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汽液液三相精餾全塔效率模型及分析

汽液液三相精餾全塔效率模型及分析 2011年12月09日 来源： 中圖法分類號：TQ028﹔TQ018Modelling and Analysis on Overall Plate Efficiency of Three-PhaseDistillation SystemsJiang Zhuoliang(Hunan Research Institute of Chemical Industry,Changsha 410007)Shi Jifen(College of Chemical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029)Abstract　Based on analysis on the tray efficiency models and parameters affecting mass transfer of vapor-liquid two-phase distillation,the influence of factors on overall plate efficiency of vapor-liquid-liquid three-phase distillation systems was investigated in an oldershaw distillation column with 50mm diameter sieve-tray.Modelling of overall plate efficiency for vapor-liquid-liquid three-phase distillation system in froth regime was set up.A correlation equation for overall efficiency was obtained by regression of experimental data.Key words　overall efficiency,three-phase distillation,froth flow-regime,model,analysis　　在有機化工生產裝置設計過程中，精餾塔一直是設計人員考慮的重點，近年來，隨著烴類有機物的水蒸氣蒸餾、恆沸精餾以及萃取精餾中汽液液三相精餾的大量出現，精餾塔設計的難度越來越大。　　長期以來，人們在汽液兩相精餾的流體力學和傳質性能方面進行了比較深入細致的研究，有了一系列較為完善和可靠的理論和模型來指導實踐，而汽液液三相精餾的研究僅限于現象的觀察和初步分析，缺乏系統全面的研究，更未提出有關傳質效率的計算模型，正因為這樣，設計人員遇到汽液液三相精餾的設備設計和工藝條件確定時，常常依照汽液兩相精餾的情況來考慮，使三相精餾的工業設計和操作具有很大的盲目性，不符合設計最優化的原則，遠不能滿足工業設計的需要。　　因此，深入探討影響汽液液三相精餾全塔效率的各種因素，以建立三相精餾全塔效率模型，對于減少設計和操作的盲目性，優化工業操作及塔板設計、降低能耗等方面均有著重要的實際意義和理論意義。1　兩相精餾塔板效率模型概述　　塔板效率模型(Tray efficiency models)一般有四種﹝1﹞：旁路模型(The bypassing model)﹔軸向混合模型(The axial mixing model)﹔液沫夾帶模型(Liquid entrainment model)和氣泡夾帶模型(Vapor entrainment model)等。　　許多學者對塔板效率的規律性進行了定性的描述。計算方法大致分為三類：簡化經驗關聯式，如O’Connell關系曲線確定全塔效率ET﹔准數關聯式，如用Van Winkle關聯式計算Murphree板效率EMV﹔及理論公式復雜計算法，其中最系統和著名的為AIChE方法。下面就几種較為普遍而又簡捷的關聯方法作一簡單介紹。1.1　簡化經驗計算式　　不少研究者對全塔效率的實測數據進行了關聯，應用較為廣泛的關聯方法有：Drickamen經驗關聯法和O’Connell經驗關聯法。　　Drickamen和Bradford(1943)﹝2﹞根據石油煉制中84種烴類混合物的蒸餾分離過程的實測數據，提出以進料組成和狀態下物料的分子平均黏度μL作為全塔效率ET的關聯參數。　　O’Connell(1946)﹝3﹞對數十個工業塔及實驗塔大量碳氫化合物蒸餾所得的實際數據進行綜合歸納，將ET關聯成全塔平均溫度下輕重關鍵組分相對揮發度與進料的分子平均黏度乘積αμL的函數，其關聯式如下：ET＝0.49(αμL)－0.245　　結果表明：液體黏度是影響塔板效率的一個極為重要的物性因素，ET隨進料液體黏度增大而迅速下降。　　朱汝瑾﹝4﹞在O’Connell方法的基礎上，進一步考慮了板上液層高度及液氣比兩項主要流體力學參數的影響。1.2　准數關聯式　　准數關聯多種多樣，Van Winkle及其合作者(1963)﹝5﹞得出的關聯式就是其中一種，此法是以若干綜合性准數群表示EMV方法中較有代表性的一種，它引入了液氣比、液體許密特(Schmidt)准數、表面張力准數、相對揮發度等。較新的關聯式﹝6﹞中包括各種物系和塔板結構參數，除Dg、Sc准數外，還引入了雷諾(Reynolds)准數。1.3　理論公式復雜計算法　　復雜計算法目前也有几種不同的具體形式，其中較成熟的有美國化工學會的AIChE方法(1958)﹝7﹞，它以點效率的概念出發，以泡沫狀態為基礎，基于帶返混的渦流擴散模型，考慮了影響板效率流體力學和傳質的許多因素，并以數學解析式給出了較為完整的計算方法和步驟。但是，一些公式在推導和實驗驗証中，還有若干不盡符合實際的情況，此法用于大直徑塔板和多元系統時誤差較大。　　以上諸方法都是在一定條件下對塔板效率的近似反映。綜合上述塔板效率模型，影響汽液兩相塔板效率的因素主要有：汽速、液汽比等操作條件﹔表面張力梯度、液體的黏度、密度、擴散系數和相對揮發度等物系性質。2　三相精餾特點及因素考查2.1　三相精餾塔板上兩液相的混合狀況　　在汽液液三相精餾篩形塔板上，不互溶或

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