于杰　朱慎林　費維揚

關鍵詞　脈沖填料塔　流體力學　軸向混合　傳質

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

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

　　脈沖填料塔將脈沖引入填料塔，既保留了填料塔的結構簡單、投資和設備費用低等優點，又能減小液滴平均直徑，加速液滴的“破碎-聚結”循環，大幅度提高傳質效率。處理中、高界面張力體系時，脈沖填料塔具有突出的優越性。

1　脈沖填料塔研究的*新進展

1.1　脈沖裝置
　　*早的脈沖是通過活塞施加到連續相上的，隨后開發了空氣脈沖裝置。Thornton^［1］指出空氣脈沖有兩個優點：（1）脈沖系統與塔內的液體不直接接觸；（2）不存在氣蝕。因而空氣脈沖在實驗室和濕法冶金生產中得到了廣泛的應用。近年來Simons^［2］介紹了特別適合于石油工業的脈沖裝置。該裝置的旋轉閥與塔體底部相連。旋轉閥外筒的壁上有兩個相對的孔，四個通道均勻地分布在外筒表面，這樣通過孔和通道可以將相對的一對吸入或排出筒與塔體連接。吸入筒中是負壓，排出筒中是正壓，它們通過管路分別與循環泵的吸入端和排出端相連。旋轉閥的旋轉運動使塔體交替與吸入筒和排出筒相連從而使塔內液體產生往復運動。脈沖填料塔的脈沖頻率由旋轉閥的轉速決定，脈沖振幅通過改變循環泵的流量來調節。這種裝置結構緊湊、便于放大，在己內酰胺等工藝生產過程中得到了成功的應用。

1.2　大幅度提高處理能力
　　一些工業裝置的脈沖填料塔常用低空隙率的傳統填料，其通量比較低。近年來，隨著高孔隙率新型填料的開發應用^［3］，使用新型填料的脈沖填料塔的生產能力得到了明顯改善。Pilhofer等^［4］采用甲苯／丙酮／水體系對使用不同填料的脈沖填料塔的液泛通量的研究表明，在0＜a^{.＜0.020m／s范圍內，使用Sulzer-SMV新型填料的脈沖填料塔的通量比使用拉西環、鮑爾環等傳統填料的高80％以上。QH-1型扁環}［5］是清華大學化工系開發的新型填料，研究表明^［6］在相同的脈沖條件下，裝填QH-1型扁環（16）的脈沖填料塔的液泛通量比裝填陶瓷拉西環（16×16×4）的高20％以上f

　　脈沖填料塔和脈沖篩板塔都是通過脈沖來強化傳質的設備。Bcker等^［7］對比了裝填規整填料（Sulzer公司生產的Mellapak500Y、Glitsch公司生產的Gempak4AT和MontzpakB1-500）的脈沖填料塔與篩板孔隙率為20％的脈沖篩板塔的通量。結果發現對相間的體系，脈沖填料塔的通量和操作范圍均比脈沖篩板塔高1倍以上。

脈沖填料塔中的兩相流動狀況非常復雜，雖然填料可以減小軸向混合，但是脈沖增加了兩相的湍動程度，另外液液萃取過程中兩相的密度差小，這些都對脈沖填料塔的軸向混合產生較大影響。軸向混合的存在不僅減小了兩相間的傳質推動力，而且降低了塔的處理能力。

脈沖填料塔軸向混合方面的研究工作很多^{［11～15］}，表1列出一些主要的試驗體系和得到的軸向混合系數計算公式。盡管在研究中采用的填料和試驗體系不同，但在恒定的液相流速下，當脈沖強度從零開始增加時，連續相軸向擴散系數E_c先減小，達到一個*小值后迅速增加。說明存在一個脈沖強度范圍，在該范圍內脈沖填料塔的E_c低于填料塔。E_c存在*小值的主要原因是適當的脈沖可減小連續相徑向流速分布的不均勻程度，但過大的脈沖又會加大返混。

　　Simons等^［15］對實驗室和工業尺寸的脈沖填料塔（塔徑從0.05m到2.40m）進行了系統的研究，試驗中使用不同尺寸和材質的拉西環，測定了單相流和兩相流條件下的軸向混合系數。除了發現E_c存在*小值外，研究工作還表明脈沖填料塔的軸向混合與表觀流速、脈沖強度及填料的性質有關，而與塔徑無關。
　　由于對分散相軸向擴散系數E_d的研究報道甚少，使考慮軸向混合的脈沖填料塔的傳質計算難以進行。

表1　脈沖填料塔軸向混合系數關聯式

1.4　提高傳質效率
　　脈沖的引入減小了液滴平均直徑，促進了液滴的“破碎-聚并”循環，加速了表面更新，這些都有利于強化傳質。Reissinger等^［16］報道了對于甲苯／丙酮／水體系，脈沖可使裝填　15　mm鮑爾環的填料塔的理論板數由3塊／m提高到7塊／m。其它研究結果^{［9，17，18］}也表明脈沖可大幅度提高填料塔的傳質性能。
　　脈沖篩板塔中的液滴主要在篩板附近發生破碎與聚并，而脈沖填料塔中液滴不斷與填料發生碰撞，液滴的表面更新頻率快，傳質效果好。Hoting等^［18］采用乙酸丁酯／丙酮／水體系對比了裝填Montz-PakB1-350規整填料的脈沖填料塔和使用標準板的脈沖篩板塔的等板高度，結果發現在相同的脈沖強度下前者的等板高度比后者低50％以上，脈沖填料塔的等板高度*低可達0.10m。Bcker等^［7］的研究表明對于完成相同的分離任務，裝填Mellapak　500Y填料的脈沖填料塔除塔徑比使用標準板的脈沖篩板塔小外，塔高也比脈沖篩板塔低20％左右。說明脈沖填料塔的處理能力和傳質效率均高于脈沖篩板塔。
　　由于不同填料的形狀、空隙率、比表面積不同，它們與分散相液滴群的相互作用不同，造成裝填不同填料的脈沖填料塔的流動和傳質特性存在較大差異。新型填料的獨特設計，使得使用新型填料的脈沖填料塔的性能得到大幅提高。裝填不銹鋼QH-1型扁環（16）和傳統不銹鋼拉西環（16×16×0.5）的脈沖填料塔的傳質性能對比^［6］。可以看出，前者的H_oxp比后者高25％以上。

　　除了對脈沖填料塔的傳質性能進行宏觀研究外，Hoting^［19］還研究了脈沖填料塔中的單液滴傳質系數，試驗中采用的是Montz-PakB1-350規整填料和乙酸丁酯／丙酮／水體系。結果表明脈沖對液滴的總傳質系數沒有影響，脈沖填料塔傳質性能的提高主要由于脈沖明顯增大了傳質比表面積。
1.5　數學模型的研究
　　對脈沖填料塔的模擬*早采用級模型進行。Simons^［20］將級模型與生產己內酰胺的HPO法（該法是DSM公司開發的生產己內酰胺的新工藝）流程中的肟化反應和物料平衡結合，建立了一個過程工程模型（PEM），用于模擬和優化脈沖填料塔的操作。模擬結果顯示脈沖填料塔幾乎是在活塞流條件下操作（Pe＞50）。另外還發現級模型的級數在一定范圍內變化對模擬結果沒有影響。
　　王德華^［21］采用返流模型模擬了試驗測得的脈沖填料塔的穩態濃度剖面，并得到了軸向混合和傳質參數。計算中采用Rod等^［22］提出的將Marquart方法和*大似然函數結合的優化算法，計算的濃度剖面與實測結果比較吻合。
　　近年來隨著群體平衡模型（population balancemodel）研究^［23］的升溫，研究人員也將該模型用于脈沖填料塔的模擬。Arimont等^［24］以單個液滴從形成、破碎、聚并到離開塔的整個生命周期為基礎，模擬了乙酸丁酯／丙酮／水在脈沖填料塔中的萃取過程。結果發現在多分散情況下丙酮的萃取率遠高于單分散情況。Hoting等^{［25，26］}根據單液滴試驗測得的傳質系數、破碎和聚并等參數用群體平衡模型模擬了裝填規整填料的脈沖填料塔的操作性能。模擬結果顯示液滴直徑、存留分數等參數沿塔高發生變化。但是正如Goundon等^［27］所指出的，雖然這種模型清楚地指明了研究的方向，但由于萃取塔內兩相流動的復雜行為，可靠的放大設計方法尚有待于進一步發展。
　　Stevens^［28］也指出，由于難以準確地估計軸向混合和傳質性能，脈沖填料塔的設計、放大仍離不開中間試驗。

2　脈沖填料塔在石油化工中的應用
　　荷蘭的DSM公司于70年代開始將大型脈沖填料塔用于石油化學工業，并在該公司迅速推廣應用。目前，工業中應用的脈沖填料塔的塔徑已達3.0m，處理量超過250m³／h。表2是脈沖填料塔在DSM公司應用中的一些實例^［29］。該公司認為脈沖填料塔具有以下優點：逆流操作、軸向混合小、分散相在塔內分散均勻、傳質比表面積可以控制、在流體力學類似的條件下萃取效率與塔徑無關、萃取過程非常經濟以及脈沖的機械問題已經解決等。

表2　脈沖萃取塔的工業應用實例

　　Simons^［2，20］介紹了脈沖填料塔在HPO法生產己內酰胺中的應用。該法將羥胺合成與肟化工藝結合，生產中無副產物硫酸銨。圖6是HPO法生產己內酰胺的流程示意圖，其中肟化反應器是脈沖填料塔，在該塔中反應與萃取同時進行。Simons^［2，20］的研究表明脈沖填料塔的傳質效率與塔徑和塔中是否存在反應無關，即脈沖填料塔的放大因子為1，因此可以方便地進行脈沖填料塔的放大設計。Simons^［20］還研究了脈沖強度與功率消耗間的關系，認為脈沖填料塔的能耗與其它機械攪拌設備相當，綜合考慮各種因素，脈沖填料塔是該工藝中*經濟的塔型。
　　我國從90年代初先后引進了多套己內酰胺的生產裝置。一些裝置中的肟化塔、硫萃塔和反萃塔都是脈沖填料塔，這些塔中分別裝填了陶瓷拉西環和不銹鋼拉西環。隨著己內酰胺需求量的增加，一些生產裝置在超負荷條件下操作，造成脈沖填料塔萃取率下降、夾帶嚴重等問題，急需進行改造。

　　Mayer等^{［30，31］}研究了將脈沖填料塔用于苯乙烯的乳液聚合反應。脈沖填料塔良好的局部攪動提供了適當的乳化、強烈的徑向混合和反應器壁快的傳熱速率；而脈沖填料塔低的軸向混合避免了乳液聚合反應在連續攪拌槽反應器（CSTR）中出現的轉化率和粒子數持續波動。因此，脈沖填料塔中乳液聚合的反應速度和單程轉化率明顯高于CSTR，將脈沖填料塔用于乳液聚合具有明顯的優勢。
　　傳統的離子交換設備存在壓降大、樹脂利用效率低、附屬設備多等缺點。研究表明^［32］，將裝填規整填料的脈沖填料塔用于離子交換，不僅可以克服上述缺陷，而且脈沖的引入大大提高了傳質系數，增強了離子交換效果。
　　Gebel等^［33］提出將脈沖填料塔用于固-液反應，并研究了裝填玻璃拉西環的脈沖填料塔的分散相存留分數。Fortuin等^［34］進一步介紹了用于固-液接觸的脈沖填料塔裝置，指出脈沖可以使固-液相間的傳質、傳熱效果提高幾倍，并提出脈沖填料塔可用于以下固-液操作：（1）用固相選擇性吸附或除去液相中的某些組份，如用活性炭凈化廢水；（2）用液相選擇性浸取或除去固相中的某些組份，如稀土元素的浸取；（3）在塔器的液相中進行的反應，如固相催化反應。由于石油化工生產中大量的反應是固-液反應，因此脈沖填料塔在石油化工生產中有廣闊的應用前景。

3　結語
　　脈沖填料塔具有通量大、軸向混合小、傳質效率高、設備投資少等優點，它的性能還可以通過使用新型填料得到進一步提高。因此脈沖填料塔已在荷蘭的DSM、德國的拜耳等大的化工公司的石油化工生產中得到了廣泛的應用。而我國投入運行的脈沖填料塔不超過10座，有關研究較少。因此，深入開展脈沖填料塔性能和數學模型的研究，對于消化吸收國外先進技術、開發高性能的脈沖填料塔和改進設計放大方法具有非常重要的意義。

符號說明
a　　　　　　脈沖振幅，m
B　　　　　　參數，與填料尺寸有關
C₁，C₂，C₂　　參數，通過擬合試驗數據得到
d_e　　　　　　填料層的當量直徑，m
d_p　　　　　　填料直徑，m
E　　　　　　軸向擴散系數，m²／s
f　　　　　　脈沖頻率，Hz
K₀　　　　　　待定參數
Re　　　　　　雷諾數
St　　　　　斯坦頓數
U　　　　　　表觀流速，m／s
v　　　　　　運動粘度，m²／s
ε　　　　　　填料空隙率
　　　　　篩板的開孔率，分散相存留分數
₁，₂　　待定參數，與脈沖振幅有關
μ　　　　　粘度，Pa^．s
ρ　　　　　密度，kg／m³
下角標
c　　　　　連續相
d　　　　　分散相