湍球塔氣液相界面結(jié)構(gòu)及傳質(zhì)面積

王　征　李　季　周加貝　陳德權(quán)

四川大學(xué)　成都　610065

湍球塔氣液相界面結(jié)構(gòu)及傳質(zhì)面積

王征*李季周加貝陳德權(quán)

四川大學(xué)成都610065

摘要湍球塔因其防堵塞、強(qiáng)湍動(dòng)、傳質(zhì)面積大等特點(diǎn)，可作為煙氣氨法脫碳后用磷石膏漿料凈化尾氣微量氨的氣液傳質(zhì)設(shè)備。本文基于湍球塔液滴團(tuán)聚分散理論研究了液滴和液膜形成的氣液相界面結(jié)構(gòu)，并得到氣液傳質(zhì)面積的數(shù)學(xué)模型。在磷石膏漿料吸收氨法脫碳尾氣微量氨的湍球塔實(shí)驗(yàn)裝置中，在氣體Reg 157～475、液氣比1～6范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到的氣液傳質(zhì)面積與理論計(jì)算值吻合。結(jié)果表明，湍球塔氣液傳質(zhì)面積以團(tuán)聚分散的液滴為主，湍球表面積占比不足25%。

關(guān)鍵詞尾氣凈化湍球塔氣液兩相流相界面?zhèn)髻|(zhì)面積

氨法脫碳因其具有能耗低、腐蝕性小、可同時(shí)捕集多種污染物等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具前景的CO2減排途徑之一[1]，但從能耗或二次污染控制的角度，尾氣氨逃逸是制約氨法煙氣碳減排技術(shù)發(fā)展的瓶頸[2]。

氨法CO2直接礦化磷石膏工藝[3]，利用磷石膏(CaSO4·2H2O)溶解產(chǎn)生的硫酸根抑制NH3逸出，脫除尾氣微量NH3具有良好的熱力學(xué)效應(yīng)[4]和反應(yīng)強(qiáng)化吸收作用[5]。湍球塔因其防堵塞、強(qiáng)湍動(dòng)、傳質(zhì)面積大，可作為磷石膏礦化煙氣CO2尾氣微量氨控制的氣液固三相傳質(zhì)設(shè)備[6]。

增加傳質(zhì)面積是提高氣液傳質(zhì)速率的主要措施之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)流化床做過(guò)大量關(guān)于填料塔相際接觸面積的試驗(yàn)研究，如MewesD等[7]利用動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)定填料塔相界面積。陳毓琛[8]用填料塔吸收低濃度CO2，利用化學(xué)法測(cè)定相際面積，并用Danckwerts表面更新模型和表面膜更新修正模型分別將傳質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和比較。RobertE.Tsai[9]用擬一級(jí)快速化學(xué)反應(yīng)吸收法測(cè)定填料塔的傳質(zhì)面積，得出無(wú)因次表達(dá)式。關(guān)于湍球塔，尤其是關(guān)于E-Ⅱ-b型操作方式湍球塔氣-液界面積的研究較少，GuerriereRA[10]等在高氣速2.85～4.15m/s下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)單位床層傳質(zhì)面積隨氣速和液速的增加而增加。Gelperin[11]等用化學(xué)法測(cè)定傳質(zhì)面積，并討論靜止床層高度對(duì)傳質(zhì)面積的影響。前人研究多以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，擬合湍球塔傳質(zhì)面積經(jīng)驗(yàn)公式，適用范圍較小。

本文基于液滴團(tuán)聚分散理論對(duì)湍球塔氣液傳質(zhì)面積進(jìn)行理論分析，得到湍球塔傳質(zhì)面積的解析表達(dá)式。基于磷石膏料漿吸收氨法脫碳尾氣微量氨過(guò)程，對(duì)湍球塔傳質(zhì)面積進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究, 驗(yàn)證了模型表達(dá)。

1機(jī)理與模型

當(dāng)液氣比較小時(shí)，氣相為連續(xù)相，液相為離散相，液相以液膜和液滴的形式分布在湍球塔內(nèi)。湍球塔內(nèi)氣液兩相間的傳質(zhì)即發(fā)生于塔內(nèi)的液滴表面，及附著于小球表面的液膜表面[10]。湍球塔氣液界面分布見(jiàn)圖1。

圖1　湍球塔氣液界面分布

氣體在液相中傳質(zhì)系數(shù)的確定實(shí)際上就是確定液滴傳質(zhì)面積及液膜傳質(zhì)面積，即：

a=af+ab

(1)

式中，af為液滴傳質(zhì)比表面積，m2/m3；ab為液膜傳質(zhì)比表面積，m2/m3。

GuerriereRA[11]等提出湍球塔液滴團(tuán)聚分散理論，即湍球塔中氣液傳質(zhì)主要發(fā)生在自由液滴及小球表面覆著的液滴，認(rèn)為液體在床層中以液滴形式存在，且液滴在不停的分裂、團(tuán)聚。

af=qs

(2)

當(dāng)系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，湍球塔內(nèi)的自由液滴數(shù)守恒，即：液滴的分裂速率等于團(tuán)聚速率。

Rc=C1qHA

(3)

RD=pn

(4)

Rc=RD

(5)

(6)

聯(lián)立式(3)～(6)解得q，代入式(2)可得：

(7)

式中，A為塔橫截面積，m2；H為膨脹床層高度，m；ug為氣速，m/s；k1為常數(shù)；p為液滴每秒分裂數(shù)，s-1；n為液滴平均分裂數(shù)；q為單位床層體積上的自由液滴數(shù)，m-3；s為液滴平均表面積，m2；x為液滴平均自由運(yùn)動(dòng)路程，m。

由Matchett[12]提出：

(8)

式中，B為模型線性回歸系數(shù)，與Hst/D有關(guān)；umf為臨界流化速度，m/s。

(9)

由將(6)代入上式得：

(10)

式中，u0為無(wú)噴淋時(shí)(氣固流化系統(tǒng))的最小流化速度，m/s；當(dāng)Hs/D=0.65-0.75時(shí)[13]，B=3000A；ε為床層空隙率。

忽略液膜的厚度，液膜傳質(zhì)面積就是單位體積床層湍球表面積。單位體積床層內(nèi)小球數(shù)：

(11)

則液膜傳質(zhì)面積：

(12)

可得湍球塔內(nèi)總傳質(zhì)面積 ：

(13)

理論求解湍球塔傳質(zhì)面積所需的參數(shù)歸納如下：

動(dòng)態(tài)床層高度[14]：

H/Hst=1.942×103

(14)

臨界流化速度[14]：

umf/u0=0.1565

(15)

液體雷諾數(shù)：

Rel=ρldul/μl

(16)

氣體雷諾數(shù)：

Reg=ρgdug/μg

(17)

韋伯準(zhǔn)數(shù)：

(18)

阿基米德準(zhǔn)數(shù)：

(19)

總體積傳質(zhì)系[15]：

(20)

氣體傳質(zhì)系數(shù)[16]：

KgRTd/DNH3=53.2

(21)

2實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置流程

CO2、NH3經(jīng)減壓閥、流量計(jì)后，并入空氣管路，充分混合后由塔底進(jìn)湍球塔。磷石膏漿料經(jīng)泵加壓后由塔頂噴頭噴入，逆流洗滌含氨尾氣。聚丙烯空心填料球(d=6mm,ρp=690kg/m3)在塔內(nèi)劇烈湍動(dòng)。尾氣微量NH3在CO2以及磷石膏顆粒作用下在塔內(nèi)反應(yīng)吸收。進(jìn)出口氨氣濃度，由紅外氣體分析儀(POT400)精確測(cè)得；塔底設(shè)有液體取樣口，可檢測(cè)其液相中離子組成與含量。

通過(guò)改變氨進(jìn)口濃度、氣體流量、料漿流量等條件，得到各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由式(19)、(20)計(jì)算得到不同操作條件下的總體積傳質(zhì)系數(shù)Kga，Kg。聯(lián)立方程(19)、(20)即得到傳質(zhì)面積實(shí)驗(yàn)值。

實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)試劑：磷石膏(CaSO4·2H2O，99%(wt)，平均粒徑23μm)。

主要儀器：POT-400型NH3分析儀(量程0～100，0～7000ppm)；POT-400型CO2分析儀(量程0～5000，0～50000ppm)；玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)(LZB-6WB：1.5～15L/min,0.3～3L/min；LZB-40: 4～40m3/h)。

實(shí)驗(yàn)中湍球塔入口氣體溫度為25℃，操作壓力為101. 3kPa，湍球塔參數(shù)及實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1　湍球塔參數(shù)及實(shí)驗(yàn)條件

為了測(cè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的精度，每組實(shí)驗(yàn)通過(guò)3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作，測(cè)得氨濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差為3%，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有很好的重復(fù)性。

3結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中保持氣速為0.68m/s，液體流量為10～80L/min(ReG為305，ReL為2.1～16.8)，氨進(jìn)口濃度為3500ppm。在液氣比為1～6，填料高度為0.07m時(shí)，湍球塔內(nèi)總傳質(zhì)面積a，液滴傳質(zhì)面積af，湍球表面積ab隨液氣比的變化見(jiàn)圖3。

由圖3得，傳質(zhì)面積的理論值比實(shí)驗(yàn)值偏大。其原因在于理論計(jì)算假設(shè)湍球塔整個(gè)床層液相達(dá)到充分分散的狀態(tài)，塔內(nèi)小球均參與氣液傳質(zhì)。但湍球塔內(nèi)各處液體流速不相等，在塔底由于液體流速較慢，會(huì)有積液區(qū)存在，局部有效傳質(zhì)面積減小。

圖3　液氣比對(duì)傳質(zhì)面積的影響

當(dāng)Reg為305，Rel由2.1增加到10.1前，即L/V小于3時(shí)，隨著液速增加液滴傳質(zhì)面積af呈增大趨勢(shì)。因?yàn)殡S著L/V增大，湍球塔中氣-液界面因劇烈湍動(dòng)而迅速更新，即液膜液滴團(tuán)聚/分散速度RD/RC加快，氣-液相間的接觸增加。而當(dāng)ReL由10.1增加到16.8，即L/V大于3時(shí)，隨著液速增加液滴傳質(zhì)面積af增加。因?yàn)橐核偕仙黾恿颂盍闲∏虮砻娴臐?rùn)濕面積，導(dǎo)致床層膨脹呈活塞流，塔室自由液滴傳質(zhì)減少。Rel為2.1-16.8時(shí)，液速增加，湍球表面積由54m2/m3增加到121m2/m3，因?yàn)閯?dòng)態(tài)床層高度隨著液速增加而緩慢增加。結(jié)果表明，湍球塔氣液傳質(zhì)面積以團(tuán)聚分散的液滴為主,即總傳質(zhì)面積a的大小主要由液滴傳質(zhì)面積af決定, 湍球表面積占比不足25%。

4結(jié)語(yǔ)

(1)傳質(zhì)面積的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合程度很高，其計(jì)算公式適用范圍較廣，可為湍球塔的工業(yè)應(yīng)用提供參考。

(2)當(dāng)氣體Reg為305，液氣比1～6時(shí)，傳質(zhì)面積隨著液氣比的增大先增大后減?。煌那蛩庖簜髻|(zhì)面積以團(tuán)聚分散的液滴為主，湍球表面積占比不足25%。

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(收稿日期2016-03-08)

*王征：化學(xué)工程在讀碩士。研究方向：傳質(zhì)與分離。E-mail：zhengwangchn@163.com。

**基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2013BAC12B01)。