错流旋转填料床气相压降的模型化及实验研究＊

祁贵生，刘有智，王 焕，焦纬洲

（中北大学 山西省超重力化工工程技术研究中心，山西 太原 030051）

0 引言

旋转填料床作为一种有效强化气液传质的设备，在气体净化、废水处理、纳米材料合成等方面得到广泛应用，显示出了十分重大的经济价值和广阔的应用前景.

旋转填料床气相压降性能不仅是超重力设备基础理论研究的主要内容之一，也是超重力技术工程应用和工程设计的一项重要指标.国内外［1-8］对于逆流旋转填料床的压降性能的研究较多，而对错流旋转填料床的压降性能研究［9-12］较少，且研究存在气量小、气液比大，不适合于工业应用过程中气相压降的预测.因此，本工作以空气-水为介质，在气量流量0～1 300 m3／h 的中试规模对错流旋转填料床的气相压降性能进行了理论与实验研究，并寻求压降大小与各影响因素之间的规律，建立经验关联式，以预测在工业应用过程中的气相压降，为错流旋转填料床的设计及工业应用提供依据.

1 气相压降模型

旋转填料床中，气相压降产生的原因主要有离心阻力、摩擦阻力、形体阻力［2］.以上三方面原因共同作用，使得气体在流经旋转填料床时产生气相压降，但很难通过计算得到以上三种阻力的具体数值.从宏观角度考虑，可测量的旋转填料床的气相压降特性主要有静床压降（Δps）、离心压降（Δpc）、干床压降（Δpd）及湿床压降（Δpw）等［13］.

本文根据错流旋转填料床的气液流动状态，不考虑离心阻力、摩擦阻力和形体阻力之间的相互关系，将气体通过旋转填料时的阻力损失分为：气体流经静止填料及管路时的静床压降，旋转填料产生的离心压降，液体加入引起的压降三部分.

1.1 静床压降Δps

静床压降指在气体通过静止填料层的阻力损失.将错流旋转填料床进出口管路损失，静止床层阻力损失，突然放大与缩小的管路损失合并为静床压降Δps，其值与气体流速u的平方成正比，根据伯努力方程与文献［11］可知，

式中：ζ为气体阻力系数，它是气体流速u的函数，由实验测定；ρg为气体密度.

1.2 旋转填料产生的离心压降Δpc

在转子内，由于旋转填料的存在，液体的增加、气体流动的复杂性和气液接触碰撞，使得旋转填料内气液流动情况十分复杂且难于测定，很难从理论上进行深层次的分析.根据文献［9，11，14］将逆流旋转填料压降分为气体摩擦损耗压降，转子对气体做功压降和液体增加压降三部分.但在错流旋转填料床中气体的流通方向不同于逆流，气体并非是沿轴向垂直流动，在巨大超重力作用下，气体会沿垂直于轴向的平面形成旋转，旋转转子对气相压降起到加强作用.在气体通过旋转填料的过程中，由于粘性力、摩擦力和形体阻力的共同作用，填料会对气体做功，使得气体通过床层时的阻力增大.

假定气体在填料层中无径向运动，可视为不可压缩、轴对称流动，忽略填料内外腔对于气体流动的影响.可知，气体在填料层中并没有受到转子对它做功的力，而是旋转填料的存在增加了气体流经填料时的摩擦与形体阻力.这个阻力的大小与旋转填料的转速，床层轴向厚度和气体流速有关.

式中：a和b为待定系数，由实验测定；β为超重力因子；H为转子高度，m.

1.3 液体加入引起的压降ΔpL

在错流旋转填料床中，液体的加入会引起气相压降的变化.一方面，液体与气体的碰撞与接触会增大气相阻力；另一方面，气体的加入会使得填料表面润湿，减小气体通过填料层时的形体阻力.因此，在错流旋转填料床中，湿床阻力并不一定比干床阻力大.实验过程中可以通过测定相同操作条件下的干床压降与湿床压降来测定液体的加入对于气相阻力的影响，影响规律也是和超重力因子和气体流速有关.

式中：C，E，F为待定系数；q为液体喷淋密度（平均半径处）.

综上，将错流旋转填料床的总压降分为静床压降，转子旋转产生的压降和液体加入引起的压降三部分.

2 气相压降实验研究

以空气-水为介质，研究错流旋转填料床的气相压降.为达到求取气相压降与操作参数关联的目的，在研究过程中主要考察了气相压降随气体流速，超重力因子，液体喷淋密度的影响规律.

2.1 实验参数

错流旋转填料床的转子内径为190mm，转子外径为375mm，转子高度为178mm.不锈钢丝网填料的比表面积为780 m-1，填料孔隙率为95%.

在实验范围内，气体流量为0～1 300m3／h，液体流量为0～7 m3／h，转速范围为0～1 600rpm.为了能够与不同尺寸的旋转填料床有可比性，将气量、液量及转速转换为气体流速，范围为0～3.75 m／s；液体喷淋密度范围为0～45m3／（m2·h）；超重力因子范围为0～265.

2.2 实验流程

错流旋转填料床气相压降性能研究的实验流程如图1 所示.来自风机的空气经流量计计量后从气体进口进入错流旋转填料床，沿轴向穿过填料层后从气体出口离开；液体储槽中的水通过离心泵输送，经转子流量计计量后从液体分布器均匀地喷洒在旋转填料的内缘上，在离心力的作用下沿径向通过填料层并与气体错流接触后，由液体出口经液封管流回液体储槽循环使用.

图1 错流旋转填料床气相压降实验流程图Fig.1 Experimental setup of cross-flow RPB for gas pressure drop

3 实验结果与讨论

3.1 静床压降

在本研究过程中，将气体进出口阻力损失，气体流经壳体时的阻力损失和流经静止填料时的阻力损失合并，称之为静床压降Δps.在转速为零、液量为零的条件下，测定不同气体流速下错流旋转填料床气体进出口之间的气相总压降，得到气体流速对静床压降的影响规律.静床压降随着气体流速的增加而显著增加，如图2 所示.

图2 气体流速对静床压降的影响Fig.2 Effect of gas velocity on pressure drop of static bed

3.2 离心压降

在液量为零、气量为零的条件下，测定不同转速下错流旋转填料床气体进出口之间的气相总压降，得到超重力因子对离心压降的影响规律.离心压降随着超重力因子的增加而显著增加，且基本呈线性关系，如图3 所示.

图3 超重力因子对离心压降的影响Fig.3 Effect of super gravity factor on centrifugal pressure drop

旋转填料对于气体的加压作用主要表现在形体阻力和摩擦阻力的提高方面，但由于旋转的填料对于由于超重力因子中已包含了转速的平方，因此离心压降随着超重力因子的增加显示出线性关系.离心压降的存在使得错流旋转填料床的气相压降明显高于静床压降.

3.3 干床与湿床压降

3.3.1 气体流速对气相压降的影响

不同操作参数下，气体流速对于气相压降的影响规律如图4 所示.其中，液相喷淋密度为零时的压降为干床压降，其余为湿床压降.

从图4 中可以看出，在不同操作条件下，随着气体流速的增加，气相压降均明显增加.这是因为随着气体流速的增加，气体流经旋转填料时的形体阻力、摩擦阻力均增加，导致错流旋转填料床气相压降增加.A，B，C三种大超重力因子操作条件下的气相压降明显高于D，E，F三种超重力因子较小的操作条件，表明超重力因子在气相压降中也起着重要的作用，超重力因子越大，其气相压降越大.另外，在超重力因子较小的情况下（D，E，F，β＝6.3），在研究的气体流速范围内，液相喷淋密度越大，其气相压降越大，湿床压降（D，E）明显高于干床压降（F）.而在超重力因子较大的情况下（A，B，C，β＝157），当气体流速小于1.5m／s时，液相喷淋密度越大，其气相压降越小，干床压降（C）高于湿床压降（A，B）.这可能是由于在超重力因子较大、气体流速较小时，液体的加入使填料表面润湿引起的气相阻力降低的程度在总气相压降中所占的比例较大引起的结果.液相喷淋密度对气相压降的影响随着气体流速的增大而增强，随着超重力因子的增加而减弱.

图4 气体流速对气相压降的影响Fig.4 Effect of gas velocity on pressure drop

3.3.2 超重力因子对气相压降的影响

不同操作参数下，超重力因子对于气相压降的影响规律如图5 所示.

从图5 中可以看出，除大气量、大液量的操作条件B外，在其它操作条件下，气相压降均随超重力因子的增加而显著增加，且基本呈线性关系.分析相同气体流速、不同液体喷淋密度的曲线可知，随着超重力因子的增加，液体喷淋密度对于气相压降的影响逐渐减弱.分析曲线B，在超重力因子较小、液量较大的操作条件下，进入旋转填料的液体没有及时被填料捕获而达到均匀分布的效果，可能造成液体局部淹沫填料层，从而使得气相压降明显增加，随着超重力因子的增加，在大于15 之后，这一现象得到克服.对于曲线B，C，D 与E，F，G 也可知，随着气体流速的增加，液体喷淋密度对于气相压降的影响变得显著.

图5 超重力因子对气相压降的影响Fig.5 Effect of super gravity factor on pressure drop

3.3.3 液体喷淋密度对气相压降的影响

不同操作参数下，液体喷淋密度对于气相压降的影响规律如图6 所示.

图6 液体喷淋密度对气相压降的影响Fig.6 Effect of liquid spray density on pressure drop

液体喷淋密度对于气相压降的影响并不明显，随着喷淋密度的增加，气相压降呈缓慢增大的趋势，但其影响程度随着气体流速的增加而增强，随着超重力因子的增强而减弱，这与研究气体流速与超重力因子对气相压降影响规律的分析结果表示出一致性.

3.4 气相压降模型参数的确定

3.4.1 静床压降Δps

经静床压降随气体流速的变化关系数据拟合，得到计算错流旋转填料床阻力系数的关系式，ζ＝26.2u-1.035.因此，错流旋转填料床的静床压降

3.4.2 旋转填料产生的离心压降Δpc

将实验得到的干床压降减去静床压降，可知转子旋转产生的压降基本与超重力因子呈线性关系，经拟合得

3.4.3 液体加入引起的压降ΔpL

将实验得到的湿床压降减去干床压降，得到液体加入引起的压降的数值.通过对试验数据的拟合，得到本试验范围内液体加入引起的压降ΔpL与液体喷淋密度q和气体流速u之间的经验关联式为

将式（5）～（7）代入式（4），可得到实验数据与模型拟合的压降的计算公式.

4 结论

1）错流旋转填料床的气相压降随气体流速和超重力因子的增加而显著增加；超重力因子对于气相压降的影响呈线性关系；液体喷淋密度的增加会造成气相压降的增加，但增加的程度随气体流速的增加而增加，随超重力因子的增强而减弱.

2）对错流旋转填料床的气相压降进行了模型化研究，经实验数据拟合，确定了压降模型的参数，得到计算气相压降的关联式，为超重力技术工程化应用时压降的计算提供了依据.

［1］Liu H S，Lin C C，Wu S C，et al.Characteristics of a rotating packed bed［J］.Ind.Eng.Chem.Res.，1996，35（1）：3590-3596.

［2］李振虎，郭锴，陈建铭，等.旋转填充床气相压降特性研究［J］.北京化工大学学报，1999，26（4）：5-10.Li Zhenhu，Guo Kai，Chen Jianming，et al.Research into characteristics of gas pressure drop of a rotating packed bed［J］.Journal of Beijing University of Chemical Technology，1999，26（4）：5-10.（in Chinese）

［3］Zheng Chong，Guo Kai，Feng Yuanding，et al.Pressure drop of centripetal gas flow through rotating beds［J］.Ind.Eng.Chem.Res.，2000，39（3）：829-834.

［4］Sandilya P，Rao D P，Sharma A.Gas-phase mass transfer in a centrifugal contactor［J］.American Chemical Society，2001，40（1）：384-392.

［5］Chandra A，Goswami P S，Rao D P.Characteristics of flow in a rotating packed bed（HIGEE）with split packing［J］.Ind.Eng.Chem.Res.，2005，44（11）：4051-4060.

［6］Lin C C，Jian G S.Characteristics of a rotating packed bed equipped with blade packings［J］.Separation and Purification Technology，2007，54：51-60.

［7］Hugo L C.Analysis of flow in rotating packed beds via CFD simulations-dry pressure drop and gas flow maldistribution［J］.Chemical Engineering Science，2009，64：2113-2126.

［8］Sung W D，Chen Y S.Characteristics of a rotating packed bed equipped with blade packings and baffles［J］.Separation and Purification Technology，2012，93：52-58.

［9］Guo Fen，Zheng Chong，Guo Kai.Hydrodynamics and mass transfer in cross-flow rotating packed bed［J］.Chemical Engineering Science，1997，52（21）：3853-3859.

［10］刘振河，刘有智，焦纬洲，等.错流旋转填料床气相压降的研究［J］.化学反应工程与工艺，2006，22（5）：451-456.Liu Zhenhe，Liu Youzhi，Jiao Weizhou，et al.Study on pressure drop in cross flow rotating packed bed［J］.Chemical Reaction Engineering and Technology，2006，22（5）：451-456.（in Chinese）

［11］刘有智，刘振河，康荣灿，等.错流旋转填料床气相压降特性［J］.化工学报，2007，58（4）：869-874.Liu Youzhi，Liu Zhenhe，Kang Rongcan，et al.Study on pressure drop in cross flow rotating packed bed［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering，2007，58（4）：869-874.（in Chinese）

［12］Lin C C，Chen B C.Characteristics of cross-flow rotating packed beds［J］.Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2008，14：322-327.

［13］刘有智.超重力化工过程与技术［M］.北京：国防工业出版社，2009.

［14］陈建峰.超重力技术及应用［M］.北京：化学工业出版社，2003.