CN106621459A - 一种多参数分段优化的新型转盘萃取塔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多参数分段优化的新型转盘萃取塔，包括塔体、固定环、转轴、转盘、转动筛孔挡板、分布器和带有规整填料的扩大段；转盘、转动筛孔挡板、规整填料可以根据分离工艺的要求确定数量、尺寸和表面喷涂处理。转动筛孔挡板置于两转盘之间，并固定在转轴上，与固定环处于同一水平面，转动筛孔挡板的直径与转盘直径之比为1:0.7～1.0；转动筛孔挡板上开有以同心圆排列的孔，孔直径为10～30mm，孔的大小可以是直径均一的，也可以是多孔径的，开孔率为25～60％。本发明通过调节萃取塔转盘直径、转动筛孔挡板直径、固定环间距、固定环内径等结构参数，并加装多孔径、变开孔率转动筛孔挡板；有效地提高了萃取塔效率。
Description
技术领域
本发明涉及萃取分离设备技术领域，具体是一种多参数分段优化的新型转盘萃取塔。
背景技术
转盘萃取塔具有结构简单，操作稳定、处理能力大，投资小及安装维修方便等特点，因此在石油炼制和化学工业中得到了广泛应用。
转盘萃取塔自从其本世纪50年代问世以来，一直在石油及化学工业中得到了广泛的应用。影响转盘萃取塔传质的主要因素是分散相存留分数和轴向返混。转盘萃取塔在进行工业放大时，由于轴向返混而使75～90％的塔高用于补偿轴向返混带来的传质推动力的降低。在萃取柱中连续相内的轴向返混被认为是由以下几种因素中的一个或几个而引起的[1-2]：1)由于流体和流体搅拌而引起的涡流扩散；2)径向速度分布；3)分散相液滴尾流内连续相的夹带；4)分散相液滴流动引起的涡流。但具体造成返混的因素、来源、影响程度以及影响区域研究的还很不充分。
计算流体力学(CFD)是一门发展迅速的前沿学科，它在航天及汽车工业中的应用取得了巨大的成功。在化工领域的运用也在迅速发展。Weiss等人通过计算流体力学的方法理论计算了转盘塔(直径为150mm)内的流场，研究了塔内流体流动的流型。他们指出基于动量方程的模型可以为萃取塔的设计和操作提供有用的工具。Bart等人则对转盘萃取塔内单相和两相流体流动规律进行了深入的研究。他们指出，充分的径向动量传递是保证传质过程中设备体积的有效利用的充分条件。如果设备的几何结构不能保证这种径向的动量把计算流体力学方法用于萃取设备的优化设计，参数选择等具有重要的学术价值和应用前景。因此从塔内流体的流场测量入手，研究流体流动特性及塔的放大效应，探讨影响塔操作的主要因素，运用计算流体力学方法进行流场的数学模拟，对于改进现有转盘塔及建立新的转盘塔优化设计方法都有十分重要的意义。
清华大学化学工程联合国家重点实验室长期从事转盘萃取塔的流体力学和传质研究。利用一维激光多谱勒仪测量了转盘萃取塔内在各种操作条件下单相流动(连续相)的速度场。结果发现，转盘萃取塔内的流型在有无流动状态下相差很大(图2、3)。同时也证实了影响转盘塔传质性能主要是级间的轴向返混和沟流这一推断。
为了消除转盘塔内的级间返混，提高传质效率，清华大学萃取实验室发明了新型转盘萃取塔(费维扬，王运东.一种装有级间转动挡板的转盘萃取塔，中国发明专利，ZL99106151.9,2009)，即在转盘塔内的固定环平面增加筛孔挡板以抑制轴向返混，提高传质效率。从速度场的测量和计算流体力学模拟的结果来看，增加筛孔挡板后有效地抑制了级间的轴向返混，同时级内的混合强度增加，有利于转盘塔内两相间的传质。
尽管转盘塔在小塔径时，其传质效率较高,但工业规模的转盘塔由于石油化工体系复杂，设备规模庞大，塔内的两相流体力学和传质过程极为复杂，轴向返混严重,其传质效率非常低。另一方面，随着对产品质量要求的提高和进料组成变化等原因，为保证产品质量所需的溶剂比急剧升高，影响了装置的处理能力和经济技术指标。对一些生产装置的标定表明，转盘萃取塔仅相当于3～4个理论级，而且普遍存在转盘萃取塔转与不转一样的问题。
从基本规律出发，深入研究液液两相流体流动特性进而指导工业放大设计是国内外化学工程界研究的热点。国外已有研究转盘萃取塔内流体流动规律的报道，但如何改进转盘萃取塔目前存在的问题尚无报道。
我国石化企业的萃取设备与国际先进水平尚有一定差距。清华大学化学工程联合国家重点实验室是我国主要的萃取研究基地。在国家和行业部门的大力支持下，与有关单位密切合作，开展了萃取设备内的应用基础研究，解决了一批关键技术问题，完成了数十项技术改造，都取得了成功，经济效益和社会效益显著。但目前仍有大量研究工作急需进行。
从塔内流场测量入手，研究流体流动特性及塔的放大效应，探讨影响塔操作的主要因素，运用计算流体力学方法进行流场的数学模拟，对改进现有转盘塔及建立新的转盘他优化设计方法都有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多参数分段优化的新型转盘萃取塔，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多参数分段优化的新型转盘萃取塔，包括塔体、转轴、转盘、转动筛孔挡板、液体分布器、滤层和固定环，所述塔体内部中空，固定环设置在塔体的内壁上，所述转轴固定安装在转轴固定板的中心位置上，转轴固定板固定安装在塔体内，所述转动筛孔挡板固定在转轴上，转动筛孔挡板所在的平面与固定环所在的平面相一致；所述转盘固定安装在转轴上，转盘与转动筛孔挡板间隔设置，所述转盘的直径大于转动筛孔挡板的直径；所述转动筛孔挡板的开孔率为25-60％，转动筛孔挡板上筛孔的孔径范围为10-30mm；所述液体分离器设置在塔体的上部内侧，所述滤层设置在塔体的下部内侧；所述滤层的下侧还设置有填料，所述填料设置在塔体内。
作为本发明进一步的方案：所述转动筛孔挡板的材质为不锈钢材料或者聚四氟乙烯材料。
作为本发明再进一步的方案：所述转动筛孔挡板表面采用陶瓷或喷塑喷涂技术。
作为本发明再进一步的方案：所述转盘的直径与塔体的直径比变化范围在0.4-0.7，所述转动筛孔挡板的数量与转盘的数量比变化范围在0.5-1.0；所述固定环间距与塔体直径比的变化范围为0.1-0.5；所述固定环内径与塔体直径比的变化范围为0.5-0.7。
作为本发明再进一步的方案：所述转动筛孔挡板的直径与转盘的直径之比为1:0.7～1.0。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明设计了一种多参数分段优化的新型转盘萃取塔，通过多参数优化分段优化实现转盘萃取塔在高通量下获得较高的传质效率。
本发明通过调节萃取塔结构参数，如转盘直径、转动筛孔挡板直径、固定环间距、固定环内径；加装多孔径、变开孔率转动筛孔挡板；采用先进的喷涂技术改变塔内件的表面浸润性，能有效地抑制传统转盘萃取塔存在的级间的轴向返混，增加级内的混合强度，在保证通量的同时提高萃取塔效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为多参数分段优化的新型转盘萃取塔的结构示意图。
图2为为无流动状态下转盘萃取塔流型。
图3为为流动状态下转盘萃取塔流型。
图4为多参数分段优化的新型转盘萃取塔中转动筛孔挡板的结构示意图。
图5为多参数分段优化的新型转盘萃取塔中液体分布器的结构示意图。
图中：1-塔体、2-转轴、3-转盘、4-转动筛孔挡板、5-液体分布器、6-滤层、7-填料、8-固定环。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1
请参阅图1-5，一种多参数分段优化的新型转盘萃取塔，包括塔体1、转轴2、转盘3、转动筛孔挡板4、液体分布器5、滤层6和固定环8，所述塔体1内部中空，固定环8设置在塔体1的内壁上，所述转轴2固定安装在转轴固定板的中心位置上，转轴2固定板固定安装在塔体1内，所述转动筛孔挡板4固定在转轴2上，转动筛孔挡板4随着转轴2转动；转动筛孔挡板4所在的平面与固定环8所在的平面相一致；所述转盘3固定安装在转轴2上，转盘3与转动筛孔挡板4间隔设置，所述转盘3的直径大于转动筛孔挡板4的直径；转动筛孔挡板4同转盘3一起转动；所述转动筛孔挡板4的材质为不锈钢材料或者聚四氟乙烯材料；所述转动筛孔挡板4的开孔率为25％，转动筛孔挡板4上筛孔的孔径范围为10mm；所述转动筛孔挡板4表面采用陶瓷或喷塑喷涂技术，通过陶瓷或喷塑喷涂技术改变筛孔挡板的表面浸润性，能有效地抑制传统转盘萃取塔存在的级间的轴向返混，增加级内的混合强度，在保证通量的同时提高萃取塔效率；所述转盘3的直径的变化范围在200mm，所述转动筛孔挡板4的数量范在43-86；所述固定环8间距的变化范围为100mm；所述固定环8内径的为1400mm；通过调节萃取塔结构参数，如转盘直径、转动筛孔挡板4数量、固定环8间距、固定环8内径等途径提高塔的处理能力的效率；所述液体分离器5设置在塔体1的上部内侧，所述滤层6设置在塔体1的下部内侧；所述滤层6的下侧还设置有填料7，所述填料7设置在塔体1内，所述转动筛孔挡板4的直径与转盘3的直径之比为1:0.7。
实施例2
请参阅图1-5，一种多参数分段优化的新型转盘萃取塔，包括塔体1、转轴2、转盘3、转动筛孔挡板4、液体分布器5、滤层6和固定环8，所述塔体1内部中空，固定环8设置在塔体1的内壁上，所述转轴2固定安装在转轴固定板的中心位置上，转轴2固定板固定安装在塔体1内，所述转动筛孔挡板4固定在转轴2上，转动筛孔挡板4随着转轴2转动；转动筛孔挡板4所在的平面与固定环8所在的平面相一致；所述转盘3固定安装在转轴2上，转盘3与转动筛孔挡板4间隔设置，所述转盘3的直径大于转动筛孔挡板4的直径；转动筛孔挡板4同转盘3一起转动；所述转动筛孔挡板4的材质为不锈钢材料或者聚四氟乙烯材料；所述转动筛孔挡板4的开孔率为30％，转动筛孔挡板4上筛孔的孔径范围为15mm；所述转动筛孔挡板4表面采用陶瓷或喷塑喷涂技术，通过陶瓷或喷塑喷涂技术改变筛孔挡板的表面浸润性，能有效地抑制传统转盘萃取塔存在的级间的轴向返混，增加级内的混合强度，在保证通量的同时提高萃取塔效率；所述转盘3的直径为1300mm，所述转动筛孔挡板4的数量为67；所述固定环8间距的为190mm；所述固定环8内径的为1400mm；通过调节萃取塔结构参数，如转盘直径、转动筛孔挡板4数量、固定环8间距、固定环8内径等途径提高塔的处理能力的效率；所述液体分离器5设置在塔体1的上部内侧，所述滤层6设置在塔体1的下部内侧；所述滤层6的下侧还设置有填料7，所述填料7设置在塔体1内。所述转动筛孔挡板4的直径与转盘3的直径之比为1:0.8。
实施例3
请参阅图1-5，一种多参数分段优化的新型转盘萃取塔，包括塔体1、转轴2、转盘3、转动筛孔挡板4、液体分布器5、滤层6和固定环8，所述塔体1内部中空，固定环8设置在塔体1的内壁上，所述转轴2固定安装在转轴固定板的中心位置上，转轴2固定板固定安装在塔体1内，所述转动筛孔挡板4固定在转轴2上，转动筛孔挡板4随着转轴2转动；转动筛孔挡板4所在的平面与固定环8所在的平面相一致；所述转盘3固定安装在转轴2上，转盘3与转动筛孔挡板4间隔设置，所述转盘3的直径大于转动筛孔挡板4的直径；转动筛孔挡板4同转盘3一起转动；所述转动筛孔挡板4的材质为不锈钢材料或者聚四氟乙烯材料；所述转动筛孔挡板4的开孔率为35％，转动筛孔挡板4上筛孔的孔径范围为20mm；所述转动筛孔挡板4表面采用陶瓷或喷塑喷涂技术，通过陶瓷或喷塑喷涂技术改变筛孔挡板的表面浸润性，能有效地抑制传统转盘萃取塔存在的级间的轴向返混，增加级内的混合强度，在保证通量的同时提高萃取塔效率；所述转盘3的直径为1400mm，所述转动筛孔挡板4的数量为71；所述固定环8间距的为240mm；所述固定环8内径的为1700mm；通过调节萃取塔结构参数，如转盘直径、转动筛孔挡板4数量、固定环8间距、固定环8内径等途径提高塔的处理能力的效率；所述液体分离器5设置在塔体1的上部内侧，所述滤层6设置在塔体1的下部内侧；所述滤层6的下侧还设置有填料7，所述填料7设置在塔体1内。所述转动筛孔挡板4的直径与转盘3的直径之比为1:0.9。
实施例4
请参阅图1-5，一种多参数分段优化的新型转盘萃取塔，包括塔体1、转轴2、转盘3、转动筛孔挡板4、液体分布器5、滤层6和固定环8，所述塔体1内部中空，固定环8设置在塔体1的内壁上，所述转轴2固定安装在转轴固定板的中心位置上，转轴2固定板固定安装在塔体1内，所述转动筛孔挡板4固定在转轴2上，转动筛孔挡板4随着转轴2转动；转动筛孔挡板4所在的平面与固定环8所在的平面相一致；所述转盘3固定安装在转轴2上，转盘3与转动筛孔挡板4间隔设置，所述转盘3的直径大于转动筛孔挡板4的直径；转动筛孔挡板4同转盘3一起转动；所述转动筛孔挡板4的材质为不锈钢材料或者聚四氟乙烯材料；所述转动筛孔挡板4的开孔率为40％，转动筛孔挡板4上筛孔的孔径范围为25mm；所述转动筛孔挡板4表面采用陶瓷或喷塑喷涂技术，通过陶瓷或喷塑喷涂技术改变筛孔挡板的表面浸润性，能有效地抑制传统转盘萃取塔存在的级间的轴向返混，增加级内的混合强度，在保证通量的同时提高萃取塔效率；所述转盘3的直径为1400mm，所述转动筛孔挡板4的数量为75；所述固定环8间距的为240mm；所述固定环8内径的为1800mm；通过调节萃取塔结构参数，如转盘直径、转动筛孔挡板4数量、固定环8间距、固定环8内径等途径提高塔的处理能力的效率；所述液体分离器5设置在塔体1的上部内侧，所述滤层6设置在塔体1的下部内侧；所述滤层6的下侧还设置有填料7，所述填料7设置在塔体1内。所述转动筛孔挡板4的直径与转盘3的直径之比为1:1.0。
实施例5
请参阅图1-5，一种多参数分段优化的新型转盘萃取塔，包括塔体1、转轴2、转盘3、转动筛孔挡板4、液体分布器5、滤层6和固定环8，所述塔体1内部中空，固定环8设置在塔体1的内壁上，所述转轴2固定安装在转轴固定板的中心位置上，转轴2固定板固定安装在塔体1内，所述转动筛孔挡板4固定在转轴2上，转动筛孔挡板4随着转轴2转动；转动筛孔挡板4所在的平面与固定环8所在的平面相一致；所述转盘3固定安装在转轴2上，转盘3与转动筛孔挡板4间隔设置，所述转盘3的直径大于转动筛孔挡板4的直径；转动筛孔挡板4同转盘3一起转动；所述转动筛孔挡板4的材质为不锈钢材料或者聚四氟乙烯材料；所述转动筛孔挡板4的开孔率为60％，转动筛孔挡板4上筛孔的孔径范围为30mm；所述转动筛孔挡板4表面采用陶瓷或喷塑喷涂技术，通过陶瓷或喷塑喷涂技术改变筛孔挡板的表面浸润性，能有效地抑制传统转盘萃取塔存在的级间的轴向返混，增加级内的混合强度，在保证通量的同时提高萃取塔效率；所述转盘3的直径为1600mm，所述转动筛孔挡板4的数量为75；所述固定环8间距的为280mm；所述固定环8内径的为1900mm；通过调节萃取塔结构参数，如转盘直径、转动筛孔挡板4数量、固定环8间距、固定环8内径等途径提高塔的处理能力的效率；所述液体分离器5设置在塔体1的上部内侧，所述滤层6设置在塔体1的下部内侧；所述滤层6的下侧还设置有填料7，所述填料7设置在塔体1内。所述转动筛孔挡板4的直径与转盘3的直径之比为1:0.8。
本发明的工作原理：通过设置转动筛孔挡板4抑制了转盘塔塔体1内的级间轴向返混从而提高塔的分离效率，在确定了塔内最大两相通量(以m3/m2s计)所处的位置(或某一段)后，通过调节转盘3与转动筛孔挡板4的直径比、转盘3与塔径比、固定环8内径与塔径比一级改变转盘3、转动筛孔挡板4、固定环8的表面浸润性，从而大幅提高塔的处理能力。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种多参数分段优化的新型转盘萃取塔，其特征在于，包括塔体(1)、转轴(2)、转盘(3)、转动筛孔挡板(4)、液体分布器(5)、滤层(6)和固定环(8)，所述塔体(1)内部中空，固定环(8)设置在塔体(1)的内壁上，所述转轴(2)固定安装在转轴固定板的中心位置上，转轴(2)固定板固定安装在塔体(1)内，所述转动筛孔挡板(4)固定在转轴(2)上，转动筛孔挡板(4)所在的平面与固定环(8)所在的平面相一致；所述转盘(3)固定安装在转轴(2)上，转盘(3)与转动筛孔挡板(4)间隔设置，所述转盘(3)的直径大于转动筛孔挡板(4)的直径；所述转动筛孔挡板(4)的开孔率为25-60％，转动筛孔挡板(4)上筛孔的孔径范围为10-30mm；所述液体分离器(5)设置在塔体(1)的上部内侧，所述滤层(6)设置在塔体(1)的下部内侧；所述滤层(6)的下侧还设置有填料(7)，所述填料(7)设置在塔体(1)内。
2.根据权利要求1所述的多参数分段优化的新型转盘萃取塔，其特征在于，所述转动筛孔挡板(4)的材质为不锈钢材料或者聚四氟乙烯材料。
3.根据权利要求1或2所述的多参数分段优化的新型转盘萃取塔，其特征在于，所述转动筛孔挡板(4)表面采用陶瓷或喷塑喷涂技术。
4.根据权利要求3所述的多参数分段优化的新型转盘萃取塔，其特征在于，所述转盘(3)的直径与塔体(1)的直径比变化范围在0.4-0.7，所述转动筛孔挡板(4)的数量与转盘(3)的数量比变化范围在0.5-1.0；所述固定环(8)间距与塔体直径(1)比的变化范围为0.1-0.5；所述固定环(8)内径与塔体(1)直径比的变化范围为0.5-0.7。
5.根据权利要求4所述的多参数分段优化的新型转盘萃取塔，其特征在于，所述转动筛孔挡板(4)的直径与转盘(3)的直径之比为1:0.7-1.0。
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| CN109364522A (zh) * | 2018-11-27 | 2019-02-22 | 灵参生物科技（大连）有限公司 | 一种保健酒生产线中的药材有效成分萃取器及方法 |
| CN111701278A (zh) * | 2020-07-31 | 2020-09-25 | 中国石油化工股份有限公司 | 转盘萃取塔及其应用 |
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