吳杰，吳菲，石紅，魯珍，路平

（工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（江漢大學(xué)），江漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

基于超重力旋轉(zhuǎn)床高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子能使液體在離心力的作用下受填料的巨大剪切力，為氣液傳質(zhì)提供大的和快速更新的傳質(zhì)界面，從而減小設(shè)備尺寸等優(yōu)點(diǎn)，超重力旋轉(zhuǎn)床廣泛應(yīng)用于材料的制備［1］、化工反應(yīng)［2］、尾氣治理［3］、注水脫氧［4］、以及除塵［5］等化工、電力領(lǐng)域。 同時(shí)，在超重力旋轉(zhuǎn)床過程強(qiáng)化理論［6］、填料有效比表面積［7］、填料床液體流動［8］、填料內(nèi)支撐［9］等方面諸見研究文獻(xiàn)，探討對傳質(zhì)效果的影響。由于轉(zhuǎn)子填料是超重力旋轉(zhuǎn)床的核心，是決定氣液傳質(zhì)效果的核心部件。本文以水吸收丙酮為體系，探討單位體積厚薄轉(zhuǎn)子填料對傳質(zhì)效果的影響，結(jié)果表明：在填料體積相同的情況下，轉(zhuǎn)子填料做成半徑大、厚度小的形狀，其體積傳質(zhì)系數(shù)大于半徑小、厚度大形狀轉(zhuǎn)子填料的體積傳質(zhì)系數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)流程及轉(zhuǎn)子填料參數(shù)

圖1為實(shí)驗(yàn)流程圖?？諝饨?jīng)壓縮機(jī)，由閥門調(diào)節(jié)流量后進(jìn)入恒溫的丙酮儲罐，攜帶丙酮的氣體進(jìn)入超重力旋轉(zhuǎn)床。水經(jīng)離心泵由閥門調(diào)節(jié)流量后壓入超重力旋轉(zhuǎn)床液體分布器，噴向轉(zhuǎn)子填料，氣體、液體在填料內(nèi)逆流接觸，進(jìn)行傳質(zhì)吸收過程。吸收后的氣體、液體分別從超重力旋轉(zhuǎn)床上、下出口管排出系統(tǒng)。分別對進(jìn)、出超重力旋轉(zhuǎn)床的氣體采樣，用氣相色譜儀（GC102M）分析氣相中丙酮含量。實(shí)驗(yàn)超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子填料參數(shù)見表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Flow diagram of experiment

表1 轉(zhuǎn)子參數(shù)Tab.1 Parameters of rotating packing

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

氣液逆流沿半徑方向穿過超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子填料，在半徑方向建立微元吸收傳質(zhì)模型，經(jīng)積分整理后得氣相總體積傳質(zhì)吸收系數(shù)(Kyα)計(jì)算式［10］。根據(jù)進(jìn)出超重力旋轉(zhuǎn)床氣體中丙酮含量及氣液量等由下式計(jì)算Kyα。其公式為

式中，V 為空氣量，m3/h；L為水量，L/h；ρ空為空氣密度（20℃），g/m3；ρ水為水密度（20℃），kg/m3；M空為空氣摩爾質(zhì)量，g/mol；M空為空氣摩爾質(zhì)量，g/mol；y為氣相中丙酮的摩爾分?jǐn)?shù)；Kyα為氣相總體積傳質(zhì)吸收系數(shù)，kmol/(m3·s)；h為填料層高度，m；r為填料半徑，m；m為相平衡常數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 轉(zhuǎn)速對傳質(zhì)系數(shù)的影響

在液量VL和氣量Vg分別為100 L/h和2 m3/h的條件下，改變厚轉(zhuǎn)子超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速，測定進(jìn)出超重力旋轉(zhuǎn)床氣體中丙酮含量并計(jì)算 Kyα。超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速對Kyα的影響曲線如圖2所示。圖2顯示，Kyα隨轉(zhuǎn)速的增大先迅速升高，后趨于平緩。其主要原因：一方面轉(zhuǎn)速提高加快填料對液體的分隔，導(dǎo)致比表面積增大，表面更新加劇，使傳質(zhì)效果提高；另一方面轉(zhuǎn)速提高，液體受離心力作用加大，停留時(shí)間變短，使氣液接觸時(shí)間隨之變短，導(dǎo)致傳質(zhì)效果降低。低速時(shí)液體被分割，表面更新和比表面積增大占主導(dǎo)地位；高速時(shí)，由于液體已經(jīng)被分割成細(xì)小液滴和絲膜，比表面積增幅不大，使得停留時(shí)間變短占主導(dǎo)地位，故高速時(shí)Kyα增大緩慢。下面以630 r/min轉(zhuǎn)速考察轉(zhuǎn)子填料形狀對傳質(zhì)系數(shù)的影響。

圖2 轉(zhuǎn)速對傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.2 Influence of rotary speed on mass transfer coefficient

2.2 轉(zhuǎn)子填料的形狀對傳質(zhì)系數(shù)的影響

在恒定液量為100 L/h或氣量為2 m3/h，進(jìn)氣溫度為20℃下，考察了厚薄兩種轉(zhuǎn)子填料，氣量或液量變化對傳質(zhì)系數(shù)的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3（a）可見，厚薄轉(zhuǎn)子填料在氣量恒定情況下，Kyα隨液量的增加先增大而后趨于平緩，且薄轉(zhuǎn)子的 Kyα大于厚轉(zhuǎn)子的 Kyα。 Kyα隨液量的增大，在高速旋轉(zhuǎn)離心力作用下，液體被分割成更多的液滴、液絲和液膜，增大了傳質(zhì)面積，提高了傳質(zhì)效果。當(dāng)液量達(dá)到一定程度，液體被分割成液滴、液絲和液膜的量增加不大，主要使液滴變大、液絲和液膜變厚，同時(shí)，液速加大，停留時(shí)間變短，導(dǎo)致Kyα趨于平緩。薄轉(zhuǎn)子Kyα比厚轉(zhuǎn)子大，原因在相同半徑處，薄轉(zhuǎn)子的液體流通截面比厚轉(zhuǎn)子的小，在相同液量的情況下，液體通過薄轉(zhuǎn)子的流速大于厚轉(zhuǎn)子的流速，薄轉(zhuǎn)子的雷諾數(shù)大于厚轉(zhuǎn)子的雷諾數(shù)，使得薄轉(zhuǎn)子體積傳質(zhì)膜系數(shù)大于厚轉(zhuǎn)子體積傳質(zhì)膜系數(shù)，薄轉(zhuǎn)子的 Kyα大于厚轉(zhuǎn)子的 Kyα。由圖3（b）可見，在液量恒定情況下，厚薄轉(zhuǎn)子的Kyα隨氣量增加而增大。這是由于丙酮易溶于水，氣液傳質(zhì)為氣膜控制，Kyα近似等于氣相傳質(zhì)膜系數(shù)，隨氣量的增加而增大。同理，薄轉(zhuǎn)子的氣液流通截面比厚轉(zhuǎn)子的小，所以，薄轉(zhuǎn)子的 Kyα大于厚轉(zhuǎn)子的Kyα。

圖3 厚薄轉(zhuǎn)子填料對Kyα的影響Fig.3 Influence of thickness of packing on Kyα

2.3 厚薄轉(zhuǎn)子填料的傳質(zhì)系數(shù)對比分析

由于厚薄轉(zhuǎn)子填料的幾何尺寸差異，不能單純在相同氣液量下以Kyα的大小判斷傳質(zhì)效果的優(yōu)劣。在正常操作范圍內(nèi)，考慮設(shè)計(jì)成本，以單位體積填料為基準(zhǔn)，考察氣量或液量對Kyα的影響。表2給出了以單位體積填料為基準(zhǔn)兩種轉(zhuǎn)子填料在恒定氣液量下的傳質(zhì)系數(shù)及比值。從表2厚薄轉(zhuǎn)子的Kyα比值可見，單位體積填料薄轉(zhuǎn)子的Kyα值總比厚轉(zhuǎn)子的Kyα值大。說明在填料體積一定的情況下，半徑大、厚度小的轉(zhuǎn)子填料，其傳質(zhì)系數(shù)大于半徑小、厚度大的轉(zhuǎn)子填料。

表2 厚薄轉(zhuǎn)子填料傳質(zhì)系數(shù)對比Tab.2 Comparison of mass transfer coefficient under different thickness of packing

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，恒定填料體積，在正常操作范圍內(nèi)，為提高Kyα的值，應(yīng)將超重力旋轉(zhuǎn)床的轉(zhuǎn)子填料盡量做成扁平狀，即半徑大、厚度薄的形狀，其傳質(zhì)系數(shù)高，傳質(zhì)效果好。

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