新型徑向葉片式旋轉床傳質性能研究

2019-02-14 12:38:02王廣全陸佳冬張啟亮蔡楊其計建炳

石油化工 2019年1期

鄭斌，王廣全，陸佳冬，張啟亮，蔡楊其，計建炳

（浙江工業大學化學工程學院，浙江杭州 310014）

在常見的化工單元操作中氣液兩相間的傳質是普遍存在的過程，若兩相間的濃度差一定，兩相的接觸面積、相界面處的湍動強度及兩相的相對速度等成為影響相間質量傳遞的重要因素，但這些因素均受控于外場，因此外場的強弱是影響相間傳質速率的關鍵［1］。傳統的傳質設備通常置于重力場中，由于重力場強度較小且無法改變，限制了相間傳質速率的提高。超重力旋轉床是20世紀80年代初發展起來的一種新型氣液傳質設備［2］，該設備利用旋轉產生的可調節離心力場代替重力場來實現氣液間的傳質過程，可使相間傳質系數比傳統傳質設備提高1～2個數量級［3］。目前超重力技術已用于原油的采集［4］、石油的脫蠟［5］、油品的脫硫［6］及油田注水脫氧［7］等石油化工領域。傳統的傳質設備主要是填料塔和板式塔，因此旋轉床也可分為填料式和板式兩種。填料式旋轉床由英國帝國化學公司于1979年提出，已用于吸收、解吸、萃取和反應等過程［8］。折流式旋轉床［9］屬于板式旋轉床，由浙江工業大學于2000年提出，目前已在化工、制藥等行業的精餾過程中得到了廣泛應用。但折流式旋轉床存在功耗大、壓降高等問題［10-12］，需進一步進行研究。

本工作設計了一種新型的徑向葉片式旋轉床，利用乙醇胺-二氧化碳（MEA-CO2）物系的化學吸收過程，研究了表觀氣速、液體噴淋密度和轉速對其傳質性能的影響，并將其與其他不同結構的旋轉床進行了對比。

1 實驗部分

1.1 傳質模型

在新型徑向葉片式旋轉床中，氣液以逆流的方式在轉子中進行接觸。取轉子任意半徑r處的微元寬度做物料衡算，則微元體積與微元寬度的關系見式（1）。

在轉子的微元體積內，有效氣液相面積為adV，則單位時間內從氣相傳質到液相溶質的質量為NAadV。根據質量守恒定律得式（2）。

由于MEA吸收CO2是在液膜內進行的快速反應，則對式（2）積分并整理得氣相總體積傳質系數，見式（3）。

1.2 實驗裝置

新型徑向葉片式旋轉床的結構見圖1和圖2。

圖1 新型徑向葉片式旋轉床結構Fig.1 Structure of a novel rotating bed with radial blades（rotator Ⅰ ）.

圖2 新型徑向葉片式旋轉床轉子結構Fig.2 Structure for rotor of a novel rotating bed with radial blades.

該旋轉床主要由外殼（直徑450 mm，高160 mm）、轉子（內徑100 mm，外徑280 mm）、轉軸以及液體分布器組成。其中，轉子由靜止和轉動兩部分組成。靜止部分主要是與殼體固定連接的靜盤，為了防止氣體短路，在靜盤內緣和外緣處分別設置了圓形擋板。轉動部分包括環形動盤和若干徑向葉片，動盤的內徑為100 mm、外徑為280 mm、葉片的高度為50 mm，在圓盤的周向上間隔30°均勻分布，每塊葉片在軸向上開有4組小孔（孔徑為2 mm，孔間距為3 mm），每組包括2列正三角形排列的孔。由于液體在從轉子內緣向外緣移動的過程中速度逐漸變大，則轉子內緣向外緣相鄰兩組小孔間的距離也逐漸增大。轉子的中心處安裝一圓柱形液體分布器，液體分布器圓周縱向上均勻地開有6組小孔（孔徑1 mm），每組具有6個小孔。

為了全面考察新型徑向葉片式旋轉床的傳質性能，本工作將徑向葉片式旋轉床與其他類型的旋轉床進行對比。上述徑向葉片式旋轉床為轉子Ⅰ。轉子Ⅱ為填料葉片復合式旋轉床（圖3），它的結構是在轉子I的葉片間裝填金屬矩鞍環填料，并加裝了金屬網孔罩，網孔孔徑為2 mm。轉子Ⅲ為折流式旋轉床（圖4），它的轉子內徑為118 mm，外徑為278 mm，包含9個動圈和10個靜圈，高度分別為41 mm和37 mm。轉子Ⅲ內的氣、液相流動情況可參見文獻［5］，轉子Ⅰ和轉子Ⅱ內氣、液相流動情況類似。

圖3 填料葉片復合式旋轉床Fig.3 Combined rotating bed with blade and packing（rotator Ⅱ ）.

圖4 折流式旋轉床Fig.4 Rotating zigzag bed（rotator Ⅲ ）.

實驗中液體從分布器噴射進入轉子，在離心力的作用下，沿轉子的內緣向外緣流動。當液體流到第一組小孔時，被小孔分散成液滴和液絲，并被甩向下一塊葉片，在該葉片上聚集并繼續向葉片外緣流動，然后在下一組小孔處再次被分散，因此液體以分散—聚集—分散的方式流經轉子，最終離開旋轉床。氣體從進口管切向引入旋轉床外腔，在壓差的作用下，通過葉片區進入旋轉床內腔，最終離開旋轉床。轉子內氣液流動路徑如圖5所示。

1.3 實驗流程及方法

本工作利用MEA-CO2的化學吸收過程對新型徑向葉片式旋轉床的傳質性能進行了研究，考察了不同轉速、液體噴淋密度和表觀氣速下的變化規律。實驗裝置如圖6所示。首先來自氣泵的空氣與來自鋼瓶的CO2氣體在氣體混合器中混合，然后切向進入轉子外腔，最終從氣體出口管離開旋轉床。來自儲液槽的MEA溶液在多級泵的作用下進入液體分布器，再噴射進入轉子，在離心作用下與氣體在葉片區接觸傳質后進入轉子外腔，最終從液體出口管離開旋轉床。

圖5 新型徑向葉片式旋轉床氣液流動示意圖Fig.5 Schematic diagram of gas-liquid flow in a novel rotating bed with radial blades.

圖6 新型徑向葉片式旋轉床的實驗流程Fig.6 Experimental flow path of a novel rotating bed with radial blades.

實驗中氣體和液體的負荷分別采用表觀氣速和噴淋密度表示，其中，表觀氣速的單位為m/s，噴淋密度的單位為m3/（m2·h），而氣體體積流量和液體體積流量的單位均為m3/h，故兩個公式的定義不同。

由于氣體和液體流經轉子時，流通的截面積隨著轉子半徑的變化而變化，因此本工作采用當量半徑（rm）來計算表觀氣速和液體噴淋密度，rm的計算見式（4）。

rm的值為轉子內徑和外徑的算術平均值。表觀氣速（uG）是指在轉子內單位時間、單位流通截面積下通過的氣體體積，定義見式（5）。

液體噴淋密度（qL）是指轉子內單位時間、單位流通截面積下液體的噴淋體積，定義見式（6）。

本工作采用單因素實驗方法，考察了轉速、表觀氣速和液體噴淋密度三個主要因素對傳質性能的影響規律。實驗過程中，通過調節CO2鋼瓶閥門使CO2的進口含量固定在5%（w）左右；待旋轉床運轉穩定之后，對進、出口處的氣體進行取樣，采用山東魯南瑞虹化工儀器有限公司SP-6800A型氣相色譜儀分析進、出口CO2的含量。氣體流量和液體流量均由常州熱工儀表廠LZM-25G型和LZB-25型轉子流量計測得，范圍分別為10～30 m3/h和0.3～0.9 m3/h；轉速由深圳市欣寶瑞儀器有限公司DT2234A型手持式測速儀測量，范圍為600～1 000 r/min；氣體中CO2含量和液體中MEA質量分數均控制在5%左右。

2 結果與討論

2.1 表觀氣速對氣相總體積傳質系數的影響

表7為表觀氣速對氣相總體積傳質系數的影響。從圖7可看出，在相同液體噴淋密度（30.16 m3/（m2·h））下，當表觀氣速從0.09 m/s增加到0.28 m/s時，氣相總體積傳質系數增大了49.5%（轉速（n）=1 000 r/min）和86.5%（n=800 r/min）。這是因為MEA吸收CO2屬于氣膜控制，氣相總體積傳質系數與表觀氣速的0.7次方成正比［14］，因此隨著表觀氣速的增加，氣相總體積傳質系數也跟著增加。當轉速為1 000 r/min，表觀氣速為0.28 m/s、液體噴淋密度為30.16 m3/（m2·h）時，氣相總體積傳質系數最大，為3.897×10-4kmol/（s·m3·kPa）。

圖7 表觀氣速對氣相總體積傳質系數的影響Fig.7 Effect of superficial gas velocity in rotor on the gas-phasetotal volume mass transfer coefficient.uG ：superficial gas velocity；KGa：gas-phase total volume mass transfer coefficient；n：rotational speed；qL：liquid spray density.

2.2 轉速對氣相總體積傳質系數的影響

轉速對氣相總體積傳質系數的影響見圖8。

圖8 轉速對氣相總體積傳質系數的影響Fig.8 Effect of rotor speed on the gas-phase total volume transfer coefficient.

由圖8可知，在相同液體噴淋密度（30.16 m3/（m2·h））下，當轉速從600 r/min增加到1 000 r/min時，氣相總體積傳質系數增大了91.4%（uG=0.28 m/s）和83.9%（uG=0.19 m/s），增加趨勢明顯。這是因為隨著轉速的增加，液體受到葉片的剪切作用增大，使液體分散成更多、更小的液絲和液滴，增大了氣液有效比表面積，從而增大了氣相總體積傳質系數。

2.3 液體噴淋密度對氣相總體積傳質系數的影響

液體噴淋密度對氣相總體積傳質系數的影響如圖9所示。由圖9可知，在相同轉速（n=1 000 r/min）下，氣相總體積傳質系數隨著液體噴淋密度的增加而增加，當液體噴淋密度從10.05 m3/（m2·h）增加到30.16 m3/（m2·h）時，氣相總體積傳質系數增加了107.6%（uG=0.28 m/s）和74.6%（uG=0.19 m/s）。表明隨著液體噴淋密度的增加，氣相總體積傳質系數的增加趨勢明顯。這是因為隨著液體噴淋密度的增加，使轉子內液體流量增加，更多的液體被葉片上的小孔分散成液絲和液滴；在相鄰葉片之間，由于液量的增加使氣液兩相間的相對速度增加，氣液之間的湍動更加劇烈，增加了傳質效率。在兩種效應的作用下，氣相總體積傳質系數隨液體噴淋密度的增加而增加。

圖9 液體噴淋密度對氣相總體積傳質系數的影響Fig.9 Effect of liquid spray density on the gas-phase total volume transfer coefficient.

2.4 經驗關聯

由于液體在旋轉床中的流動情況比較復雜，本工作通過經驗關聯來得到徑向葉片式旋轉床的氣相總體積傳質系數與表觀氣速、轉速及液體噴淋密度的關系式。將徑向葉片式旋轉床的實驗數據進行非線性回歸［15］，得到的關聯式為：

將回歸結果與實驗結果對比，結果如圖10所示。從圖10可看出，所有的點基本都在15%的誤差范圍內，回歸結果和實驗值比較吻合，平均誤差為8.3%。

2.5 不同轉子旋轉床的性能對比

由上述分析可知，液體噴淋密度對徑向葉片式旋轉床氣相總體積傳質系數的影響明顯大于其他因素的影響，因此，本工作比較了三種轉子在不同液體噴淋密度下的傳質性能。圖11為在轉速1 000 r/min和表觀氣速0.28 m/s的條件下，三種轉子在不同液體噴淋密度下的氣相總體積傳質系數。

圖10 氣相總體積傳質系數擬合誤差Fig.10 Comparison of experimental and calculated gas-phase total volume transfer coefficient.

圖11 不同旋轉床傳質性能對比Fig.11 Comparison of mass transfer performance of different rotating beds.

由圖11可知，當液體噴淋密度從10.05 m3/（m2·h）增加到 30.16 m3/（m2·h）時，轉子Ⅲ的氣相總體積傳質系數是轉子Ⅰ的3.2～7.7倍；轉子Ⅱ的氣相總體積傳質系數是轉子Ⅰ的0.8～1.8倍。同時當液體噴淋密度從10.05 m3/（m2·h）增加到30.16 m3/（m2·h）時，轉子Ⅲ的氣相總體積傳質系數增大了402.8%；轉子Ⅱ的氣相總體積傳質系數增大了348.6%，而轉子Ⅰ的氣相總體積傳質系數僅增大了107.6%。綜上所述，轉子Ⅲ的傳質性能最好。這是因為轉子Ⅲ結構特殊，動折流圈上開有許多小孔，使液體以多次分散、聚集的方式從轉子內緣向外緣流動；而動折流圈和靜折流圈結合形成的“S”形通道，使氣液兩相在轉子內的接觸時間得到了增加，因此轉子Ⅲ具有優良的傳質性能。相較于轉子Ⅰ，轉子Ⅱ是在葉片之間的空隙填入了金屬矩鞍環填料，液體同時被葉片和填料分散，并在填料表面上可以附著液膜，使氣液兩相接觸面積更大，另外，填料的存在也會使轉子在高速旋轉時對氣、液的擾動作用變得更大，從而加快表面更新速度。因此，轉子Ⅱ的傳質性能優于轉子Ⅰ。

圖12給出了在轉速1 000 r/min和表觀氣速0.28 m/s的操作條件下，三種不同轉子的旋轉床在不同液體噴淋密度下的壓降和有效功耗的對比情況，由圖12可知，轉子Ⅲ的壓降和有效功耗雖然很大，但其氣相總體積傳質系數明顯大于其他兩種轉子，適用于通量小、傳質性能要求高的場合。轉子Ⅱ的傳質性能、壓降和有效功耗稍大于轉子Ⅰ，轉子Ⅱ和轉子Ⅰ較適用于通量大、傳質性能要求不高的場合。表1給出了不同旋轉床傳質性能的對比情況。