并流降膜式多管湿壁塔的质量传递特性

彭健，杨振，张登峰

（昆明理工大学，云南昆明650500）

并流降膜式多管湿壁塔的质量传递特性

彭健，杨振，张登峰

（昆明理工大学，云南昆明650500）

在内径为0.1 m，由38根内径为8 mm，外径为10 mm，高120 mm陶瓷管组成的多管湿壁塔中，采用SO2/NaOH和CO2/H2O系统，研究了20℃的气液传质速率。实验结果表明，液相雷诺数在ReL在55～165之间，气相雷诺数ReG在360～2 000之间，液相舍伍德数分别与ReG的0.662次方和ReL的0.851次方成正比；气相舍伍德数分别与ReG的1.103ReL的0.226次方成正比。

湿壁塔；质量传递；传质系数；化学吸收

化学吸收是化工中的重要分离过程，经常用于气体混合物的分离。湿壁塔由于具有良好的传质效果和相对已知的气液接触面积而受到重视，已广泛应用于吸收、解吸、蒸发、冷却和冷凝化等工业操作中。湿壁塔应用于吸收操作时，液体沿管束壁面下降形成薄膜，由于液体停留时间短，适合瞬时、快速的气液反应[1]。大多数对湿壁塔的质量传递特性研究都集中在单管[2,3]，对降膜式多管湿壁塔的质量传递研究较少，本文以多根陶瓷管组成的降膜式湿壁塔为例，对其质量传递性能研究。

1 理论分析

1.1 传质经验方程

由因次分析方法并结合边界层理论，传质系数可以整理为无因次表达式[4]：

式中：k、α、β、γ为由实验确定的常数，其中γ的值由文献[5,6]可以确定为0.5。

1.2 传质系数的实验测定方法

二氧化硫气相传质系数kg,SO2可以通过吸收SO2到0.5mol/L的氢氧化钠溶液中[7]，此时液相传质阻力可以忽略，由式(2)[8]可以算出气相传质系数：

液相传质系数2,SOlk通过用水来吸收10%的CO2来测量，由于CO2在水中的溶解度较低使得气相传质阻力可以忽略。用公式(3)来计算：

计算出的结果为二氧化碳的液相传质系数，而二氧化硫的液相传质系数需要经过下式修正[10]：

DSL，DCL可由Wilke-Chang公式[11]计算：

对平均液膜的厚度δ，当ReL＜20～40时，可以Nusselt[1]公式计算：

在拟层流区（40＜ReL＜1200），可根据Kapitsa修正方程[1]计算：

这里，液相雷诺准数ReL，单位降膜管边缘液流强度Γ按下式计算：

气相雷诺准数为：

2 实验

建立降膜式多管湿壁塔实验装置如图1所示。

图1 湿壁塔吸收实验装置图Fig.1 Absorption experiments of wetted-wall column1—风机；2—SO2气体钢瓶；3—高位槽；4—转子流量计；5—湿壁塔；6—CO2气体钢瓶；7—吸收液槽；8—检测设备；9-缓冲罐

吸收塔内采用陶瓷管状填料，陶瓷管外径10 mm，内径为8 mm，共38根。吸收塔内径为0.1 m，塔高为1.6 m，填料高度为1.2 m，吸收塔材质为有机玻璃。吸收过程在常压下进行，气液并流操作。

3 结果与讨论

3.1 液相传质经验方程

在温度为(20±2)℃，用水来吸收10%的CO2，保持一定的气相流量，改变液体的流量分别为50、75、100、125、150 L/h时，测量进出口处CO2的浓度，由式（3）、（6）得出吸收SO2的液相传质系数，实验数据和拟合数据的比较如图2所示。实验数据与计算值的平均误差小于9.8%，经过对实验数据的回归处理，得到液相传质的准数关联式为：

图2 液相传质系数数据与拟合数据的比较Fig.2 Comparison of liquid mass transfer coefficient data compared with fitted correlation

3.2 气相传质经验方程

图3 气相传质系数数据与拟合数据的比较Fig.3 Comparison of gas mass transfer coefficient data compared with fitted correlation

在温度为(20±2)℃，入口SO2浓度为2 000 mg/m3，氢氧化钠的浓度为0.5 mol/L的条件下，保持一定的液相流量，改变空塔截面气速分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s时，测量吸收塔烟气入口和出口的SO2浓度，由式（2）计算气相传质系数。图3为实验数据与拟合直线的比较，二者的平均误差小于7%，经过对数据的处理得到气相传质准数关联式为：

4 结论

在降膜式多管湿壁塔中，采用了SO2/NaOH和CO2/H2O反应系统，测定了气相和液相的传质系数，得到了气相和液相的传质经验方程如下：

符号说明：cSO2,in—进口处SO2浓度，mg/m3;

cSO2,out—出口处SO2浓度，mg/m3;

cl,i—相界面液膜处CO2浓度;

cl,in—进口处CO2浓度，mg/m3;

cl,out—出口处SO2浓度，mg/m3;

d—降膜管内径，m；

DSLSO2—在水中的扩散系数，m2/s;

DCLCO2—在水中的扩散系数，m2/s;

DAB(l)—无限稀释下溶质的扩散系数，m2·s-1;

G—气体流量，m3/s;

h—降膜管高度，m;

L—液体流量，m3/s;

MB—溶剂B分子量;

n—降膜管根数;

QL—吸收液流量，kg·s-1;

R—降膜管半径，m;

VA—溶质在常压下沸点时的分子体积，m3·kmol-1;

δ—液膜厚度，m;

μG—气体粘度，Pa·s;

uG—气体流速，m/s;

Φ—溶剂的缔合参数，其中水为2.6;

μ—溶液粘度，Pa·s;

［1］张成芳.气液反应和反应器[M].北京:化学出版社,1985.

［2］林诚,王长泰,唐凤翔,等.并流降膜塔液相传质系数实验研究[J].化学工程,1997,25(2）:17-20.

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海默拉特投资新建汽车涂料生产基地

海默拉特汽车涂料(吉林)有限公司投资新建年产1万吨汽车涂料项目。据悉，项目在吉林市吉林经济技术开发区，项目建成后生产规模为水性中涂漆4000吨/年、水性色漆3000吨/年、清漆3000吨/年。

记者注意到，在2015年的时候，世界知名汽车涂料企业德国海默拉特(Hemmelrath)，中国区总代理海默拉特国际贸易(上海)有限公司人员前往吉林市吉林经济技术开发区考察。当时，德国海默拉特与吉林经济技术开发区就年产5000吨水性汽车涂料项目达成了意向性协议。

据悉，项目投产后预计可实现销售收入1.5亿元，利润6000万元。这也是德国海默拉特在中国投资的首个汽车涂料研发中心及生产基地项目。也意味着德国海默拉特正式加入中国市场。

2016年8月，经过多轮磋商谈判，德国海默拉特与吉林经开区管委会共同签署了年产1万吨汽车涂料项目的投资协议。该项目规划占地面积2.6万平方米，采用德国海默拉特公司先进技术，计划总投资1.04亿元。项目达产后，预计可实现产值1亿元，利润3500万元。

德国海默拉特(Hemmelrath LACKFABRIK)，主要从事水性汽车涂料的研发、生产和服务，为全球汽车工业领域的市场领导者。为全球40多个汽车工厂和超过700万辆汽车提供涂装Hemmelrath的产品。该公司在美国、俄罗斯、德国、西班牙、巴西、南非、中国7个国家设立公司，目前总产能25000吨，主要为宝马、大众、奥迪、沃尔沃、保时捷等高档车型配套。2014年销售额为20亿元。

Mass Transfer Characteristics of Parallel-flow Falling Film Multitubular Tower

PENG Jian,YANG Zhen,ZHANG Deng-feng
（Kunming University of Science and Technology,Yunnan Kunmig 650500,China）

In a 0.1m inner diameter wetted wall column with 38 ceramic tubes with inner diameter of 8 mm and outer diameter of 10 mm,the gas and liquid mass transfer rate was studied by using SO2/NaOH and CO2/H2O systems at 20℃.Experimental results show that,when liquid phase Reynolds number is from 55 to 165 and gas phase Reynolds number is in the range from 360 to 2 000,liquid phase Sherwood number is proportionate to ReG's 0.662 power and ReL's 0.851 power,respectively;gas phase Sherwood number is proportionate to ReG's 1.103 power and ReL's 0.226 power.

Wetted-wall column;Mass transfer;Mass transfer coefficient;Chemical absorption

TQ 018

A

1671-0460（2017）03-0550-03

人才引进项目（省级），项目号：：kksy201305110。

2016-11-06

彭健（1976-），男，吉林省榆树市人，讲师，博士，2012年毕业于四川大学化学工程专业专业，研究方向：烟气脱硫脱硝。E-mail：jianp2004@163.com。