2004年度中国石油和化学工业协会科技奖励项目推荐（三）
栏目主持：《中国化工信息》周刊、中国石油和化学工业协会科技办
新型转盘萃取塔研究开发与工业应用
王运东  刘小秦  费维扬
    项目开发的背景与意义
　　转盘萃取塔(RDC)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。
    对于糠醛精制润滑油装置，转盘萃取塔的应用更为普遍。尽管小
径转盘塔传质效率较高, 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及轴向
返混严重等因素,导致其传质效率较低；另一方面，在保证产品质量
所需的溶剂比急剧升高的情况下，对产品质量要求提高和原料油组成
变重等原因，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，转盘萃取塔的精制效果仅相当于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。
    研制新型转盘萃取塔的理论依据
　  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引起的：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。除此之外，由于
沟流和短路而在萃取塔截面上产生的非理想连续相分布，分散相由于
液滴上升流速随液滴大小而产生前混以及液滴破碎和液滴间的聚并都
是导致转盘萃取塔内非理想流动的因素。
    对于转盘萃取塔传质特性的研究已相当广泛, 其中包括液滴直径
的预测、传质系数的关联、液滴破碎、液滴特征速度、滑动速度关联
式、转盘塔径的大小对传质的影响等。然而, 转盘萃取塔特别是工业
规模的转盘萃取塔的非理想因素的研究相当困难，已知的确定轴向返
混的经验关联式仅限于固定的转盘塔的几何尺寸, 而大塔径下的实验
数据相当少。
　　计算流体力学(CFD)是一门发展迅速的前沿学科，目前已被广泛
应用于化工领域。Weiss 等人通过计算流体力学的方法理论计算了转
盘萃取塔（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，并指出，充分的径向动量传递是保证传质过程中设备体积
有效利用的充分条件。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，对于改进现有转盘萃取塔及建立新的
转盘萃取塔优化设计方法都有十分重要的意义。
　　清华大学萃取实验室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；同时也证实了影响转盘萃
取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（NRDC），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。
工业应用及效果
    中石化巴陵分公司的己内酰胺生产装置设计能力为5万t/a，其
粗己内酰胺经转盘萃取塔进行提纯。工厂要求在保证质量、消耗（物
耗、能耗）和固定成本与原工艺包一致的前提下，将转盘萃取塔C7302
的生产能力从目前的生产水平提高到7万t/a己内酰胺产品匹配的
量。
    在流场测量和计算流体力学模拟的基础上，在塔径为100mm的转
盘萃取塔内进行了传质实验，实验结果表明，安装挡板的新型转盘萃
取塔传质效率平均提高15%～25%。
  　C7302转盘萃取塔存在的问题是在高负荷下塔底部出料己内酰胺
含量超标（设计值为己内酰胺≤0.5%）。其原因有以下几方面：1）此
转盘萃取塔约需13个理论级，达到分离要求所需的理论级数较高；2）
塔内两相负荷变化很大；3）塔下部3/4塔段分散相流量太低（分散
相/连续相≈1/10），液滴直径（d32）太大，分散相存留分数太低，
轴向返混严重，因而传质效率低，达不到分离要求。
　　根据上述要求，拟对现有转盘萃取塔改造如下：现有塔的结构不
变，管线不变，工艺条件不变，将现有转盘萃取塔改装成新型转盘萃
取塔。表1列出了己内酰胺萃取塔C7302设计、目前和改造后的生产
水平。改造后，C7302的处理能力由5万t/a扩大至7万t/a，塔底
水相己内酰胺含量由设计值0.5%降低到0.2%～0.3%。5年多来，操
作稳定，累计经济效益达2.1亿元。
(本项目获得技术发明一等奖）
   表1  C7302设计、目前及改造后生产水平        万t/a
             项  目                    设计         目前   改造后
生产能力                                 5          6           7
处理量    粗己内酰胺含量                 9.9         13.5    13～15
（m3/h）第68块板苯－己进料量         8.6         12.2     12～13
        塔顶苯－己出料量                38.8        49    55～60
质量    塔底水相己内酰胺含量            <0.5 0.8～1.5  0.2～0.3
（%wt）    塔顶出料苯－已液己内酰胺含量      20        20±2      20±2