王 營，李肖華，李育敏，童政富，姚 文，計建炳

（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)床傳質(zhì)模型及實(shí)驗(yàn)研究

王 營，李肖華，李育敏，童政富，姚 文，計建炳

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

采用乙醇－水物系，在常壓全回流條件下，對網(wǎng)孔板式（轉(zhuǎn)子Ⅰ)和百葉窗式（轉(zhuǎn)子Ⅱ)兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的噴射式超重力旋轉(zhuǎn)床和折流式旋轉(zhuǎn)床（RZB)進(jìn)行精餾實(shí)驗(yàn)，并建立了旋轉(zhuǎn)床理論塔板數(shù)和氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)（KGae)的關(guān)系式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3種結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子的每米理論塔板數(shù)均隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加而增大，且轉(zhuǎn)子Ⅱ和RZB轉(zhuǎn)子隨氣相表觀動能因子（F因子)增大出現(xiàn)峰值;轉(zhuǎn)子Ⅰ的每米理論塔板數(shù)最大為40.7塊，轉(zhuǎn)子Ⅱ的每米理論塔板數(shù)最大為40.0塊;在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 040 r/min、F因子為1.1 m·s－1（kg·m－3)0.5時，轉(zhuǎn)子Ⅰ的比壓降是RZB轉(zhuǎn)子的10.0%，轉(zhuǎn)子Ⅱ的比壓降是RZB轉(zhuǎn)子的13.6%;轉(zhuǎn)子Ⅰ和轉(zhuǎn)子Ⅱ的KGae隨F因子的增大而增大。

噴射式旋轉(zhuǎn)床;超重力;精餾;傳質(zhì)模型

超重力旋轉(zhuǎn)床是一種新型氣液傳質(zhì)設(shè)備，該設(shè)備利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力場來代替重力場進(jìn)行分離過程。液體在轉(zhuǎn)子內(nèi)受到數(shù)百倍重力的離心力作用及旋轉(zhuǎn)填料巨大的剪切力作用，被拉成極薄的膜、很細(xì)的絲和微小的滴，相間比表面積急劇增加，表面更新迅速，導(dǎo)致相間傳質(zhì)速率比傳統(tǒng)塔器提高1 ～ 2 個數(shù)量級［1－3］。目前超重力旋轉(zhuǎn)床在精餾［4－9］、吸收［10］、解吸［11］等化工單元操作和納米材料制備［12］中得到廣泛應(yīng)用。

在超重力旋轉(zhuǎn)床中轉(zhuǎn)子是最重要的部件，不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)決定旋轉(zhuǎn)床的性能。折流式旋轉(zhuǎn)床（RZB)采用動靜部件相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，氣體在轉(zhuǎn)子內(nèi)沿Z字形曲折通道流動，液體在轉(zhuǎn)子內(nèi)經(jīng)歷多次靜止－加速過程，故RZB存在壓降大、通量小和能耗高的缺點(diǎn)［8－9，13－14］。

本工作針對RZB的缺點(diǎn)，開發(fā)了兩種新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的噴射式超重力旋轉(zhuǎn)床。以乙醇－水為物系，進(jìn)行常壓全回流精餾實(shí)驗(yàn)研究，以分析不同轉(zhuǎn)速、通量下兩種噴射式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和RZB轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對傳質(zhì)性能的影響。

1 傳質(zhì)模型

填料塔每米理論塔板數(shù)（NT/h0)和氣相總傳質(zhì)單元高度（HTUov)的關(guān)系式［15］為：

在旋轉(zhuǎn)床中氣體從轉(zhuǎn)子外緣沿徑向向轉(zhuǎn)子內(nèi)緣流動，故轉(zhuǎn)子的外緣半徑與內(nèi)緣半徑之差（r2－r1)相似于填料塔的填料層高度（h0)，故對式（1)修正為：

式中，λ為汽提因子，λ=m（V/L)，其中m為在所考察濃度范圍內(nèi)氣液平衡曲線的平均斜率;V/L為氣液摩爾流量比，在全回流條件下，V/L=1。

旋轉(zhuǎn)床中氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)（KGae)與氣相總傳質(zhì)單元數(shù)（NTU)的關(guān)系為［1］：

由回流量、液體密度及塔頂溫度可得到氣相體積流量（QG)，由塔頂和塔釜試樣濃度可得到理論塔板數(shù)（NT)和在此濃度范圍內(nèi)的m，進(jìn)而求得λ。則由式（6)即可根據(jù)精餾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得KGae。

在精餾過程中，傳質(zhì)受氣膜控制，故KGae等于氣相分體積傳質(zhì)系數(shù)（kGae)，kGae的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為［4］：

式中，雷諾準(zhǔn)數(shù)Re和伽利略準(zhǔn)數(shù)Gr的指數(shù)x和y通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，施密特準(zhǔn)數(shù)Sc的指數(shù)z被假定為 －1/3［4］。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)用超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖1。噴射式旋轉(zhuǎn)床主要由與殼體固定連接的具有一系列同心凹槽的靜盤和裝有同心圓環(huán)動圈的動盤組成，動盤上的動圈頂端有一部分嵌入靜盤上的凹槽，形成阻止氣體從動圈頂端通過的迷宮式密封。轉(zhuǎn)子中心安裝一種新型液體分布器，分布器與動盤一起旋轉(zhuǎn)。氣液流動路徑可參見文獻(xiàn)［7］。

圖1 超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram for rotors of the rotating beds.

噴射式旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)，分別為網(wǎng)孔板式（轉(zhuǎn)子Ⅰ)和百葉窗式（轉(zhuǎn)子Ⅱ)，見圖2。

圖2 噴射式旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子動圈結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the rotational baffle of RJB.

轉(zhuǎn)子Ⅰ的動圈為網(wǎng)孔板式，網(wǎng)孔為邊長0.82 mm、夾角70°的菱形孔，各圈按等開孔率設(shè)計。轉(zhuǎn)子Ⅱ的動圈為百葉窗式，百葉窗長35.0 mm、寬10.0 mm，開窗角度為20°，開窗方向與動圈旋轉(zhuǎn)方向相反，各圈按照等開孔面積設(shè)計。轉(zhuǎn)子Ⅰ和轉(zhuǎn)子Ⅱ的尺寸見表1。

RZB轉(zhuǎn)子由動靜盤上按一定間距同心安裝的動－靜折流圈組成，轉(zhuǎn)子高度為45 mm。9個動折流圈直徑分別為 117，145，168，189，206，226，243，260，275 mm;10個靜折流圈直徑分別為100，130，156，179，199，216，235，250，265，285 mm;動折流圈高度43 mm，靜折流圈高度30 mm。動折流圈上部為開孔區(qū)，開孔區(qū)高度為30 mm，開孔區(qū)內(nèi)小孔的孔徑為1.5 mm，孔間距為2.7 mm，開孔率為28%。

表1 噴射式旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子動圈結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of rotational baffle of RJB rotor

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

以乙醇－水為實(shí)驗(yàn)物系，進(jìn)行全回流精餾實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)流程參考文獻(xiàn)［7］。再沸器以導(dǎo)熱油為加熱劑，將液體汽化為蒸氣，蒸氣通過氣體進(jìn)口管進(jìn)入旋轉(zhuǎn)床，在氣體壓降作用下自外向內(nèi)通過轉(zhuǎn)子，從氣體出口進(jìn)入冷凝器。經(jīng)冷凝器冷凝后，回流液由轉(zhuǎn)子流量計計量，通過液體分布器進(jìn)入旋轉(zhuǎn)床，氣液逆流接觸。液體由旋轉(zhuǎn)床外腔匯集后從液體出口排出，通過循環(huán)泵的輸送進(jìn)入再沸器，由此形成全回流操作。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

全回流操作至儀器讀數(shù)穩(wěn)定25～30 min后，在塔頂與塔釜取樣口同時取樣。采用山東魯南瑞虹化工儀器有限公司SP－6800型氣相色譜儀分析試樣中乙醇含量，采用圖解法（M－T法)求得NT。由壓差傳感器測量旋轉(zhuǎn)床進(jìn)出口之間的氣相壓降（Δp)。改變導(dǎo)熱油溫度以改變汽化量即改變回流量，得到不同回流量下的NT和Δp，每塊理論板壓降（即比壓降)為Δp/NT。旋轉(zhuǎn)床的轉(zhuǎn)速由電機(jī)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣相表觀動能因子對NT/（r2－r1)的影響

在超重力旋轉(zhuǎn)床中氣相表觀動能因子（F因子)定義為［5］：

F因子對NT/（r2－r1)的影響見圖3。由圖3可看出，轉(zhuǎn)子Ⅱ和RZB轉(zhuǎn)子的NT/（r2－r1)隨F因子的增大先增大后減小;轉(zhuǎn)子Ⅰ的NT/（r2－r1)隨F因子的增大而增大。隨F因子增大，轉(zhuǎn)子內(nèi)氣體和液體流速均增大，氣液湍動程度加劇，傳質(zhì)系數(shù)增大，氣液比表面積增大，有利于傳質(zhì);但是F因子增大，氣液在轉(zhuǎn)子中的停留時間變短并且液體返混程度增大，不利于傳質(zhì)。對于轉(zhuǎn)子Ⅱ和RZB轉(zhuǎn)子，當(dāng)F因子較小時隨F因子增大，有利于傳質(zhì)的因素占優(yōu)勢，但當(dāng)F因子增大到一定程度后不利于傳質(zhì)的因素占優(yōu)勢，故隨F因子增大NT/（r2－r1)出現(xiàn)一個峰值，轉(zhuǎn)子Ⅱ的NT/（r2－r1)最大為40.0塊/m。對于轉(zhuǎn)子Ⅰ，有利于傳質(zhì)的因素始終占優(yōu)勢，故NT/（r2－r1)隨F因子增大而單調(diào)增大，最大為40.7塊/m。

圖3 F因子對NT/（r2－r1)的影響Fig.3 The effects of F －factor on the theoretical plate numbers per meter（NT/（r2－r1)).

由圖3還可看出，3種轉(zhuǎn)子的NT/（r2－r1)均隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而增大。因?yàn)檗D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大，氣液兩相間的相對速度提高，氣液表面湍動加劇，表面更新加快，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，氣液傳質(zhì)面積增大，強(qiáng)化了傳質(zhì)。轉(zhuǎn)子Ⅰ的NT/（r2－r1)為27.5～40.7塊/m，轉(zhuǎn)子Ⅱ的NT/（r2－r1)為29.0～40.0塊/m。

由圖3還可看出，轉(zhuǎn)子Ⅱ的NT/（r2－r1)受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的影響較小;隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大，轉(zhuǎn)子Ⅰ的NT/（r2－r1)增加。轉(zhuǎn)子Ⅱ是百葉窗式，填料表面平整，提供的氣液接觸點(diǎn)少，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大對轉(zhuǎn)子Ⅱ傳質(zhì)增強(qiáng)的趨勢不明顯;轉(zhuǎn)子Ⅰ是網(wǎng)孔網(wǎng)板式，表面凹凸不平，提供的氣液接觸點(diǎn)多，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大導(dǎo)致液體受到的剪切力更強(qiáng)，形成更多更小的液滴，氣液傳質(zhì)面積增大，從而有利于傳質(zhì)。

3.2 F因子對Δp/NT的影響

F因子對Δp/NT的影響見圖4。由圖4可看出，隨F因子的增大，RZB轉(zhuǎn)子的Δp/NT先平緩增大后急劇增大，這是因?yàn)棣隨F因子增大而增大，而NT卻隨F因子增大先增大后減小;隨F因子增大，噴射式旋轉(zhuǎn)床的Δp/NT基本不變，當(dāng)F因子大于 0.5 m·s－1（kg·m－3)0.5以后，噴射式旋轉(zhuǎn)床明顯具有壓降低的優(yōu)點(diǎn);在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 040 r/min、F=1.1 m·s－1（kg·m－3)0.5時，轉(zhuǎn)子Ⅰ的Δp/NT是RZB的10%，轉(zhuǎn)子Ⅱ的Δp/NT是RZB的13.6%;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對 Δp/NT的影響不明顯，這是由于 Δp和NT均隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而增加。

圖4 F因子對Δp/NT的影響Fig.4 The effects of F －factor on the specific pressure drops（Δp/NT).

3.3 傳質(zhì)模型

F因子對KGae的影響見圖5。由圖5可見，轉(zhuǎn)子Ⅰ和轉(zhuǎn)子Ⅱ的KGae近似相等且均隨F因子增大而增大。KGae越大越有利于傳質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)操作條件下，隨F因子增大，轉(zhuǎn)子內(nèi)氣液湍動加劇，相界傳質(zhì)面積增大，強(qiáng)化了傳質(zhì)過程。

圖5 F因子對KGae的影響Fig.5 The effects of F －factor on the gas－phase overall volumetric mass transfer coefficients（KGae).

在轉(zhuǎn)子Ⅰ的填料比表面積（ap)為216 m2/m3、水力學(xué)直徑（dp)為 0.77 mm，轉(zhuǎn)子Ⅱ的ap為256 m2/m3、dp為 15.5 mm 的條件下，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對式（7)進(jìn)行回歸分別得到：

轉(zhuǎn)子Ⅰ

圖6為噴射式旋轉(zhuǎn)床的KGae實(shí)驗(yàn)值與計算值的比較。由圖6可見，KGae實(shí)驗(yàn)值與計算值吻合較好，轉(zhuǎn)子Ⅰ的最大偏差為14.05%，平均偏差為4.98%;轉(zhuǎn)子Ⅱ的最大偏差為9.58%，平均偏差為4.07%。

圖6 噴射式旋轉(zhuǎn)床的KGae實(shí)驗(yàn)值與計算值的比較Fig.6 Comparison between the experimental and the calculated gas－phase volumetric

4 結(jié)論

（1)通過建立的傳質(zhì)模型得到超重力旋轉(zhuǎn)床的NT和KGae的關(guān)系式。

（2)轉(zhuǎn)子Ⅰ的每米理論塔板數(shù)在27.5～40.7塊之間，轉(zhuǎn)子Ⅱ的每米理論塔板數(shù)在29.0～40.0塊之間，具有傳質(zhì)效率高、持液量小、易實(shí)現(xiàn)中間進(jìn)料等優(yōu)點(diǎn)。

（3)轉(zhuǎn)子Ⅰ和轉(zhuǎn)子Ⅱ的KGae隨F因子的增大而增大，在實(shí)驗(yàn)操作范圍內(nèi)F因子越大越有利于傳質(zhì)。

（4)轉(zhuǎn)子Ⅰ和轉(zhuǎn)子Ⅱ與RZB轉(zhuǎn)子相比具有壓降低、通量大等優(yōu)點(diǎn)。

符號說明

ap填料比表面積，m2/m3

ae氣液兩相傳質(zhì)比表面積，m2/m3

dp水力學(xué)直徑，m

C常數(shù)

D分子擴(kuò)散速率，m2/s

DG氣相分子擴(kuò)散速率，m2/s

F氣相表觀動能因子，m·s－1·（kg·m－3)0.5

GG氣相質(zhì)量通量，kg/（m2·s)

Gr伽利略準(zhǔn)數(shù)

h轉(zhuǎn)子軸向高度，m

h0填料層高度，m

HTUov氣相總傳質(zhì)單元高度，m

KGae氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)，s－1

kGae氣相分體積傳質(zhì)系數(shù)，s－1

m在所考察濃度范圍內(nèi)氣液平衡曲線的平均斜率

NT理論塔板數(shù)

NT/（r2－r1) 每米理論塔板數(shù)，m－1

NTU 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)

Δp壓降，Pa

Δp/NT比壓降，Pa

QG氣相體積流量，m3/s

Re雷諾準(zhǔn)數(shù)

r轉(zhuǎn)子平均半徑，m

r1轉(zhuǎn)子內(nèi)緣半徑，m

r2轉(zhuǎn)子外緣半徑，m

Sc施密特準(zhǔn)數(shù)

V/L氣液摩爾流量比

λ汽提因子

μ液相黏度，Pa·s

ρ液相密度，kg/m3

ρG氣相密度，kg/m3

ω角速度，rad/s

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Mass Transfer Model and Experiment for Rotating Jet High-Gravity Bed

Wang Ying，Li Xiaohua，Li Yumin，Tong Zhengfu，Yao Wen，Ji Jianbing

（College of Chemical Engineering and Materials Science，Zhejiang University of Technology，Hangzhou Zhejiang 310014，China)

In the three types of rotating beds，namely rotating jet bed（RJB)with a mesh baffle rotor（rotorⅠ)，RJB with shutter baffle rotor（rotorⅡ)and rotating zigzag bed（RZB)，the total reflux distillations of ethanol－ water system were carried out under atmospheric pressure.The relationship between the theoretical plate number and the gas－phase total volumetric mass transfer coefficient was established.The results showed that the theoretical plate numbers per meter of the three rotating beds increased with the increases of the rotor speeds，and those of rotorⅡ and RZB appeared peak values with the increase ofF－factor.The maximums of the theoretical plates per meter are 40.7 for rotorⅠ and 40.0 for rotorⅡ.When the rotor speed is 1 040 r/min andF－factor is 1.1 m·s－1·（kg·m－3)0.5，the ratios of the specific pressure drops of rotor Ⅰ and rotor Ⅱto that of RZB are 10.0%and 13.6%，respectively.The gas－phase total volumetric mass－transfer coefficients of rotorⅠ and rotorⅡincreased with increase of theF－factor.

rotating jet bed;high gravity;distillation;mass transfer model

1000－8144（2011)04－0392－05

TQ 021.4

A

2010－10－28;［修改稿日期］2010－12－31。

王營（1983—)，男，山東省曹縣人，碩士生，電郵wangying2007@163.com。聯(lián)系人：李肖華，電話 0571－88320936，電郵 lixh63@zjut.edu.cn。

國家科技創(chuàng)新基金項目（07C26213300465);浙江省重大科技計劃項目（2002C11032)。

（編輯 李治泉)