能和效率十分明显。用于中等界面张力体系的液-液萃取时候, 依然表现很高的传质效率。因此在选择填料的时候, 应该根据液-液萃取的特点进行选择, 这样才能提升整个萃取的效率。

2 防止轴向返混

对于填料萃取塔来说, 要研究流体在填料塔中的实际流动状况, 测定流体的轴向液体返混的程度, 对反应器进行设计和分析, 这是必备的手段。在防止流体轴向返混, 首先要先确定相关流体轴向返混系数, 可以通过示踪响应技术, 确定填料塔内流体轴向返混系数。一般来说, 可以采用等距法对实验得到的示踪剂停留时间分布曲线中出现的异常数据进行剔除, 接着是利用五点三次平滑公式对数据进行滤波处理, 用一维轴向扩散模型对曲线进行拟合, 最后采用时间域最小二乘法确定了轴向返混系数。这样就可以为下一步防止轴向返混提供相关的数据。

要防止填料萃取塔中的返混现象, 就要设计好填料塔的塔径, 尤其是要设计好支撑板, 它起着支撑填料层的作用, 能够使填料塔内的气体均匀地分布, 控制好填料层的内气。另外, 填料塔的液体分布器起着均匀分布液体的作用, 可以防止气体和液体在填料层内的沟流, 也必须掌握设计要点。在设计填料塔, 还要控制好液体喷淋密度, 如果密度过大, 会导致部分气体往下流动。同时要注意预防填料塔内气液的湍流脉动使气, 液微团停留等现象。

3 体系物性的影响

体系物性包括界面张力、两相的密度, 还有粘度等。其中界面的张力能够影响到分散相液滴平均直径, 作为界面张力对填料塔的处理能力与传质效率起着十分关键的作用。在工业运用上, 填料萃取体系的界面张力有很大的不同。比如对于润滑油酚精制的界面张力比较低, 也有一些工业体系的界面张力比较高的。在运用过程中, 不同体系的液返速度和传质性能就有很大的不一样。一般来, 可以通过不同的液-液萃取的实验体系去测定比较多的填料萃取塔的性能数据。所以, 在实际操作中, 可以根据具体体系的物性, 去设计计算过程中参考适当的数据, 并且可以选用适当的设计计算公式。

4 液体分布器的设计

液体的初始分布对于填料塔分离效率有很大的影响, 不良的液体初始分布将导致填料塔效率的大幅度下降, 因此在填料萃取塔设计的过程中, 液体分布器的设计选择非常关键, 目前填料塔的液体分布器有几十种, 在很多大中型的填料塔中, 很多是采用槽式、盘式, 管式等分布器。例如:盘式分布器见图1, 在分布管上分布有一些小孔, 根据塔径确定分布管的数量, 喷淋液则从总管的中部进入, 分成4股分散到分布管进行喷淋。这种分布器结构简单, 且阻力较小, 但是其操作弹性小, 当喷淋液减少时, 外圈分布管中的喷淋液会以滴状向填料层喷淋。若在制造过程中存在分布管弧度不一致现象, 那么可能导致喷淋分布不均问题。

一般来说, 为便于后期的安装与检修, 可以优先设计成管式预分布器的二级槽式液体分布器。如果填料层某段液体的分布器容易被脏物堵塞, 可以选用螺旋喷嘴式液体分布器, 这样可以提升管内液体流速, 同时也能够防止管内脏、堵问题。如遇循环取热段, 可以选择盘槽和盘槽管, 所占空间高度较低, 并且可以充分去达到淋降传热的目的。

液体分布器的设计, 首先应考虑物系分离的难易程度, 对于一些分离要求不高的塔, 例如某些吸收塔和传热塔, 可以使用简单的分布器, 传热中常用喷头型;中等分离要求的塔, 选用结构较为复杂的槽式液体分布器;对高分离要求装置的分布器的设计需要特别精致;直径小于φ1000mm的塔, 普通的盘型分布器基本能够满足各项要求;对于高喷淋密度的大塔, 则应使用槽式液体分布器。

另外, 集液布液出侧线, 首先槽盘是关键, 常减压蒸馏装置中的常压塔和减压塔属于多侧线塔。毕竟它是一个同时具有两个塔内件的功能, 同时是拥有集液、气体分布、液体分布和侧线采出的功能具体的功能, 而且它的总占位高度较低, 成本较低, 很有竞争力。

设计改造省空间, 采用新连通槽式分布器, 占空间高度较低, 降低塔高, 这样保留了连通槽式液体分布器的优势, 也能够灵活地解决了液体全收集的困惑, 具有很强的功能。

结束语

填料萃取塔的设计, 主要就是填料选择, 防止轴向返混, 考虑体系物性的影响, 还有优化分布器的设计等几个关键环节。只有对这几个关键环节进行正确, 合理的设计, 才能提高塔的分离效率, 保证填料萃取塔安全、稳定、高效运行, 从而提高企业的生产效率。

摘要：填料塔设计以及人为操作中的问题容易引发意外事故, 造成严重不良社会影响, 也对企业发展造成影响。因此, 企业对填料萃取塔设计提出了更高的要求。本文就填料萃取塔设计几个关键环节, 如填料的选用、轴向返混的影响、体系物性的重要性以及液-液分布器的设计等进行了简要的讨论。在填料萃取塔设计过程中, 只有对这几个关键环节进行正确, 合理的设计, 才能提升该设备的萃取效率, 从而提高企业的生产效率。

关键词：填料萃取塔,设计,优化萃取塔