化工设计概论讲座课件

2.6.2 脉冲萃取塔的开发设计脉冲萃取塔的开发设计朱明乔朱明乔浙江大学化工系浙江大学化工系2009-2.6.2 脉冲萃取塔的开发设计朱明乔2009-08zhum1目目 录录n一、课题的提出一、课题的提出n二、解决课题的初步方案二、解决课题的初步方案n三、实验中碰到的问题三、实验中碰到的问题n四、实验过程中问题的解决四、实验过程中问题的解决n五、实验结果和讨论五、实验结果和讨论n六、放大设计六、放大设计n七、生产运行七、生产运行n八、展望八、展望n九、论文和成果九、论文和成果2009-目 录一、课题的提出2009-08zhumin2一、课题的提出一、课题的提出n课题背景课题背景n己内酰胺，锦纶己内酰胺，锦纶-6单体单体n拉西（拉西（Raschig）法工艺为主，占）法工艺为主，占90%n生产工艺路线简介生产工艺路线简介n分离精制分离精制苯萃取，巨化集团公司锦纶厂含有苯萃取，巨化集团公司锦纶厂含有510%己内酰胺的残液排放掉，既污染了环境，又己内酰胺的残液排放掉，既污染了环境，又损失了己内酰胺产品损失了己内酰胺产品n技术指标技术指标n残液处理能力：残液处理能力：600L/hn残液分离要求：残液分离要求：6.4%（wt）降到）降到1%以下以下2009-一、课题的提出课题背景2009-08zhumingqiao3二、解决课题的初步方案二、解决课题的初步方案nASPEN PLUS流程模拟软件流程模拟软件n工厂原有的分离方案及技术改造失败的工厂原有的分离方案及技术改造失败的原因剖析原因剖析n国内外的研究及分离技术的调研国内外的研究及分离技术的调研n萃取率提高的关键问题提出萃取率提高的关键问题提出提高传提高传质效率质效率n工业化过程中的基础数据获得及放大规工业化过程中的基础数据获得及放大规则确立的方案则确立的方案2009-二、解决课题的初步方案ASPEN PLUS流程模拟软件2004三、实验中碰到的问题三、实验中碰到的问题n液液平衡数据的设计和测定方法液液平衡数据的设计和测定方法n脉冲萃取塔的小试设计和加工脉冲萃取塔的小试设计和加工n脉冲发生器的设计和加工脉冲发生器的设计和加工n小试实验流程的建立小试实验流程的建立n进出物料组成的确定进出物料组成的确定n小试脉冲萃取塔性能测试点的分布小试脉冲萃取塔性能测试点的分布n中试实验流程的建立和试验方案中试实验流程的建立和试验方案2009-三、实验中碰到的问题液液平衡数据的设计和测定方法2009-05四、实验过程中问题的解决四、实验过程中问题的解决(1)n液液平衡数据液液平衡数据n实验条件创造实验条件创造n实验点的分布实验点的分布n分析方法确定分析方法确定n脉冲萃取塔小试脉冲萃取塔小试n脉冲筛板及连接脉冲筛板及连接n脉冲筛板柱和填料柱脉冲筛板柱和填料柱n脉冲发生器的选择与改进脉冲发生器的选择与改进n实验流程实验流程2009-四、实验过程中问题的解决(1)液液平衡数据2009-08zh6四、实验过程中问题的解决四、实验过程中问题的解决(2)n脉冲萃取塔小试脉冲萃取塔小试n实验点实验点n性能测试性能测试n脉冲萃取塔中试脉冲萃取塔中试n中试方案确定中试方案确定2009-四、实验过程中问题的解决(2)脉冲萃取塔小试2009-08z7五、实验结果和讨论五、实验结果和讨论(1)n液液平衡研究结果液液平衡研究结果2009-五、实验结果和讨论(1)液液平衡研究结果2009-08zhu8五、实验结果和讨论五、实验结果和讨论(2)n液液平衡研究结果液液平衡研究结果2009-五、实验结果和讨论(2)液液平衡研究结果2009-08zhu9五、实验结果和讨论五、实验结果和讨论(3)n液液平衡研究结论液液平衡研究结论n（1）测测定定了了7套套与与己己内内酰酰胺胺残残液液回回收收有有关关的的液液液液平平衡衡数数据据：20、3030、4040下下己己内内酰酰胺胺-水水-苯苯体体系系；20、3030下下己己内内酰酰胺胺-水水-硫硫酸酸铵铵-苯苯体体系系；pH=2、4下下己己内内酰酰胺胺-水水-硫硫酸铵酸铵-硫酸硫酸-苯体系苯体系。其中后。其中后6 6套体系未见文献报道。套体系未见文献报道。n（2）在在温温度度2040范范围围内内，温温度度升升高高对对己己内内酰酰胺胺萃萃取取回回收有利。收有利。n（3）在）在pH=26范围内，范围内，pH升高对升高对己内酰胺萃取回收有利。己内酰胺萃取回收有利。n（4）在在己己内内酰酰胺胺水水溶溶液液中中加加入入硫硫酸酸铵铵，对对己己内内酰酰胺胺萃萃取取回收有利。回收有利。2009-五、实验结果和讨论(3)液液平衡研究结论2009-08zhu10五、实验结果和讨论五、实验结果和讨论(4)n脉冲萃取塔小试结果脉冲萃取塔小试结果n脉冲筛板萃取塔液泛试验脉冲筛板萃取塔液泛试验n脉冲筛板萃取塔操作稳定性考察脉冲筛板萃取塔操作稳定性考察n萃取比对己内酰胺水溶液萃取效果的影响萃取比对己内酰胺水溶液萃取效果的影响n脉冲筛板萃取塔操作性能测试正交试验脉冲筛板萃取塔操作性能测试正交试验2009-五、实验结果和讨论(4)脉冲萃取塔小试结果2009-08zh11五、实验结果和讨论五、实验结果和讨论(5)n脉冲萃取塔中试操作现象脉冲萃取塔中试操作现象2009-五、实验结果和讨论(5)脉冲萃取塔中试操作现象2009-0812五、实验结果和讨论五、实验结果和讨论(5)n脉冲萃取塔中试操作稳定性考察脉冲萃取塔中试操作稳定性考察2009-五、实验结果和讨论(5)脉冲萃取塔中试操作稳定性考察200913五、实验结果和讨论五、实验结果和讨论(6)n脉冲筛板萃取塔表观传质单元高度关联脉冲筛板萃取塔表观传质单元高度关联2009-五、实验结果和讨论(6)脉冲筛板萃取塔表观传质单元高度关联214六、放大设计六、放大设计(1)在设计萃取塔时，系统的相平衡数据、两相的物性参数，以及萃在设计萃取塔时，系统的相平衡数据、两相的物性参数，以及萃取操作的温度、两相始末浓度与流量，通常都是已知的。设计计算的取操作的温度、两相始末浓度与流量，通常都是已知的。设计计算的内容是使所确定的塔径与塔高，满足化工工艺对生产能力和分离效能内容是使所确定的塔径与塔高，满足化工工艺对生产能力和分离效能的要求。塔径的放大对液体力学状况的影响很小，故计算液泛流速时的要求。塔径的放大对液体力学状况的影响很小，故计算液泛流速时不必考虑塔径的大小。但塔径增大加剧了流浪分布不均匀与逆向混和，不必考虑塔径的大小。但塔径增大加剧了流浪分布不均匀与逆向混和，因此从模型塔测得的传质单元高度，用以计算工业塔时，须按下式校因此从模型塔测得的传质单元高度，用以计算工业塔时，须按下式校正（经验）：正（经验）：工业塔的传质单元高度，工业塔的传质单元高度，m；模型塔的传质单元高度，模型塔的传质单元高度，m；工业塔的直径，工业塔的直径，m；模型塔的直径，模型塔的直径，m。2009-六、放大设计(1)在设计萃取塔时，系统的相平衡数据、两相的物15六、放大设计六、放大设计(2)实验得到：实验得到：2009-六、放大设计(2)实验得到：2009-08zhumingqi16六、放大设计六、放大设计(3)n1、塔径计算、塔径计算n2、有效塔高计算、有效塔高计算n3、塔内部件设计及加工、塔内部件设计及加工n塔板设计塔板设计n分离段设计分离段设计n脉冲系统设计脉冲系统设计n4、脉冲系统结构、脉冲系统结构2009-六、放大设计(3)1、塔径计算2009-08zhumingq17生产装置生产装置2009-生产装置2009-08zhumingqiaozju.edu18脉冲系统结构脉冲系统结构2009-脉冲系统结构2009-08zhumingqiaozju.e19七、生产运行七、生产运行2009-七、生产运行2009-08zhumingqiaozju.e20八、展望八、展望n国际上已有专业性的溶剂萃取期刊定期出版，而且每国际上已有专业性的溶剂萃取期刊定期出版，而且每23年有一次世界性的溶剂萃取国际学术会议（年有一次世界性的溶剂萃取国际学术会议（ISEC）在不）在不同国家轮流举行。同国家轮流举行。n随着能源和资源利用、生物和医药工程、环境工程和高新随着能源和资源利用、生物和医药工程、环境工程和高新材料开发的进展，以及对传统化工萃取技术的改造，脉冲材料开发的进展，以及对传统化工萃取技术的改造，脉冲萃取塔的应用将会更多萃取塔的应用将会更多。n溶剂萃取具有处理能力大、选择性好、操作方便、能耗较溶剂萃取具有处理能力大、选择性好、操作方便、能耗较低和回收率高等优点。低和回收率高等优点。n专利的推广及带动新型萃取技术的开发专利的推广及带动新型萃取技术的开发2009-八、展望国际上已有专业性的溶剂萃取期刊定期出版，而且每2321九、论文和成果九、论文和成果(1)n项目项目n己内酰胺生产装置废液回收中试项目，作为巨化集团己内酰胺生产装置废液回收中试项目，作为巨化集团公司公司2001年重点技术攻关项目，列入年重点技术攻关项目，列入2001年公司科研年公司科研开发计划（巨化集团公司）开发计划（巨化集团公司）n巨化巨化5kt/a己内酰胺装置废液回收中试研究课题，作为己内酰胺装置废液回收中试研究课题，作为浙江省重点攻关项目列入浙江省重点攻关项目列入2001年省科学技术研究计划年省科学技术研究计划项目（省科技厅）项目（省科技厅）2009-九、论文和成果(1)项目2009-08zhumingqiao22九、论文和成果九、论文和成果(1)n专利专利n用于萃取的脉冲塔，申请日：用于萃取的脉冲塔，申请日：2003,04,30，授，授权日：权日：2005,05,18，专利号：，专利号：ZL 03 1 16771.3，证书号：证书号：208964。n用于萃取塔的脉冲发生器，公开号用于萃取塔的脉冲发生器，公开号2477245，专利号：专利号：ZL 01 2 21114.1，申请日：，申请日：2001,04,12，授权日：，授权日：2002,02,20。n用于脉冲萃取的筛板塔，用于脉冲萃取的筛板塔，公开号公开号 2477247，专，专利号：利号：ZL 01 2 21108.7，申请日：，申请日：2001,04,12，授权日：授权日：2002,02,20。2009-九、论文和成果(1)专利2009-08zhumingqiao23九、论文和成果九、论文和成果(2)n奖励奖励n用用脉脉冲冲筛筛板板塔塔回回收收残残液液中中的的己己内内酰酰胺胺小小试试，通通过过鉴鉴定定，浙浙科鉴字科鉴字2000379，2000.9。n己己内内酰酰胺胺装装置置废废液液回回收收中中试试技技术术，通通过过巨巨化化集集团团公公司司评评审审，填补国内空白。填补国内空白。n脉脉冲冲筛筛板板塔塔回回收收废废液液中中己己内内酰酰胺胺技技术术改改造造项项目目，获获巨巨化化集集团公司团公司2001年度科技进步一等奖、省科技进步二等奖等。年度科技进步一等奖、省科技进步二等奖等。n论文论文nXie F.Y.,Zhu M.Q.,Liu J.Q.,He C.H.Extraction of Caprolactam from Ammonium Sulfate Solution Using Pulsed Packed Column,Chinese J.Chem.Eng.(Special Issue),in press2009-九、论文和成果(2)奖励2009-08zhumingqiao24九、论文和成果九、论文和成果(3)nHe C.H.,Liu J.Q.,Xie F.Y.,Zhu M.Q.Recovery of Caprolactam from Waste Water in Caprolactam Production Factory using Pulsed-sieve-plate Extraction Column,Chinese J.Chem.Eng.,in pressnHE Chaohong,ZHU Mingqiao LIU Jianqing,and XIE Fangyou.Scale-up Effect of Pulsed Sieve-Plate Column for Recovering Caprolactam from Waste Water,Proceedings of CKCSST01,Oct.31-Nov.2 2001,Hangzhou ChinanZHU Mingqiao,HE Chaohong,LIU Jianqing,and XIE Fangyou.Extraction of Caprolactam from Ammonium Sulfate Solution Using Pulsed Packed Column Proceedings of CKCSST01,Oct.31-Nov.2 2001,Hangzhou China2009-九、论文和成果(3)He C.H.,Liu J.Q.,X25九、论文和成果九、论文和成果(4)n效益效益n以以该该研研究究成成果果为为核核心心技技术术的的己己内内酰酰胺胺脉脉冲冲筛筛板板塔塔回回收收残残液液技技改改项项目目，回回收收己己内内酰酰胺胺年年新新增增经经济济效效益益120多多万万元元；排排放放废废水水中中的的COD从从原原110000mg/l降降至至60000 mg/l，年年减减少少COD排排放放800t/a以以上上，年年减减少少处处理理费费用用100多多万万元元，有有较较好好的经济效益和环保效益。的经济效益和环保效益。n其它研究的影响其它研究的影响n2001国家自然科学基金：批准号，批准号，20176049；从植物中高；从植物中高效地提取分离黄酮类化合物的基础研究，效地提取分离黄酮类化合物的基础研究，20022004n2002年国家自然科学基金申请及省自然科学基金申请：己己内酰胺合成的绿色催化研究内酰胺合成的绿色催化研究n中石化其它的绿色催化研究其它的绿色催化研究2009-九、论文和成果(4)效益2009-08zhumingqiao26THANK YOU!2009-THANK YOU!2009-08zhumingqiao27生产工艺路线比较生产工艺路线比较分子筛分子筛+H2SO4 -(NH4)2SO4+NH2OH+H2SO4-(NH4)2SO4+H2O2+NH3 TS-1+O2+O2+H2O H-ZSM-5+O2+3H2 Ru催化剂催化剂+3H2苯苯苯苯环己烷环己烷环己烯环己烯环己醇环己醇环己醇环己醇环己酮环己酮环己酮环己酮环己酮肟环己酮肟环己酮肟环己酮肟己内酰胺己内酰胺己内酰胺己内酰胺尼龙尼龙66尼龙尼龙66尼龙尼龙6尼龙尼龙6Classical routeNew route2009-生产工艺路线比较分子筛+H2SO4 -(NH4)2SO4+28精制分离流程简图精制分离流程简图硫硫铵铵萃萃取取塔塔粗粗油油萃萃取取塔塔苯来自蒸苯塔苯来自蒸苯塔去蒸苯塔去蒸苯塔硫铵溶液硫铵溶液粗油粗油2009-精制分离流程简图硫铵萃取塔粗油萃取塔苯来自蒸苯塔去蒸苯塔硫铵292009-2009-302009-2009-312009-2009-32脉冲筛板萃取塔液泛试验脉冲筛板萃取塔液泛试验2009-脉冲筛板萃取塔液泛试验2009-08zhumingqiao33脉冲筛板萃取塔操作稳定性考察脉冲筛板萃取塔操作稳定性考察2009-脉冲筛板萃取塔操作稳定性考察2009-08zhumingqi34萃取比对己内酰萃取比对己内酰胺水溶液胺水溶液萃取效果的影响萃取效果的影响2009-萃取比对己内酰胺水溶液萃取效果的影响2009-08zhum35操作性能测试正交试验操作性能测试正交试验2009-操作性能测试正交试验2009-08zhumingqiaoz36操作性能测试正交试验操作性能测试正交试验正交表应用计算表正交表应用计算表如下表所示。如下表所示。2009-操作性能测试正交试验正交表应用计算表如下表所示。2009-037 L L9 9（3 34 4）正交表应用计算表（以表观传质单元高度）正交表应用计算表（以表观传质单元高度HTUHTUoxpoxp为试验目标）为试验目标）列号列号1 12 23 34 4因素因素进料量进料量q qF F，L/hL/h萃取比萃取比R Rm m脉冲振幅脉冲振幅a a，cmcm脉冲频率脉冲频率f f，s s-1-1传质单元高度传质单元高度H Hoxpoxp，m m试验号试验号水平水平1 11 1（3.53.5）1 1（5 5）3 3（0.640.64）2 2（1.01.0）H Hoxp1oxp1=0.302=0.3022 22 2（6.26.2）1 11 1（0.380.38）1 1（0.830.83）H Hoxp2oxp2=0.479=0.4793 33 3（8.98.9）1 12 2（0.510.51）3 3（1.251.25）H Hoxp3oxp3=0.324=0.3244 41 12 2（6 6）2 21 1H Hoxp4oxp4=0.386=0.3865 52 22 23 33 3H Hoxp5oxp5=0.313=0.3136 63 32 21 12 2H Hoxp6oxp6=0.414=0.4147 71 13 3（7 7）1 13 3H Hoxp7oxp7=0.323=0.3238 82 23 32 22 2H Hoxp8oxp8=0.343=0.3439 93 33 33 31 1H Hoxp9oxp9=0.358=0.358I Ij jIIIIj jIIIIIIj jk kj jI Ij j/k/kj jIIIIj j/k/kj jIIIIIIj j/k/kj j极差（极差（D Dj j）1.0111.0111.1351.1351.0961.0963 30.3370.3370.3780.3780.3650.3650.0410.0411.1051.1051.1131.1131.0241.0243 30.3680.3680.3710.3710.3410.3410.0300.0301.2161.2161.0531.0530.9730.9733 30.4050.4050.3510.3510.3240.3240.0800.0801.2231.2231.0591.0590.9600.9603 30.4080.4080.3530.3530.3200.3200.0880.0882009- L9（34）正交表应用计算表（以表观传质单元高度HTUo38正交试验结论正交试验结论n通过极差分析和单因素分析可知，在试验通过极差分析和单因素分析可知，在试验范围内，当料液流量适中即范围内，当料液流量适中即qF=6.2L/h，脉冲频率较大、脉冲振幅较大，两者可用脉冲频率较大、脉冲振幅较大，两者可用脉冲强度来衡量，萃取比适中，可选择试脉冲强度来衡量，萃取比适中，可选择试验范围任何一点，此时所得到的传质单元验范围任何一点，此时所得到的传质单元高度高度HTUoxp较小，而萃取比较小，而萃取比Rm对传质单对传质单元高度元高度HTUoxp的影响较小。的影响较小。2009-正交试验结论通过极差分析和单因素分析可知，在试验范围内，当料39正交试验结论正交试验结论n脉冲强度影响较大脉冲强度影响较大n表观传质单元高度表观传质单元高度HTUoxp的模型的模型2009-正交试验结论脉冲强度影响较大2009-08zhumingqi405、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。9、别再去抱怨身边人善变，多懂一些道理，明白一些事理，毕竟每个人都是越活越现实。10、山有封顶，还有彼岸，慢慢长途，终有回转，余味苦涩，终有回甘。11、人生就像是一个马尔可夫链，你的未来取决于你当下正在做的事，而无关于过去做完的事。12、女人，要么有美貌，要么有智慧，如果两者你都不占绝对优势，那你就选择善良。13、时间，抓住了就是黄金，虚度了就是流水。理想，努力了才叫梦想，放弃了那只是妄想。努力，虽然未必会收获，但放弃，就一定一无所获。14、一个人的知识，通过学习可以得到;一个人的成长，就必须通过磨练。若是自己没有尽力，就没有资格批评别人不用心。开口抱怨很容易，但是闭嘴努力的人更加值得尊敬。15、如果没有人为你遮风挡雨，那就学会自己披荆斩棘，面对一切，用倔强的骄傲，活出无人能及的精彩。5、人生每天都要笑，生活的下一秒发生什么，我们谁也不知道。所以，放下心里的纠结，放下脑中的烦恼，放下生活的不愉快，活在当下。人生喜怒哀乐，百般形态，不如在心里全部淡然处之，轻轻一笑，让心更自在，生命更恒久。积极者相信只有推动自己才能推动世界，只要推动自己就能推动世界。6、人性本善，纯如清溪流水凝露莹烁。欲望与情绪如风沙袭扰，把原本如天空旷蔚蓝的心蒙蔽。但我知道，每个人的心灵深处，不管乌云密布还是阴淤苍茫，但依然有一道彩虹，亮丽于心中某处。7、每个人的心里，都藏着一个了不起的自己，只要你不颓废，不消极，一直悄悄酝酿着乐观，培养着豁达，坚持着善良，只要在路上，就没有到达不了的远方！8、不要活在别人眼中，更不要活在别人嘴中。世界不会因为你的抱怨不满而为你改变，你能做到的只有改变你自己！9、欲戴王冠，必承其重。哪有什么好命天赐，不都是一路披荆斩棘才换来的。10、放手如拔牙。牙被拔掉的那一刻，你会觉得解脱。但舌头总会不由自主地往那个空空的牙洞里舔，一天数次。不痛了不代表你能完全无视，留下的那个空缺永远都在，偶尔甚至会异常挂念。适应是需要时间的，但牙总是要拔，因为太痛，所以终归还是要放手，随它去。11、这个世界其实很公平，你想要比别人强，你就必须去做别人不想做的事，你想要过更好的生活，你就必须去承受更多的困难，承受别人不能承受的压力。12、逆境给人宝贵的磨炼机会。只有经得起环境考验的人，才能算是真正的强者。自古以来的伟人，大多是抱着不屈不挠的精神，从逆境中挣扎奋斗过来的。13、不同的人生，有不同的幸福。去发现你所拥有幸运，少抱怨上苍的不公，把握属于自己的幸福。你，我，我们大家都可以经历幸福的人生。14、给自己一份坚强，擦干眼泪；给自己一份自信，不卑不亢；给自己一份洒脱，悠然前行。轻轻品，静静藏。为了看阳光，我来到这世上；为了与阳光同行，我笑对忧伤。15、总不能流血就喊痛，怕黑就开灯，想念就联系，疲惫就放空，被孤立就讨好，脆弱就想家，不要被现在而蒙蔽双眼，终究是要长大，最漆黑的那段路终要自己走完。5、从来不跌倒不算光彩，每次跌倒后能再站起来，才是最大的荣耀。6、这个世界到处充满着不公平，我们能做的不仅仅是接受，还要试着做一些反抗。7、一个最困苦、最卑贱、最为命运所屈辱的人，只要还抱有希望，便无所怨惧。8、有些人，因为陪你走的时间长了，你便淡然了，其实是他们给你撑起了生命的天空；有些人，分开了，就忘了吧，残缺是一种大美。9、照自己的意思去理解自己，不要小看自己，被别人的意见引入歧途。10、没人能让我输，除非我不想赢！11、花开不是为了花落，而是为了开的更加灿烂。12、随随便便浪费的时间，再也不能赢回来。13、不管从什么时候开始，重要的是开始以后不要停止；不管在什么时候结束，重要的是结束以后不要后悔。14、当你决定坚持一件事情，全世界都会为你让路。15、只有在开水里，茶叶才能展开生命浓郁的香气。5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，41