新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)性能的研究

郭成峰，王廣全，高 升，姚 文，周振江，計(jì)建炳

（浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程與材料學(xué)院，浙江 杭州 310014）

超重力場(chǎng)技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型氣液傳質(zhì)強(qiáng)化技術(shù)［1-2］。經(jīng)過(guò)三十多年的研究發(fā)展，超重力技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)涵蓋了精餾［3］、吸收［4］、脫吸［5］、納米材料制備［6］、除塵［7］和污水處理［8］等多個(gè)方面，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。折流式超重力旋轉(zhuǎn)床［9-10］由于傳質(zhì)效率較高，無(wú)需液體分布器，可實(shí)現(xiàn)中間進(jìn)料等諸多優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)上也取得了廣泛的應(yīng)用；但該設(shè)備還存在壓降偏大、通量偏小和液相存在返混等缺點(diǎn)。

本工作提出一種新結(jié)構(gòu)的新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床，采用乙醇-水物系對(duì)新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的壓降、傳質(zhì)性能和功耗等進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 裝置與原理

新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。轉(zhuǎn)子為動(dòng)靜組合式結(jié)構(gòu)，靜部件為一個(gè)開(kāi)有10個(gè)同心凹槽的圓盤，動(dòng)部件由一個(gè)圓盤及固定在圓盤上的10個(gè)同心圈組成。轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為100 mm，外徑242 mm，高80 mm，共有10個(gè)同心圈組成。同心圈高72 mm，直徑分別為120.0，136.8，152.0，165.8，178.8，191.2，202.8，214.0，224.6，234.8 mm。每個(gè)同心圈上都包含3個(gè)區(qū)域：無(wú)孔區(qū)、液孔區(qū)、氣孔區(qū)。液孔區(qū)和氣孔區(qū)的孔徑分別為0.8，2.0 mm；開(kāi)孔率分別為7.96%，49.76%；孔間距均為2.7 mm，開(kāi)孔均為三角形排列，且相鄰兩個(gè)同心圈上下顛倒布置（見(jiàn)圖2）。

圖1 新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of a novel higee rotating zigzag bed(nRZB).

圖2 同心圈結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure and dimension of a concentric circular baffle.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，來(lái)自分布器的液體從轉(zhuǎn)子中心沿徑向依次通過(guò)同心圈上的液孔最終離開(kāi)轉(zhuǎn)子，而氣體從轉(zhuǎn)子外緣經(jīng)由同心圈上的氣孔曲折地流向轉(zhuǎn)子中心。轉(zhuǎn)子內(nèi)氣液流動(dòng)路徑如圖3所示。

在新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi)，氣體從轉(zhuǎn)子外緣進(jìn)入，沿著由同心圈上的氣孔以及同心圈之間的環(huán)隙所形成的S形路徑流動(dòng)直至到達(dá)轉(zhuǎn)子中心，氣體在同心圈之間以螺旋上升和螺旋下降的方式運(yùn)動(dòng)。液體被旋轉(zhuǎn)的分布器甩出后，大部分沿著徑向依次穿過(guò)同心圈上的液孔，與同心圈之間流動(dòng)的氣體進(jìn)行錯(cuò)流接觸。此外，液體中的小部分會(huì)沿著同心圈底部的無(wú)孔區(qū)流到動(dòng)盤上。在離心力場(chǎng)中，動(dòng)盤上的液體會(huì)沿同心圈上爬，直至到達(dá)液孔時(shí)再次被甩出。在此過(guò)程中，液體與氣體進(jìn)行逆流接觸。

圖3 新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床中氣液流動(dòng)示意Fig.3 Schematic diagram of gas-liquid flow in nRZB.

1.2 流程及測(cè)量?jī)x器

使用乙醇-水物系進(jìn)行常壓、全回流精餾實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖4。在再沸器中將液體汽化為蒸氣，蒸氣通過(guò)氣體進(jìn)口管進(jìn)入旋轉(zhuǎn)床，依次由外圈向內(nèi)圈通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，最終從轉(zhuǎn)子中心進(jìn)入冷凝器并被全部冷凝。冷凝液經(jīng)計(jì)量后由液體分布器均勻地甩向最內(nèi)側(cè)的同心圈，液體在轉(zhuǎn)子內(nèi)與氣體接觸傳質(zhì)后離開(kāi)轉(zhuǎn)子，經(jīng)旋轉(zhuǎn)床的外殼收集后從液體出口流出，再經(jīng)過(guò)泵送入再沸器。

圖4 新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的實(shí)驗(yàn)流程Fig.4 Experimental flow path of nRZB.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速固定，通過(guò)控制再沸器的溫度來(lái)改變回流量。當(dāng)在某一回流量的條件下系統(tǒng)穩(wěn)定30 min時(shí)，在旋轉(zhuǎn)床頂部和底部取樣口同時(shí)取樣。然后改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)?；亓髁繛?～120 L/h，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速400～1 200 r/min。

回流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由手持式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x測(cè)量，釜液加熱系統(tǒng)由電導(dǎo)熱控制柜控制導(dǎo)熱油的溫度。壓差（1151DR1F型壓降傳感器）、氣液出口溫度（WZPB-1型鉑電阻溫度計(jì)，精度為0.1 ℃）由組態(tài)王數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集，軸功率由秒表及轉(zhuǎn)盤式電功表測(cè)量，氣液出口試樣濃度由山東魯南瑞虹化工儀器有限公司SP-6800型氣相色譜分析儀進(jìn)行分析，并用逐板法計(jì)算塔板數(shù)。

為了將新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床與折流式超重力旋轉(zhuǎn)床在壓降、傳質(zhì)效率和軸功率上進(jìn)行對(duì)比，采用相同大小的折流式超重力旋轉(zhuǎn)床在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行傳質(zhì)性能研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓降與傳質(zhì)性能

在超重力精餾實(shí)驗(yàn)中，影響傳質(zhì)效果的主要有氣相動(dòng)能因子（F因子）、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等因素。由于最內(nèi)圈半徑最小，氣相流通面積最小，阻力最大，所以基于最內(nèi)圈氣體流通面積的F因子由式（1）計(jì)算。

F因子對(duì)Δp的影響見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，隨F因子的增大，Δp增大。Δp由3部分組成：氣相進(jìn)口阻力產(chǎn)生的壓降、氣相流經(jīng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的壓降、氣體出口阻力產(chǎn)生的壓降。其中，氣相流經(jīng)轉(zhuǎn)子的壓降又由離心壓降和氣相與轉(zhuǎn)子的摩擦阻力和形體阻力產(chǎn)生的黏性壓降等組成。由于黏性壓降和氣速的平方有關(guān)［11-12］，故Δp隨F因子的增大而增加。

圖5 F因子對(duì)Δp的影響（無(wú)液體分布器）Fig.5 Effect of F-factor on pressure drop(Δp)(without liquid distributor).

由圖5還可看出，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于600 r/min、F因子相同的條件下，Δp隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而增大，這是由于離心壓降增大的緣故；在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為400 r/min、F因子為3 kg0.5/（m0.5·s）時(shí)，Δp增大幅度增大，這是由于在低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下，液相已不能完全從液孔中甩出，進(jìn)而占據(jù)氣孔通道，使得氣相流道變窄，Δp增加的速度加快。

圖6為F因子對(duì)每米理論板數(shù)（NT/（ro-ri））的影響。由圖6可知，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于600 r/min時(shí)，隨F因子的增大，每米理論板數(shù)先增大后有所降低，在F因子約為6 kg0.5/（m0.5·s）時(shí)，每米理論板數(shù)達(dá)到最大值，即傳質(zhì)效率最高。其原因是：1）氣速增大會(huì)加大氣液間的相對(duì)速度，從而加劇湍動(dòng)程度和液體表面的更新，強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程；2）氣速增大又縮短了氣液之間的接觸時(shí)間，削弱了傳質(zhì)。兩因素共同作用的結(jié)果是使傳質(zhì)效率先增大后有所降低，故新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時(shí)隨F因子變化存在最佳效率點(diǎn)，這與折流式超重力旋轉(zhuǎn)床類似［13］。但在低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下并無(wú)此規(guī)律。這是由于低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下，超重力因子較小，雖使轉(zhuǎn)子內(nèi)氣液接觸時(shí)間延長(zhǎng)，但液滴分散效果較差，表面更新速度較慢，從而傳質(zhì)效率較低。

圖6 F因子對(duì)每米理論板數(shù)的影響（無(wú)液體分布器）Fig.6 Effect of F-factor on the average theoretical plate number per meter (NT/(ro-ri)) (without liquid distributor).

由圖6還可看出，F(xiàn)因子一定時(shí)，每米理論板數(shù)隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而增大。其原因是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大后，離心力場(chǎng)增強(qiáng)，轉(zhuǎn)子對(duì)液體的撞擊力和剪切力增大，使得液體被撕裂和粉碎成更小的液滴或液絲，同時(shí)不斷更新相界面，從而大幅提高了傳質(zhì)效率［14］。

2.2 液體分布器對(duì)傳質(zhì)性能的影響

超重力旋轉(zhuǎn)床中，初始液體分布不均會(huì)大幅降低轉(zhuǎn)子的傳質(zhì)效率，因此，考察了液體分布器對(duì)傳質(zhì)性能的影響。液體分布器為雙層盤管式分布器，每層盤管外側(cè)均開(kāi)有18個(gè)φ0.5 mm的小孔。分布器固定在轉(zhuǎn)子動(dòng)盤中心，并隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7和圖8分別為有無(wú)液體分布器時(shí)，F(xiàn)因子對(duì)每米理論板數(shù)和Δp的影響。由圖7可看出，有液體分布器時(shí)，每米理論板數(shù)最大值出現(xiàn)在F因子較小時(shí)，且隨F因子的增大而明顯降低；無(wú)分布器時(shí)，每米理論板數(shù)最大值出現(xiàn)在F因子較大時(shí)，且隨F因子的增大而稍有降低。說(shuō)明無(wú)液體分布器時(shí)，操作彈性和傳質(zhì)效果更好，顯示出新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床有很好的液體自分布能力。

圖7 有無(wú)液體分布器存在時(shí)F因子對(duì)每米理論板數(shù)的影響Fig.7 Effect of F-factor on the NT/(ro-ri) with or without liquid distributor.

圖8 有無(wú)液體分布器存在時(shí)F因子對(duì)Δp的影響Fig.8 Effect of F-factor on Δp with or without liquid distributor.

由圖8可知，與有液體分布器時(shí)相比，無(wú)液體分布器時(shí)的Δp高20%～30%。此結(jié)論與其他類型旋轉(zhuǎn)床的結(jié)論相反［15］，這與新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)。

在新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)過(guò)程中，液體進(jìn)入轉(zhuǎn)子后，在轉(zhuǎn)子底部堆積，并隨著轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)而上升，沿同心圈內(nèi)壁無(wú)孔區(qū)“爬”升至液孔后均勻分散至下一個(gè)同心圈。隨液量的增加，液面升至上一排液孔，直至完全被甩出，這種分布可以被稱為軸向?qū)臃植肌Ｒ合嘧酝娜λΤ鏊嫉囊嚎着艛?shù)與液量大小和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)。顯然，這種均勻的面分布的液相能很好地與氣相接觸，有利于傳質(zhì)。有液體分布器時(shí)，自回流管進(jìn)入的液體被分布器均勻分布至同心圈上，并從同心圈上的液孔被甩出，與氣相接觸。由于分布器上的開(kāi)孔數(shù)目有限且分布器和轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，所以在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，部分液孔并無(wú)液體通過(guò)，且這部分液孔的位置與分布器開(kāi)孔的位置有關(guān)，此時(shí)，液體的分布可以被稱為徑向線分布。這種分布方式顯然有助于降低超重力旋轉(zhuǎn)床操作時(shí)的壓降，但對(duì)強(qiáng)化傳質(zhì)無(wú)益。因此，是否安裝分布器需要綜合考慮。

2.3 兩種折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的對(duì)比

F因子對(duì)兩種折流式超重力旋轉(zhuǎn)床Δp的影響見(jiàn)圖9。由圖9可看出，新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的Δp幾乎隨F因子的增大呈線性增大；在F因子較大時(shí)，新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的Δp比折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的Δp降低約70%。由于新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床減少了氣液折流次數(shù)，使氣相在通過(guò)轉(zhuǎn)子時(shí)的阻力大幅降低，由此可以得出，新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床具有Δp低的特點(diǎn)。這為新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床增大操作通量創(chuàng)造了有利條件，有望應(yīng)用于更多的工業(yè)場(chǎng)合。

圖9 F因子對(duì)兩種折流式超重力旋轉(zhuǎn)床Δp的影響（無(wú)液體分布器）Fig.9 Effects of F-factor on the Δps of nRZB and higee rotating zigzag bed(RZB)(without liquid distributor).

F因子對(duì)兩種折流式超重力旋轉(zhuǎn)床每米理論板數(shù)的影響見(jiàn)圖10。由圖10可見(jiàn)，折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的每米理論板數(shù)為45～60，新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的每米理論板數(shù)為25～35，與折流式超重力旋轉(zhuǎn)床相比， 新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的每米理論板數(shù)降低約40%。由于新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床采用氣液錯(cuò)流傳質(zhì)方式，相對(duì)于折流式超重力旋轉(zhuǎn)床縮短了液相的停留時(shí)間，使氣液接觸的時(shí)間變短，故氣液傳質(zhì)效率較折流式超重力旋轉(zhuǎn)床有所降低。

圖10 F因子對(duì)兩種折流式超重力旋轉(zhuǎn)床每米理論板數(shù)的影響（無(wú)液體分布器）Fig.10 Effects of F-factor on the NT/(ro-ri)s of nRZB and RZB(without liquid distributor).

F因子對(duì)兩種折流式超重力旋轉(zhuǎn)床軸功率的影響見(jiàn)圖11。由圖11可見(jiàn)，在相同轉(zhuǎn)速和F因子的條件下，新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的軸功率要比折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的低10%～30%。由于新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床同心圈的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使大部分液體不經(jīng)減速而直接沿徑向被甩出，所以能顯著降低液相動(dòng)能損失，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的功率，這對(duì)節(jié)能具有重要意義。

圖11 F因子對(duì)兩種折流式超重力旋轉(zhuǎn)床軸功率的影響（無(wú)液體分布器）Fig.11 Effects of F-factor on the shaft powers of nRZB and RZB(without liquid distributor).

3 結(jié)論

1）新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的Δp隨F因子和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而增大；在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于600 r/min時(shí)，每米理論板數(shù)隨F因子的變化不明顯；在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于600 r/min、F因子為6 kg0.5/（m0.5·s）時(shí)，每米理論板數(shù)最大，傳質(zhì)效率最高。

2）與有液體分布器時(shí)相比，無(wú)液體分布器時(shí)新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)效果更好；無(wú)液體分布器時(shí)的Δp比有液體分布器時(shí)高20%～30%。

3）新型折流式超重力旋轉(zhuǎn)床在操作通量、壓降和軸功率等性能上均明顯優(yōu)于折流式超重力旋轉(zhuǎn)床，但傳質(zhì)效率還需通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化而提高。

符 號(hào) 說(shuō) 明

F 氣相動(dòng)能因子，kg0.5/（m0.5·s）

hg氣孔區(qū)軸向高度，m

NT理論塔板數(shù)

NT/（ro-ri） 每米理論板數(shù)，塊/m

Δp 壓降，Pa

QG氣體體積流量，m3/h

ri轉(zhuǎn)子內(nèi)緣半徑，m

ro轉(zhuǎn)子外緣半徑，m

ρG氣體密度，m3/kg

φ 開(kāi)孔率

［1］ Imperial Chemical Industries PLC. Mass Transfer Apparatus and Process：US，4400275［P］. 1983-08-23.

［2］ Ramshaw C. Higee Distillations：An Example of Process Intensification［J］. Chem Eng，1983，389：13 - 14.

［3］ 徐之超，俞云良，計(jì)建炳. 折流式超重力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)床及其在精餾中的應(yīng)用［J］. 石油化工，2005，34（8）：778 - 781.

［4］ 師彬. 超重力法吸收模擬工業(yè)廢氣中CO2和SO2的研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，2010.

［5］ 曹會(huì)博. 超重力旋轉(zhuǎn)床脫除伴生氣中的硫化氫的實(shí)驗(yàn)研究［D］. 北京：北京化工大學(xué)，2009.

［6］ 毋偉，張新軍，陳建峰，等. 超重力法納米氧化鋅的制備及其應(yīng)用［J］. 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，32（2）：25 - 28.

［7］ 胡顯平，田東磊，鄧先和. 超重力旋轉(zhuǎn)床微米級(jí)粉塵脫除實(shí)驗(yàn)研究［J］. 現(xiàn)代化工，2009，29（12）：69 - 73.

［8］ 喻華兵，劉有智. 超重力技術(shù)在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用研究［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（19）：4869 - 4872.

［9］ 浙江工業(yè)大學(xué). 折流式超重力場(chǎng)旋轉(zhuǎn)床裝置：中國(guó)，01134321.4［P］. 2003-05-07.

［10］ Zhejiang University of Technology.Equipment of Multi-Rotors Zigzag High-Gravity Rotating Beds：US，7344126［P］. 2008-03-18.

［11］ 隋立堂，徐之超，俞云良，等. 折流式超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)氣相壓降的影響［J］. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2008，22（1）：28 - 33.

［12］ 王廣全，徐之超，俞云良，等. 折流式旋轉(zhuǎn)床的流體力學(xué)與傳質(zhì)性能研究［J］. 現(xiàn)代化工，2008，28（1）：21 - 24.

［13］ 王廣全，徐之超，俞云良，等. 新型氣液接觸設(shè)備——折流式超重力旋轉(zhuǎn)床［C］//中國(guó)工程院化工·冶金與材料工程學(xué)部第六屆學(xué)術(shù)會(huì)議.濟(jì)南：中國(guó)工程院化工·冶金與材料工程學(xué)部委員會(huì)，2007：234 - 240.

［14］ Wang Guangquan，Xu Zhichao，Ji Jianbing. Progress on Higee Distillation：Introduction to a New Device and Its Industrial Applications［J］. Chem Eng Res Des，2011，89（8）：1434 - 1442.

［15］ 童政富，李肖華，李育敏，等. 噴射式超重力旋轉(zhuǎn)床的流體力學(xué)與傳質(zhì)性能的研究［J］. 石油化工，2010，39（3）：275 - 279.