低溫精餾分離13C的耦合傳遞理論與試驗研究.pdf

1、本論文針對一氧化碳(CO)低溫精餾分離穩(wěn)定同位素13C這一熱量、質(zhì)量、動量耦合傳遞體系進行了詳細的試驗及模擬研究。主要包括低溫精餾裝置工藝設(shè)計及試驗測試、新型高效絲網(wǎng)波紋填料的開發(fā)及性能測試、低溫精餾流程模擬優(yōu)化及填料內(nèi)CO汽-液兩相流動模擬分析。具體內(nèi)容如下:
　　（一）基于熱量衡算、物料衡算、真空計算，設(shè)計了一套采用一氧化碳低溫精餾分離穩(wěn)定同位素13C的工藝流程。針對13C低溫分離流量小、低溫絕熱要求高的特殊要求，提出并設(shè)計研

2、制了多層絕熱的低溫精餾塔結(jié)構(gòu)專利技術(shù);開發(fā)了高比表面積絲網(wǎng)波紋填料及鋸齒形波紋填料專利技術(shù)，滿足低溫精餾分離穩(wěn)定同位素13C的工藝要求;設(shè)計研制了低溫精餾分離同位素13C的控制方案，建立了國內(nèi)第一座采用CO低溫精餾分離同位素13C的試驗裝置。
　?。ǘ┎捎每諝?水冷模實驗及對/鄰二甲苯二元混合體系熱模實驗，測試了峰高1.6、2.0、2.5 mm三種規(guī)格的高比表面積絲網(wǎng)波紋填料的流體力學(xué)性能及傳質(zhì)性能。得到了三種規(guī)格填料的Leva

3、壓降關(guān)聯(lián)式、Bain-Houzen液泛點關(guān)聯(lián)式、動持液量關(guān)聯(lián)式;通過試驗得到了高效規(guī)整不銹鋼金屬絲網(wǎng)規(guī)整填料的傳質(zhì)性能數(shù)據(jù)，可以推廣到CO低溫精餾分離同位素13C中。
　?。ㄈ┰敿毜膶嶒灉y試結(jié)果表明，本文建立的CO低溫精餾試驗裝置當(dāng)氣體動能因子F在0.26-0.53m/s(kg/m3)1/2時，試驗每米理論板數(shù)為25-28塊。試驗裝置的全回流平衡時間為4天、開車濃縮時間為23-30天、極限濃縮達到15％13C、達到了年產(chǎn)500克

4、10％13C的生產(chǎn)能力。本文開發(fā)的新型高比表面積絲網(wǎng)波紋規(guī)整填料比傳統(tǒng)填料具有更好的分離能力，其單位比表面積分離功和單位比表面積理論板數(shù)均超過了國外同類裝置的2倍以上。
　?。ㄋ模┩ㄟ^對12C16O-13C16O-12C18O三元組分同位素體系低溫精餾過程的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)模擬研究，對影響13C同位素分離的因素進行了數(shù)值模擬計算。單因素穩(wěn)態(tài)模擬分析表明，塔壓的降低、回流比的增加、氣體動能因子的降低有利于提高產(chǎn)品豐度。通過均勻?qū)嶒炘O(shè)計得出

5、，對于建立的精餾塔，蒸發(fā)功率為250 W時，優(yōu)化設(shè)計的操作條件為操作壓力為54 kPa，回流比為84。而低壓力、高回流比有利于降低本試驗裝置的操作能耗。動態(tài)模擬結(jié)果表明，增大進料量、增大再沸器功率有利于縮短平衡時間。
　　（五）建立了表征波紋填料單元結(jié)構(gòu)的三維物理模型。通過CFD模擬計算表明，在兩相逆流的精餾過程中，傳統(tǒng)的波紋填料由于結(jié)構(gòu)缺陷表面大部分沒有被液體流覆蓋，液體在填料表面呈溪流流動。液體分布不均主要內(nèi)在原因是由填料結(jié)構(gòu)