超重力旋转床转子填料形状对传质系数的影响

吴杰，吴菲，石红，鲁珍，路平

（工业烟尘污染控制湖北省重点实验室（江汉大学），江汉大学化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056）

基于超重力旋转床高速旋转的转子能使液体在离心力的作用下受填料的巨大剪切力，为气液传质提供大的和快速更新的传质界面，从而减小设备尺寸等优点，超重力旋转床广泛应用于材料的制备［1］、化工反应［2］、尾气治理［3］、注水脱氧［4］、以及除尘［5］等化工、电力领域。 同时，在超重力旋转床过程强化理论［6］、填料有效比表面积［7］、填料床液体流动［8］、填料内支撑［9］等方面诸见研究文献，探讨对传质效果的影响。由于转子填料是超重力旋转床的核心，是决定气液传质效果的核心部件。本文以水吸收丙酮为体系，探讨单位体积厚薄转子填料对传质效果的影响，结果表明：在填料体积相同的情况下，转子填料做成半径大、厚度小的形状，其体积传质系数大于半径小、厚度大形状转子填料的体积传质系数。

1 实验方法

1.1 实验流程及转子填料参数

图1为实验流程图。空气经压缩机，由阀门调节流量后进入恒温的丙酮储罐，携带丙酮的气体进入超重力旋转床。水经离心泵由阀门调节流量后压入超重力旋转床液体分布器，喷向转子填料，气体、液体在填料内逆流接触，进行传质吸收过程。吸收后的气体、液体分别从超重力旋转床上、下出口管排出系统。分别对进、出超重力旋转床的气体采样，用气相色谱仪（GC102M）分析气相中丙酮含量。实验超重力旋转床转子填料参数见表1。

图1 实验流程Fig.1 Flow diagram of experiment

表1 转子参数Tab.1 Parameters of rotating packing

1.2 实验数据处理方法

气液逆流沿半径方向穿过超重力旋转床转子填料，在半径方向建立微元吸收传质模型，经积分整理后得气相总体积传质吸收系数(Kyα)计算式［10］。根据进出超重力旋转床气体中丙酮含量及气液量等由下式计算Kyα。其公式为

式中，V 为空气量，m3/h；L为水量，L/h；ρ空为空气密度（20℃），g/m3；ρ水为水密度（20℃），kg/m3；M空为空气摩尔质量，g/mol；M空为空气摩尔质量，g/mol；y为气相中丙酮的摩尔分数；Kyα为气相总体积传质吸收系数，kmol/(m3·s)；h为填料层高度，m；r为填料半径，m；m为相平衡常数。

2 实验结果与讨论

2.1 转速对传质系数的影响

在液量VL和气量Vg分别为100 L/h和2 m3/h的条件下，改变厚转子超重力旋转床转速，测定进出超重力旋转床气体中丙酮含量并计算 Kyα。超重力旋转床转速对Kyα的影响曲线如图2所示。图2显示，Kyα随转速的增大先迅速升高，后趋于平缓。其主要原因：一方面转速提高加快填料对液体的分隔，导致比表面积增大，表面更新加剧，使传质效果提高；另一方面转速提高，液体受离心力作用加大，停留时间变短，使气液接触时间随之变短，导致传质效果降低。低速时液体被分割，表面更新和比表面积增大占主导地位；高速时，由于液体已经被分割成细小液滴和丝膜，比表面积增幅不大，使得停留时间变短占主导地位，故高速时Kyα增大缓慢。下面以630 r/min转速考察转子填料形状对传质系数的影响。

图2 转速对传质系数的影响Fig.2 Influence of rotary speed on mass transfer coefficient

2.2 转子填料的形状对传质系数的影响

在恒定液量为100 L/h或气量为2 m3/h，进气温度为20℃下，考察了厚薄两种转子填料，气量或液量变化对传质系数的影响，结果如图3所示。由图3（a）可见，厚薄转子填料在气量恒定情况下，Kyα随液量的增加先增大而后趋于平缓，且薄转子的 Kyα大于厚转子的 Kyα。 Kyα随液量的增大，在高速旋转离心力作用下，液体被分割成更多的液滴、液丝和液膜，增大了传质面积，提高了传质效果。当液量达到一定程度，液体被分割成液滴、液丝和液膜的量增加不大，主要使液滴变大、液丝和液膜变厚，同时，液速加大，停留时间变短，导致Kyα趋于平缓。薄转子Kyα比厚转子大，原因在相同半径处，薄转子的液体流通截面比厚转子的小，在相同液量的情况下，液体通过薄转子的流速大于厚转子的流速，薄转子的雷诺数大于厚转子的雷诺数，使得薄转子体积传质膜系数大于厚转子体积传质膜系数，薄转子的 Kyα大于厚转子的 Kyα。由图3（b）可见，在液量恒定情况下，厚薄转子的Kyα随气量增加而增大。这是由于丙酮易溶于水，气液传质为气膜控制，Kyα近似等于气相传质膜系数，随气量的增加而增大。同理，薄转子的气液流通截面比厚转子的小，所以，薄转子的 Kyα大于厚转子的Kyα。

图3 厚薄转子填料对Kyα的影响Fig.3 Influence of thickness of packing on Kyα

2.3 厚薄转子填料的传质系数对比分析

由于厚薄转子填料的几何尺寸差异，不能单纯在相同气液量下以Kyα的大小判断传质效果的优劣。在正常操作范围内，考虑设计成本，以单位体积填料为基准，考察气量或液量对Kyα的影响。表2给出了以单位体积填料为基准两种转子填料在恒定气液量下的传质系数及比值。从表2厚薄转子的Kyα比值可见，单位体积填料薄转子的Kyα值总比厚转子的Kyα值大。说明在填料体积一定的情况下，半径大、厚度小的转子填料，其传质系数大于半径小、厚度大的转子填料。

表2 厚薄转子填料传质系数对比Tab.2 Comparison of mass transfer coefficient under different thickness of packing

3 结论

实验结果证实，恒定填料体积，在正常操作范围内，为提高Kyα的值，应将超重力旋转床的转子填料尽量做成扁平状，即半径大、厚度薄的形状，其传质系数高，传质效果好。

（References）

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