并流降膜式多管濕壁塔的質(zhì)量傳遞特性

彭健，楊振，張登峰

（昆明理工大學(xué)，云南昆明650500）

并流降膜式多管濕壁塔的質(zhì)量傳遞特性

彭健，楊振，張登峰

（昆明理工大學(xué)，云南昆明650500）

在內(nèi)徑為0.1 m，由38根內(nèi)徑為8 mm，外徑為10 mm，高120 mm陶瓷管組成的多管濕壁塔中，采用SO2/NaOH和CO2/H2O系統(tǒng)，研究了20℃的氣液傳質(zhì)速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液相雷諾數(shù)在ReL在55～165之間，氣相雷諾數(shù)ReG在360～2 000之間，液相舍伍德數(shù)分別與ReG的0.662次方和ReL的0.851次方成正比；氣相舍伍德數(shù)分別與ReG的1.103ReL的0.226次方成正比。

濕壁塔；質(zhì)量傳遞；傳質(zhì)系數(shù)；化學(xué)吸收

化學(xué)吸收是化工中的重要分離過(guò)程，經(jīng)常用于氣體混合物的分離。濕壁塔由于具有良好的傳質(zhì)效果和相對(duì)已知的氣液接觸面積而受到重視，已廣泛應(yīng)用于吸收、解吸、蒸發(fā)、冷卻和冷凝化等工業(yè)操作中。濕壁塔應(yīng)用于吸收操作時(shí)，液體沿管束壁面下降形成薄膜，由于液體停留時(shí)間短，適合瞬時(shí)、快速的氣液反應(yīng)[1]。大多數(shù)對(duì)濕壁塔的質(zhì)量傳遞特性研究都集中在單管[2,3]，對(duì)降膜式多管濕壁塔的質(zhì)量傳遞研究較少，本文以多根陶瓷管組成的降膜式濕壁塔為例，對(duì)其質(zhì)量傳遞性能研究。

1 理論分析

1.1 傳質(zhì)經(jīng)驗(yàn)方程

由因次分析方法并結(jié)合邊界層理論，傳質(zhì)系數(shù)可以整理為無(wú)因次表達(dá)式[4]：

式中：k、α、β、γ為由實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)，其中γ的值由文獻(xiàn)[5,6]可以確定為0.5。

1.2 傳質(zhì)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法

二氧化硫氣相傳質(zhì)系數(shù)kg,SO2可以通過(guò)吸收SO2到0.5mol/L的氫氧化鈉溶液中[7]，此時(shí)液相傳質(zhì)阻力可以忽略，由式(2)[8]可以算出氣相傳質(zhì)系數(shù)：

液相傳質(zhì)系數(shù)2,SOlk通過(guò)用水來(lái)吸收10%的CO2來(lái)測(cè)量，由于CO2在水中的溶解度較低使得氣相傳質(zhì)阻力可以忽略。用公式(3)來(lái)計(jì)算：

計(jì)算出的結(jié)果為二氧化碳的液相傳質(zhì)系數(shù)，而二氧化硫的液相傳質(zhì)系數(shù)需要經(jīng)過(guò)下式修正[10]：

DSL，DCL可由Wilke-Chang公式[11]計(jì)算：

對(duì)平均液膜的厚度δ，當(dāng)ReL＜20～40時(shí)，可以Nusselt[1]公式計(jì)算：

在擬層流區(qū)（40＜ReL＜1200），可根據(jù)Kapitsa修正方程[1]計(jì)算：

這里，液相雷諾準(zhǔn)數(shù)ReL，單位降膜管邊緣液流強(qiáng)度Γ按下式計(jì)算：

氣相雷諾準(zhǔn)數(shù)為：

2 實(shí)驗(yàn)

建立降膜式多管濕壁塔實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 濕壁塔吸收實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Absorption experiments of wetted-wall column1—風(fēng)機(jī)；2—SO2氣體鋼瓶；3—高位槽；4—轉(zhuǎn)子流量計(jì)；5—濕壁塔；6—CO2氣體鋼瓶；7—吸收液槽；8—檢測(cè)設(shè)備；9-緩沖罐

吸收塔內(nèi)采用陶瓷管狀填料，陶瓷管外徑10 mm，內(nèi)徑為8 mm，共38根。吸收塔內(nèi)徑為0.1 m，塔高為1.6 m，填料高度為1.2 m，吸收塔材質(zhì)為有機(jī)玻璃。吸收過(guò)程在常壓下進(jìn)行，氣液并流操作。

3 結(jié)果與討論

3.1 液相傳質(zhì)經(jīng)驗(yàn)方程

在溫度為(20±2)℃，用水來(lái)吸收10%的CO2，保持一定的氣相流量，改變液體的流量分別為50、75、100、125、150 L/h時(shí)，測(cè)量進(jìn)出口處CO2的濃度，由式（3）、（6）得出吸收SO2的液相傳質(zhì)系數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)的比較如圖2所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算值的平均誤差小于9.8%，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸處理，得到液相傳質(zhì)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式為：

圖2 液相傳質(zhì)系數(shù)數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)的比較Fig.2 Comparison of liquid mass transfer coefficient data compared with fitted correlation

3.2 氣相傳質(zhì)經(jīng)驗(yàn)方程

圖3 氣相傳質(zhì)系數(shù)數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)的比較Fig.3 Comparison of gas mass transfer coefficient data compared with fitted correlation

在溫度為(20±2)℃，入口SO2濃度為2 000 mg/m3，氫氧化鈉的濃度為0.5 mol/L的條件下，保持一定的液相流量，改變空塔截面氣速分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s時(shí)，測(cè)量吸收塔煙氣入口和出口的SO2濃度，由式（2）計(jì)算氣相傳質(zhì)系數(shù)。圖3為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合直線(xiàn)的比較，二者的平均誤差小于7%，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理得到氣相傳質(zhì)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式為：

4 結(jié)論

在降膜式多管濕壁塔中，采用了SO2/NaOH和CO2/H2O反應(yīng)系統(tǒng)，測(cè)定了氣相和液相的傳質(zhì)系數(shù)，得到了氣相和液相的傳質(zhì)經(jīng)驗(yàn)方程如下：

符號(hào)說(shuō)明：cSO2,in—進(jìn)口處SO2濃度，mg/m3;

cSO2,out—出口處SO2濃度，mg/m3;

cl,i—相界面液膜處CO2濃度;

cl,in—進(jìn)口處CO2濃度，mg/m3;

cl,out—出口處SO2濃度，mg/m3;

d—降膜管內(nèi)徑，m；

DSLSO2—在水中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;

DCLCO2—在水中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;

DAB(l)—無(wú)限稀釋下溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1;

G—?dú)怏w流量，m3/s;

h—降膜管高度，m;

L—液體流量，m3/s;

MB—溶劑B分子量;

n—降膜管根數(shù);

QL—吸收液流量，kg·s-1;

R—降膜管半徑，m;

VA—溶質(zhì)在常壓下沸點(diǎn)時(shí)的分子體積，m3·kmol-1;

δ—液膜厚度，m;

μG—?dú)怏w粘度，Pa·s;

uG—?dú)怏w流速，m/s;

Φ—溶劑的締合參數(shù)，其中水為2.6;

μ—溶液粘度，Pa·s;

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海默拉特投資新建汽車(chē)涂料生產(chǎn)基地

海默拉特汽車(chē)涂料(吉林)有限公司投資新建年產(chǎn)1萬(wàn)噸汽車(chē)涂料項(xiàng)目。據(jù)悉，項(xiàng)目在吉林市吉林經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，項(xiàng)目建成后生產(chǎn)規(guī)模為水性中涂漆4000噸/年、水性色漆3000噸/年、清漆3000噸/年。

記者注意到，在2015年的時(shí)候，世界知名汽車(chē)涂料企業(yè)德國(guó)海默拉特(Hemmelrath)，中國(guó)區(qū)總代理海默拉特國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司人員前往吉林市吉林經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)考察。當(dāng)時(shí)，德國(guó)海默拉特與吉林經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)就年產(chǎn)5000噸水性汽車(chē)涂料項(xiàng)目達(dá)成了意向性協(xié)議。

據(jù)悉，項(xiàng)目投產(chǎn)后預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售收入1.5億元，利潤(rùn)6000萬(wàn)元。這也是德國(guó)海默拉特在中國(guó)投資的首個(gè)汽車(chē)涂料研發(fā)中心及生產(chǎn)基地項(xiàng)目。也意味著德國(guó)海默拉特正式加入中國(guó)市場(chǎng)。

2016年8月，經(jīng)過(guò)多輪磋商談判，德國(guó)海默拉特與吉林經(jīng)開(kāi)區(qū)管委會(huì)共同簽署了年產(chǎn)1萬(wàn)噸汽車(chē)涂料項(xiàng)目的投資協(xié)議。該項(xiàng)目規(guī)劃占地面積2.6萬(wàn)平方米，采用德國(guó)海默拉特公司先進(jìn)技術(shù)，計(jì)劃總投資1.04億元。項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值1億元，利潤(rùn)3500萬(wàn)元。

德國(guó)海默拉特(Hemmelrath LACKFABRIK)，主要從事水性汽車(chē)涂料的研發(fā)、生產(chǎn)和服務(wù)，為全球汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者。為全球40多個(gè)汽車(chē)工廠和超過(guò)700萬(wàn)輛汽車(chē)提供涂裝Hemmelrath的產(chǎn)品。該公司在美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、西班牙、巴西、南非、中國(guó)7個(gè)國(guó)家設(shè)立公司，目前總產(chǎn)能25000噸，主要為寶馬、大眾、奧迪、沃爾沃、保時(shí)捷等高檔車(chē)型配套。2014年銷(xiāo)售額為20億元。

Mass Transfer Characteristics of Parallel-flow Falling Film Multitubular Tower

PENG Jian,YANG Zhen,ZHANG Deng-feng
（Kunming University of Science and Technology,Yunnan Kunmig 650500,China）

In a 0.1m inner diameter wetted wall column with 38 ceramic tubes with inner diameter of 8 mm and outer diameter of 10 mm,the gas and liquid mass transfer rate was studied by using SO2/NaOH and CO2/H2O systems at 20℃.Experimental results show that,when liquid phase Reynolds number is from 55 to 165 and gas phase Reynolds number is in the range from 360 to 2 000,liquid phase Sherwood number is proportionate to ReG's 0.662 power and ReL's 0.851 power,respectively;gas phase Sherwood number is proportionate to ReG's 1.103 power and ReL's 0.226 power.

Wetted-wall column;Mass transfer;Mass transfer coefficient;Chemical absorption

TQ 018

A

1671-0460（2017）03-0550-03

人才引進(jìn)項(xiàng)目（省級(jí)），項(xiàng)目號(hào)：：kksy201305110。

2016-11-06

彭?。?976-），男，吉林省榆樹(shù)市人，講師，博士，2012年畢業(yè)于四川大學(xué)化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)專(zhuān)業(yè)，研究方向：煙氣脫硫脫硝。E-mail：jianp2004@163.com。