新型多孔碳化硅泡沫传质体塔盘的性能研究与结构优化

为了克服传统塔板普遍存在的流体力学性能差、效率低等问题，避免目前各种新型塔板存在的结构复杂、压降高、容易漏液等弊端，并减少对金属材料的消耗，本课题组研制出一种具有特殊泡沫微孔结构的多孔碳化硅材料，并将其制成多孔传质体应用到精馏塔塔盘中，开发出新型的多孔碳化硅传质体塔盘。初步实验表明该新型塔盘具有微气泡分布均匀、气液接触面积大、传质效率高、雾沫夹带少、漏液点很低和通量大等突出优点，有望在精馏过程中取得突破。本项目将利用多尺度和纳微化研究方法，建立恰当的多孔介质模型和内部流体传递理论，进行多孔介质/纯流体耦合流动的模拟和多孔碳化硅泡沫材料内部的直接数值模拟，以揭示多孔介质强化精馏过程的机理，从而实现蒸馏过程的强化与节能。

将新型泡沫材料以板式塔的形式应用于气、液传质的精馏过程具有压降低、传质效率高、易于过程放大等优点，是近年来新型气、液传质元件开发的研究前沿，也是重要的化工过程强化新思路。本项目首先采用可控熔渗反应烧结技术，研制不同孔径及其分布的多孔碳化硅传质体材料。在此基础上，采用计算流体力学方法和传质理论，建立了多孔介质数学模型，对多孔碳化硅泡沫传质体塔盘内的流体流动及分布特点、传质效率等性能进行模拟，并与实验结果进行比较，对比结果验证了模拟方法的正确性，然后进一步对多孔碳化硅泡沫材料内部的气、液两相流动形态进行直接数值模拟，揭示了多孔碳化硅塔板的传递理论基础，并且为优化多孔塔盘的结构和型式提供了理论支持。最后在实验测试的数据指导和模拟计算的理论支持下，提出了一套针对SiC塔盘工业设计的方法，对多孔碳化硅泡沫传质体塔盘进行结构优化，以上理论相关成果已发表在AIChE Journal等国内外化工领域的著名期刊上。在工程化方面，针对吉化公司溶剂回收工段中的DMAC脱水塔目前存在的塔效率、腐蚀严重等问题，通过应用理论研究方面的成果，设计了SiC泡沫塔盘，应用于56万吨/年的DMAC脱水塔中，并于2014年10月一次性开车成功，装置稳定运行至今无腐蚀现象发生，大幅度降低了停车检修所带来的生产成本，且由于新型塔盘的高效性，工艺系统的总能耗降低5.6%。本项目面向重要的化工行业，确定了新型塔盘的可行操作域及最优的结构参数和操作参数，为SiC泡沫塔盘的大规模工业化提供基础研究数据和可行性分析。通过本项目的研究，在国内外化工类高水平期刊上发表论文23篇，其中SCI检索论文13篇；申请发明专利3项；在国际会议上做了1次主题报告和1次大会报告。