不同规整填料旋转床的传质性能对比

郭强，祁贵生，刘有智，董梅英，宋彬，王探

（中北大学超重力化工过程山西省重点实验室，山西省超重力化工工程技术研究中心，山西 太原 030051）



不同规整填料旋转床的传质性能对比

郭强，祁贵生，刘有智，董梅英，宋彬，王探

（中北大学超重力化工过程山西省重点实验室，山西省超重力化工工程技术研究中心，山西 太原 030051）

摘要：采用Na2CO3-H2S为体系，利用规整丝网填料和新型塑料填料的错流旋转床为吸收设备，探究了两种填料床的传质性能，通过理论推导气液传质系数Ky和Kya的表达式，考察了液量、气液比、超重力因子对脱硫率、Ky和Kya的影响。实验结果表明：在相同条件下，规整丝网填料床的脱硫率略高于新型塑料填料床，约为3%～4%，但Ky、Kya和压降分别是新型塑料填料床的0.25～0.5、0.8～0.9和0.3～0.5倍。通过文献对比分析，在相近工况条件下，新型塑料填料床的Kya比散装丝网填料床提高了1.45倍。并对实验数据进行回归，拟合出Ky、Kya与气相雷诺数ReG、液相韦伯数WeL和伽利略数Ga之间的关联式。

关键词：旋转填料床；填料；脱硫率；气相传质系数

超重力旋转填料床在强化相间传质、反应及微观混合过程方面较为有效，广泛应用于气液吸收过程中[1-3]。而填料是超重力旋转床的一个重要组成部分，是物系进行传质的主要场所。随着超重力技术的发展，目前填料向着传质速率高、气相压降小、动平衡性能高、通量大、安装维修方便等方向努力[4-6]。其中规整填料优势明显，在工业中得到了广泛的应用。

目前，规整填料的研究主要集中在金属丝网规整填料、塑料多孔板填料、不锈钢多孔波纹板填料和同心环波纹板填料。金属丝网填料因其比表面积大（2000～5000m−1），空隙率高（90%～95%），得到了研究者的大量研究[7]。康荣灿等[8]以CO2-NaOH为体系，对不同高度、形状不锈钢金属填料的错流旋转填料床进行了传质性能的研究，结果表明波纹丝状填料床的传质系数大于片状网状平直填料床，这表明丝状填料床更有助于气液传质。祁贵生等[9]研究了3种填料的旋转填料床的气液传质性能，在相同条件下，不锈钢丝网床的气相总传质系数要大于塑料孔板和θ环填料床，且规整填料床气液传质效果优于乱堆填料床。从学者研究可知，虽然丝网填料具有比表面积和空隙率高的优势，但气相阻力大，质量周向分布均匀性差，动平衡不易解决。基于这种劣势，本实验室开发了一种新型塑料填料，该填料是由特殊材质、小填料环组成的规整填料，具有较大的流通面积，可以解决丝网填料的不足，本文以Na2CO3-H2S为吸收体系，对两种填料床的传质性能进行对比。

1 实验部分

1.1 气相传质系数Ky和Kya的计算

Na2CO3吸收H2S的过程中，气相传质阻力起主导作用，因此，气相传质系数能表征吸收传质强度。传统气相传质系数[10-11]的测定主要是应用溶质相间传质速率方程和物料衡算得出气相体积传质系数Kya，根据有效传质比表面积a，求出气相传质系数Ky。该法没有考虑物系参数对Ky的影响，本实验根据实验体系和设备参数，详细推导了Ky的表达式，通过测定Ky和Kya表征传质效果。

对H2S物料衡算：

其中传质速率NA见式(2)。

将式(2)代入式(1)，两边积分

在相界面上气液两相互成平衡，没有游离的H2S在液相中存在，H2S在相界面的浓度可视为0，因此与H2S平衡的气相中摩尔分数ye=0，可得式(3)。

将脱硫率代入式(3)，得式(4)。

其中，有效比表面积a[12]如式(5)。

式中，af为干填料的比表面积；Ht为持液量；σ为液膜厚度；

持液量[13]Ht如式(6)。

根据化工物性算图册知道，在27℃，Na2CO3的质量分数为5%时，Na2CO3的密度为1032kg/m3，黏度为5.5mPa·s，代入式(6)，得式(7)。

持液量其中液膜厚度[14]如式(8)。

将式(7)、式(9)代入式(5)，得式(10)。

将式(10)代入式(4)中，得到气相传质系数的表达式(11)。 (11)

在计算得到气相传质系数Ky后，结合前面化学吸收计算所得有效传质比表面积a，即可以得到气相体积传质系数Kya。

1.2 实验方法

本实验选用的旋转填料床为错流结构，填料为规整丝网填料和新型塑料填料，其规格参数如表1；处理对象为H2S模拟气体，其中H2S含量在2500mg/m3左右；脱硫过程中碱源为Na2CO3，碱含量WNa2CO3浓度为6～14g/L；实验过程中操作参数为持液量保持在0.21%～0.43%；液体流量0.3～0.9m3/h；超重力因子为33～300；气液比为400～1600。

表1 填料的特征参数表

利用U形压差计测量旋转填料床的压降；进口气相中H2S含量采用化学碘量法测定，出口H2S浓度用德尔格Pac 7000便携式检测仪测定。脱硫率η的定义为=(c1− c2)/ c1× 100 %，式中c1、c2分别为脱硫前、后气体中H2S体积分数。

1.3 实验流程

实验采用同一错流旋转床，通过更换相同规格的规整丝网填料和新型塑料填料进行试验，测定进、出口浓度，计算其脱硫率，利用式(11)，根据实验参数求得气相传质系数Ky和Kya，同时，测定两种填料床的压降，以此表明填料的流通量和堵塞状况。最后，关联得出气相传质系数的关联式，得出不同填料下Ky和Kya的通用式。

实验流程如图1所示，来自罗茨风机的空气和储气罐的H2S分别经气体流量计计量后均匀混合进入旋转填料床，在压差的作用下，沿径向向内运动。储液槽中的Na2CO3溶液在液泵的作用下经过液体流量计后，通过转子中心的液体分布器均匀喷到填料环内侧，在离心力作用下沿径向向外运动。在高速旋转的填料作用下，被分散形成的液滴、液丝、液膜与被剪切的气体进行错流接触并进行传质。最后气体从出气口经吸收槽后排出，液体经液封后从液体出口排到储液槽。

图1 旋转填料床吸收性能实验流程1—罗茨风机；2—H2S罐；3—错流旋转填料床；4—U形压差计；5—吸收槽；6—液封装置；7—碱液槽；8—离心泵

2 实验结果与讨论

2.1 液量对脱硫率、Ky和Kya的影响

在超重力因子、气量、碱含量等工艺条件相同的条件下，考察液量对丝网填料、新型塑料填料旋转床脱硫率的影响，其中旋转床超重力因子为208，气量为310m3/h，Na2CO3溶液的质量分数为3%～5%。液量对脱硫率的影响如图2所示，脱硫率随液体流量增大而增大，在液量超过0.65m3/h后，脱硫率随液体流量增大趋势减缓，这是由于液量增加，填料的润湿面积、液滴在填料上的更新速度变大，伴随着转子的转动，液体分散成许多小液滴，使得脱硫液与H2S气体充分接触，增大了吸收推动力，增强了传质效率。但液量过大时，填料上的液膜层变厚，使得气液的停留时间变短，脱硫率达到极限，不会随之增加。

图2 液量对脱硫率的影响

根据脱硫率和操作参数，由式(11)求得气相传质系数Ky和Kya，由图3可知，Ky和Kya随液量的增加也呈上升趋势，这是因为Na2CO3吸收H2S属于气膜控制过程，吸收阻力几乎全部集中于气相，提高吸收剂Na2CO3的用量，加大了H2S气体的溶解速率，使Ky和Kya增大，平均推动力减小，但总的结果是传质速率增加，所以Ky随液量增加而增大。

图3 液量对Ky和Kya的影响

通过对比新型塑料填料和金属丝网填料对脱硫率的影响可知，在相同条件下，丝网填料比新型塑料填料的脱硫率略高。分析结果可知，由于丝网填料的通量、孔隙率都大于新型塑料填料，液体能更多地穿过填料层，在高速旋转的填料上形成薄液膜，使得填料的润湿面积增大，由此使得传质效率增强。但是在实验运行一段时间后，发现丝网填料出现腐蚀现象，吸收效果明显下降，而新型塑料填料由于其独特的材质，运行一段时间后并没有发现破损现象。

2.2 超重力因子对脱硫率、Ky和Kya的影响

在液量、气液比、碱含量等工艺条件相同的条件下，考察超重力因子对丝网填料、新型塑料填料旋转床的脱硫率和气相传质系数的影响，其中液量为0.57m3/h，气液比为560，Na2CO3水溶液的质量分数为3%～5%。

超重力因子对脱硫率的影响如图4所示：脱硫率随着超重力因子的增大而增大，当超重力因子大于134时，其增加趋势不再明显。这是由于随着超重力因子的增加，液体在剪切力的作用下分割为小的液滴、液膜，增大了气液的接触面积，减小了吸收阻力，同时气液两相的相对运动速度也提高，加强了传质效率，由此提高了脱硫率。但是随着超重力因子的继续增大，液体分割的小液滴不再变化，脱硫率的增长缓慢。Ky和Kya随超重力因子的增加而呈现上升趋势，超重力因子的增加，使吸收过程中液膜阻力减小，气膜阻力增大，Ky和Kya变大。由图4、图5还可知，在超重力因子相同的条件下，新型塑料填料床与丝网填料床的脱硫率相差不大，都能满足工业要求，但新型塑料填料床的Kya略高于丝网填料床。同时，实验比较了不同气液比下，新型塑料填料床的超重力因子对脱硫率和Ky和Kya的影响，随着气液比的增大，脱硫率减小，而Ky和Kya升高。

图4 超重力因子对脱硫率的影响

图5 超重力因子对Ky和Kya的影响

2.3 气液比对脱硫率、Ky和Kya的影响

在液量、超重力因子、碱含量等工艺条件相同的条件下，考察气液比对丝网填料、新型塑料填料床的脱硫率和气相传质系数的影响，其中液量为0.57m3/h，超重力因子为134，持液量为0.31%，Na2CO3水溶液的质量分数为3%～5%。气液比对脱硫率、Ky和Kya的影响如图6、图7所示：脱硫率随气液比增大而减小，Ky和Kya随气液比的增加总体呈上升趋势。在碱液一定的情况下，低气液比气体经过填料床时，气液两相充分接触，H2S几乎全部被碱液吸收，脱硫率可达97%以上，随气液比增加，而碱液的处理量有限，脱硫率呈现下降趋势。气液比的增大使气量和气速增加，加快了相界面更新速率，增大了相接触面积，从而使浓度差变大，进而增强了传质推动力，使Ky和Kya增大。

图6 气液比对脱硫率的影响

图7 气液比对Ky和Kya的影响

2.4 两种不同填料的压降对比

在相同工艺条件下，考察了气液比、超重力因子、液量对两种规整填料的压降大小，由图8、图9、图10可看出，在相同操作条件下，丝网填料床的压降远大于新型塑料填料床的压降，说明在丝网填料床中气体通过填料受到的阻力比较大。运行一段时间后，发现丝网填料床有堵塞、腐蚀现象。因此，新型塑料填料具有优越的工业应用前景。

2.5 与文献结果对比

图8 气液比对压降的影响

图9 超重力因子对压降的影响

图10 液量对压降的影响

文献[15]采用错流旋转填料床脱除H2S时，所使用填料为散装丝网填料，液量为40L/h，气量为3.5m3/h，Na2CO3浓度为12g/L，超重力因子为57。在该条件下，所测Kya为0.6084s−1，为了与文献中气相传质系数对比，在该操作条件下进行了规整丝网填料床和新型塑料填料床的实验，其Kya分别为0.808s−1、0.8823s−1。通过对比可知，规整丝网填料床比散装丝网填料床的Kya提高了1.32倍，新型塑料填料床比规整丝网填料床的Kya提高了1.1倍。

2.6 气相传质系数Ky的关联

由文献[10]可知，气相传质系数Ky除与G、L 和β有关外，还与填料结构本身、填料床结构和所选物系等有关。对于非润湿相（即H2S气体）用气相雷诺数ReG来反映所选物系、填料及旋转床结构的影响，如式(13)。

式中，de为转子的当量直径[de=4×流通截面积/润湿周边=0.12m，流通截面积为转子平均截面积（0.011m2），润湿周边为转子平均润湿周边长(0.376m)]；uG为转子中的气体流速，m/s；ρG为气体密度kg/m3；µG为气体黏度（Pa·s）。

对于润湿相（Na2CO3溶液），引进液相韦伯数和伽利略数反映液体流量L、超重力场、表面张力F和反应物系等对气液传质过程的影响[16]，如式(14)、式(15)。

式中，uL为转子中的液体流速，kg/(m2·s)；ρL为液体密度，kg/m3；a为填料比表面积，m2/m3；F为表面张力，N/m；g为重力加速度，m/s2；l为填料特性尺寸（即填料环厚度）；µL为液体黏度，Pa·s。

通过对实验数据的拟合，得到丝网填料床和新型塑料填料床的气相传质系数Ky与ReG、WeL和Ga的关联式，如式(16)～式(19)。

丝网填料床

新型塑料填料床

由式(16)～式(19)所得关联式的相关系数R2分别为0.994、0.9801、0.984和0.9857，拟合度和相关性都良好。

3 结 论

以错流旋转填料床对Na2CO3-H2S体系进行化学吸收，考察了超重力因子、液量和气液比对脱硫率η、Ky和Kya的影响，并考察了两种填料床的压降性能，通过比较丝网填料床和新型塑料填料床的传质效果和压降，得出如下结论。

（1）脱硫率随着超重力因子、液量的增大而增大，随气液比的增大而减小；Ky和Kya随超重力因子、液量、气液比的增大而增大。

（2）在相同条件下，规整丝网填料床的脱硫率略高于新型塑料填料床，约为3%～4%，Ky、Kya和压降是新型塑料填料床的0.25～0.5、0.8～0.9和0.3～0.5倍。

（3）规整丝网填料床比文献中的散装丝网填料床的Kya提高了1.32倍，新型塑料填料床比规整丝网填料床的Kya提高了1.1倍，有效地提高了传质效果。

（4）在相同条件下，测定了两种规整填料床的压降，新型塑料床的压降明显小于丝网填料床，是丝网填料床压降的0.2～0.4倍。说明新型填料床气相阻力小，不易堵塞，具有一定的工业应用性。

符 号 说 明

a —— 填料比表面积，m2/m3

af—— 干填料比表面积，m2/m3

de—— 转子的当量直径，m

F—— 表面张力，N/m

G —— 气体流量，m3/h

Ga—— 伽利略数

H —— 填料高度，m

Ht—— 持液量

Ky—— 气相传质系数，m/s

L—— 液体通量，m3/m2·s

l—— 填料特性尺寸，m

R—— 填料半径，m

ReG—— 气相雷诺数

r1—— 填料内径，m

r2—— 填料外径，m

uG—— 转子中的气体流速，m/s

uL—— 转子中的液体流速，kg/(m2·s)

v—— 液体流量，m3/h

WeL—— 液相韦伯数

y —— 气相主体中硫化氢浓度，mg/m3

y1—— 进口硫化氢浓度，mg/m3

y2—— 出口硫化氢浓度，mg/m3

ye—— 界面处硫化氢浓度，mg/m3

µG—— 气体黏度，Pa·s

ω—— 角速度，rad/s

σ—— 液膜厚度，m

ρG—— 气体密度，kg/m3

ρL—— 液体密度，kg/m3

µL—— 液体黏度，Pa·s

参 考 文 献

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·技术信息·

浙江丰利公司“超微粉碎设备”通过浙江名牌产品复评

日前，国家高新技术企业浙江丰利粉碎设备有限公司的FLFS牌“超微粉碎设备”再次通过浙江名牌战略推进委员会“浙江名牌产品”复评，有效期至2017年12月。连续五届获此殊荣，这在我国粉碎设备界仅此一家。

据悉，浙江名牌产品是指质量达到国际或国内同类产品先进水平、在省内同类产品中处于领先地位、市场占有率和知名度居行业前列、用户满意度高、具有较强市场竞争力的产品。浙江丰利公司的超微粉碎设备2002年首获浙江名牌产品称号，实现了我国粉体设备行业名牌零的突破。

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2014年，工业和信息化部、科技部和环境保护部三部委联合发布了《国家鼓励发展的重大环保技术装备目录（2014年版）》的通告，浙江丰利公司开发的“废塑料复合材料回收处理成套装备”入选该《目录》。最近，浙江省经济和信息化委员会发布了《浙江省高端装备制造业发展重点领域（2015）》的通知，浙江丰利公司研发的“废塑料复合材料回收处理成套设备及综合利用技术装备”入选其中。

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综述与专论

Comparative study of mass transfer performance of different structured packings in rotating packed bed

GUO Qiang，QI Guisheng，LIU Youzhi，DONG Meiying，SONG Bin，WANG Tan
（Research Center of Shanxi Province for High Gravity Chemical Engineering and Technology，Shanxi Province Key Laboratory of Higee-oriented Chemical Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

Abstract：Mass transfer performance of cross-current rotating packing bed with metallic wire structured packing and novel plastic structured packing respectively was investigated using Na2CO3-H2S as absorption system. The effects of liquid flow，gas-liquid ratio，and high-gravity factor on desulfurization rate and gas phase mass transfer coefficient were studied by theoretical derivation of expressions of gas-liquid mass transfer coefficients Kyand Kya. Desulfurization rate of wire packing bed was 3%—4% higher than novel plastic packing bed under the same conditions，but Ky，Kya and pressure drop were 0.25—0.5、0.8—0.9 and 0.3—0.5 times of novel plastic packing bed. Kya of novel plastic packing bed was 1.45 times higher than that of bulk wire packing bed under similar working condition. Correlation of Ky，Kya and gas phase Reynolds numbers ReG，liquid phase Weber number WeL，Galileo number Ga was obtained by regression of experiment data.

Key words：rotating packed bed; fillers; desulfurization rate; gas overall mass transfer coefficient

基金项目：国家自然科学基金（21376229）、山西省科技攻关计划（工业）（20130321035-02）及山西省高等学校科技创新项目（2013128）。

收稿日期：2015-08-11；修改稿日期：2015-09-18。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.014

中图分类号：TQ 202

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）03–0741–07

第一作者：郭强（1988—），男，硕士研究生。E-mail zbdxgq@163.com。

联系人：祁贵生，教授。E-mail zbdxggs@126.com。