底部擋板與進氣位置對水力噴射空氣旋流器傳質性能的影響

徐飛，羅丹，全學軍，邱發成，代明星

（重慶理工大學化學化工學院，重慶 400054）

液相射流在氣流中的破碎霧化在工程上常用于減小液滴的霧化粒徑，被廣泛應用于航空發動機、液體火箭發動機、柴油發動機等各種機械系統 中[1-3]。利用射流霧化現象減小液滴尺寸、提高氣液兩相接觸面積在化工領域也是強化傳質過程的一種途徑。水力噴射空氣旋流器（water-sparged aerocyclone，WSA）即是利用液相射流在三維氣相旋流場中的霧化現象，形成液體射流與氣體旋流耦合場，同時又利用旋流場的靜態超重力作用，實現強化氣液傳質和反應的過程。該類設備具有傳質性能高、結構集成度高等特點，并已在廢水脫氨、濕法煙氣脫硫、含Cr(Ⅵ)廢水處理等氣液傳質與反應方面取得了良好的效果[4-8]。

目前開發的WSA 以傳統圓柱旋風分離器的結構為基礎，其進氣口位于旋流封頭上，位置離液相射流與氣體旋流耦合區域存在一定的軸向距離，并且WSA 工作時，主筒體底部會設置一定高度的液封來保證內部氣流主要走向。為了對此兩段區域的結構進行優化，本文通過廢水脫氨傳質實驗，考察了進氣口位置軸向下移以及主筒體底部擋板設置對WSA 氣液傳質性能的作用。

1 實驗部分

1.1 水力噴射空氣旋流器與實驗裝置

實驗用WSA 以傳統圓柱旋風分離器為基礎，所有結構采用透明有機玻璃制作，其主要設計尺寸如下：主筒體內徑D 設計為70mm，總長H≈4.28D，為300mm；中心排氣管內徑d1≈0.45D，為32mm，壁厚為 4mm，中心排氣管插入主筒體深度h=0.7H[9]，為210mm；主筒體側壁上開有射流噴孔，噴孔直徑d2設計為2mm，噴孔采用正方形排列方式，孔間距取為15.6mm，其開孔區域占排氣管插入深度的78%[10]。這樣，主要結構參數為：噴孔共10 層，噴孔起始線距離主筒體頂部30mm，噴孔區域長度L 為140.4mm，每層沿筒體外壁均勻排布16個，總數為160 個；氣相進口采用矩形直線切向進氣方式，寬a=0.225D，為15.75mm，高b=0.45D，為31.5mm[11]；底流口內徑d3為32mm。

為了對比研究進氣口位置對WSA 內部氣液傳質性能的影響，實驗采用了兩套WSA 設備，結構如圖1 所示。圖1(a)中的WSA 矩形進氣口上緣與第一排射流噴孔齊平，因進氣口占據射流噴孔區域，噴孔總數為154 個；圖1(b)中WSA 進氣口設置于旋流封頭上，兩套裝置旋流封頭、底流口與主筒體均采用螺栓法蘭連接。對于底部擋板的研究，實驗采用了圖1(a)中的WSA，并將擋板設置于底流口法蘭盤上，擋板的設計采用攪拌槽中常用的標準擋板排列方式[12]，即寬度為D/10 擋板4 塊，垂直于底部與內壁均勻排布，為保證擋板不因旋流流體沖擊 而產生形變，擋板厚度設為3mm，如圖2 所示。

圖1 兩種不同進氣位置WSA 結構示意圖

圖2 擋板設置及安裝示意圖

實驗裝置由WSA、液體儲槽、篩板式氣液分離器、循環水泵、氣泵、氣體流量計、液體流量計、U 形壓差計、閥門等組成，聯接方式如圖3 所示，液體儲槽和氣液分離器均由透明的有機玻璃制作 而成。

1.2 脫氨過程體積傳質系數的計算

在吹脫過程中，當pH≥11 時，游離氨含量將達到99%以上，氨的電離平衡受溫度的影響變得很小，可認為消除了電離平衡的影響，使得氨水吹脫過程主要受氣液傳質過程影響[13-14]。

在pH≥11 的情況下，脫氨過程中的體積傳質系數可用式（1）進行計算[4，15]。

式中，c0(NH3-N)和ct(NH3-N)分別為水中初始和t 時刻的氨氮濃度，mg/L； KLa 為氨的體積傳質系數，min-1；t 為吹脫時間，min。

在實驗中，通過測定初始氨氮濃度與t 時刻氨氮濃度，并運用式（1）進行數據擬合即可得出吹脫氨過程中的體積傳質系數KLa。

季、年平均氣溫（10 m高度）：年均9.58℃，春季10.73℃，夏季25.48℃，秋季9.95℃，冬季-8.19℃。

圖3 WSA 結構與實驗裝置流程圖示意圖

1.3 實驗方法

實驗采用空氣吹脫氨水的方式考察傳質性能。原料為5.8L 初始氨氮濃度約為3500mg/L 的氨水溶液，并通過計算吹脫過程中OH-的理論消耗量和吹脫實驗來確定整個吹脫過程為保持pH≥11 所加入的NaOH 溶液的量。進行實驗時，首先將配制好的氨水溶液倒入液體儲槽中，開啟循環水泵，調節液體流速至預定值，使其穩定運行5min，并從液體儲槽的取樣口取初始樣，然后打開風機調至預設的氣速開始計時，進行廢水吹脫氨的實驗，并立即調節WSA 底部閥門，使WSA 底部形成高度約為40mm的液封，使得氣體主要從中心排氣管排出。實驗采用間歇操作方式，分別采用不同結構的WSA 進行實驗，單次實驗進行60min，前30min 每隔5min取樣一次，后30min 每隔10min 取樣一次。廢水樣品采用納氏試劑分光光度法在420nm 處進行氨氮濃度測定。實驗設定初始水溫為20℃，液體循環流量設定為1.5m3/h、2.0m3/h 和2.5m3/h，并在不同的進氣速度下開展吹脫實驗。實驗環境溫度通過使用裝置附近的空調系統保持為20℃左右。相同條件的實驗重復一次，所得結果取平均值。

2 實驗結果與討論

2.1 進氣口位置對WSA 脫氨傳質過程的影響

實驗測得不同液相循環流量下兩種進氣口位置對WSA 內傳質系數的影響，結果如圖4 所示，內部氣相壓降結果如圖5 所示。由圖4 可知，在相同液相循環流量與進氣速度下，進氣口位置對于WSA傳質性能幾乎無影響。這說明，實驗設計的兩種進氣口位置對WSA 內部的射流-旋流耦合作用影響不大。但由圖5 可知，進氣口位置對WSA 內氣相壓降有著明顯影響，進氣口軸向下移的WSA 氣相壓降均低于傳統進氣口位置的WSA，其數值相差10%以上。

圖4 不同液相循環流量下進氣口位置對WSA 內氣液傳質系數的影響

圖5 不同液相循環流量下進氣口位置對WSA 內氣相壓降的影響

WSA 內部氣相壓降主要來自于旋流場與器壁之間的摩擦損失和內部氣相旋流場與液相射流場之間的耦合作用[16]，進氣口位置的軸向移動對WSA內部液相射流場與氣相旋流場耦合作用并無影響，即氣相壓降的降低主要是因為縮短了氣相旋流沿WSA 軸向運動的距離，降低了氣相旋流場與器壁的摩擦損失。

由于WSA 內部氣液射旋流耦合作用會使液相從射流表面上剝落，并卷入氣相旋流中，且部分液相由于未能越過WSA 內軸向零速包絡面，會隨著氣體運動從中心排氣管帶出[17]。因此WSA 的液相回流比（RL=Q1/Q，Q1為從中心排氣管經氣液分離器回流入儲液槽中的液相流量，Q 為進入WSA 的液相流量）也能間接反應WSA 內氣液兩相耦合作用的狀態。兩種進氣口結構的WSA 內回流比測得的結果如圖6 所示?？梢钥闯觯M氣口位置的改變對回流比的影響較小，都表現出了相同的規律：在較高液體循環流量下，液相回流量隨著進氣速度的提升而變大；在低循環流量下，隨著氣速的升高，兩種結構下的液相回流比都有明顯下降的趨勢，這是由于低液相循環流量下形成了貼壁霧化現象，液相通過射流噴孔進入WSA 中時，在強烈的氣相旋流場作用下，大部分液相被壓在了主筒體內壁上，最終從底流口流出，只有少部分液相被卷進氣相從中心排氣管中排出，此時的液相射流流型呈現貼壁 霧化旋線射流，氣液兩相間有效傳質比表面積 減小[18]。

2.2 底部擋板對WSA 脫氨傳質過程的影響

實驗測得不同液相循環流量下底部擋板對WSA 內傳質系數和氣相壓降的影響，結果如圖7和圖8 所示。由圖7 與圖8 可以看出，在較高液相流量下（2.0m3/h 和2.5m3/h），擋板的加入對WSA的體積傳質系數和氣相壓降沒有明顯的影響；但在較低液相流量下（如1.5m3/h），隨著氣速的增加，底部擋板對體積傳質系數有著明顯的提升作用，在實驗范圍內其數值最大提高了13%，氣相壓降在各個氣速下也均有一定的提升，其數值提高了6%～10%。這可能是由于擋板的加入增強了WSA 內氣液兩相的相互作用的結果。

實驗所測回流比結果如圖8 所示。由圖8 可知，在較高液相循環流量條件下，底部擋板對回流比影響較??；但在低液相循環流量下，擋板的加入使得回流比在各個氣速下均有提升，說明擋板的加入改變了WSA 內氣液兩相作用狀態，并使軸向速度向上的氣相旋流中被卷入了更多液相。這主要是由于在較低液相循環流量下，大量的貼壁霧化使得液封處的液體大部分貼著主筒體內壁運動，液封液面在軸心處向下凹陷，形成氣相空腔，擋板的加入則限制了液封旋流處的切向速度，增加了軸向速度與徑向速度分量，即原有的旋轉運動轉變為垂直翻滾運動[19]，這不僅使液封表面氣液兩相接觸面積更新速度加快，也使漩渦中心凹陷處部分氣相被卷入液相內部，產生大量氣泡，使得氣液兩相重新混合，提高了相間傳質比表面積，從而提高了傳質性能，并且液體劇烈的翻滾運動與氣泡的產生，使得液封表面失穩程度加劇，液體更容易被上升旋流場剝離、抽出，導致液相回流比升高；在較高液相循環流量下，由于射流動能較大，有部分液相射流能夠到達中心排氣管表面并向下運動，最后匯合于液封表面。這種高液相射流和高進口氣速作用下的傳質主要發生在WSA 的射流-旋流耦合部分，因此，底部擋板對兩相傳質和液相回流比的影響不太顯著。

圖6 兩種進氣結構WSA 的液相回流比

圖7 不同液相循環流量下底部擋板對WSA 內氣液傳質系數的影響

圖8 不同液相循環流量下底部擋板對WSA 內氣相壓降的影響

圖9 兩種底部結構WSA 的液相回流比

3 結 論

本文通過吹脫氨傳質實驗，研究了進氣口位置與底部擋板對水力噴射空氣旋流器（WSA）傳質過程的影響。結果表明，氣相進口沿軸向下移不能提高WSA 內氣液傳質性能，但能夠有效降低其內部的氣相壓降，其數值約為10%。在WSA 主筒體底部液封區域設置擋板，可以提高在低液相流量下WSA 內的氣液傳質效果，且隨進氣速的增加效果越顯著，在實驗范圍內其數值最大提高約為13%。

符 號 說 明

a——WSA 矩形進氣口寬度，mm

c0(NH3-N) ——水中初始氨氮濃度，mg/L

ct(NH3-N) ——水中t 時刻氨氮濃度，mg/L

D——WSA 主筒體內徑，mm

d1——中心排氣管內徑，mm

d2——液相射流噴孔直徑，mm

d3——WSA 底流口直徑，mm

H——WSA 主筒體高度，mm

h——中心排氣管插入深度，mm

KLa——氨的體積傳質系數，min-1

L——噴孔區域長度，mm

t——廢水吹脫時間，min

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