新型折流式超重力旋轉床傳質性能的研究

郭成峰，王廣全，高 升，姚 文，周振江，計建炳

（浙江工業大學 化學工程與材料學院，浙江 杭州 310014）

超重力場技術是20世紀80年代發展起來的一種新型氣液傳質強化技術［1-2］。經過三十多年的研究發展，超重力技術已經取得了長足進展，其應用范圍已經涵蓋了精餾［3］、吸收［4］、脫吸［5］、納米材料制備［6］、除塵［7］和污水處理［8］等多個方面，取得了良好的社會效益和經濟效益。折流式超重力旋轉床［9-10］由于傳質效率較高，無需液體分布器，可實現中間進料等諸多優點在工業上也取得了廣泛的應用；但該設備還存在壓降偏大、通量偏小和液相存在返混等缺點。

本工作提出一種新結構的新型折流式超重力旋轉床，采用乙醇-水物系對新型折流式超重力旋轉床的壓降、傳質性能和功耗等進行了研究。

1 實驗部分

1.1 裝置與原理

新型折流式超重力旋轉床的結構見圖1。轉子為動靜組合式結構，靜部件為一個開有10個同心凹槽的圓盤，動部件由一個圓盤及固定在圓盤上的10個同心圈組成。轉子內徑為100 mm，外徑242 mm，高80 mm，共有10個同心圈組成。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。每個同心圈上都包含3個區域：無孔區、液孔區、氣孔區。液孔區和氣孔區的孔徑分別為0.8，2.0 mm；開孔率分別為7.96%，49.76%；孔間距均為2.7 mm，開孔均為三角形排列，且相鄰兩個同心圈上下顛倒布置（見圖2）。

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

圖2 同心圈結構Fig.2 Structure and dimension of a concentric circular baffle.

實驗時，來自分布器的液體從轉子中心沿徑向依次通過同心圈上的液孔最終離開轉子，而氣體從轉子外緣經由同心圈上的氣孔曲折地流向轉子中心。轉子內氣液流動路徑如圖3所示。

在新型折流式超重力旋轉床內，氣體從轉子外緣進入，沿著由同心圈上的氣孔以及同心圈之間的環隙所形成的S形路徑流動直至到達轉子中心，氣體在同心圈之間以螺旋上升和螺旋下降的方式運動。液體被旋轉的分布器甩出后，大部分沿著徑向依次穿過同心圈上的液孔，與同心圈之間流動的氣體進行錯流接觸。此外，液體中的小部分會沿著同心圈底部的無孔區流到動盤上。在離心力場中，動盤上的液體會沿同心圈上爬，直至到達液孔時再次被甩出。在此過程中，液體與氣體進行逆流接觸。

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

1.2 流程及測量儀器

使用乙醇-水物系進行常壓、全回流精餾實驗，實驗流程見圖4。在再沸器中將液體汽化為蒸氣，蒸氣通過氣體進口管進入旋轉床，依次由外圈向內圈通過高速旋轉的轉子，最終從轉子中心進入冷凝器并被全部冷凝。冷凝液經計量后由液體分布器均勻地甩向最內側的同心圈，液體在轉子內與氣體接觸傳質后離開轉子，經旋轉床的外殼收集后從液體出口流出，再經過泵送入再沸器。

圖4 新型折流式超重力旋轉床的實驗流程Fig.4 Experimental flow path of nRZB.

實驗過程中首先將轉子轉速固定，通過控制再沸器的溫度來改變回流量。當在某一回流量的條件下系統穩定30 min時，在旋轉床頂部和底部取樣口同時取樣。然后改變轉子轉速，重復上述實驗。回流量為0～120 L/h，轉子轉速400～1 200 r/min。

回流量由轉子流量計測量，轉子轉速由手持式轉速測量儀測量，釜液加熱系統由電導熱控制柜控制導熱油的溫度。壓差（1151DR1F型壓降傳感器）、氣液出口溫度（WZPB-1型鉑電阻溫度計，精度為0.1 ℃）由組態王數據采集系統自動采集，軸功率由秒表及轉盤式電功表測量，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行分析，并用逐板法計算塔板數。

為了將新型折流式超重力旋轉床與折流式超重力旋轉床在壓降、傳質效率和軸功率上進行對比，采用相同大小的折流式超重力旋轉床在相同的實驗條件下進行傳質性能研究。

2 結果與討論

2.1 壓降與傳質性能

在超重力精餾實驗中，影響傳質效果的主要有氣相動能因子（F因子）、轉子轉速等因素。由于最內圈半徑最小，氣相流通面積最小，阻力最大，所以基于最內圈氣體流通面積的F因子由式（1）計算。

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

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

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

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

圖6 F因子對每米理論板數的影響（無液體分布器）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因子一定時，每米理論板數隨轉子轉速的增大而增大。其原因是轉子轉速增大后，離心力場增強，轉子對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，同時不斷更新相界面，從而大幅提高了傳質效率［14］。

2.2 液體分布器對傳質性能的影響

超重力旋轉床中，初始液體分布不均會大幅降低轉子的傳質效率，因此，考察了液體分布器對傳質性能的影響。液體分布器為雙層盤管式分布器，每層盤管外側均開有18個φ0.5 mm的小孔。分布器固定在轉子動盤中心，并隨轉子一起轉動。

圖7和圖8分別為有無液體分布器時，F因子對每米理論板數和Δp的影響。由圖7可看出，有液體分布器時，每米理論板數最大值出現在F因子較小時，且隨F因子的增大而明顯降低；無分布器時，每米理論板數最大值出現在F因子較大時，且隨F因子的增大而稍有降低。說明無液體分布器時，操作彈性和傳質效果更好，顯示出新型折流式超重力旋轉床有很好的液體自分布能力。

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

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

由圖8可知，與有液體分布器時相比，無液體分布器時的Δp高20%～30%。此結論與其他類型旋轉床的結論相反［15］，這與新型折流式超重力旋轉床的特殊結構有關。

在新型折流式超重力旋轉床傳質過程中，液體進入轉子后，在轉子底部堆積，并隨著轉子高速旋轉而上升，沿同心圈內壁無孔區“爬”升至液孔后均勻分散至下一個同心圈。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層分布。液相自同心圈甩出所占的液孔排數與液量大小和轉子轉速有關。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。有液體分布器時，自回流管進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。由于分布器上的開孔數目有限且分布器和轉子一起旋轉，所以在轉子高速旋轉時，部分液孔并無液體通過，且這部分液孔的位置與分布器開孔的位置有關，此時，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床操作時的壓降，但對強化傳質無益。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床的對比

F因子對兩種折流式超重力旋轉床Δp的影響見圖9。由圖9可看出，新型折流式超重力旋轉床的Δp幾乎隨F因子的增大呈線性增大；在F因子較大時，新型折流式超重力旋轉床的Δp比折流式超重力旋轉床的Δp降低約70%。由于新型折流式超重力旋轉床減少了氣液折流次數，使氣相在通過轉子時的阻力大幅降低，由此可以得出，新型折流式超重力旋轉床具有Δp低的特點。這為新型折流式超重力旋轉床增大操作通量創造了有利條件，有望應用于更多的工業場合。

圖9 F因子對兩種折流式超重力旋轉床Δp的影響（無液體分布器）Fig.9 Effects of F-factor on the Δps of nRZB and higee rotating zigzag bed(RZB)(without liquid distributor).

F因子對兩種折流式超重力旋轉床每米理論板數的影響見圖10。由圖10可見，折流式超重力旋轉床的每米理論板數為45～60，新型折流式超重力旋轉床的每米理論板數為25～35，與折流式超重力旋轉床相比， 新型折流式超重力旋轉床的每米理論板數降低約40%。由于新型折流式超重力旋轉床采用氣液錯流傳質方式，相對于折流式超重力旋轉床縮短了液相的停留時間，使氣液接觸的時間變短，故氣液傳質效率較折流式超重力旋轉床有所降低。

圖10 F因子對兩種折流式超重力旋轉床每米理論板數的影響（無液體分布器）Fig.10 Effects of F-factor on the NT/(ro-ri)s of nRZB and RZB(without liquid distributor).

F因子對兩種折流式超重力旋轉床軸功率的影響見圖11。由圖11可見，在相同轉速和F因子的條件下，新型折流式超重力旋轉床的軸功率要比折流式超重力旋轉床的低10%～30%。由于新型折流式超重力旋轉床同心圈的特殊結構設計，使大部分液體不經減速而直接沿徑向被甩出，所以能顯著降低液相動能損失，進而降低轉子旋轉時的功率，這對節能具有重要意義。

圖11 F因子對兩種折流式超重力旋轉床軸功率的影響（無液體分布器）Fig.11 Effects of F-factor on the shaft powers of nRZB and RZB(without liquid distributor).

3 結論

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

2）與有液體分布器時相比，無液體分布器時新型折流式超重力旋轉床的傳質效果更好；無液體分布器時的Δp比有液體分布器時高20%～30%。

3）新型折流式超重力旋轉床在操作通量、壓降和軸功率等性能上均明顯優于折流式超重力旋轉床，但傳質效率還需通過結構優化而提高。

符 號 說 明

F 氣相動能因子，kg0.5/（m0.5·s）

hg氣孔區軸向高度，m

NT理論塔板數

NT/（ro-ri） 每米理論板數，塊/m

Δp 壓降，Pa

QG氣體體積流量，m3/h

ri轉子內緣半徑，m

ro轉子外緣半徑，m

ρG氣體密度，m3/kg

φ 開孔率

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