低溫甲醇洗工藝的傳質(zhì)與傳熱基礎(chǔ)探析

程永紅

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤化工公司分公司甲醇廠 寧夏 靈武 750411）

低溫甲醇洗工藝的傳質(zhì)與傳熱基礎(chǔ)探析

程永紅

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤化工公司分公司甲醇廠 寧夏 靈武 750411）

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的改變，甲醇又開(kāi)辟了許多新的用途。目前，甲醇的消費(fèi)已超過(guò)其傳統(tǒng)用途，潛在的耗用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它化工用途，已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)。特別是隨著世界能源結(jié)構(gòu)的改變，其許多重要的工業(yè)用途，也引起了世界科技人員高度重視且正在迅速研究開(kāi)發(fā)中，所以我國(guó)甲醇工業(yè)也必將迅速發(fā)展。

低溫甲醇洗；傳質(zhì)與傳熱；熱效應(yīng)；濃度差；傳熱熱阻

0 引言

甲醇是一種極其重要的化工原料，又是一種潛在的車(chē)用燃料和燃料電池的燃料，它的用途十分廣泛，近幾十年來(lái)，其轉(zhuǎn)化利用的發(fā)展勢(shì)頭迅猛。因此，關(guān)于甲醇相關(guān)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，在國(guó)際上一直受到重視。

1 低溫甲醇洗工藝的傳質(zhì)基礎(chǔ)

質(zhì)量傳遞 （簡(jiǎn)稱(chēng)傳質(zhì)）是指物質(zhì)從一處向另一處的轉(zhuǎn)移，包括相內(nèi)傳質(zhì)和相際傳質(zhì)兩類(lèi)，前者發(fā)生在同一個(gè)相內(nèi)，后者則涉及不同的兩相。它在化學(xué)化工許多領(lǐng)域中都廣泛存在，特別是各種混合物的分離過(guò)程中，往往起著關(guān)鍵作用。

傳質(zhì)是一個(gè)速率過(guò)程，嚴(yán)格地講，這個(gè)過(guò)程的推動(dòng)力是化學(xué)位差，其中包括濃度差、溫度差、壓力差等。但最常見(jiàn)地傳質(zhì)過(guò)程都是因濃度差而引起的。以吸收為例，溶質(zhì)先以氣相主體與界面間的濃度差為推動(dòng)力，從氣相向氣液界面?zhèn)髻|(zhì)，繼而穿過(guò)相界面，再以液相界面與液相主體之間的濃度差為推動(dòng)力，由界面向液相主體傳質(zhì)。

化學(xué)工業(yè)中，涉及相際傳質(zhì)地單元操作較多，常見(jiàn)的有吸收、解吸（脫吸）、蒸餾、萃取等等。

吸收是將氣體混合物與適當(dāng)?shù)囊后w接觸，氣體中一種或多種組分溶解于液體中，不能溶解的組分仍保留在氣相中，從而利用各組分在溶液中的溶解度差異而使氣體中不同組分分離的操作?；旌蜌怏w中，能夠溶解于液體的組分成為吸收質(zhì)或者溶質(zhì)；不能溶解的組分成為惰性氣體；吸收操作所使用的溶劑稱(chēng)為吸收劑；溶有溶質(zhì)的溶液成為吸收液或簡(jiǎn)稱(chēng)溶液；排出的氣體稱(chēng)為吸收尾氣，其主要成分應(yīng)是惰性氣體，還有殘余的溶質(zhì)。

工業(yè)吸收過(guò)程常在吸收塔中進(jìn)行。生產(chǎn)中除少部分直接獲得液體產(chǎn)品的吸收操作外，一般的吸收過(guò)程都要求對(duì)吸收后的溶劑進(jìn)行再生，即在另一被稱(chēng)為解吸塔的設(shè)備中進(jìn)行與吸收相反的操作-解吸。因此，一個(gè)完整的吸收分離過(guò)程一般包括吸收和解吸兩部分。工業(yè)上為使氣、液充分接觸以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的傳遞，既可采用板式塔，也可采用填料塔。板式塔內(nèi)氣液逐級(jí)接觸，填料塔內(nèi)氣、液連續(xù)接觸。吸收塔內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)方式，原則上可為逆流也可為并流。在進(jìn)出塔的氣液相濃度一定的條件下，逆流方式可獲得較大的平均推動(dòng)力，故吸收塔通常都采用逆流操作。

混和氣中有幾個(gè)組分同時(shí)被吸收的操作成為多組分吸收。多組分氣體吸收一般可分為貧氣吸收和富氣吸收兩類(lèi)。若進(jìn)塔氣體中各溶質(zhì)組分的濃度都不高（低于10%）稱(chēng)為貧氣，否則為富氣。通常，多組分吸收對(duì)起關(guān)鍵作用的組分（稱(chēng)作關(guān)鍵組分）規(guī)定分離要求，由于是相同的操作條件和設(shè)備，故其他組分的被吸收量由其相平衡關(guān)系及各組分之間的相互關(guān)系確定。

吸收過(guò)程中總會(huì)產(chǎn)生溶解熱，特別是伴有化學(xué)反應(yīng)時(shí)常會(huì)釋放大量得反應(yīng)熱，使氣體、液體的溫度上升。通常吸收操作可分為等溫和非等溫吸收兩類(lèi)。在實(shí)際得化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，如用水吸收甲醛、乙醛、氯化氫；用濃硫酸吸收SO3、NH3等過(guò)程，由于熱效應(yīng)大則不能簡(jiǎn)化成等溫吸收。事實(shí)上，等溫吸收只是吸收的特例，只有氣體的濃度不高、液氣比大，又沒(méi)有顯著的放熱效應(yīng)時(shí)，刁能近似的作為等溫吸收來(lái)看待。

吸收過(guò)程中的熱效應(yīng)主要包括：溶質(zhì)氣體溶解時(shí)的溶解熱；溶質(zhì)與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱；吸收劑中的易揮發(fā)組分帶走的氣化熱。熱效應(yīng)引起的溫度變化對(duì)吸收過(guò)程的影響主要是氣液平衡關(guān)系和吸收速率。

特別的，在計(jì)算的過(guò)程中，若考慮到與溶質(zhì)吸收同時(shí)進(jìn)行的溶劑蒸發(fā)、氣液兩相間熱交換等過(guò)程，計(jì)算就要用試差法逐步的從塔的一段作到另一端，方法十分繁復(fù)，需用計(jì)算機(jī)計(jì)算。

若熱效應(yīng)比較小，塔內(nèi)各處的溫度可以不都算出來(lái)，設(shè)計(jì)時(shí)可以在塔頂、塔底兩處的溫度的基礎(chǔ)上進(jìn)行。若溶質(zhì)的熱效應(yīng)很大，或所處理的原料氣含溶質(zhì)的百分率很高，則吸收的熱效應(yīng)就會(huì)很大。這種情況下，為了除去吸收所放熱量而需的傳熱面積，其重要性并不亞于為了進(jìn)行傳質(zhì)過(guò)程所需的傳質(zhì)面積（兩相接觸面積）。為了除去熱量以控制吸收器內(nèi)的溫度，可以采用的方法有三。第一種方法是使出吸收器的液體全部或一部分通過(guò)外部的冷卻器間斷的進(jìn)行冷卻，然后再送回吸收器。第二種方法是在吸收進(jìn)行的同時(shí)進(jìn)行連續(xù)冷卻，例如采用內(nèi)部裝有冷卻管的板式塔、利用噴淋水冷卻的水平管式吸收器、以及降膜吸收器。第三種方法是在吸收過(guò)程中同時(shí)讓液體溶劑的一部分蒸發(fā)到氣流中去除去熱量，這種方法稱(chēng)為利用蒸發(fā)冷卻的吸收。

2 低溫甲醇洗工藝的傳熱基礎(chǔ)

熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射。物體內(nèi)部各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子，原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱(chēng)為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)現(xiàn)象可以用傅立葉（Fourier）定律來(lái)描述，其中 λ 為比例系數(shù)，稱(chēng)為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）或 W/（m·K）；為空間某點(diǎn)的溫度梯度；n為通過(guò)該點(diǎn)的等溫線上的法向單位矢量，指向溫度升高的方向；負(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向指向溫度降低的方向。

不同溫度的流體各部分之間，或流體與固體壁面之間作整體相對(duì)位移時(shí)所發(fā)生的熱量傳遞過(guò)程稱(chēng)為對(duì)流傳熱。對(duì)流傳熱過(guò)程的傳遞速率可以用牛頓冷卻公式計(jì)算，即Q=αA△t。

影響對(duì)流傳熱的因素很多，但總體而言，可以分為以下五個(gè)方面：

1）液體的相態(tài)變化

在對(duì)流傳熱過(guò)程中，流體作單相流動(dòng)的對(duì)流傳熱是依靠流體的顯熱變化實(shí)現(xiàn)的，而在有相變的對(duì)流傳熱過(guò)程（如沸騰和冷凝）時(shí)，流體的相變潛熱起到了主要作用，這兩種情況的傳熱機(jī)理是完全不同的。

2）引起流動(dòng)的原因

由于引起流動(dòng)的原因不同，對(duì)流傳熱可分為強(qiáng)制對(duì)流傳熱和自然對(duì)流傳熱兩大類(lèi)。流體在外力作用下產(chǎn)生流動(dòng)時(shí)的傳熱為強(qiáng)制對(duì)流傳熱。由于系統(tǒng)內(nèi)部存在溫度差，使各部分流體的密度存在差異而引起的流體流動(dòng)為自然對(duì)流，它所導(dǎo)致的傳熱為自然對(duì)流傳熱。

3）流體的流動(dòng)形態(tài)

粘性流體的流動(dòng)存在兩種完全不同的流動(dòng)形態(tài)，即層流和湍流。流體作層流流動(dòng)且自然對(duì)流的影響可以忽略時(shí)，層流膜的厚度是影響對(duì)流傳熱速率的主要因素。而當(dāng)流體進(jìn)入湍流流態(tài)后，靠近固體壁面附近的層流底層成了主要的傳熱熱阻。

4）流體的物理性質(zhì)

流體的熱物理性質(zhì)對(duì)于對(duì)流傳熱的影響很大。不同種類(lèi)的流體（如牛頓流體和非牛頓流體）作對(duì)流傳熱時(shí)其傳熱規(guī)律不同。影響對(duì)流傳熱的主要熱物理性質(zhì)包括流體的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和黏度等。對(duì)于每一種流體，這些物理性質(zhì)又是壓力和溫度的函數(shù)，因此流體的熱物理性質(zhì)對(duì)于流體的對(duì)流傳熱的影響很復(fù)雜。

5）傳熱面的幾何因素

傳熱表面的形狀、大小、流體與傳熱面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位置和方向及傳熱面的表面狀況也是影響對(duì)流傳熱的重要因素。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，甲醇是極為重要的有機(jī)化工原料，是碳-化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的意義。甲醇化工是許多工業(yè)國(guó)家競(jìng)相開(kāi)發(fā)的一個(gè)十分重要的領(lǐng)域，它的研究與發(fā)展對(duì)于各國(guó)工業(yè)有著深遠(yuǎn)的影響。

［1］房鼎業(yè)，應(yīng)衛(wèi)勇，駱光亮.甲醇系列產(chǎn)品及應(yīng)用[M].華東理工大學(xué)出版社，1993.

［2］張立羽.低溫甲醇洗及其改進(jìn)型工藝[J].煤化工，1992，3（60）：38-43.

［3］儲(chǔ)偉，吳玉塘，羅仕忠，等.低溫甲醇液相合成催化劑及工藝的研究進(jìn)展[J].化學(xué)進(jìn)展,2001，13(2)：128-134.

程永紅（1981—），男，漢族，寧夏石嘴山人，2007年畢業(yè)于齊齊哈爾大學(xué)高分子材料與工程專(zhuān)業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，助理工程師，現(xiàn)主要從事甲醇廠合成車(chē)間管理方面的工作。

周娜］