底部挡板与进气位置对水力喷射空气旋流器传质性能的影响

徐飞，罗丹，全学军，邱发成，代明星

（重庆理工大学化学化工学院，重庆 400054）

液相射流在气流中的破碎雾化在工程上常用于减小液滴的雾化粒径，被广泛应用于航空发动机、液体火箭发动机、柴油发动机等各种机械系统 中[1-3]。利用射流雾化现象减小液滴尺寸、提高气液两相接触面积在化工领域也是强化传质过程的一种途径。水力喷射空气旋流器（water-sparged aerocyclone，WSA）即是利用液相射流在三维气相旋流场中的雾化现象，形成液体射流与气体旋流耦合场，同时又利用旋流场的静态超重力作用，实现强化气液传质和反应的过程。该类设备具有传质性能高、结构集成度高等特点，并已在废水脱氨、湿法烟气脱硫、含Cr(Ⅵ)废水处理等气液传质与反应方面取得了良好的效果[4-8]。

目前开发的WSA 以传统圆柱旋风分离器的结构为基础，其进气口位于旋流封头上，位置离液相射流与气体旋流耦合区域存在一定的轴向距离，并且WSA 工作时，主筒体底部会设置一定高度的液封来保证内部气流主要走向。为了对此两段区域的结构进行优化，本文通过废水脱氨传质实验，考察了进气口位置轴向下移以及主筒体底部挡板设置对WSA 气液传质性能的作用。

1 实验部分

1.1 水力喷射空气旋流器与实验装置

实验用WSA 以传统圆柱旋风分离器为基础，所有结构采用透明有机玻璃制作，其主要设计尺寸如下：主筒体内径D 设计为70mm，总长H≈4.28D，为300mm；中心排气管内径d1≈0.45D，为32mm，壁厚为 4mm，中心排气管插入主筒体深度h=0.7H[9]，为210mm；主筒体侧壁上开有射流喷孔，喷孔直径d2设计为2mm，喷孔采用正方形排列方式，孔间距取为15.6mm，其开孔区域占排气管插入深度的78%[10]。这样，主要结构参数为：喷孔共10 层，喷孔起始线距离主筒体顶部30mm，喷孔区域长度L 为140.4mm，每层沿筒体外壁均匀排布16个，总数为160 个；气相进口采用矩形直线切向进气方式，宽a=0.225D，为15.75mm，高b=0.45D，为31.5mm[11]；底流口内径d3为32mm。

为了对比研究进气口位置对WSA 内部气液传质性能的影响，实验采用了两套WSA 设备，结构如图1 所示。图1(a)中的WSA 矩形进气口上缘与第一排射流喷孔齐平，因进气口占据射流喷孔区域，喷孔总数为154 个；图1(b)中WSA 进气口设置于旋流封头上，两套装置旋流封头、底流口与主筒体均采用螺栓法兰连接。对于底部挡板的研究，实验采用了图1(a)中的WSA，并将挡板设置于底流口法兰盘上，挡板的设计采用搅拌槽中常用的标准挡板排列方式[12]，即宽度为D/10 挡板4 块，垂直于底部与内壁均匀排布，为保证挡板不因旋流流体冲击 而产生形变，挡板厚度设为3mm，如图2 所示。

图1 两种不同进气位置WSA 结构示意图

图2 挡板设置及安装示意图

实验装置由WSA、液体储槽、筛板式气液分离器、循环水泵、气泵、气体流量计、液体流量计、U 形压差计、阀门等组成，联接方式如图3 所示，液体储槽和气液分离器均由透明的有机玻璃制作 而成。

1.2 脱氨过程体积传质系数的计算

在吹脱过程中，当pH≥11 时，游离氨含量将达到99%以上，氨的电离平衡受温度的影响变得很小，可认为消除了电离平衡的影响，使得氨水吹脱过程主要受气液传质过程影响[13-14]。

在pH≥11 的情况下，脱氨过程中的体积传质系数可用式（1）进行计算[4，15]。

式中，c0(NH3-N)和ct(NH3-N)分别为水中初始和t 时刻的氨氮浓度，mg/L； KLa 为氨的体积传质系数，min-1；t 为吹脱时间，min。

在实验中，通过测定初始氨氮浓度与t 时刻氨氮浓度，并运用式（1）进行数据拟合即可得出吹脱氨过程中的体积传质系数KLa。

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

图3 WSA 结构与实验装置流程图示意图

1.3 实验方法

实验采用空气吹脱氨水的方式考察传质性能。原料为5.8L 初始氨氮浓度约为3500mg/L 的氨水溶液，并通过计算吹脱过程中OH-的理论消耗量和吹脱实验来确定整个吹脱过程为保持pH≥11 所加入的NaOH 溶液的量。进行实验时，首先将配制好的氨水溶液倒入液体储槽中，开启循环水泵，调节液体流速至预定值，使其稳定运行5min，并从液体储槽的取样口取初始样，然后打开风机调至预设的气速开始计时，进行废水吹脱氨的实验，并立即调节WSA 底部阀门，使WSA 底部形成高度约为40mm的液封，使得气体主要从中心排气管排出。实验采用间歇操作方式，分别采用不同结构的WSA 进行实验，单次实验进行60min，前30min 每隔5min取样一次，后30min 每隔10min 取样一次。废水样品采用纳氏试剂分光光度法在420nm 处进行氨氮浓度测定。实验设定初始水温为20℃，液体循环流量设定为1.5m3/h、2.0m3/h 和2.5m3/h，并在不同的进气速度下开展吹脱实验。实验环境温度通过使用装置附近的空调系统保持为20℃左右。相同条件的实验重复一次，所得结果取平均值。

2 实验结果与讨论

2.1 进气口位置对WSA 脱氨传质过程的影响

实验测得不同液相循环流量下两种进气口位置对WSA 内传质系数的影响，结果如图4 所示，内部气相压降结果如图5 所示。由图4 可知，在相同液相循环流量与进气速度下，进气口位置对于WSA传质性能几乎无影响。这说明，实验设计的两种进气口位置对WSA 内部的射流-旋流耦合作用影响不大。但由图5 可知，进气口位置对WSA 内气相压降有着明显影响，进气口轴向下移的WSA 气相压降均低于传统进气口位置的WSA，其数值相差10%以上。

图4 不同液相循环流量下进气口位置对WSA 内气液传质系数的影响

图5 不同液相循环流量下进气口位置对WSA 内气相压降的影响

WSA 内部气相压降主要来自于旋流场与器壁之间的摩擦损失和内部气相旋流场与液相射流场之间的耦合作用[16]，进气口位置的轴向移动对WSA内部液相射流场与气相旋流场耦合作用并无影响，即气相压降的降低主要是因为缩短了气相旋流沿WSA 轴向运动的距离，降低了气相旋流场与器壁的摩擦损失。

由于WSA 内部气液射旋流耦合作用会使液相从射流表面上剥落，并卷入气相旋流中，且部分液相由于未能越过WSA 内轴向零速包络面，会随着气体运动从中心排气管带出[17]。因此WSA 的液相回流比（RL=Q1/Q，Q1为从中心排气管经气液分离器回流入储液槽中的液相流量，Q 为进入WSA 的液相流量）也能间接反应WSA 内气液两相耦合作用的状态。两种进气口结构的WSA 内回流比测得的结果如图6 所示。可以看出，进气口位置的改变对回流比的影响较小，都表现出了相同的规律：在较高液体循环流量下，液相回流量随着进气速度的提升而变大；在低循环流量下，随着气速的升高，两种结构下的液相回流比都有明显下降的趋势，这是由于低液相循环流量下形成了贴壁雾化现象，液相通过射流喷孔进入WSA 中时，在强烈的气相旋流场作用下，大部分液相被压在了主筒体内壁上，最终从底流口流出，只有少部分液相被卷进气相从中心排气管中排出，此时的液相射流流型呈现贴壁 雾化旋线射流，气液两相间有效传质比表面积 减小[18]。

2.2 底部挡板对WSA 脱氨传质过程的影响

实验测得不同液相循环流量下底部挡板对WSA 内传质系数和气相压降的影响，结果如图7和图8 所示。由图7 与图8 可以看出，在较高液相流量下（2.0m3/h 和2.5m3/h），挡板的加入对WSA的体积传质系数和气相压降没有明显的影响；但在较低液相流量下（如1.5m3/h），随着气速的增加，底部挡板对体积传质系数有着明显的提升作用，在实验范围内其数值最大提高了13%，气相压降在各个气速下也均有一定的提升，其数值提高了6%～10%。这可能是由于挡板的加入增强了WSA 内气液两相的相互作用的结果。

实验所测回流比结果如图8 所示。由图8 可知，在较高液相循环流量条件下，底部挡板对回流比影响较小；但在低液相循环流量下，挡板的加入使得回流比在各个气速下均有提升，说明挡板的加入改变了WSA 内气液两相作用状态，并使轴向速度向上的气相旋流中被卷入了更多液相。这主要是由于在较低液相循环流量下，大量的贴壁雾化使得液封处的液体大部分贴着主筒体内壁运动，液封液面在轴心处向下凹陷，形成气相空腔，挡板的加入则限制了液封旋流处的切向速度，增加了轴向速度与径向速度分量，即原有的旋转运动转变为垂直翻滚运动[19]，这不仅使液封表面气液两相接触面积更新速度加快，也使漩涡中心凹陷处部分气相被卷入液相内部，产生大量气泡，使得气液两相重新混合，提高了相间传质比表面积，从而提高了传质性能，并且液体剧烈的翻滚运动与气泡的产生，使得液封表面失稳程度加剧，液体更容易被上升旋流场剥离、抽出，导致液相回流比升高；在较高液相循环流量下，由于射流动能较大，有部分液相射流能够到达中心排气管表面并向下运动，最后汇合于液封表面。这种高液相射流和高进口气速作用下的传质主要发生在WSA 的射流-旋流耦合部分，因此，底部挡板对两相传质和液相回流比的影响不太显著。

图6 两种进气结构WSA 的液相回流比

图7 不同液相循环流量下底部挡板对WSA 内气液传质系数的影响

图8 不同液相循环流量下底部挡板对WSA 内气相压降的影响

图9 两种底部结构WSA 的液相回流比

3 结 论

本文通过吹脱氨传质实验，研究了进气口位置与底部挡板对水力喷射空气旋流器（WSA）传质过程的影响。结果表明，气相进口沿轴向下移不能提高WSA 内气液传质性能，但能够有效降低其内部的气相压降，其数值约为10%。在WSA 主筒体底部液封区域设置挡板，可以提高在低液相流量下WSA 内的气液传质效果，且随进气速的增加效果越显著，在实验范围内其数值最大提高约为13%。

符 号 说 明

a——WSA 矩形进气口宽度，mm

c0(NH3-N) ——水中初始氨氮浓度，mg/L

ct(NH3-N) ——水中t 时刻氨氮浓度，mg/L

D——WSA 主筒体内径，mm

d1——中心排气管内径，mm

d2——液相射流喷孔直径，mm

d3——WSA 底流口直径，mm

H——WSA 主筒体高度，mm

h——中心排气管插入深度，mm

KLa——氨的体积传质系数，min-1

L——喷孔区域长度，mm

t——废水吹脱时间，min

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