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［摘要］在新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床中采用乙醇胺-二氧化碳物系的化學(xué)吸收，建立了相應(yīng)的傳質(zhì)模型，研究了表觀氣速、液體噴淋密度和轉(zhuǎn)速對新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)性能的影響，并將徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床與折流式旋轉(zhuǎn)床和填料葉片復(fù)合式旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行了對比。實驗結(jié)果表明，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)隨表觀氣速、液體噴淋密度和轉(zhuǎn)速的增加而增加；在相同條件下，折流式旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)性能最好，但功耗和壓降比較大；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；新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)性能差，但功耗和壓降較小。

［關(guān)鍵詞］新型徑向葉片式旋轉(zhuǎn)床；化學(xué)吸收；轉(zhuǎn)速；氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)

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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)一步進(jìn)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(jìn)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(jìn)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）。dV=2πhrdr（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(jìn)行的快速反應(yīng)，則y*AG≈0［13］，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。 該旋轉(zhuǎn)床主要由外殼（直徑450mm，高160mm）、轉(zhuǎn)子（內(nèi)徑100mm，外徑280mm）、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100mm、外徑為280mm、葉片的高度為50mm，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2mm，孔間距為3mm），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1mm），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(jìn)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2mm。轉(zhuǎn)子Ⅲ為折流式旋轉(zhuǎn)床（圖4），它的轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為118mm，外徑為278mm，包含9個動圈和10個靜圈，高度分別為41mm和37mm。轉(zhuǎn)子Ⅲ內(nèi)的氣、液相流動情況可參見文獻(xiàn)［5］，轉(zhuǎn)子Ⅰ和轉(zhuǎn)子Ⅱ內(nèi)氣、液相流動情況類似。實驗中液體從分布器噴射進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入液體分布器，再噴射進(jìn)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(jìn)入轉(zhuǎn)子外腔，最終從液體出口管離開旋轉(zhuǎn)床。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(jìn)口含量固定在5%（w）左右；待旋轉(zhuǎn)床運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定之后，對進(jìn)、出口處的氣體進(jìn)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(jìn)、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10～30m3/h和0.3～0.9m3/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600～1000r/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（30.16m3/（m2•h））下，當(dāng)表觀氣速從0.09m/s增加到0.28m/s時，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)增大了49.5%（轉(zhuǎn)速（n）=1000r/min）和86.5%（n=800r/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1000r/min，表觀氣速為0.28m/s、液體噴淋密度為30.16m3/（m2•h）時，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)最大，為3.897×10-4kmol/（s•m3•kPa）

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。由圖8可知，在相同液體噴淋密度（30.16m3/（m2•h））下，當(dāng)轉(zhuǎn)速從600r/min增加到1000r/min時，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)增大了91.4%（uG=0.28m/s）和83.9%（uG=0.19m/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=1000r/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10.05m3/（m2•h）增加到30.16m3/（m2•h）時，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)增加了107.6%（uG=0.28m/s）和74.6%（uG=0.19m/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。

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(jìn)行非線性回歸［15］，得到的關(guān)聯(lián)式為：431.0111.1L422.0G9G10167.2nquaK−×=（7）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1000r/min和表觀氣速0.28m/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)。由圖11可知，當(dāng)液體噴淋密度從10.05m3/（m2•h）增加到30.16m3/（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10.05m3/（m2•h）增加到30.16m3/（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1000r/min和表觀氣速0.28m/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。

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。

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作者：鄭斌 王廣全 陸佳冬 張啟亮 蔡楊其 計建炳 單位：浙江工業(yè)大學(xué)