童政富,李肖華,李育敏,謝愛(ài)勇,王 營(yíng),計(jì)建炳

(浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院,浙江杭州310014)

噴射式超重力旋轉(zhuǎn)床的流體力學(xué)與傳質(zhì)性能的研究

童政富,李肖華,李育敏,謝愛(ài)勇,王 營(yíng),計(jì)建炳

(浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院,浙江杭州310014)

采用空氣-水物系和乙醇-水物系在噴射式超重力旋轉(zhuǎn)床(簡(jiǎn)稱噴射式旋轉(zhuǎn)床)(轉(zhuǎn)子直徑為260mm,高45mm)中進(jìn)行流體力學(xué)與傳質(zhì)性能實(shí)驗(yàn),考察了F因子、噴淋密度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)噴射式旋轉(zhuǎn)床壓降和傳質(zhì)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,噴射式旋轉(zhuǎn)床壓降隨F因子、噴淋密度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而增加;由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到壓降關(guān)聯(lián)式,干床壓降的平均誤差為8.7%,濕床壓降的平均誤差為10.5%;等板高度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和F因子的增加而減小,裝有液體分布器時(shí)的等板高度比無(wú)液體分布器時(shí)的等板高度降低20%～50%。噴射式旋轉(zhuǎn)床具有壓降低和傳質(zhì)效率高的特點(diǎn),尤其適用于高真空和熱敏性物料的分離。

噴射式超重力旋轉(zhuǎn)床;壓降;精餾;傳質(zhì);流體力學(xué)

化工過(guò)程強(qiáng)化已成為國(guó)內(nèi)外化學(xué)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。過(guò)程強(qiáng)化是指在實(shí)現(xiàn)既定生產(chǎn)目標(biāo)的前提下,運(yùn)用新技術(shù)或新設(shè)備,大幅度減小設(shè)備體積或減少設(shè)備數(shù)目,減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生,從而顯著提高生產(chǎn)效率。超重力旋轉(zhuǎn)床是一種新型氣液傳質(zhì)過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備,該設(shè)備利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力極大地強(qiáng)化了氣液接觸過(guò)程,增強(qiáng)了傳質(zhì)效率[2～4]。其中,折流式超重力旋轉(zhuǎn)床[5～10]的研究已取得很大進(jìn)展,并廣泛應(yīng)用于化工、制藥、輕工等行業(yè),但該設(shè)備存在壓降偏大、通量偏小的缺點(diǎn)。

本工作設(shè)計(jì)了一種新型高效的噴射式超重力旋轉(zhuǎn)床(簡(jiǎn)稱噴射式旋轉(zhuǎn)床),考察了噴射式旋轉(zhuǎn)床的壓降特性和傳質(zhì)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

噴射式旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。噴射式旋轉(zhuǎn)床主要由噴射式轉(zhuǎn)子和一種新型液體分布器組成。旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子由靜盤(pán)和裝有一系列同心圓環(huán)動(dòng)圈的動(dòng)盤(pán)構(gòu)成。動(dòng)盤(pán)上的動(dòng)圈頂端嵌入靜盤(pán)的凹槽,形成迷宮式密封。轉(zhuǎn)子中心安裝一新型液體分布器。噴射式旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子直徑260mm,高45mm,轉(zhuǎn)子動(dòng)盤(pán)安裝8個(gè)同心圓環(huán)動(dòng)圈,尺寸見(jiàn)表1。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速通過(guò)電動(dòng)機(jī)調(diào)頻器在500～1 400r/m in范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

圖1 噴射式旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of rotating jet high2gravity bed(RJB). 1 Gas inlet;2 Shell;3 Gas outlet;4 Stationary disc; 5 L iquid inlet;6 L iquid distributor;7 Labyrinth seal; 8 Concentric rotating baffles;9 L iquid outlet;10 Rotating shaft;11 Dynam ic seal;12 Rotating disc

表1 噴射式旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子動(dòng)圈尺寸Table1 Size of rotating baffles of RJB

在離心力的作用下,液體均勻地從液體分布器噴射到相鄰的動(dòng)圈上。動(dòng)圈上分布著篩孔,液體被篩孔撕裂和粉碎成細(xì)小的液滴和液絲。液滴和液絲在離心力作用下以更大速度撞擊到相鄰動(dòng)圈上形成許多更細(xì)小的液滴,在動(dòng)圈間隔區(qū)域內(nèi)形成具有很大氣液接觸面積的霧化區(qū)域。氣體由進(jìn)口管進(jìn)入,沿徑向通過(guò)動(dòng)圈篩孔與液體進(jìn)行逆流接觸后由轉(zhuǎn)子中心流出。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用空氣-水物系,測(cè)量噴射式旋轉(zhuǎn)床壓降,實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖2。來(lái)自氣泵的空氣經(jīng)孔板流量計(jì)計(jì)量后,切向進(jìn)入噴射式旋轉(zhuǎn)床,在轉(zhuǎn)子內(nèi)部與液體逆流接觸后,從氣體出口流出;水經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后,進(jìn)入液體分布器,被高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子沿徑向甩出,在外腔匯集后從液體出口排出。噴射式旋轉(zhuǎn)床氣體進(jìn)口與出口之間的壓降由U型壓差計(jì)測(cè)量。

影響噴射式旋轉(zhuǎn)床壓降的變量有F因子、噴淋密度(Lv)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。分別考察3個(gè)變量對(duì)噴射式旋轉(zhuǎn)床壓降的影響。F因子和噴淋密度定義為:

圖2 測(cè)定噴射式旋轉(zhuǎn)床壓降的實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Experiment flow of determ ination of pressure drop in RJB. 1 B lower;2 M anometer;3 O rifice meter;4 Gas outlet; 5 L iquid inlet;6 RJB;7 Rotameter;8 L iquid outlet; 9 Frequency modulator;10 M otor

采用乙醇-水物系在全回流條件下進(jìn)行精餾實(shí)驗(yàn),測(cè)量噴射式旋轉(zhuǎn)床的等板高度。考察F因子、Lv和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)噴射式旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)效率的影響,并且比較了有液體分布器和無(wú)液體分布器的噴射式旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)效率。精餾實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖3。在再沸器中液體被加熱汽化,以汽態(tài)進(jìn)入噴射式旋轉(zhuǎn)床,與床內(nèi)液體進(jìn)行汽液逆流接觸后進(jìn)入冷凝器;在冷凝器中汽體全部冷凝形成回流液,回流液經(jīng)計(jì)量后,進(jìn)入液體分布器;回流液與汽體逆流接觸后,從液體出口管流出再返回再沸器。由此形成全回流操作。

全回流操作穩(wěn)定25～30m in后在塔頂(汽體出口)與塔釜(回流液出口)取樣口同時(shí)取樣。采用氣相色譜儀分析試樣中乙醇的含量。由壓差傳感器測(cè)量噴射式旋轉(zhuǎn)床進(jìn)出口之間的汽相壓降,采用圖解法[11]求得理論塔板數(shù)。改變?cè)俜衅鳒囟纫愿淖兓亓饕毫髁?得到不同回流液流量下的理論塔板數(shù)和壓降。

圖3 精餾實(shí)驗(yàn)流程Fig.3 Experiment flow of distillation in RJB. 1 Reboiler;2 Condenser;3,4 Rotameter;5 Pump; 6,7 Sampler;8 M otor;9 Frequency modulator; 10 RJB;11 Pressure difference sensor

2 結(jié)果與討論

2.1 噴射式旋轉(zhuǎn)床的壓降特性

F因子對(duì)干床壓降(Δpd)的影響見(jiàn)圖4。

圖4 F因子對(duì)Δpd的影響Fig.4 Effect of F2factor on dry bed pressure drop(Δpd). Rotor speed/(r·m in-1):○ 0;◆ 705;? 830;▲ 940;■ 1 045;● 1 220

由圖4可見(jiàn),當(dāng)沒(méi)有氣體通過(guò),即F因子為0時(shí),Δpd隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而增大,此時(shí)Δpd為離心壓降,離心壓降與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的平方成正比;當(dāng)有氣體通過(guò),即F因子大于0時(shí),Δpd隨F因子和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而增大,此時(shí)Δpd除了離心壓降之外,還有氣體通過(guò)轉(zhuǎn)子的摩擦壓降和由于進(jìn)出口流通截面積不同而產(chǎn)生的動(dòng)壓頭差壓降。

F因子對(duì)濕床壓降(Δpw)的影響見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn),Δpw隨F因子和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系與Δpd類似,即Δpw隨F因子和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而增大。對(duì)比圖4和圖5的Δpd和Δpw可看出,Δpw比相同條件下的Δpd略高,這是由于Δpw不僅包括Δpd,還包括由于液體影響而產(chǎn)生的壓降。

圖5 F因子對(duì)Δpw的影響Fig.5 Effect of F2factor on irrigated bed pressure drop(Δpw). Condition:spray density1.8m3/(m2·s). Rotor speed/(r·m in-1):◆ 705;? 830;▲ 940;■ 1 045;● 1 220

Lv對(duì)Δpw的影響見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn),Δpw隨Lv和F因子的增加而增大。Lv增大,氣體通過(guò)噴射式旋轉(zhuǎn)床的流通面積減小,導(dǎo)致氣速增大和氣液兩相間的摩擦阻力增大。

圖6 Lv對(duì)Δpw的影響Fig.6 Effect of spray density(Lv)onΔpw. Condition:rotor speed940r/m in. F2factor/(kg0.5·m-0.5·s-1):? 1.61;▲ 2.06;■ 2.33;● 2.60

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)Δpw的影響見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn), Δpw隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和Lv的增加而增大。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大,氣體需要克服的離心壓降也增大,因而Δpw增大。噴射式旋轉(zhuǎn)床壓降Δp表達(dá)式[12,13]為:

圖7 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)Δpw的影響Fig.7 Effect of rotor speed onΔpw. Condition:F2factor2.06kg0.5/(m0.5·s). Lv/(m3·m-2·s-1):? 1.8;▲ 3.6;■ 4.8;● 6.2

式(3)中的阻力系數(shù)(f)是氣體流速、液體流速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù),利用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的150多組數(shù)據(jù),采用冪指函數(shù)回歸分析得到f的關(guān)聯(lián)式:

式中,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速雷諾數(shù)(Rew)為在轉(zhuǎn)子平均半徑處氣體作周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的雷諾數(shù);動(dòng)圈間距(Δs)由中間動(dòng)圈與其相鄰動(dòng)圈環(huán)隙的水力學(xué)半徑推導(dǎo)得到。

壓降關(guān)聯(lián)式的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較見(jiàn)圖8。從圖8可看出,壓降計(jì)算值的誤差基本在±20%以內(nèi)。Δpd的平均誤差為8.7%,Δpw的平均誤差為10.5%,壓降關(guān)聯(lián)式能較好地預(yù)測(cè)噴射式旋轉(zhuǎn)床的壓降。

2.2 噴射式旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)性能

F因子對(duì)噴射式旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)性能的影響見(jiàn)圖9。由圖9可見(jiàn),隨F因子和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大,等板高度降低;當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 045r/m in時(shí),噴射式旋轉(zhuǎn)床的等板高度為0.02～0.04。這是因?yàn)镕因子增大,氣液兩相間的相對(duì)速度提高,汽液表面湍動(dòng)加劇,表面更新加快,從而使傳質(zhì)系數(shù)增大;F因子增大使回流量也增加,被轉(zhuǎn)子動(dòng)圈粉碎形成的液滴數(shù)量增多,傳質(zhì)的相界面積增大,強(qiáng)化了傳質(zhì);轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加,液體受到的離心力和剪切力增大,產(chǎn)生大量更細(xì)小的液滴和液絲,表面更新加快,同時(shí)汽液傳質(zhì)面積增大,強(qiáng)化了傳質(zhì)。由圖9還可看出,裝有液體分布器時(shí)的等板高度比無(wú)液體分布器時(shí)的等板高度降低20%～50%,這是因?yàn)橐后w分布器能很好地改善液體初始分布,從而使轉(zhuǎn)子內(nèi)的液體分布更均勻,使汽液接觸更充分,有利于傳質(zhì)。

圖8 壓降關(guān)聯(lián)式的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.8 Comparison between the experimental and calculated pressure drops.■ Δpd;● Δpw

圖9 F因子對(duì)噴射式旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)性能的影響Fig.9 Effect of F2factor on height equivalent toa theoretical plate(HETP)of RJB. Rotor speed/(r·m in-1):● 940(w ithout liquid distributor);▲ 940(w ith liquid distributor);■ 1 045(w ithout liquid distributor);? 1 045(w ith liquid distributor)

單位理論塔板壓降與F因子的關(guān)系見(jiàn)圖10。由圖10可見(jiàn),在一定的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下,隨F因子增大,單位理論塔板壓降先增大后減小,在F因子為0.6時(shí)達(dá)到最大值,此時(shí)噴射式旋轉(zhuǎn)床達(dá)到壓降效率的最佳結(jié)合點(diǎn)。

圖10 單位理論塔板壓降與F因子的關(guān)系Fig.10 Relationship between theoretical plate/pressure drop(NT/Δp)and F2factor. Rotor speed/(r·m in-1):● 940;■ 1 045

噴射式旋轉(zhuǎn)床作為一種新型的超重力設(shè)備,動(dòng)、靜部件相結(jié)合的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使其擁有易于實(shí)現(xiàn)徑向進(jìn)料、分離能力較高、易于串聯(lián)實(shí)現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì),同時(shí)它克服了折流式旋轉(zhuǎn)床存在的壓降大、通量小等缺點(diǎn)。與折流式旋轉(zhuǎn)床[9,10]相比,噴射式旋轉(zhuǎn)床壓降降低了80%～90%,傳質(zhì)效率與其相當(dāng)。噴射式旋轉(zhuǎn)床具有低壓降高效率的優(yōu)點(diǎn),尤其適用于高真空和熱敏性物料的分離,具有較廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

(1)采用空氣-水物系考察了噴射式旋轉(zhuǎn)床的壓降特性,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用冪指函數(shù)回歸分析得到噴射式旋轉(zhuǎn)床壓降關(guān)聯(lián)式,Δpd的平均誤差為8.7%,Δpw的平均誤差為10.5%。

(2)噴射式旋轉(zhuǎn)床的等板高度為0.02～0.04。在F因子為0.6時(shí),單位理論塔板壓降達(dá)到最大值,即為最佳操作點(diǎn)。

(3)噴射式旋轉(zhuǎn)床的液體分布器能很好地改善液體的初始分布,裝有液體分布器比無(wú)液體分布器時(shí)的等板高度降低20%～50%。

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(編輯 李治泉)

Hydrodynam ics andMass Transfer Performance of Rotating Jet High2Gravity Bed

Tong Zhengfu,Li Xiaohua,Li Yum in,Xie Aiyoug,Wang Ying,J i J ianbing
(College of Chem ical Engineering and M aterials Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou Zhejiang310014,China)

The hydrodynam ics and m ass transfer perform ance of rotating jet high2gravity bed(RJB) w ith rotor diam eter of260mm and height of45mm w ere studied in air2w ater and alcohol2w ater system s.Effects of F2factor,spray density and rotor speed on hydrodynam ics and m ass transfer perform ance of the RJB w ere investigated.Pressure drop of the RJB increased w ith increases of the F2 factor,spray density and rotational speed.Pressure drop correlation w as obtained through regression of experi m ental data.Calculated values agreed w ell w ith experim ental values.A verage errors of the dry bed pressure drop and irrigated bed pressure drop w ere8.7%and10.5%,respectively.Height of equivalent to a theoretical plate(HETP)of the RJB reduced w ith increases of F2factor and rotor speed. HETP of RJB w ith liquid distributor reduced by20%～50%compared w ith that of RJB w ithout liquid distributor.RJB w ith low pressure drop and high efficiency is applicable to high vacuum condition and separation of heat2sensitive m aterials.

rotating jet high2gravity bed;pressure drop;distillation;m ass transfer;hydrodynam ics

book=3,ebook=69

1000-8144(2010)03-0275-05

TQ021.4

A

2009-09-30;[修改稿日期]2009-12-18。

童政富(1982—),男,浙江省淳安縣人,碩士生。聯(lián)系人:李肖華,電話0571-88320598,電郵lixh63@zjut.edu.cn。

國(guó)家科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(07C26213300465);浙江省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目(2002C11032)。