汽液液三相精馏全塔效率模型及分析

汽液液三相精馏全塔效率模迎(湖南化工研究院，长沙，410007)(北京化工大学化析*提要在探讨汽液两相精馏塔板效率模型厦影响因素的基础上，在Oldershaw精馏塔内，对影响汽液液三相精馏仝塔垃率的各种因素进行了深入研究，建立了基于泡沫工况下的汽液液三相精馏空塔效率模型，通过对妾测教据的关联，获得了上迷模型参数。词兰，璐迅竺析在有机化工生产装置设计过程中，精馏塔一直是设计人员考虑的重点，近年来，随着烃类有机物的水蒸气蒸馏、恒沸精馏以及萃取精馏中汽液液三相精馏的大量出现，精馏塔设计的难度越来越大。长期以来，人们在汽液两相精馏的流体力学和传质性能方面进行了比较深入细致的研究，有了一系列较为完善和可靠的理论和模型来指导实践，而汽液液三相精馏的研究仅限于现象的观察和初步分析，缺乏系统全面的研究，更未提出有关传质效率的计算模型，正因为这样，设计人员遇到汽液液三相精馏的设备设计和工艺条件确定时．常常依照汽液两相精馏的情况来考虑．使三相精馏的工业设计和操作具有很大的盲目性，不符合设计最优化的原则，远不能满足工业设计的需要因此，深入探讨影响汽液液三相精馏全塔效率的各种因素，建立三相精馏全塔效率模型，对于减少设计和操作的盲目性，优化工业操作及塔板设计、降低能耗等方面均有着重要的实际意义和理论意义。l两相精馏塔板效率模型概述塔板效率模型(TrayefficientYmodels)一般有四种¨1：旁路模型(Thebypassingmode1)；轴向混合模型(Theaxialmixingmode1)；液沫夹带模型(Liquidentrainmentmode1)和气泡夹带模型(Vaporentraim'rtentmode1)等。许多学者对塔板效率的规律性进行了定性的描述。计算方法大致分为三类：简化经验关联式．如*国家自然科学基金资助项目船2000年第3期纯I港晨0’Connell关系曲线确定全塔效率E；准数关联式，如用VanWinkle关联式计算Murphree板效率Em-；及理论公式复杂计算法，其中最系统和著名的为AIChE方法。下面就几种较为普遍而又简捷的关联方法作一简单介绍。1．1简化经验计算式不少研究者对全塔效率的实测数据进行了关联，应用较为广泛的关联方法有：Drickamen经验关联法和0’Connell经验关联法。Drickamen和Bradford(1943)~根据石油炼制中84种烃类混合物的蒸馏分离过程的实测数据，提出以进料组成和状态下物料的分子平均黏度／．tL作为全塔效率的关联参数。0’Connell(t946)[3J对数十个工业塔及实验塔太量碳氢化合物蒸馏所得的实际数据进行综合归纳，将关联成全塔平均温度下轻重关键组分相对挥发度与进料的分子平均黏度乘积a,u的函数，其关联式如下：ET=0．49(a／z1)结果表明：液体黏度是影响塔板效率的一个极为重要的物性因素，随进料液体黏度增大而迅速下降。朱汝瑾L4在0’Connell方法的基础上，进一步考虑了板上液层高度及液气比两项主要流体力学参数的影响。1．2准数关联式准数关联多种多样，VanWinkle及其合作者(1963)-得出的关联式就是其中一种，此法是以若维普资讯http://www.cqvip.com干综合性准数群表示E方法中较有代表性的一种，它引人了液气比、液体许密特(Selmaidt)准数、表面张力准数、相对挥发度等。较新的关联式l6中包括各种物系和塔板结构参数，除Ds准数外，还引入了雷诺(Reynolds)准数。1．3理论公式复杂计算法复杂计算法日前也有几种不同的具体形式，其中较成熟的有美国化工学会的A删1E方法(1958)j，它以点效率的概念出发，以泡沫状态为基础，基于带返混的涡流扩散模型，考虑了影响板效率流体力学和传质的许多因素，并以数学解析式给出了较为完整的计算方法和步骤但是．一些公式在推导和实验验证中，还有若干不尽符合实际的情况，此法用于大直径塔板和多元系统时误差较大。以上诸方法都是在一定条件下对塔板效率的近似反映。综合上述塔板效率模型．影响汽液两相塔板效率的因素主要有：汽速、液汽比等操作条件；表面张力梯度、液体的黏度、密度、扩散系数和相对挥发度等物系性质。2三相精馏特点及因素考查2．1三相精馏塔板上两液相的混合状况在汽液液三相精馏筛形塔板上，不互溶或部分互溶的两液相，由于气体通过筛孔形成气泡群对板上液层的强烈搅动，往往会发生乳化现象．形成一种液相包容另一液相的情形，即水包油型(O／W)或油包水型(W／O)乳化液J若气流激烈搅动则更容易乳化。当板上油多水少(油水比大于1)时，则水相成为水滴均匀地分散在油相中．反之亦然。随着油水比的连续变化，在油水量大致相近时，就可能发生内外相间的相互转化。乳化液的形成，使整个系统的流体力学和传质性能不同于一般的汽液两相蒸馏。2．2因素考查