新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)性能研究

鄭 斌，王廣全，陸佳冬，張啟亮，蔡楊其，計建炳

（浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

在常見的化工單元操作中氣液兩相間的傳質(zhì)是普遍存在的過程，若兩相間的濃度差一定，兩相的接觸面積、相界面處的湍動強度及兩相的相對速度等成為影響相間質(zhì)量傳遞的重要因素，但這些因素均受控于外場，因此外場的強弱是影響相間傳質(zhì)速率的關(guān)鍵［1］。傳統(tǒng)的傳質(zhì)設(shè)備通常置于重力場中，由于重力場強度較小且無法改變，限制了相間傳質(zhì)速率的提高。超重力旋轉(zhuǎn)床是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的一種新型氣液傳質(zhì)設(shè)備［2］，該設(shè)備利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的可調(diào)節(jié)離心力場代替重力場來實現(xiàn)氣液間的傳質(zhì)過程，可使相間傳質(zhì)系數(shù)比傳統(tǒng)傳質(zhì)設(shè)備提高1～2個數(shù)量級［3］。目前超重力技術(shù)已用于原油的采集［4］、石油的脫蠟［5］、油品的脫硫［6］及油田注水脫氧［7］等石油化工領(lǐng)域。傳統(tǒng)的傳質(zhì)設(shè)備主要是填料塔和板式塔，因此旋轉(zhuǎn)床也可分為填料式和板式兩種。填料式旋轉(zhuǎn)床由英國帝國化學(xué)公司于1979年提出，已用于吸收、解吸、萃取和反應(yīng)等過程［8］。折流式旋轉(zhuǎn)床［9］屬于板式旋轉(zhuǎn)床，由浙江工業(yè)大學(xué)于2000年提出，目前已在化工、制藥等行業(yè)的精餾過程中得到了廣泛應(yīng)用。但折流式旋轉(zhuǎn)床存在功耗大、壓降高等問題［10-12］，需進一步進行研究。

本工作設(shè)計了一種新型的徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床，利用乙醇胺-二氧化碳（MEA-CO2）物系的化學(xué)吸收過程，研究了表觀氣速、液體噴淋密度和轉(zhuǎn)速對其傳質(zhì)性能的影響，并將其與其他不同結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)床進行了對比。

1 實驗部分

1.1 傳質(zhì)模型

在新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床中，氣液以逆流的方式在轉(zhuǎn)子中進行接觸。取轉(zhuǎn)子任意半徑r處的微元寬度做物料衡算，則微元體積與微元寬度的關(guān)系見式（1）。

在轉(zhuǎn)子的微元體積內(nèi)，有效氣液相面積為adV，則單位時間內(nèi)從氣相傳質(zhì)到液相溶質(zhì)的質(zhì)量為NAadV。根據(jù)質(zhì)量守恒定律得式（2）。

由于MEA吸收CO2是在液膜內(nèi)進行的快速反應(yīng)，則對式（2）積分并整理得氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)，見式（3）。

1.2 實驗裝置

新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)見圖1和圖2。

圖1 新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of a novel rotating bed with radial blades（rotator Ⅰ ）.

圖2 新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure for rotor of a novel rotating bed with radial blades.

該旋轉(zhuǎn)床主要由外殼（直徑450 mm，高160 mm）、轉(zhuǎn)子（內(nèi)徑100 mm，外徑280 mm）、轉(zhuǎn)軸以及液體分布器組成。其中，轉(zhuǎn)子由靜止和轉(zhuǎn)動兩部分組成。靜止部分主要是與殼體固定連接的靜盤，為了防止氣體短路，在靜盤內(nèi)緣和外緣處分別設(shè)置了圓形擋板。轉(zhuǎn)動部分包括環(huán)形動盤和若干徑向葉片，動盤的內(nèi)徑為100 mm、外徑為280 mm、葉片的高度為50 mm，在圓盤的周向上間隔30°均勻分布，每塊葉片在軸向上開有4組小孔（孔徑為2 mm，孔間距為3 mm），每組包括2列正三角形排列的孔。由于液體在從轉(zhuǎn)子內(nèi)緣向外緣移動的過程中速度逐漸變大，則轉(zhuǎn)子內(nèi)緣向外緣相鄰兩組小孔間的距離也逐漸增大。轉(zhuǎn)子的中心處安裝一圓柱形液體分布器，液體分布器圓周縱向上均勻地開有6組小孔（孔徑1 mm），每組具有6個小孔。

為了全面考察新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)性能，本工作將徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床與其他類型的旋轉(zhuǎn)床進行對比。上述徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床為轉(zhuǎn)子Ⅰ。轉(zhuǎn)子Ⅱ為填料葉片復(fù)合式旋轉(zhuǎn)床（圖3），它的結(jié)構(gòu)是在轉(zhuǎn)子I的葉片間裝填金屬矩鞍環(huán)填料，并加裝了金屬網(wǎng)孔罩，網(wǎng)孔孔徑為2 mm。轉(zhuǎn)子Ⅲ為折流式旋轉(zhuǎn)床（圖4），它的轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為118 mm，外徑為278 mm，包含9個動圈和10個靜圈，高度分別為41 mm和37 mm。轉(zhuǎn)子Ⅲ內(nèi)的氣、液相流動情況可參見文獻［5］，轉(zhuǎn)子Ⅰ和轉(zhuǎn)子Ⅱ內(nèi)氣、液相流動情況類似。

圖3 填料葉片復(fù)合式旋轉(zhuǎn)床Fig.3 Combined rotating bed with blade and packing（rotator Ⅱ ）.

圖4 折流式旋轉(zhuǎn)床Fig.4 Rotating zigzag bed（rotator Ⅲ ）.

實驗中液體從分布器噴射進入轉(zhuǎn)子，在離心力的作用下，沿轉(zhuǎn)子的內(nèi)緣向外緣流動。當(dāng)液體流到第一組小孔時，被小孔分散成液滴和液絲，并被甩向下一塊葉片，在該葉片上聚集并繼續(xù)向葉片外緣流動，然后在下一組小孔處再次被分散，因此液體以分散—聚集—分散的方式流經(jīng)轉(zhuǎn)子，最終離開旋轉(zhuǎn)床。氣體從進口管切向引入旋轉(zhuǎn)床外腔，在壓差的作用下，通過葉片區(qū)進入旋轉(zhuǎn)床內(nèi)腔，最終離開旋轉(zhuǎn)床。轉(zhuǎn)子內(nèi)氣液流動路徑如圖5所示。

1.3 實驗流程及方法

本工作利用MEA-CO2的化學(xué)吸收過程對新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)性能進行了研究，考察了不同轉(zhuǎn)速、液體噴淋密度和表觀氣速下的變化規(guī)律。實驗裝置如圖6所示。首先來自氣泵的空氣與來自鋼瓶的CO2氣體在氣體混合器中混合，然后切向進入轉(zhuǎn)子外腔，最終從氣體出口管離開旋轉(zhuǎn)床。來自儲液槽的MEA溶液在多級泵的作用下進入液體分布器，再噴射進入轉(zhuǎn)子，在離心作用下與氣體在葉片區(qū)接觸傳質(zhì)后進入轉(zhuǎn)子外腔，最終從液體出口管離開旋轉(zhuǎn)床。

圖5 新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床氣液流動示意圖Fig.5 Schematic diagram of gas-liquid flow in a novel rotating bed with radial blades.

圖6 新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床的實驗流程Fig.6 Experimental flow path of a novel rotating bed with radial blades.

實驗中氣體和液體的負(fù)荷分別采用表觀氣速和噴淋密度表示，其中，表觀氣速的單位為m/s，噴淋密度的單位為m3/（m2·h），而氣體體積流量和液體體積流量的單位均為m3/h，故兩個公式的定義不同。

由于氣體和液體流經(jīng)轉(zhuǎn)子時，流通的截面積隨著轉(zhuǎn)子半徑的變化而變化，因此本工作采用當(dāng)量半徑（rm）來計算表觀氣速和液體噴淋密度，rm的計算見式（4）。

rm的值為轉(zhuǎn)子內(nèi)徑和外徑的算術(shù)平均值。表觀氣速（uG）是指在轉(zhuǎn)子內(nèi)單位時間、單位流通截面積下通過的氣體體積，定義見式（5）。

液體噴淋密度（qL）是指轉(zhuǎn)子內(nèi)單位時間、單位流通截面積下液體的噴淋體積，定義見式（6）。

本工作采用單因素實驗方法，考察了轉(zhuǎn)速、表觀氣速和液體噴淋密度三個主要因素對傳質(zhì)性能的影響規(guī)律。實驗過程中，通過調(diào)節(jié)CO2鋼瓶閥門使CO2的進口含量固定在5%（w）左右；待旋轉(zhuǎn)床運轉(zhuǎn)穩(wěn)定之后，對進、出口處的氣體進行取樣，采用山東魯南瑞虹化工儀器有限公司SP-6800A型氣相色譜儀分析進、出口CO2的含量。氣體流量和液體流量均由常州熱工儀表廠LZM-25G型和LZB-25型轉(zhuǎn)子流量計測得，范圍分別為10～30 m3/h和0.3～0.9 m3/h；轉(zhuǎn)速由深圳市欣寶瑞儀器有限公司DT2234A型手持式測速儀測量，范圍為600～1 000 r/min；氣體中CO2含量和液體中MEA質(zhì)量分?jǐn)?shù)均控制在5%左右。

2 結(jié)果與討論

2.1 表觀氣速對氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

表7為表觀氣速對氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響。從圖7可看出，在相同液體噴淋密度（30.16 m3/（m2·h））下，當(dāng)表觀氣速從0.09 m/s增加到0.28 m/s時，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)增大了49.5%（轉(zhuǎn)速（n）=1 000 r/min）和86.5%（n=800 r/min）。這是因為MEA吸收CO2屬于氣膜控制，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)與表觀氣速的0.7次方成正比［14］，因此隨著表觀氣速的增加，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)也跟著增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，表觀氣速為0.28 m/s、液體噴淋密度為30.16 m3/（m2·h）時，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)最大，為3.897×10-4kmol/（s·m3·kPa）。

圖7 表觀氣速對氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.7 Effect of superficial gas velocity in rotor on the gas-phasetotal volume mass transfer coefficient.uG ：superficial gas velocity；KGa：gas-phase total volume mass transfer coefficient；n：rotational speed；qL：liquid spray density.

2.2 轉(zhuǎn)速對氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

轉(zhuǎn)速對氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響見圖8。

圖8 轉(zhuǎn)速對氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.8 Effect of rotor speed on the gas-phase total volume transfer coefficient.

由圖8可知，在相同液體噴淋密度（30.16 m3/（m2·h））下，當(dāng)轉(zhuǎn)速從600 r/min增加到1 000 r/min時，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)增大了91.4%（uG=0.28 m/s）和83.9%（uG=0.19 m/s），增加趨勢明顯。這是因為隨著轉(zhuǎn)速的增加，液體受到葉片的剪切作用增大，使液體分散成更多、更小的液絲和液滴，增大了氣液有效比表面積，從而增大了氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)。

2.3 液體噴淋密度對氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

液體噴淋密度對氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響如圖9所示。由圖9可知，在相同轉(zhuǎn)速（n=1 000 r/min）下，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)隨著液體噴淋密度的增加而增加，當(dāng)液體噴淋密度從10.05 m3/（m2·h）增加到30.16 m3/（m2·h）時，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)增加了107.6%（uG=0.28 m/s）和74.6%（uG=0.19 m/s）。表明隨著液體噴淋密度的增加，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的增加趨勢明顯。這是因為隨著液體噴淋密度的增加，使轉(zhuǎn)子內(nèi)液體流量增加，更多的液體被葉片上的小孔分散成液絲和液滴；在相鄰葉片之間，由于液量的增加使氣液兩相間的相對速度增加，氣液之間的湍動更加劇烈，增加了傳質(zhì)效率。在兩種效應(yīng)的作用下，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)隨液體噴淋密度的增加而增加。

圖9 液體噴淋密度對氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.9 Effect of liquid spray density on the gas-phase total volume transfer coefficient.

2.4 經(jīng)驗關(guān)聯(lián)

由于液體在旋轉(zhuǎn)床中的流動情況比較復(fù)雜，本工作通過經(jīng)驗關(guān)聯(lián)來得到徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)與表觀氣速、轉(zhuǎn)速及液體噴淋密度的關(guān)系式。將徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床的實驗數(shù)據(jù)進行非線性回歸［15］，得到的關(guān)聯(lián)式為：

將回歸結(jié)果與實驗結(jié)果對比，結(jié)果如圖10所示。從圖10可看出，所有的點基本都在15%的誤差范圍內(nèi)，回歸結(jié)果和實驗值比較吻合，平均誤差為8.3%。

2.5 不同轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的性能對比

由上述分析可知，液體噴淋密度對徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響明顯大于其他因素的影響，因此，本工作比較了三種轉(zhuǎn)子在不同液體噴淋密度下的傳質(zhì)性能。圖11為在轉(zhuǎn)速1 000 r/min和表觀氣速0.28 m/s的條件下，三種轉(zhuǎn)子在不同液體噴淋密度下的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)。

圖10 氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)擬合誤差Fig.10 Comparison of experimental and calculated gas-phase total volume transfer coefficient.

圖11 不同旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)性能對比Fig.11 Comparison of mass transfer performance of different rotating beds.

由圖11可知，當(dāng)液體噴淋密度從10.05 m3/（m2·h）增加到 30.16 m3/（m2·h）時，轉(zhuǎn)子Ⅲ的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)是轉(zhuǎn)子Ⅰ的3.2～7.7倍；轉(zhuǎn)子Ⅱ的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)是轉(zhuǎn)子Ⅰ的0.8～1.8倍。同時當(dāng)液體噴淋密度從10.05 m3/（m2·h）增加到30.16 m3/（m2·h）時，轉(zhuǎn)子Ⅲ的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)增大了402.8%；轉(zhuǎn)子Ⅱ的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)增大了348.6%，而轉(zhuǎn)子Ⅰ的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)僅增大了107.6%。綜上所述，轉(zhuǎn)子Ⅲ的傳質(zhì)性能最好。這是因為轉(zhuǎn)子Ⅲ結(jié)構(gòu)特殊，動折流圈上開有許多小孔，使液體以多次分散、聚集的方式從轉(zhuǎn)子內(nèi)緣向外緣流動；而動折流圈和靜折流圈結(jié)合形成的“S”形通道，使氣液兩相在轉(zhuǎn)子內(nèi)的接觸時間得到了增加，因此轉(zhuǎn)子Ⅲ具有優(yōu)良的傳質(zhì)性能。相較于轉(zhuǎn)子Ⅰ，轉(zhuǎn)子Ⅱ是在葉片之間的空隙填入了金屬矩鞍環(huán)填料，液體同時被葉片和填料分散，并在填料表面上可以附著液膜，使氣液兩相接觸面積更大，另外，填料的存在也會使轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時對氣、液的擾動作用變得更大，從而加快表面更新速度。因此，轉(zhuǎn)子Ⅱ的傳質(zhì)性能優(yōu)于轉(zhuǎn)子Ⅰ。

圖12給出了在轉(zhuǎn)速1 000 r/min和表觀氣速0.28 m/s的操作條件下，三種不同轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)床在不同液體噴淋密度下的壓降和有效功耗的對比情況，由圖12可知，轉(zhuǎn)子Ⅲ的壓降和有效功耗雖然很大，但其氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)明顯大于其他兩種轉(zhuǎn)子，適用于通量小、傳質(zhì)性能要求高的場合。轉(zhuǎn)子Ⅱ的傳質(zhì)性能、壓降和有效功耗稍大于轉(zhuǎn)子Ⅰ，轉(zhuǎn)子Ⅱ和轉(zhuǎn)子Ⅰ較適用于通量大、傳質(zhì)性能要求不高的場合。表1給出了不同旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)性能的對比情況。

圖12 不同旋轉(zhuǎn)床壓降和液相功耗對比Fig.12 Comparison of pressure drop （Δp） and liquid-phase power consumption of different rotating beds.

表1 不同旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)性能對比Table 1 Comparison of mass transfer performance of different rotating beds

3 結(jié)論

1）新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)隨表觀氣速和液體噴淋密度的增加而增加，其中，隨液體噴淋密度增加的增幅較大。KGa最大為3.897×10-4kmol/（s·m3·kPa）。

2）折流式旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)性能最好，但壓降和有效功耗非常大；填料葉片復(fù)合式旋轉(zhuǎn)床的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)、壓降和有效功耗都稍大于新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床。折流式旋轉(zhuǎn)床適用于對傳質(zhì)性能要求高的場合，填料葉片復(fù)合式旋轉(zhuǎn)床和新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床較適用于通量大、傳質(zhì)性能要求不高的場合。

符 號 說 明

a 氣液有效比表面積，m2/m3

G 空氣的總摩爾流量，kmol/s

h 轉(zhuǎn)子的高度，m

KG氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s·kPa）

NA氣液相間傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s）

n 轉(zhuǎn)速，r/min

p 旋轉(zhuǎn)床中的總壓力，kPa

QG氣體體積流量，m3/h

QL液體體積流量，m3/h

qL液體噴淋密度，m3/（m2·h）

R1，R2轉(zhuǎn)子的內(nèi)、外徑，m

r 轉(zhuǎn)子任意一點的半徑，m rm當(dāng)量半徑，為轉(zhuǎn)子內(nèi)外半徑的算術(shù)平均值，

m

uG表觀氣速，m/s

V 轉(zhuǎn)子的體積，m3

yAGCO2在氣相主體中的摩爾分?jǐn)?shù)

yAinCO2在旋轉(zhuǎn)床進口處的摩爾分?jǐn)?shù)

yAoutCO2在旋轉(zhuǎn)床出口處的摩爾分?jǐn)?shù)

y*CO在氣液相界面處的摩爾分?jǐn)?shù)

AG2