湍球塔氣液相界面結構及傳質面積

王　征　李　季　周加貝　陳德權

四川大學　成都　610065

湍球塔氣液相界面結構及傳質面積

王征*李季周加貝陳德權

四川大學成都610065

摘要湍球塔因其防堵塞、強湍動、傳質面積大等特點，可作為煙氣氨法脫碳后用磷石膏漿料凈化尾氣微量氨的氣液傳質設備。本文基于湍球塔液滴團聚分散理論研究了液滴和液膜形成的氣液相界面結構，并得到氣液傳質面積的數學模型。在磷石膏漿料吸收氨法脫碳尾氣微量氨的湍球塔實驗裝置中，在氣體Reg 157～475、液氣比1～6范圍內進行實驗研究，從實驗數據回歸得到的氣液傳質面積與理論計算值吻合。結果表明，湍球塔氣液傳質面積以團聚分散的液滴為主，湍球表面積占比不足25%。

關鍵詞尾氣凈化湍球塔氣液兩相流相界面傳質面積

氨法脫碳因其具有能耗低、腐蝕性小、可同時捕集多種污染物等優點，被認為是最具前景的CO2減排途徑之一[1]，但從能耗或二次污染控制的角度，尾氣氨逃逸是制約氨法煙氣碳減排技術發展的瓶頸[2]。

氨法CO2直接礦化磷石膏工藝[3]，利用磷石膏(CaSO4·2H2O)溶解產生的硫酸根抑制NH3逸出，脫除尾氣微量NH3具有良好的熱力學效應[4]和反應強化吸收作用[5]。湍球塔因其防堵塞、強湍動、傳質面積大，可作為磷石膏礦化煙氣CO2尾氣微量氨控制的氣液固三相傳質設備[6]。

增加傳質面積是提高氣液傳質速率的主要措施之一。國內外學者針對流化床做過大量關于填料塔相際接觸面積的試驗研究，如MewesD等[7]利用動力學數據來測定填料塔相界面積。陳毓琛[8]用填料塔吸收低濃度CO2，利用化學法測定相際面積，并用Danckwerts表面更新模型和表面膜更新修正模型分別將傳質數據進行處理和比較。RobertE.Tsai[9]用擬一級快速化學反應吸收法測定填料塔的傳質面積，得出無因次表達式。關于湍球塔，尤其是關于E-Ⅱ-b型操作方式湍球塔氣-液界面積的研究較少，GuerriereRA[10]等在高氣速2.85～4.15m/s下進行實驗研究，發現單位床層傳質面積隨氣速和液速的增加而增加。Gelperin[11]等用化學法測定傳質面積，并討論靜止床層高度對傳質面積的影響。前人研究多以實驗數據為基礎，擬合湍球塔傳質面積經驗公式，適用范圍較小。

本文基于液滴團聚分散理論對湍球塔氣液傳質面積進行理論分析，得到湍球塔傳質面積的解析表達式。基于磷石膏料漿吸收氨法脫碳尾氣微量氨過程，對湍球塔傳質面積進行實驗研究, 驗證了模型表達。

1機理與模型

當液氣比較小時，氣相為連續相，液相為離散相，液相以液膜和液滴的形式分布在湍球塔內。湍球塔內氣液兩相間的傳質即發生于塔內的液滴表面，及附著于小球表面的液膜表面[10]。湍球塔氣液界面分布見圖1。

圖1　湍球塔氣液界面分布

氣體在液相中傳質系數的確定實際上就是確定液滴傳質面積及液膜傳質面積，即：

a=af+ab

(1)

式中，af為液滴傳質比表面積，m2/m3；ab為液膜傳質比表面積，m2/m3。

GuerriereRA[11]等提出湍球塔液滴團聚分散理論，即湍球塔中氣液傳質主要發生在自由液滴及小球表面覆著的液滴，認為液體在床層中以液滴形式存在，且液滴在不停的分裂、團聚。

af=qs

(2)

當系統處于動態平衡時，湍球塔內的自由液滴數守恒，即：液滴的分裂速率等于團聚速率。

Rc=C1qHA

(3)

RD=pn

(4)

Rc=RD

(5)

(6)

聯立式(3)～(6)解得q，代入式(2)可得：

(7)

式中，A為塔橫截面積，m2；H為膨脹床層高度，m；ug為氣速，m/s；k1為常數；p為液滴每秒分裂數，s-1；n為液滴平均分裂數；q為單位床層體積上的自由液滴數，m-3；s為液滴平均表面積，m2；x為液滴平均自由運動路程，m。

由Matchett[12]提出：

(8)

式中，B為模型線性回歸系數，與Hst/D有關；umf為臨界流化速度，m/s。

(9)

由將(6)代入上式得：

(10)

式中，u0為無噴淋時(氣固流化系統)的最小流化速度，m/s；當Hs/D=0.65-0.75時[13]，B=3000A；ε為床層空隙率。

忽略液膜的厚度，液膜傳質面積就是單位體積床層湍球表面積。單位體積床層內小球數：

(11)

則液膜傳質面積：

(12)

可得湍球塔內總傳質面積 ：

(13)

理論求解湍球塔傳質面積所需的參數歸納如下：

動態床層高度[14]：

H/Hst=1.942×103

(14)

臨界流化速度[14]：

umf/u0=0.1565

(15)

液體雷諾數：

Rel=ρldul/μl

(16)

氣體雷諾數：

Reg=ρgdug/μg

(17)

韋伯準數：

(18)

阿基米德準數：

(19)

總體積傳質系[15]：

(20)

氣體傳質系數[16]：

KgRTd/DNH3=53.2

(21)

2實驗部分

實驗裝置見圖2。

圖2　實驗裝置流程

CO2、NH3經減壓閥、流量計后，并入空氣管路，充分混合后由塔底進湍球塔。磷石膏漿料經泵加壓后由塔頂噴頭噴入，逆流洗滌含氨尾氣。聚丙烯空心填料球(d=6mm,ρp=690kg/m3)在塔內劇烈湍動。尾氣微量NH3在CO2以及磷石膏顆粒作用下在塔內反應吸收。進出口氨氣濃度，由紅外氣體分析儀(POT400)精確測得；塔底設有液體取樣口，可檢測其液相中離子組成與含量。

通過改變氨進口濃度、氣體流量、料漿流量等條件，得到各組實驗數據，由式(19)、(20)計算得到不同操作條件下的總體積傳質系數Kga，Kg。聯立方程(19)、(20)即得到傳質面積實驗值。

實驗所采用的實驗試劑：磷石膏(CaSO4·2H2O，99%(wt)，平均粒徑23μm)。

主要儀器：POT-400型NH3分析儀(量程0～100，0～7000ppm)；POT-400型CO2分析儀(量程0～5000，0～50000ppm)；玻璃轉子流量計(LZB-6WB：1.5～15L/min,0.3～3L/min；LZB-40: 4～40m3/h)。

實驗中湍球塔入口氣體溫度為25℃，操作壓力為101. 3kPa，湍球塔參數及實驗條件見表1。

表1　湍球塔參數及實驗條件

為了測定實驗系統的精度，每組實驗通過3次重復實驗操作，測得氨濃度標準偏差為3%，說明實驗系統具有很好的重復性。

3結果與討論

實驗中保持氣速為0.68m/s，液體流量為10～80L/min(ReG為305，ReL為2.1～16.8)，氨進口濃度為3500ppm。在液氣比為1～6，填料高度為0.07m時，湍球塔內總傳質面積a，液滴傳質面積af，湍球表面積ab隨液氣比的變化見圖3。

由圖3得，傳質面積的理論值比實驗值偏大。其原因在于理論計算假設湍球塔整個床層液相達到充分分散的狀態，塔內小球均參與氣液傳質。但湍球塔內各處液體流速不相等，在塔底由于液體流速較慢，會有積液區存在，局部有效傳質面積減小。

圖3　液氣比對傳質面積的影響

當Reg為305，Rel由2.1增加到10.1前，即L/V小于3時，隨著液速增加液滴傳質面積af呈增大趨勢。因為隨著L/V增大，湍球塔中氣-液界面因劇烈湍動而迅速更新，即液膜液滴團聚/分散速度RD/RC加快，氣-液相間的接觸增加。而當ReL由10.1增加到16.8，即L/V大于3時，隨著液速增加液滴傳質面積af增加。因為液速上升增加了填料小球表面的潤濕面積，導致床層膨脹呈活塞流，塔室自由液滴傳質減少。Rel為2.1-16.8時，液速增加，湍球表面積由54m2/m3增加到121m2/m3，因為動態床層高度隨著液速增加而緩慢增加。結果表明，湍球塔氣液傳質面積以團聚分散的液滴為主,即總傳質面積a的大小主要由液滴傳質面積af決定, 湍球表面積占比不足25%。

4結語

(1)傳質面積的理論計算值與實驗值吻合程度很高，其計算公式適用范圍較廣，可為湍球塔的工業應用提供參考。

(2)當氣體Reg為305，液氣比1～6時，傳質面積隨著液氣比的增大先增大后減小；湍球塔氣液傳質面積以團聚分散的液滴為主，湍球表面積占比不足25%。

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(收稿日期2016-03-08)

*王征：化學工程在讀碩士。研究方向：傳質與分離。E-mail：zhengwangchn@163.com。

**基金項目：國家科技支撐計劃課題(2013BAC12B01)。