脉冲填料塔研究新进展及其在石油化工中的应用

于杰　朱慎林　费维扬

关键词　脉冲填料塔　流体力学　轴向混合　传质

YU Jie，ZHU Shen-lin，FEI Wei-yang
（Chemical Engineering Department，Tsinghua University，Beijing100084）

Keywords：pulsed packedcolumn，hydrodynamics，axial dispersion，mass transfer

　　脉冲填料塔将脉冲引入填料塔，既保留了填料塔的结构简单、投资和设备费用低等优点，又能减小液滴平均直径，加速液滴的“破碎-聚结”循环，大幅度提高传质效率。处理中、高界面张力体系时，脉冲填料塔具有突出的优越性。

1　脉冲填料塔研究的*新进展

1.1　脉冲装置
　　*早的脉冲是通过活塞施加到连续相上的，随后开发了空气脉冲装置。Thornton^［1］指出空气脉冲有两个优点：（1）脉冲系统与塔内的液体不直接接触；（2）不存在气蚀。因而空气脉冲在实验室和湿法冶金生产中得到了广泛的应用。近年来Simons^［2］介绍了特别适合于石油工业的脉冲装置。该装置的旋转阀与塔体底部相连。旋转阀外筒的壁上有两个相对的孔，四个通道均匀地分布在外筒表面，这样通过孔和通道可以将相对的一对吸入或排出筒与塔体连接。吸入筒中是负压，排出筒中是正压，它们通过管路分别与循环泵的吸入端和排出端相连。旋转阀的旋转运动使塔体交替与吸入筒和排出筒相连从而使塔内液体产生往复运动。脉冲填料塔的脉冲频率由旋转阀的转速决定，脉冲振幅通过改变循环泵的流量来调节。这种装置结构紧凑、便于放大，在己内酰胺等工艺生产过程中得到了成功的应用。

1.2　大幅度提高处理能力
　　一些工业装置的脉冲填料塔常用低空隙率的传统填料，其通量比较低。近年来，随着高孔隙率新型填料的开发应用^［3］，使用新型填料的脉冲填料塔的生产能力得到了明显改善。Pilhofer等^［4］采用甲苯／丙酮／水体系对使用不同填料的脉冲填料塔的液泛通量的研究表明，在0＜a^{.＜0.020m／s范围内，使用Sulzer-SMV新型填料的脉冲填料塔的通量比使用拉西环、鲍尔环等传统填料的高80％以上。QH-1型扁环}［5］是清华大学化工系开发的新型填料，研究表明^［6］在相同的脉冲条件下，装填QH-1型扁环（16）的脉冲填料塔的液泛通量比装填陶瓷拉西环（16×16×4）的高20％以上f

　　脉冲填料塔和脉冲筛板塔都是通过脉冲来强化传质的设备。Bcker等^［7］对比了装填规整填料（Sulzer公司生产的Mellapak500Y、Glitsch公司生产的Gempak4AT和MontzpakB1-500）的脉冲填料塔与筛板孔隙率为20％的脉冲筛板塔的通量。结果发现对相间的体系，脉冲填料塔的通量和操作范围均比脉冲筛板塔高1倍以上。

脉冲填料塔中的两相流动状况非常复杂，虽然填料可以减小轴向混合，但是脉冲增加了两相的湍动程度，另外液液萃取过程中两相的密度差小，这些都对脉冲填料塔的轴向混合产生较大影响。轴向混合的存在不仅减小了两相间的传质推动力，而且降低了塔的处理能力。

脉冲填料塔轴向混合方面的研究工作很多^{［11～15］}，表1列出一些主要的试验体系和得到的轴向混合系数计算公式。尽管在研究中采用的填料和试验体系不同，但在恒定的液相流速下，当脉冲强度从零开始增加时，连续相轴向扩散系数E_c先减小，达到一个*小值后迅速增加。说明存在一个脉冲强度范围，在该范围内脉冲填料塔的E_c低于填料塔。E_c存在*小值的主要原因是适当的脉冲可减小连续相径向流速分布的不均匀程度，但过大的脉冲又会加大返混。

　　Simons等^［15］对实验室和工业尺寸的脉冲填料塔（塔径从0.05m到2.40m）进行了系统的研究，试验中使用不同尺寸和材质的拉西环，测定了单相流和两相流条件下的轴向混合系数。除了发现E_c存在*小值外，研究工作还表明脉冲填料塔的轴向混合与表观流速、脉冲强度及填料的性质有关，而与塔径无关。
　　由于对分散相轴向扩散系数E_d的研究报道甚少，使考虑轴向混合的脉冲填料塔的传质计算难以进行。

表1　脉冲填料塔轴向混合系数关联式

1.4　提高传质效率
　　脉冲的引入减小了液滴平均直径，促进了液滴的“破碎-聚并”循环，加速了表面更新，这些都有利于强化传质。Reissinger等^［16］报道了对于甲苯／丙酮／水体系，脉冲可使装填　15　mm鲍尔环的填料塔的理论板数由3块／m提高到7块／m。其它研究结果^{［9，17，18］}也表明脉冲可大幅度提高填料塔的传质性能。
　　脉冲筛板塔中的液滴主要在筛板附近发生破碎与聚并，而脉冲填料塔中液滴不断与填料发生碰撞，液滴的表面更新频率快，传质效果好。Hoting等^［18］采用乙酸丁酯／丙酮／水体系对比了装填Montz-PakB1-350规整填料的脉冲填料塔和使用标准板的脉冲筛板塔的等板高度，结果发现在相同的脉冲强度下前者的等板高度比后者低50％以上，脉冲填料塔的等板高度*低可达0.10m。Bcker等^［7］的研究表明对于完成相同的分离任务，装填Mellapak　500Y填料的脉冲填料塔除塔径比使用标准板的脉冲筛板塔小外，塔高也比脉冲筛板塔低20％左右。说明脉冲填料塔的处理能力和传质效率均高于脉冲筛板塔。
　　由于不同填料的形状、空隙率、比表面积不同，它们与分散相液滴群的相互作用不同，造成装填不同填料的脉冲填料塔的流动和传质特性存在较大差异。新型填料的独特设计，使得使用新型填料的脉冲填料塔的性能得到大幅提高。装填不锈钢QH-1型扁环（16）和传统不锈钢拉西环（16×16×0.5）的脉冲填料塔的传质性能对比^［6］。可以看出，前者的H_oxp比后者高25％以上。

　　除了对脉冲填料塔的传质性能进行宏观研究外，Hoting^［19］还研究了脉冲填料塔中的单液滴传质系数，试验中采用的是Montz-PakB1-350规整填料和乙酸丁酯／丙酮／水体系。结果表明脉冲对液滴的总传质系数没有影响，脉冲填料塔传质性能的提高主要由于脉冲明显增大了传质比表面积。
1.5　数学模型的研究
　　对脉冲填料塔的模拟*早采用级模型进行。Simons^［20］将级模型与生产己内酰胺的HPO法（该法是DSM公司开发的生产己内酰胺的新工艺）流程中的肟化反应和物料平衡结合，建立了一个过程工程模型（PEM），用于模拟和优化脉冲填料塔的操作。模拟结果显示脉冲填料塔几乎是在活塞流条件下操作（Pe＞50）。另外还发现级模型的级数在一定范围内变化对模拟结果没有影响。
　　王德华^［21］采用返流模型模拟了试验测得的脉冲填料塔的稳态浓度剖面，并得到了轴向混合和传质参数。计算中采用Rod等^［22］提出的将Marquart方法和*大似然函数结合的优化算法，计算的浓度剖面与实测结果比较吻合。
　　近年来随着群体平衡模型（population balancemodel）研究^［23］的升温，研究人员也将该模型用于脉冲填料塔的模拟。Arimont等^［24］以单个液滴从形成、破碎、聚并到离开塔的整个生命周期为基础，模拟了乙酸丁酯／丙酮／水在脉冲填料塔中的萃取过程。结果发现在多分散情况下丙酮的萃取率远高于单分散情况。Hoting等^{［25，26］}根据单液滴试验测得的传质系数、破碎和聚并等参数用群体平衡模型模拟了装填规整填料的脉冲填料塔的操作性能。模拟结果显示液滴直径、存留分数等参数沿塔高发生变化。但是正如Goundon等^［27］所指出的，虽然这种模型清楚地指明了研究的方向，但由于萃取塔内两相流动的复杂行为，可靠的放大设计方法尚有待于进一步发展。
　　Stevens^［28］也指出，由于难以准确地估计轴向混合和传质性能，脉冲填料塔的设计、放大仍离不开中间试验。

2　脉冲填料塔在石油化工中的应用
　　荷兰的DSM公司于70年代开始将大型脉冲填料塔用于石油化学工业，并在该公司迅速推广应用。目前，工业中应用的脉冲填料塔的塔径已达3.0m，处理量超过250m³／h。表2是脉冲填料塔在DSM公司应用中的一些实例^［29］。该公司认为脉冲填料塔具有以下优点：逆流操作、轴向混合小、分散相在塔内分散均匀、传质比表面积可以控制、在流体力学类似的条件下萃取效率与塔径无关、萃取过程非常经济以及脉冲的机械问题已经解决等。

表2　脉冲萃取塔的工业应用实例

　　Simons^［2，20］介绍了脉冲填料塔在HPO法生产己内酰胺中的应用。该法将羟胺合成与肟化工艺结合，生产中无副产物硫酸铵。图6是HPO法生产己内酰胺的流程示意图，其中肟化反应器是脉冲填料塔，在该塔中反应与萃取同时进行。Simons^［2，20］的研究表明脉冲填料塔的传质效率与塔径和塔中是否存在反应无关，即脉冲填料塔的放大因子为1，因此可以方便地进行脉冲填料塔的放大设计。Simons^［20］还研究了脉冲强度与功率消耗间的关系，认为脉冲填料塔的能耗与其它机械搅拌设备相当，综合考虑各种因素，脉冲填料塔是该工艺中*经济的塔型。
　　我国从90年代初先后引进了多套己内酰胺的生产装置。一些装置中的肟化塔、硫萃塔和反萃塔都是脉冲填料塔，这些塔中分别装填了陶瓷拉西环和不锈钢拉西环。随着己内酰胺需求量的增加，一些生产装置在超负荷条件下操作，造成脉冲填料塔萃取率下降、夹带严重等问题，急需进行改造。

　　Mayer等^{［30，31］}研究了将脉冲填料塔用于苯乙烯的乳液聚合反应。脉冲填料塔良好的局部搅动提供了适当的乳化、强烈的径向混合和反应器壁快的传热速率；而脉冲填料塔低的轴向混合避免了乳液聚合反应在连续搅拌槽反应器（CSTR）中出现的转化率和粒子数持续波动。因此，脉冲填料塔中乳液聚合的反应速度和单程转化率明显高于CSTR，将脉冲填料塔用于乳液聚合具有明显的优势。
　　传统的离子交换设备存在压降大、树脂利用效率低、附属设备多等缺点。研究表明^［32］，将装填规整填料的脉冲填料塔用于离子交换，不仅可以克服上述缺陷，而且脉冲的引入大大提高了传质系数，增强了离子交换效果。
　　Gebel等^［33］提出将脉冲填料塔用于固-液反应，并研究了装填玻璃拉西环的脉冲填料塔的分散相存留分数。Fortuin等^［34］进一步介绍了用于固-液接触的脉冲填料塔装置，指出脉冲可以使固-液相间的传质、传热效果提高几倍，并提出脉冲填料塔可用于以下固-液操作：（1）用固相选择性吸附或除去液相中的某些组份，如用活性炭净化废水；（2）用液相选择性浸取或除去固相中的某些组份，如稀土元素的浸取；（3）在塔器的液相中进行的反应，如固相催化反应。由于石油化工生产中大量的反应是固-液反应，因此脉冲填料塔在石油化工生产中有广阔的应用前景。

3　结语
　　脉冲填料塔具有通量大、轴向混合小、传质效率高、设备投资少等优点，它的性能还可以通过使用新型填料得到进一步提高。因此脉冲填料塔已在荷兰的DSM、德国的拜耳等大的化工公司的石油化工生产中得到了广泛的应用。而我国投入运行的脉冲填料塔不超过10座，有关研究较少。因此，深入开展脉冲填料塔性能和数学模型的研究，对于消化吸收国外先进技术、开发高性能的脉冲填料塔和改进设计放大方法具有非常重要的意义。

符号说明
a　　　　　　脉冲振幅，m
B　　　　　　参数，与填料尺寸有关
C₁，C₂，C₂　　参数，通过拟合试验数据得到
d_e　　　　　　填料层的当量直径，m
d_p　　　　　　填料直径，m
E　　　　　　轴向扩散系数，m²／s
f　　　　　　脉冲频率，Hz
K₀　　　　　　待定参数
Re　　　　　　雷诺数
St　　　　　斯坦顿数
U　　　　　　表观流速，m／s
v　　　　　　运动粘度，m²／s
ε　　　　　　填料空隙率
　　　　　筛板的开孔率，分散相存留分数
₁，₂　　待定参数，与脉冲振幅有关
μ　　　　　粘度，Pa^．s
ρ　　　　　密度，kg／m³
下角标
c　　　　　连续相
d　　　　　分散相