并流降膜式多管濕壁塔的質量傳遞特性

彭健，楊振，張登峰

（昆明理工大學，云南昆明650500）

并流降膜式多管濕壁塔的質量傳遞特性

彭健，楊振，張登峰

（昆明理工大學，云南昆明650500）

在內徑為0.1 m，由38根內徑為8 mm，外徑為10 mm，高120 mm陶瓷管組成的多管濕壁塔中，采用SO2/NaOH和CO2/H2O系統，研究了20℃的氣液傳質速率。實驗結果表明，液相雷諾數在ReL在55～165之間，氣相雷諾數ReG在360～2 000之間，液相舍伍德數分別與ReG的0.662次方和ReL的0.851次方成正比；氣相舍伍德數分別與ReG的1.103ReL的0.226次方成正比。

濕壁塔；質量傳遞；傳質系數；化學吸收

化學吸收是化工中的重要分離過程，經常用于氣體混合物的分離。濕壁塔由于具有良好的傳質效果和相對已知的氣液接觸面積而受到重視，已廣泛應用于吸收、解吸、蒸發、冷卻和冷凝化等工業操作中。濕壁塔應用于吸收操作時，液體沿管束壁面下降形成薄膜，由于液體停留時間短，適合瞬時、快速的氣液反應[1]。大多數對濕壁塔的質量傳遞特性研究都集中在單管[2,3]，對降膜式多管濕壁塔的質量傳遞研究較少，本文以多根陶瓷管組成的降膜式濕壁塔為例，對其質量傳遞性能研究。

1 理論分析

1.1 傳質經驗方程

由因次分析方法并結合邊界層理論，傳質系數可以整理為無因次表達式[4]：

式中：k、α、β、γ為由實驗確定的常數，其中γ的值由文獻[5,6]可以確定為0.5。

1.2 傳質系數的實驗測定方法

二氧化硫氣相傳質系數kg,SO2可以通過吸收SO2到0.5mol/L的氫氧化鈉溶液中[7]，此時液相傳質阻力可以忽略，由式(2)[8]可以算出氣相傳質系數：

液相傳質系數2,SOlk通過用水來吸收10%的CO2來測量，由于CO2在水中的溶解度較低使得氣相傳質阻力可以忽略。用公式(3)來計算：

計算出的結果為二氧化碳的液相傳質系數，而二氧化硫的液相傳質系數需要經過下式修正[10]：

DSL，DCL可由Wilke-Chang公式[11]計算：

對平均液膜的厚度δ，當ReL＜20～40時，可以Nusselt[1]公式計算：

在擬層流區（40＜ReL＜1200），可根據Kapitsa修正方程[1]計算：

這里，液相雷諾準數ReL，單位降膜管邊緣液流強度Γ按下式計算：

氣相雷諾準數為：

2 實驗

建立降膜式多管濕壁塔實驗裝置如圖1所示。

圖1 濕壁塔吸收實驗裝置圖Fig.1 Absorption experiments of wetted-wall column1—風機；2—SO2氣體鋼瓶；3—高位槽；4—轉子流量計；5—濕壁塔；6—CO2氣體鋼瓶；7—吸收液槽；8—檢測設備；9-緩沖罐

吸收塔內采用陶瓷管狀填料，陶瓷管外徑10 mm，內徑為8 mm，共38根。吸收塔內徑為0.1 m，塔高為1.6 m，填料高度為1.2 m，吸收塔材質為有機玻璃。吸收過程在常壓下進行，氣液并流操作。

3 結果與討論

3.1 液相傳質經驗方程

在溫度為(20±2)℃，用水來吸收10%的CO2，保持一定的氣相流量，改變液體的流量分別為50、75、100、125、150 L/h時，測量進出口處CO2的濃度，由式（3）、（6）得出吸收SO2的液相傳質系數，實驗數據和擬合數據的比較如圖2所示。實驗數據與計算值的平均誤差小于9.8%，經過對實驗數據的回歸處理，得到液相傳質的準數關聯式為：

圖2 液相傳質系數數據與擬合數據的比較Fig.2 Comparison of liquid mass transfer coefficient data compared with fitted correlation

3.2 氣相傳質經驗方程

圖3 氣相傳質系數數據與擬合數據的比較Fig.3 Comparison of gas mass transfer coefficient data compared with fitted correlation

在溫度為(20±2)℃，入口SO2濃度為2 000 mg/m3，氫氧化鈉的濃度為0.5 mol/L的條件下，保持一定的液相流量，改變空塔截面氣速分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s時，測量吸收塔煙氣入口和出口的SO2濃度，由式（2）計算氣相傳質系數。圖3為實驗數據與擬合直線的比較，二者的平均誤差小于7%，經過對數據的處理得到氣相傳質準數關聯式為：

4 結論

在降膜式多管濕壁塔中，采用了SO2/NaOH和CO2/H2O反應系統，測定了氣相和液相的傳質系數，得到了氣相和液相的傳質經驗方程如下：

符號說明：cSO2,in—進口處SO2濃度，mg/m3;

cSO2,out—出口處SO2濃度，mg/m3;

cl,i—相界面液膜處CO2濃度;

cl,in—進口處CO2濃度，mg/m3;

cl,out—出口處SO2濃度，mg/m3;

d—降膜管內徑，m；

DSLSO2—在水中的擴散系數，m2/s;

DCLCO2—在水中的擴散系數，m2/s;

DAB(l)—無限稀釋下溶質的擴散系數，m2·s-1;

G—氣體流量，m3/s;

h—降膜管高度，m;

L—液體流量，m3/s;

MB—溶劑B分子量;

n—降膜管根數;

QL—吸收液流量，kg·s-1;

R—降膜管半徑，m;

VA—溶質在常壓下沸點時的分子體積，m3·kmol-1;

δ—液膜厚度，m;

μG—氣體粘度，Pa·s;

uG—氣體流速，m/s;

Φ—溶劑的締合參數，其中水為2.6;

μ—溶液粘度，Pa·s;

［1］張成芳.氣液反應和反應器[M].北京:化學出版社,1985.

［2］林誠,王長泰,唐鳳翔,等.并流降膜塔液相傳質系數實驗研究[J].化學工程,1997,25(2）:17-20.

［3］鐘秦.濕法煙氣脫硫的理論和實驗研究（Ⅳ）—高雷諾數時的傳質經驗方程[J].南京理工大學學報,1999,23(3):257-260.

［4］bird R B,Steward W E,Lightfoot E N.Transport Phenomena[M].New York:John Wiley&Sons,1960.

［5］Spedding P L,Jones M T.Heat and mass transfer in wetted-wall columns[J].Chem.Eng.J.,1988,37(1):165-172.

［6］Dudukovic A,Milosevic V,Pjanvic R.Gas-solid and gas–liquid mass-transfer coefficients[J].AIChE J.,1994,42(2):269-275.

［7］Chu,H.,Chien,T.W.,Li,S.Y.Simultaneous absorption of SO2and NO from flue gas with KMnO4/NaOH solutions[J].Sci Total Environ, 2001(275):127-135.

［8］Christian,H.E.Nielsen.,S?ren Kill,Henrik W.,et al.Mass transfer in wetted-wall columns:correlations at high Reynolds numbers[J].Chem Eng Sci,1998,53(3):495-503.

［9］C.D.Park,T.Nosoko,S.Gima,et al.Wave-augmented mass transfer in a liquid film falling inside a vertical tube[J].International journal of heat and mass transfer,2004,47:2587-2598.

［10］Xiang Gao，Honglei Ding,Zhen Du,et al.Gas–liquid absorption reaction between(NH4)2SO3solution and SO2for ammonia-based wet flue gas desulfurization[J].Applied Energy,2010,87(4):2647-2651.

［11］Wilke C.R.,Chang P.Correlation of diffusion coefficients in dilute solutions[J].AIChE J.,1955,1:264-270.

海默拉特投資新建汽車涂料生產基地

海默拉特汽車涂料(吉林)有限公司投資新建年產1萬噸汽車涂料項目。據悉，項目在吉林市吉林經濟技術開發區，項目建成后生產規模為水性中涂漆4000噸/年、水性色漆3000噸/年、清漆3000噸/年。

記者注意到，在2015年的時候，世界知名汽車涂料企業德國海默拉特(Hemmelrath)，中國區總代理海默拉特國際貿易(上海)有限公司人員前往吉林市吉林經濟技術開發區考察。當時，德國海默拉特與吉林經濟技術開發區就年產5000噸水性汽車涂料項目達成了意向性協議。

據悉，項目投產后預計可實現銷售收入1.5億元，利潤6000萬元。這也是德國海默拉特在中國投資的首個汽車涂料研發中心及生產基地項目。也意味著德國海默拉特正式加入中國市場。

2016年8月，經過多輪磋商談判，德國海默拉特與吉林經開區管委會共同簽署了年產1萬噸汽車涂料項目的投資協議。該項目規劃占地面積2.6萬平方米，采用德國海默拉特公司先進技術，計劃總投資1.04億元。項目達產后，預計可實現產值1億元，利潤3500萬元。

德國海默拉特(Hemmelrath LACKFABRIK)，主要從事水性汽車涂料的研發、生產和服務，為全球汽車工業領域的市場領導者。為全球40多個汽車工廠和超過700萬輛汽車提供涂裝Hemmelrath的產品。該公司在美國、俄羅斯、德國、西班牙、巴西、南非、中國7個國家設立公司，目前總產能25000噸，主要為寶馬、大眾、奧迪、沃爾沃、保時捷等高檔車型配套。2014年銷售額為20億元。

Mass Transfer Characteristics of Parallel-flow Falling Film Multitubular Tower

PENG Jian,YANG Zhen,ZHANG Deng-feng
（Kunming University of Science and Technology,Yunnan Kunmig 650500,China）

In a 0.1m inner diameter wetted wall column with 38 ceramic tubes with inner diameter of 8 mm and outer diameter of 10 mm,the gas and liquid mass transfer rate was studied by using SO2/NaOH and CO2/H2O systems at 20℃.Experimental results show that,when liquid phase Reynolds number is from 55 to 165 and gas phase Reynolds number is in the range from 360 to 2 000,liquid phase Sherwood number is proportionate to ReG's 0.662 power and ReL's 0.851 power,respectively;gas phase Sherwood number is proportionate to ReG's 1.103 power and ReL's 0.226 power.

Wetted-wall column;Mass transfer;Mass transfer coefficient;Chemical absorption

TQ 018

A

1671-0460（2017）03-0550-03

人才引進項目（省級），項目號：：kksy201305110。

2016-11-06

彭健（1976-），男，吉林省榆樹市人，講師，博士，2012年畢業于四川大學化學工程專業專業，研究方向：煙氣脫硫脫硝。E-mail：jianp2004@163.com。