不同規(guī)整填料旋轉床的傳質性能對比

郭強，祁貴生，劉有智，董梅英，宋彬，王探

（中北大學超重力化工過程山西省重點實驗室，山西省超重力化工工程技術研究中心，山西 太原 030051）

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不同規(guī)整填料旋轉床的傳質性能對比

郭強，祁貴生，劉有智，董梅英，宋彬，王探

（中北大學超重力化工過程山西省重點實驗室，山西省超重力化工工程技術研究中心，山西 太原 030051）

摘要：采用Na2CO3-H2S為體系，利用規(guī)整絲網填料和新型塑料填料的錯流旋轉床為吸收設備，探究了兩種填料床的傳質性能，通過理論推導氣液傳質系數Ky和Kya的表達式，考察了液量、氣液比、超重力因子對脫硫率、Ky和Kya的影響。實驗結果表明：在相同條件下，規(guī)整絲網填料床的脫硫率略高于新型塑料填料床，約為3%～4%，但Ky、Kya和壓降分別是新型塑料填料床的0.25～0.5、0.8～0.9和0.3～0.5倍。通過文獻對比分析，在相近工況條件下，新型塑料填料床的Kya比散裝絲網填料床提高了1.45倍。并對實驗數據進行回歸，擬合出Ky、Kya與氣相雷諾數ReG、液相韋伯數WeL和伽利略數Ga之間的關聯式。

關鍵詞：旋轉填料床；填料；脫硫率；氣相傳質系數

超重力旋轉填料床在強化相間傳質、反應及微觀混合過程方面較為有效，廣泛應用于氣液吸收過程中[1-3]。而填料是超重力旋轉床的一個重要組成部分，是物系進行傳質的主要場所。隨著超重力技術的發(fā)展，目前填料向著傳質速率高、氣相壓降小、動平衡性能高、通量大、安裝維修方便等方向努力[4-6]。其中規(guī)整填料優(yōu)勢明顯，在工業(yè)中得到了廣泛的應用。

目前，規(guī)整填料的研究主要集中在金屬絲網規(guī)整填料、塑料多孔板填料、不銹鋼多孔波紋板填料和同心環(huán)波紋板填料。金屬絲網填料因其比表面積大（2000～5000m?1），空隙率高（90%～95%），得到了研究者的大量研究[7]?？禈s燦等[8]以CO2-NaOH為體系，對不同高度、形狀不銹鋼金屬填料的錯流旋轉填料床進行了傳質性能的研究，結果表明波紋絲狀填料床的傳質系數大于片狀網狀平直填料床，這表明絲狀填料床更有助于氣液傳質。祁貴生等[9]研究了3種填料的旋轉填料床的氣液傳質性能，在相同條件下，不銹鋼絲網床的氣相總傳質系數要大于塑料孔板和θ環(huán)填料床，且規(guī)整填料床氣液傳質效果優(yōu)于亂堆填料床。從學者研究可知，雖然絲網填料具有比表面積和空隙率高的優(yōu)勢，但氣相阻力大，質量周向分布均勻性差，動平衡不易解決?；谶@種劣勢，本實驗室開發(fā)了一種新型塑料填料，該填料是由特殊材質、小填料環(huán)組成的規(guī)整填料，具有較大的流通面積，可以解決絲網填料的不足，本文以Na2CO3-H2S為吸收體系，對兩種填料床的傳質性能進行對比。

1 實驗部分

1.1 氣相傳質系數Ky和Kya的計算

Na2CO3吸收H2S的過程中，氣相傳質阻力起主導作用，因此，氣相傳質系數能表征吸收傳質強度。傳統(tǒng)氣相傳質系數[10-11]的測定主要是應用溶質相間傳質速率方程和物料衡算得出氣相體積傳質系數Kya，根據有效傳質比表面積a，求出氣相傳質系數Ky。該法沒有考慮物系參數對Ky的影響，本實驗根據實驗體系和設備參數，詳細推導了Ky的表達式，通過測定Ky和Kya表征傳質效果。

對H2S物料衡算：

其中傳質速率NA見式(2)。

將式(2)代入式(1)，兩邊積分

在相界面上氣液兩相互成平衡，沒有游離的H2S在液相中存在，H2S在相界面的濃度可視為0，因此與H2S平衡的氣相中摩爾分數ye=0，可得式(3)。

將脫硫率代入式(3)，得式(4)。

其中，有效比表面積a[12]如式(5)。

式中，af為干填料的比表面積；Ht為持液量；σ為液膜厚度；

持液量[13]Ht如式(6)。

根據化工物性算圖冊知道，在27℃，Na2CO3的質量分數為5%時，Na2CO3的密度為1032kg/m3，黏度為5.5mPa·s，代入式(6)，得式(7)。

持液量其中液膜厚度[14]如式(8)。

將式(7)、式(9)代入式(5)，得式(10)。

將式(10)代入式(4)中，得到氣相傳質系數的表達式(11)。 (11)

在計算得到氣相傳質系數Ky后，結合前面化學吸收計算所得有效傳質比表面積a，即可以得到氣相體積傳質系數Kya。

1.2 實驗方法

本實驗選用的旋轉填料床為錯流結構，填料為規(guī)整絲網填料和新型塑料填料，其規(guī)格參數如表1；處理對象為H2S模擬氣體，其中H2S含量在2500mg/m3左右；脫硫過程中堿源為Na2CO3，堿含量WNa2CO3濃度為6～14g/L；實驗過程中操作參數為持液量保持在0.21%～0.43%；液體流量0.3～0.9m3/h；超重力因子為33～300；氣液比為400～1600。

表1 填料的特征參數表

利用U形壓差計測量旋轉填料床的壓降；進口氣相中H2S含量采用化學碘量法測定，出口H2S濃度用德爾格Pac 7000便攜式檢測儀測定。脫硫率η的定義為=(c1? c2)/ c1× 100 %，式中c1、c2分別為脫硫前、后氣體中H2S體積分數。

1.3 實驗流程

實驗采用同一錯流旋轉床，通過更換相同規(guī)格的規(guī)整絲網填料和新型塑料填料進行試驗，測定進、出口濃度，計算其脫硫率，利用式(11)，根據實驗參數求得氣相傳質系數Ky和Kya，同時，測定兩種填料床的壓降，以此表明填料的流通量和堵塞狀況。最后，關聯得出氣相傳質系數的關聯式，得出不同填料下Ky和Kya的通用式。

實驗流程如圖1所示，來自羅茨風機的空氣和儲氣罐的H2S分別經氣體流量計計量后均勻混合進入旋轉填料床，在壓差的作用下，沿徑向向內運動。儲液槽中的Na2CO3溶液在液泵的作用下經過液體流量計后，通過轉子中心的液體分布器均勻噴到填料環(huán)內側，在離心力作用下沿徑向向外運動。在高速旋轉的填料作用下，被分散形成的液滴、液絲、液膜與被剪切的氣體進行錯流接觸并進行傳質。最后氣體從出氣口經吸收槽后排出，液體經液封后從液體出口排到儲液槽。

圖1 旋轉填料床吸收性能實驗流程1—羅茨風機；2—H2S罐；3—錯流旋轉填料床；4—U形壓差計；5—吸收槽；6—液封裝置；7—堿液槽；8—離心泵

2 實驗結果與討論

2.1 液量對脫硫率、Ky和Kya的影響

在超重力因子、氣量、堿含量等工藝條件相同的條件下，考察液量對絲網填料、新型塑料填料旋轉床脫硫率的影響，其中旋轉床超重力因子為208，氣量為310m3/h，Na2CO3溶液的質量分數為3%～5%。液量對脫硫率的影響如圖2所示，脫硫率隨液體流量增大而增大，在液量超過0.65m3/h后，脫硫率隨液體流量增大趨勢減緩，這是由于液量增加，填料的潤濕面積、液滴在填料上的更新速度變大，伴隨著轉子的轉動，液體分散成許多小液滴，使得脫硫液與H2S氣體充分接觸，增大了吸收推動力，增強了傳質效率。但液量過大時，填料上的液膜層變厚，使得氣液的停留時間變短，脫硫率達到極限，不會隨之增加。

圖2 液量對脫硫率的影響

根據脫硫率和操作參數，由式(11)求得氣相傳質系數Ky和Kya，由圖3可知，Ky和Kya隨液量的增加也呈上升趨勢，這是因為Na2CO3吸收H2S屬于氣膜控制過程，吸收阻力幾乎全部集中于氣相，提高吸收劑Na2CO3的用量，加大了H2S氣體的溶解速率，使Ky和Kya增大，平均推動力減小，但總的結果是傳質速率增加，所以Ky隨液量增加而增大。

圖3 液量對Ky和Kya的影響

通過對比新型塑料填料和金屬絲網填料對脫硫率的影響可知，在相同條件下，絲網填料比新型塑料填料的脫硫率略高。分析結果可知，由于絲網填料的通量、孔隙率都大于新型塑料填料，液體能更多地穿過填料層，在高速旋轉的填料上形成薄液膜，使得填料的潤濕面積增大，由此使得傳質效率增強。但是在實驗運行一段時間后，發(fā)現絲網填料出現腐蝕現象，吸收效果明顯下降，而新型塑料填料由于其獨特的材質，運行一段時間后并沒有發(fā)現破損現象。

2.2 超重力因子對脫硫率、Ky和Kya的影響

在液量、氣液比、堿含量等工藝條件相同的條件下，考察超重力因子對絲網填料、新型塑料填料旋轉床的脫硫率和氣相傳質系數的影響，其中液量為0.57m3/h，氣液比為560，Na2CO3水溶液的質量分數為3%～5%。

超重力因子對脫硫率的影響如圖4所示：脫硫率隨著超重力因子的增大而增大，當超重力因子大于134時，其增加趨勢不再明顯。這是由于隨著超重力因子的增加，液體在剪切力的作用下分割為小的液滴、液膜，增大了氣液的接觸面積，減小了吸收阻力，同時氣液兩相的相對運動速度也提高，加強了傳質效率，由此提高了脫硫率。但是隨著超重力因子的繼續(xù)增大，液體分割的小液滴不再變化，脫硫率的增長緩慢。Ky和Kya隨超重力因子的增加而呈現上升趨勢，超重力因子的增加，使吸收過程中液膜阻力減小，氣膜阻力增大，Ky和Kya變大。由圖4、圖5還可知，在超重力因子相同的條件下，新型塑料填料床與絲網填料床的脫硫率相差不大，都能滿足工業(yè)要求，但新型塑料填料床的Kya略高于絲網填料床。同時，實驗比較了不同氣液比下，新型塑料填料床的超重力因子對脫硫率和Ky和Kya的影響，隨著氣液比的增大，脫硫率減小，而Ky和Kya升高。

圖4 超重力因子對脫硫率的影響

圖5 超重力因子對Ky和Kya的影響

2.3 氣液比對脫硫率、Ky和Kya的影響

在液量、超重力因子、堿含量等工藝條件相同的條件下，考察氣液比對絲網填料、新型塑料填料床的脫硫率和氣相傳質系數的影響，其中液量為0.57m3/h，超重力因子為134，持液量為0.31%，Na2CO3水溶液的質量分數為3%～5%。氣液比對脫硫率、Ky和Kya的影響如圖6、圖7所示：脫硫率隨氣液比增大而減小，Ky和Kya隨氣液比的增加總體呈上升趨勢。在堿液一定的情況下，低氣液比氣體經過填料床時，氣液兩相充分接觸，H2S幾乎全部被堿液吸收，脫硫率可達97%以上，隨氣液比增加，而堿液的處理量有限，脫硫率呈現下降趨勢。氣液比的增大使氣量和氣速增加，加快了相界面更新速率，增大了相接觸面積，從而使?jié)舛炔钭兇?，進而增強了傳質推動力，使Ky和Kya增大。

圖6 氣液比對脫硫率的影響

圖7 氣液比對Ky和Kya的影響

2.4 兩種不同填料的壓降對比

在相同工藝條件下，考察了氣液比、超重力因子、液量對兩種規(guī)整填料的壓降大小，由圖8、圖9、圖10可看出，在相同操作條件下，絲網填料床的壓降遠大于新型塑料填料床的壓降，說明在絲網填料床中氣體通過填料受到的阻力比較大。運行一段時間后，發(fā)現絲網填料床有堵塞、腐蝕現象。因此，新型塑料填料具有優(yōu)越的工業(yè)應用前景。

2.5 與文獻結果對比

圖8 氣液比對壓降的影響

圖9 超重力因子對壓降的影響

圖10 液量對壓降的影響

文獻[15]采用錯流旋轉填料床脫除H2S時，所使用填料為散裝絲網填料，液量為40L/h，氣量為3.5m3/h，Na2CO3濃度為12g/L，超重力因子為57。在該條件下，所測Kya為0.6084s?1，為了與文獻中氣相傳質系數對比，在該操作條件下進行了規(guī)整絲網填料床和新型塑料填料床的實驗，其Kya分別為0.808s?1、0.8823s?1。通過對比可知，規(guī)整絲網填料床比散裝絲網填料床的Kya提高了1.32倍，新型塑料填料床比規(guī)整絲網填料床的Kya提高了1.1倍。

2.6 氣相傳質系數Ky的關聯

由文獻[10]可知，氣相傳質系數Ky除與G、L 和β有關外，還與填料結構本身、填料床結構和所選物系等有關。對于非潤濕相（即H2S氣體）用氣相雷諾數ReG來反映所選物系、填料及旋轉床結構的影響，如式(13)。

式中，de為轉子的當量直徑[de=4×流通截面積/潤濕周邊=0.12m，流通截面積為轉子平均截面積（0.011m2），潤濕周邊為轉子平均潤濕周邊長(0.376m)]；uG為轉子中的氣體流速，m/s；ρG為氣體密度kg/m3；μG為氣體黏度（Pa·s）。

對于潤濕相（Na2CO3溶液），引進液相韋伯數和伽利略數反映液體流量L、超重力場、表面張力F和反應物系等對氣液傳質過程的影響[16]，如式(14)、式(15)。

式中，uL為轉子中的液體流速，kg/(m2·s)；ρL為液體密度，kg/m3；a為填料比表面積，m2/m3；F為表面張力，N/m；g為重力加速度，m/s2；l為填料特性尺寸（即填料環(huán)厚度）；μL為液體黏度，Pa·s。

通過對實驗數據的擬合，得到絲網填料床和新型塑料填料床的氣相傳質系數Ky與ReG、WeL和Ga的關聯式，如式(16)～式(19)。

絲網填料床

新型塑料填料床

由式(16)～式(19)所得關聯式的相關系數R2分別為0.994、0.9801、0.984和0.9857，擬合度和相關性都良好。

3 結 論

以錯流旋轉填料床對Na2CO3-H2S體系進行化學吸收，考察了超重力因子、液量和氣液比對脫硫率η、Ky和Kya的影響，并考察了兩種填料床的壓降性能，通過比較絲網填料床和新型塑料填料床的傳質效果和壓降，得出如下結論。

（1）脫硫率隨著超重力因子、液量的增大而增大，隨氣液比的增大而減??；Ky和Kya隨超重力因子、液量、氣液比的增大而增大。

（2）在相同條件下，規(guī)整絲網填料床的脫硫率略高于新型塑料填料床，約為3%～4%，Ky、Kya和壓降是新型塑料填料床的0.25～0.5、0.8～0.9和0.3～0.5倍。

（3）規(guī)整絲網填料床比文獻中的散裝絲網填料床的Kya提高了1.32倍，新型塑料填料床比規(guī)整絲網填料床的Kya提高了1.1倍，有效地提高了傳質效果。

（4）在相同條件下，測定了兩種規(guī)整填料床的壓降，新型塑料床的壓降明顯小于絲網填料床，是絲網填料床壓降的0.2～0.4倍。說明新型填料床氣相阻力小，不易堵塞，具有一定的工業(yè)應用性。

符 號 說 明

a —— 填料比表面積，m2/m3

af—— 干填料比表面積，m2/m3

de—— 轉子的當量直徑，m

F—— 表面張力，N/m

G —— 氣體流量，m3/h

Ga—— 伽利略數

H —— 填料高度，m

Ht—— 持液量

Ky—— 氣相傳質系數，m/s

L—— 液體通量，m3/m2·s

l—— 填料特性尺寸，m

R—— 填料半徑，m

ReG—— 氣相雷諾數

r1—— 填料內徑，m

r2—— 填料外徑，m

uG—— 轉子中的氣體流速，m/s

uL—— 轉子中的液體流速，kg/(m2?s)

v—— 液體流量，m3/h

WeL—— 液相韋伯數

y —— 氣相主體中硫化氫濃度，mg/m3

y1—— 進口硫化氫濃度，mg/m3

y2—— 出口硫化氫濃度，mg/m3

ye—— 界面處硫化氫濃度，mg/m3

μG—— 氣體黏度，Pa?s

ω—— 角速度，rad/s

σ—— 液膜厚度，m

ρG—— 氣體密度，kg/m3

ρL—— 液體密度，kg/m3

μL—— 液體黏度，Pa?s

參 考 文 獻

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·技術信息·

浙江豐利公司“超微粉碎設備”通過浙江名牌產品復評

日前，國家高新技術企業(yè)浙江豐利粉碎設備有限公司的FLFS牌“超微粉碎設備”再次通過浙江名牌戰(zhàn)略推進委員會“浙江名牌產品”復評，有效期至2017年12月。連續(xù)五屆獲此殊榮，這在我國粉碎設備界僅此一家。

據悉，浙江名牌產品是指質量達到國際或國內同類產品先進水平、在省內同類產品中處于領先地位、市場占有率和知名度居行業(yè)前列、用戶滿意度高、具有較強市場競爭力的產品。浙江豐利公司的超微粉碎設備2002年首獲浙江名牌產品稱號，實現了我國粉體設備行業(yè)名牌零的突破。

享有“中國粉碎機專家”美譽的浙江豐利公司創(chuàng)造出多項獨有知識產權和國內領先并達到國際先進水平的技術和產品，成功推出了具有高技術含量的系列超微粉碎設備，將粉碎細度提升到微米、亞微米級乃至納米級，在粉體行業(yè)打出了響當當的“豐利”品牌；十多項高新技術產品被確認為國家重大產業(yè)技術開發(fā)專項、國家重點新產品和國家火炬項目，成為我國高端粉碎設備的代表。

2014年，工業(yè)和信息化部、科技部和環(huán)境保護部三部委聯合發(fā)布了《國家鼓勵發(fā)展的重大環(huán)保技術裝備目錄（2014年版）》的通告，浙江豐利公司開發(fā)的“廢塑料復合材料回收處理成套裝備”入選該《目錄》。最近，浙江省經濟和信息化委員會發(fā)布了《浙江省高端裝備制造業(yè)發(fā)展重點領域（2015）》的通知，浙江豐利公司研發(fā)的“廢塑料復合材料回收處理成套設備及綜合利用技術裝備”入選其中。

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綜述與專論

Comparative study of mass transfer performance of different structured packings in rotating packed bed

GUO Qiang，QI Guisheng，LIU Youzhi，DONG Meiying，SONG Bin，WANG Tan
（Research Center of Shanxi Province for High Gravity Chemical Engineering and Technology，Shanxi Province Key Laboratory of Higee-oriented Chemical Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

Abstract：Mass transfer performance of cross-current rotating packing bed with metallic wire structured packing and novel plastic structured packing respectively was investigated using Na2CO3-H2S as absorption system. The effects of liquid flow，gas-liquid ratio，and high-gravity factor on desulfurization rate and gas phase mass transfer coefficient were studied by theoretical derivation of expressions of gas-liquid mass transfer coefficients Kyand Kya. Desulfurization rate of wire packing bed was 3%—4% higher than novel plastic packing bed under the same conditions，but Ky，Kya and pressure drop were 0.25—0.5、0.8—0.9 and 0.3—0.5 times of novel plastic packing bed. Kya of novel plastic packing bed was 1.45 times higher than that of bulk wire packing bed under similar working condition. Correlation of Ky，Kya and gas phase Reynolds numbers ReG，liquid phase Weber number WeL，Galileo number Ga was obtained by regression of experiment data.

Key words：rotating packed bed; fillers; desulfurization rate; gas overall mass transfer coefficient

基金項目：國家自然科學基金（21376229）、山西省科技攻關計劃（工業(yè)）（20130321035-02）及山西省高等學?？萍紕?chuàng)新項目（2013128）。

收稿日期：2015-08-11；修改稿日期：2015-09-18。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.014

中圖分類號：TQ 202

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）03–0741–07

第一作者：郭強（1988—），男，碩士研究生。E-mail zbdxgq@163.com。

聯系人：祁貴生，教授。E-mail zbdxggs@126.com。