氣體噴射-氣液旋流式冷氫箱的傳質(zhì)特性

于坤，石巖，王振元，黃子賓，程振民

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氣體噴射-氣液旋流式冷氫箱的傳質(zhì)特性

于坤，石巖，王振元，黃子賓，程振民

（華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

開發(fā)了一種具有多重旋流結(jié)構(gòu)的氣體噴射-氣液旋流式冷氫箱，并通過大型冷模實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行傳質(zhì)性能測(cè)試。在氣體噴射速度10～80 m·s-1和液體進(jìn)口速度0.2～0.7 m·s-1條件下，采用氧吸收法測(cè)量了液相體積傳質(zhì)系數(shù)L，采用空氣-Na2SO3溶液化學(xué)吸收法測(cè)量了相界接觸面積。結(jié)果表明：L和均隨氣體噴射速度和液體進(jìn)口速度增大而增大，其中受氣體速度變化影響更為明顯；由測(cè)定的傳質(zhì)參數(shù)數(shù)值可知新型冷氫箱傳質(zhì)效果較傳統(tǒng)冷氫箱大幅提高，與機(jī)械輸入設(shè)備處于相同量級(jí)，具有優(yōu)異的氣液混合性能。還采用量綱分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸納擬合，得到傳質(zhì)參數(shù)與氣相Reynolds數(shù)、液相Weber數(shù)之間的關(guān)聯(lián)式，可以較好地關(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)冷氫箱的傳質(zhì)性能。

冷氫箱；氣液兩相流；旋流；傳質(zhì)；混合；相界面積

引 言

冷氫箱是加氫反應(yīng)器的主要內(nèi)構(gòu)件之一，其功能是為上部催化劑床層流下的高溫反應(yīng)物和冷激氫氣提供快速混合與換熱的場(chǎng)所，通過氣液間的熱量傳遞，反應(yīng)物溫度降低并流入下一床層[1-3]。因此，冷氫箱性能直接影響著床層溫升，對(duì)反應(yīng)器的穩(wěn)定操作有重要意義。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者和機(jī)構(gòu)對(duì)冷氫箱進(jìn)行研究，推出了很多不同的結(jié)構(gòu)，并采用多種方法探究產(chǎn)品的傳質(zhì)傳熱性能。馬成國(guó)等[4]采用流體力學(xué)軟件對(duì)單管和盤管式冷氫箱的傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，林付德等[5]采用氧吸收方法比較了不同型式冷氫箱的氣液傳質(zhì)性能。在冷氫箱氣液傳遞過程中，氣液之間的接觸面積也是十分重要的參數(shù)，但目前還沒有相關(guān)的研究報(bào)道。此外，已開發(fā)的冷氫箱的結(jié)構(gòu)多為擋板式和水平旋流式[6-7]，通過氣液折流碰撞或氣液旋轉(zhuǎn)流動(dòng)達(dá)到接觸傳熱的目的，然而由于氣液兩相之間密度的差異，流體實(shí)際運(yùn)動(dòng)形式成為氣液分層運(yùn)動(dòng)，這就限制了氣液之間的接觸面積和湍動(dòng)程度，降低了傳遞效率[8]。

針對(duì)存在的這些缺點(diǎn)，本研究提出了一種新型的氣體噴射-氣液旋流式冷氫箱，充分利用氣體的動(dòng)能，克服相密度差異，實(shí)現(xiàn)了繞不同軸線的立體旋流運(yùn)動(dòng)。并通過氧吸收法測(cè)量液相體積傳質(zhì)系數(shù)L，通過空氣-Na2SO3溶液化學(xué)吸收法測(cè)量相界接觸面積，考察了這些傳質(zhì)參數(shù)隨操作條件變化的規(guī)律，為冷氫箱的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)提供進(jìn)一步的理論依據(jù)，增強(qiáng)對(duì)氣液射流-旋流流動(dòng)過程中質(zhì)量傳遞的認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 噴射旋流式冷氫箱的工作原理

噴射旋流式冷氫箱的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由降液管、氣體支管、水平旋流管和混合室4部分構(gòu)成。其中，降液管為方形，寬度與旋流管半徑相同，長(zhǎng)為130 mm，高為200 mm，下方與水平旋流管豎直相切；氣體由反應(yīng)器外部側(cè)向進(jìn)入，通過總管平均分向3根直徑為20 mm的氣體支管，支管入口位于降液管下方，并與旋流管水平相切；3根水平旋流管前段與氣液入口相連，末端與圓柱狀混合室切向連接，旋流管長(zhǎng)為410 mm，直徑為80 mm；混合室為圓柱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝有6片導(dǎo)向葉輪，底部中間為氣液兩相出口，高度為360 mm，直徑為350 mm。

1—inlet of gas; 2—gas pipeline; 3—horizontal swirling tube; 4—inlet of liquid; 5—liquid downcomer; 6—mixing drum; 7—turning vanes

噴射旋流式冷氫箱內(nèi)充分進(jìn)行氣液的旋流運(yùn)動(dòng)，其操作形式如圖2所示，從上床層流下的液體落在冷氫箱頂部塔板上，經(jīng)降液管入口進(jìn)入冷氫箱，同時(shí)氣體以高速射流的方式從支管進(jìn)入冷氫箱，液體在降液管下落過程中受重力作用動(dòng)能不斷增加，在進(jìn)入旋流管后也被氣體高速噴射的曳力帶動(dòng)前進(jìn)，氣液兩相均以高速切向進(jìn)入水平旋流管。由于氣體的推動(dòng)，液體在旋流管中克服重力限制，進(jìn)行沿水平軸線的立體螺旋前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，這樣就避免了因氣液密度差帶來(lái)的分層流動(dòng)現(xiàn)象，大大增加了流體的湍動(dòng)程度和氣液接觸面積。在旋流管的末端，3股螺旋流又切向進(jìn)入混合室，在內(nèi)部導(dǎo)流擋板的撞擊引導(dǎo)下繼續(xù)進(jìn)行沿豎直軸線的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，最終由出口沿導(dǎo)流方向離開冷氫箱。在此過程中旋流得到進(jìn)一步加強(qiáng)，有效促進(jìn)了氣液相間的混合效果。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

冷氫箱是高溫流體與冷激氫氣快速混合換熱的場(chǎng)所，因此換熱性能是評(píng)價(jià)冷氫箱優(yōu)劣的重要指標(biāo)，但由于熱量傳遞實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜、準(zhǔn)確性差且成本高，往往根據(jù)質(zhì)量與熱量的相似的傳遞機(jī)理研究傳質(zhì)過程，以氣液傳質(zhì)參數(shù)表征設(shè)備的傳熱性能。本實(shí)驗(yàn)采用氧吸收的物理方法測(cè)定氣液體積傳質(zhì)系數(shù)L，采用空氣-Na2SO3溶液化學(xué)吸收方法測(cè)定相界接觸比表面積[9-10]。

1.2.1 氧吸收法測(cè)量L采用氧吸收物理實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定體積傳質(zhì)系數(shù)。首先使用Na2SO3對(duì)水槽里的水中含氧進(jìn)行反應(yīng)消耗，達(dá)到無(wú)氧化程度（溶解氧濃度低于1.5 mg·L-1）。實(shí)驗(yàn)中，空氣和處理后的水在噴射旋流式冷氫箱中混合，空氣中的部分氧氣被水吸收，通過測(cè)量進(jìn)、出口水中氧含量變化計(jì)算得到液相體積傳質(zhì)系數(shù)L[11]。

根據(jù)傳質(zhì)過程物料衡算及液膜吸收理論，可以得到液相傳質(zhì)速率A的表達(dá)式

式中，L為液體流量；in和out分別為冷氫箱進(jìn)、出口水中氧濃度；C為冷氫箱體積；?m是濃度對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力，其表達(dá)式為

式中，*(O2)是該溫度下水中的飽和氧濃度值。

聯(lián)立式（1）和式（2），即可得到氣液混合傳質(zhì)過程中液相體積傳質(zhì)系數(shù)L的表達(dá)式為

1.2.2 化學(xué)吸收法測(cè)量為進(jìn)一步得到氣液接觸過程中的相界比表面積，本工作還采用空氣-Na2SO3溶液化學(xué)吸收系統(tǒng)進(jìn)行了研究。在硫酸鈷作催化劑的條件下，反應(yīng)方程式如下

在Na2SO3溶液濃度較高的范圍時(shí)(大于0.2 kmol·m-3)，該反應(yīng)對(duì)于空氣為二級(jí)反應(yīng)，可按二級(jí)不可逆反應(yīng)處理，同時(shí)忽略氣膜阻力[12]。根據(jù)反應(yīng)吸收原理，可得單位面積氧的傳遞速率i為

式中，為反應(yīng)速率常數(shù)；為氧氣在液相中的擴(kuò)散系數(shù)。

根據(jù)Andrieu等[13]提出的反應(yīng)器模型，將整個(gè)冷氫箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)看作帶有液相循環(huán)的微分反應(yīng)器，并假設(shè)帶有內(nèi)循環(huán)的液體水槽為全混器，空氣在冷氫箱中呈活塞流流動(dòng)，與Na2SO3發(fā)生氧化反應(yīng)。

進(jìn)入冷氫箱的Na2SO3溶液的濃度為1，離開冷氫箱的Na2SO3溶液的濃度為2，其中參加化學(xué)反應(yīng)消耗掉的量為2iC，冷氫箱中積累的速率為，根據(jù)物質(zhì)守恒可以得到

此外，對(duì)全混流水槽進(jìn)行物質(zhì)守恒計(jì)算，有

初始條件為：= 0,1=2=0。

對(duì)式（5）和式（6）進(jìn)行積分以及拉普拉斯變換，可以化簡(jiǎn)為

式（8）和式（9）即為利用空氣-Na2SO3溶液氧化吸收法測(cè)定冷氫箱相界接觸比表面積的數(shù)學(xué)模型。這兩式表明，冷氫箱進(jìn)出口亞硫酸鈉溶液的濃度1、2為時(shí)間的線性函數(shù)，而且斜率為

以此為基礎(chǔ)，即可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量Na2SO3溶液的濃度變化求取相界比表面積。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)裝置流程 實(shí)驗(yàn)在直徑為1 m的有機(jī)玻璃塔內(nèi)進(jìn)行，如圖3所示。空氣由空氣壓縮機(jī)提供，經(jīng)過渦輪流量計(jì)計(jì)量后由支管輸送入冷氫箱，液相由泵輸送至排管式分布器進(jìn)入塔內(nèi)，流入冷氫箱。

1—air compressor; 2—valve; 3—flowmeter of gas; 4—gas-liquid multi-swirling quench box; 5—outlet sampling device; 6—defoaming device; 7—recording instrument; 8—outlet of gas; 9—outlet of liquid;10—flowmeter of liquid; 11—liquid tank; 12—liquid pump

在氧吸收實(shí)驗(yàn)過程中，水槽內(nèi)為脫氧水，無(wú)回流循環(huán)過程，在冷氫箱與空氣混合后兩相均從塔底排出，在冷氫箱出口處設(shè)有取樣采集裝置，用溶氧分析電極檢測(cè)水中氧濃度值，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，待穩(wěn)定后取平均值作為冷氫箱出口的溶解氧濃度。

在空氣-Na2SO3溶液化學(xué)吸收過程中，水槽中為高濃度Na2SO3溶液，通過管路閥門控制，液相在輸送至冷氫箱與空氣反應(yīng)后循環(huán)流回水槽，同時(shí)水槽內(nèi)部液體不斷回流混合，保持全混流狀態(tài)，每隔5 min從水槽取樣，采用碘量法滴定分析Na2SO3濃度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 量綱分析及數(shù)據(jù)回歸

在直徑為1 m的冷模實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行了物理吸收和化學(xué)吸收的傳質(zhì)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中所用的氣體流量G范圍是50～300 m3·h-1，折合成噴射速度G為14.73～73.68 m·s-1；液體流量L范圍是8～20 m3·h-1，入口線速度L為0.25～0.63 m·s-1，氣液流量比在3～30之間，在較寬操作條件內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理后得到體積傳質(zhì)系數(shù)L和相界接觸比表面積，如圖4所示。

為了揭示噴射旋流式冷氫箱普遍性的傳質(zhì)規(guī)律，采用量綱分析法對(duì)結(jié)果進(jìn)行回歸處理。影響冷氫箱傳質(zhì)特性的主要物理參數(shù)包括：氣體密度G，氣體黏度G，氣體噴射速度G，進(jìn)氣支管直徑G，液體密度L，表面張力L，氧氣在液相中的擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)液流速L和液體入口當(dāng)量直徑L。

采用量綱分析法可以得到關(guān)系式（11）

L=(G,L) (11)

式中，L=LL/，為傳質(zhì)準(zhǔn)數(shù)；G=GGG/G，表明氣體流動(dòng)對(duì)吸收傳質(zhì)過程的影響；L=L2LL/L，表明液體慣性力與表面張力比值對(duì)流動(dòng)的影響[14]。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，查取相關(guān)物性參數(shù)，按照式（11）進(jìn)行多元線性擬合，得到量綱一關(guān)系式（12）

同時(shí)，為了更好地說(shuō)明氣液兩相流動(dòng)對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)和比表面積的影響，也將它們分別與G和L擬合，得到經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式式（13）和式（14）

以上公式適用范圍為G= (1.96～9.81)×104，L= 53.36～333.52。

將不同氣液兩相速度下的L和的實(shí)驗(yàn)值與擬合值對(duì)比，如圖5、圖6所示，相關(guān)系數(shù)均超過0.9，較為吻合，說(shuō)明可以根據(jù)這些經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式預(yù)測(cè)新型冷氫箱的傳質(zhì)系數(shù)及相界接觸面積；另外，從圖4可知，在常規(guī)操作條件下，新型冷氫箱中液相體積傳質(zhì)系數(shù)L與已有冷氫箱文獻(xiàn)中結(jié)果[15]相比提高了20%；冷氫箱的氣液接觸面積雖沒有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，但根據(jù)圖4可知的值處于200～500 m-1之間，這與帶有機(jī)械攪拌的氣液接觸設(shè)備處于同一量級(jí)[16]，由于加氫反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)沒有額外的機(jī)械能輸入，說(shuō)明氣體噴射-氣液旋流式冷氫箱具有優(yōu)異的氣液混合性能。

2.2 噴射氣速對(duì)L和的影響

在液體流量為14 m3·h-1（進(jìn)口速度0.44 m·s-1）時(shí)，得到L和隨噴射氣速變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和關(guān)聯(lián)計(jì)算值，如圖5所示。可以看出，在相同液體入口速度下L和均隨氣體速度的增大而顯著增加，這也說(shuō)明氣速增大非常有利于改善冷氫箱的傳質(zhì)性能。這也與實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象是一致的，隨著氣體流量增大，水平旋流管中液體旋流更加強(qiáng)烈，產(chǎn)生泡沫，甚至逐漸霧化。

由于射流旋流式冷氫箱獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，氣體高速切向射入時(shí)攜帶大量的動(dòng)能，液體在氣體曳力的作用下做立體螺旋流運(yùn)動(dòng)，氣液兩相發(fā)生密切的接觸，極大地提高了傳質(zhì)系數(shù)和相界面積，并在混合室中得到進(jìn)一步加強(qiáng)。當(dāng)氣速不斷增大時(shí)，攜帶更多的動(dòng)能，增強(qiáng)了流動(dòng)的湍動(dòng)程度，實(shí)現(xiàn)了更高速度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，氣液接觸更加充分，因此增大了相界之間的接觸面積，促進(jìn)了傳質(zhì)效果的提高。

2.3 液體速度對(duì)L和的影響

在氣體流量為150 m3·h-1（噴射速度44.2 m·s-1）時(shí)，得到L和隨進(jìn)口液速變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和關(guān)聯(lián)計(jì)算值，如圖6所示。可以看出，在相同氣體噴射速度下L和均隨液體速度的增大而增大。這是因?yàn)椋?dāng)液體的進(jìn)口速度增加時(shí)湍動(dòng)程度增加，更有利于液體實(shí)現(xiàn)高速劇烈的螺旋流運(yùn)動(dòng)，增大了氣液間的傳質(zhì)速率，L增大；同時(shí)液體流量的增大使冷氫箱內(nèi)部充滿更多的液體，氣液之間接觸的概率增大，接觸的量更多，相應(yīng)帶來(lái)了接觸面積的提高。此外，分別根據(jù)圖5和圖6中氣液速度對(duì)傳質(zhì)的影響，結(jié)合得到的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式式（7）和式（8）中的系數(shù)可以看到，雖然氣液兩相對(duì)傳質(zhì)均有影響，但受氣相的影響更為強(qiáng)烈，這是因?yàn)闅怏w是整個(gè)旋流過程的推動(dòng)者，也表明了傳質(zhì)過程主要受氣相流動(dòng)控制。

3 結(jié) 論

開發(fā)了一種新型的氣體噴射-氣液旋流式冷氫箱，采用氧吸收方法測(cè)定了氣液混合過程中的液相體積傳質(zhì)系數(shù)L，用空氣-Na2SO3溶液化學(xué)吸收法測(cè)定了氣液相界比表面積，得到以下結(jié)果。

（1）體積傳質(zhì)系數(shù)L和相界比表面積均隨氣體噴射和液體進(jìn)口速度的增大而增大，并且受氣流的湍動(dòng)程度影響更為強(qiáng)烈。

（2）通過量綱分析及數(shù)據(jù)擬合得到了傳質(zhì)參數(shù)與G和L的關(guān)聯(lián)式，并且實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值較為吻合。

（3）氣體噴射-氣液旋流式冷氫箱的體積傳質(zhì)系數(shù)L較傳統(tǒng)冷氫箱提高20%以上，氣液相界比表面積與帶有機(jī)械能輸入的氣液接觸設(shè)備處在同一量級(jí)，具有優(yōu)異的混合傳質(zhì)性能。

符 號(hào) 說(shuō) 明

a——相界接觸比表面積，m-1 cin——進(jìn)口液相溶解氧濃度，mol·m-3 cout——出口液相溶解氧濃度，mol·m-3 c*(O2)——飽和液相溶解氧濃度，mol·m-3 D——氧氣在液相中的擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1 dG——?dú)怏w進(jìn)口直徑，m dL——液體進(jìn)口當(dāng)量直徑，m Ji——反應(yīng)中氧的傳遞速率，mol·m-2·s-1 k——反應(yīng)速率常數(shù)，m3·mol-1·s-1 kL——液相傳質(zhì)系數(shù)，m·s-1 kLa——液相體積傳質(zhì)系數(shù)，s-1 NA——液相傳質(zhì)速率，mol·s-1 QG,QL——分別為氣體、液體的流量，m3·h-1 uG,uL——分別為氣體、液體進(jìn)口的速度，m·s-1 VC——冷氫箱體積，m3 VL——亞硫酸鈉溶液體積，m3 mG——?dú)怏w黏度，Pa·s rG,rL——分別為氣體、液體的密度，kg·m-3 s——液體表面張力，N·m-1 下角標(biāo) G——?dú)怏w L——液體

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Mass transfer characteristics in gas-liquid swirling quench box with gas injection

YU Kun, SHI Yan, WANG Zhenyuan, HUANG Zibin, CHENG Zhenmin

State Key Laboratory of Chemical EngineeringEast China University of Science and TechnologyShanghaiChina

A novel gas-sparged quench box with multiple swirling flow structures was designed. With the gas velocity of 10—80 m·s-1and liquid velocity of 0.2—0.7 m·s-1 in a cold-flow model experiment, the liquid volumetric mass transfer coefficient (kL) was measured using the oxygen absorption method, and the interfacial area () was measured using air-Na2SO3solution chemical absorption method. The results showed that mass transfer parameters increased with the increase of gas jet velocity and liquid inlet velocity, especially changing more pronouncedly with fluctuation of gas jet. TheLandwere better than traditional quench box’s performance and were at the same order of magnitude as mechanically stirred device, which illustrated that the multi-swirling quench box is capable of excellent mixing performance. Empirical correlations, obtained through dimensional analysis, fit the experimental data well and could be used to predict the mass transfer characteristics.

quench box；gas-liquid flow；swirling flow；mass transfer；mixing；interfacial area

2015-05-21.

CHENG Zhenmin, zmcheng@ecust.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150650

TQ 027

A

0438—1157（2015）08—2947—06

程振民。

于坤（1991—），男，碩士。

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重大科技專項(xiàng)基金項(xiàng)目（2010E-2004-02）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21076072, 21306045）。

2015-05-21收到初稿，2015-05-28收到修改稿。

supported by the Scientific Research Foundation of PetroChina(2010E-2004-02) and the National Natural Science Foundation of China (21076072, 21306045).