新型径向叶片式旋转床传质性能研究

2019-02-14王广全陆佳冬张启亮蔡杨其计建炳

石油化工 2019年1期

郑斌，王广全，陆佳冬，张启亮，蔡杨其，计建炳

（浙江工业大学化学工程学院，浙江杭州 310014）

在常见的化工单元操作中气液两相间的传质是普遍存在的过程，若两相间的浓度差一定，两相的接触面积、相界面处的湍动强度及两相的相对速度等成为影响相间质量传递的重要因素，但这些因素均受控于外场，因此外场的强弱是影响相间传质速率的关键［1］。传统的传质设备通常置于重力场中，由于重力场强度较小且无法改变，限制了相间传质速率的提高。超重力旋转床是20世纪80年代初发展起来的一种新型气液传质设备［2］，该设备利用旋转产生的可调节离心力场代替重力场来实现气液间的传质过程，可使相间传质系数比传统传质设备提高1～2个数量级［3］。目前超重力技术已用于原油的采集［4］、石油的脱蜡［5］、油品的脱硫［6］及油田注水脱氧［7］等石油化工领域。传统的传质设备主要是填料塔和板式塔，因此旋转床也可分为填料式和板式两种。填料式旋转床由英国帝国化学公司于1979年提出，已用于吸收、解吸、萃取和反应等过程［8］。折流式旋转床［9］属于板式旋转床，由浙江工业大学于2000年提出，目前已在化工、制药等行业的精馏过程中得到了广泛应用。但折流式旋转床存在功耗大、压降高等问题［10-12］，需进一步进行研究。

本工作设计了一种新型的径向叶片式旋转床，利用乙醇胺-二氧化碳（MEA-CO2）物系的化学吸收过程，研究了表观气速、液体喷淋密度和转速对其传质性能的影响，并将其与其他不同结构的旋转床进行了对比。

1 实验部分

1.1 传质模型

在新型径向叶片式旋转床中，气液以逆流的方式在转子中进行接触。取转子任意半径r处的微元宽度做物料衡算，则微元体积与微元宽度的关系见式（1）。

在转子的微元体积内，有效气液相面积为adV，则单位时间内从气相传质到液相溶质的质量为NAadV。根据质量守恒定律得式（2）。

由于MEA吸收CO2是在液膜内进行的快速反应，则对式（2）积分并整理得气相总体积传质系数，见式（3）。

1.2 实验装置

新型径向叶片式旋转床的结构见图1和图2。

图1 新型径向叶片式旋转床结构Fig.1 Structure of a novel rotating bed with radial blades（rotator Ⅰ ）.

图2 新型径向叶片式旋转床转子结构Fig.2 Structure for rotor of a novel rotating bed with radial blades.

该旋转床主要由外壳（直径450 mm，高160 mm）、转子（内径100 mm，外径280 mm）、转轴以及液体分布器组成。其中，转子由静止和转动两部分组成。静止部分主要是与壳体固定连接的静盘，为了防止气体短路，在静盘内缘和外缘处分别设置了圆形挡板。转动部分包括环形动盘和若干径向叶片，动盘的内径为100 mm、外径为280 mm、叶片的高度为50 mm，在圆盘的周向上间隔30°均匀分布，每块叶片在轴向上开有4组小孔（孔径为2 mm，孔间距为3 mm），每组包括2列正三角形排列的孔。由于液体在从转子内缘向外缘移动的过程中速度逐渐变大，则转子内缘向外缘相邻两组小孔间的距离也逐渐增大。转子的中心处安装一圆柱形液体分布器，液体分布器圆周纵向上均匀地开有6组小孔（孔径1 mm），每组具有6个小孔。

为了全面考察新型径向叶片式旋转床的传质性能，本工作将径向叶片式旋转床与其他类型的旋转床进行对比。上述径向叶片式旋转床为转子Ⅰ。转子Ⅱ为填料叶片复合式旋转床（图3），它的结构是在转子I的叶片间装填金属矩鞍环填料，并加装了金属网孔罩，网孔孔径为2 mm。转子Ⅲ为折流式旋转床（图4），它的转子内径为118 mm，外径为278 mm，包含9个动圈和10个静圈，高度分别为41 mm和37 mm。转子Ⅲ内的气、液相流动情况可参见文献［5］，转子Ⅰ和转子Ⅱ内气、液相流动情况类似。

图3 填料叶片复合式旋转床Fig.3 Combined rotating bed with blade and packing（rotator Ⅱ ）.

图4 折流式旋转床Fig.4 Rotating zigzag bed（rotator Ⅲ ）.

实验中液体从分布器喷射进入转子，在离心力的作用下，沿转子的内缘向外缘流动。当液体流到第一组小孔时，被小孔分散成液滴和液丝，并被甩向下一块叶片，在该叶片上聚集并继续向叶片外缘流动，然后在下一组小孔处再次被分散，因此液体以分散—聚集—分散的方式流经转子，最终离开旋转床。气体从进口管切向引入旋转床外腔，在压差的作用下，通过叶片区进入旋转床内腔，最终离开旋转床。转子内气液流动路径如图5所示。

1.3 实验流程及方法

本工作利用MEA-CO2的化学吸收过程对新型径向叶片式旋转床的传质性能进行了研究，考察了不同转速、液体喷淋密度和表观气速下的变化规律。实验装置如图6所示。首先来自气泵的空气与来自钢瓶的CO2气体在气体混合器中混合，然后切向进入转子外腔，最终从气体出口管离开旋转床。来自储液槽的MEA溶液在多级泵的作用下进入液体分布器，再喷射进入转子，在离心作用下与气体在叶片区接触传质后进入转子外腔，最终从液体出口管离开旋转床。

图5 新型径向叶片式旋转床气液流动示意图Fig.5 Schematic diagram of gas-liquid flow in a novel rotating bed with radial blades.

图6 新型径向叶片式旋转床的实验流程Fig.6 Experimental flow path of a novel rotating bed with radial blades.

实验中气体和液体的负荷分别采用表观气速和喷淋密度表示，其中，表观气速的单位为m/s，喷淋密度的单位为m3/（m2·h），而气体体积流量和液体体积流量的单位均为m3/h，故两个公式的定义不同。

由于气体和液体流经转子时，流通的截面积随着转子半径的变化而变化，因此本工作采用当量半径（rm）来计算表观气速和液体喷淋密度，rm的计算见式（4）。

rm的值为转子内径和外径的算术平均值。表观气速（uG）是指在转子内单位时间、单位流通截面积下通过的气体体积，定义见式（5）。

液体喷淋密度（qL）是指转子内单位时间、单位流通截面积下液体的喷淋体积，定义见式（6）。

本工作采用单因素实验方法，考察了转速、表观气速和液体喷淋密度三个主要因素对传质性能的影响规律。实验过程中，通过调节CO2钢瓶阀门使CO2的进口含量固定在5%（w）左右；待旋转床运转稳定之后，对进、出口处的气体进行取样，采用山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司SP-6800A型气相色谱仪分析进、出口CO2的含量。气体流量和液体流量均由常州热工仪表厂LZM-25G型和LZB-25型转子流量计测得，范围分别为10～30 m3/h和0.3～0.9 m3/h；转速由深圳市欣宝瑞仪器有限公司DT2234A型手持式测速仪测量，范围为600～1 000 r/min；气体中CO2含量和液体中MEA质量分数均控制在5%左右。

2 结果与讨论

2.1 表观气速对气相总体积传质系数的影响

表7为表观气速对气相总体积传质系数的影响。从图7可看出，在相同液体喷淋密度（30.16 m3/（m2·h））下，当表观气速从0.09 m/s增加到0.28 m/s时，气相总体积传质系数增大了49.5%（转速（n）=1 000 r/min）和86.5%（n=800 r/min）。这是因为MEA吸收CO2属于气膜控制，气相总体积传质系数与表观气速的0.7次方成正比［14］，因此随着表观气速的增加，气相总体积传质系数也跟着增加。当转速为1 000 r/min，表观气速为0.28 m/s、液体喷淋密度为30.16 m3/（m2·h）时，气相总体积传质系数最大，为3.897×10-4kmol/（s·m3·kPa）。

图7 表观气速对气相总体积传质系数的影响Fig.7 Effect of superficial gas velocity in rotor on the gas-phasetotal volume mass transfer coefficient.uG ：superficial gas velocity；KGa：gas-phase total volume mass transfer coefficient；n：rotational speed；qL：liquid spray density.

2.2 转速对气相总体积传质系数的影响

转速对气相总体积传质系数的影响见图8。

图8 转速对气相总体积传质系数的影响Fig.8 Effect of rotor speed on the gas-phase total volume transfer coefficient.

由图8可知，在相同液体喷淋密度（30.16 m3/（m2·h））下，当转速从600 r/min增加到1 000 r/min时，气相总体积传质系数增大了91.4%（uG=0.28 m/s）和83.9%（uG=0.19 m/s），增加趋势明显。这是因为随着转速的增加，液体受到叶片的剪切作用增大，使液体分散成更多、更小的液丝和液滴，增大了气液有效比表面积，从而增大了气相总体积传质系数。

2.3 液体喷淋密度对气相总体积传质系数的影响

液体喷淋密度对气相总体积传质系数的影响如图9所示。由图9可知，在相同转速（n=1 000 r/min）下，气相总体积传质系数随着液体喷淋密度的增加而增加，当液体喷淋密度从10.05 m3/（m2·h）增加到30.16 m3/（m2·h）时，气相总体积传质系数增加了107.6%（uG=0.28 m/s）和74.6%（uG=0.19 m/s）。表明随着液体喷淋密度的增加，气相总体积传质系数的增加趋势明显。这是因为随着液体喷淋密度的增加，使转子内液体流量增加，更多的液体被叶片上的小孔分散成液丝和液滴；在相邻叶片之间，由于液量的增加使气液两相间的相对速度增加，气液之间的湍动更加剧烈，增加了传质效率。在两种效应的作用下，气相总体积传质系数随液体喷淋密度的增加而增加。

图9 液体喷淋密度对气相总体积传质系数的影响Fig.9 Effect of liquid spray density on the gas-phase total volume transfer coefficient.

2.4 经验关联

由于液体在旋转床中的流动情况比较复杂，本工作通过经验关联来得到径向叶片式旋转床的气相总体积传质系数与表观气速、转速及液体喷淋密度的关系式。将径向叶片式旋转床的实验数据进行非线性回归［15］，得到的关联式为：

将回归结果与实验结果对比，结果如图10所示。从图10可看出，所有的点基本都在15%的误差范围内，回归结果和实验值比较吻合，平均误差为8.3%。

2.5 不同转子旋转床的性能对比

由上述分析可知，液体喷淋密度对径向叶片式旋转床气相总体积传质系数的影响明显大于其他因素的影响，因此，本工作比较了三种转子在不同液体喷淋密度下的传质性能。图11为在转速1 000 r/min和表观气速0.28 m/s的条件下，三种转子在不同液体喷淋密度下的气相总体积传质系数。

图10 气相总体积传质系数拟合误差Fig.10 Comparison of experimental and calculated gas-phase total volume transfer coefficient.

图11 不同旋转床传质性能对比Fig.11 Comparison of mass transfer performance of different rotating beds.

由图11可知，当液体喷淋密度从10.05 m3/（m2·h）增加到 30.16 m3/（m2·h）时，转子Ⅲ的气相总体积传质系数是转子Ⅰ的3.2～7.7倍；转子Ⅱ的气相总体积传质系数是转子Ⅰ的0.8～1.8倍。同时当液体喷淋密度从10.05 m3/（m2·h）增加到30.16 m3/（m2·h）时，转子Ⅲ的气相总体积传质系数增大了402.8%；转子Ⅱ的气相总体积传质系数增大了348.6%，而转子Ⅰ的气相总体积传质系数仅增大了107.6%。综上所述，转子Ⅲ的传质性能最好。这是因为转子Ⅲ结构特殊，动折流圈上开有许多小孔，使液体以多次分散、聚集的方式从转子內缘向外缘流动；而动折流圈和静折流圈结合形成的“S”形通道，使气液两相在转子内的接触时间得到了增加，因此转子Ⅲ具有优良的传质性能。相较于转子Ⅰ，转子Ⅱ是在叶片之间的空隙填入了金属矩鞍环填料，液体同时被叶片和填料分散，并在填料表面上可以附着液膜，使气液两相接触面积更大，另外，填料的存在也会使转子在高速旋转时对气、液的扰动作用变得更大，从而加快表面更新速度。因此，转子Ⅱ的传质性能优于转子Ⅰ。

图12给出了在转速1 000 r/min和表观气速0.28 m/s的操作条件下，三种不同转子的旋转床在不同液体喷淋密度下的压降和有效功耗的对比情况，由图12可知，转子Ⅲ的压降和有效功耗虽然很大，但其气相总体积传质系数明显大于其他两种转子，适用于通量小、传质性能要求高的场合。转子Ⅱ的传质性能、压降和有效功耗稍大于转子Ⅰ，转子Ⅱ和转子Ⅰ较适用于通量大、传质性能要求不高的场合。表1给出了不同旋转床传质性能的对比情况。