桑樂,羅勇,初廣文,鄒海魁,向陽,陳建峰
(北京化工大學(xué)教育部超重力工程研究中心,北京 100029)
化學(xué)工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè),創(chuàng)造了高達(dá)20%的GDP,但存在高能耗、高物耗、高污染“三高”問題,能源消費(fèi)量占全國總消費(fèi)量的16.4%,廢水排放量居全國工業(yè)廢水排放總量之首,占 19.7%,是當(dāng)前國家“節(jié)能減排”的重點(diǎn)行業(yè)。為解決“三高”問題,西方國家將過程強(qiáng)化技術(shù)列為化學(xué)工程優(yōu)先發(fā)展的三大領(lǐng)域之一,期望通過化工過程強(qiáng)化從根本上革新當(dāng)代化學(xué)工業(yè)[1]。超重力技術(shù)是典型的化工過程強(qiáng)化技術(shù)之一。作為超重力技術(shù)的核心設(shè)備,超重力旋轉(zhuǎn)床具有優(yōu)異的微觀混合和傳遞強(qiáng)化性能,從而極大地縮小了反應(yīng)器尺寸,降低了投資成本,且還具有液泛點(diǎn)低、開停車容易、維護(hù)和檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過眾多科研工作者的努力,超重力技術(shù)取得了長足的進(jìn)展。在基礎(chǔ)研究方面,超重力旋轉(zhuǎn)床的流體力學(xué)特性、微觀混合性能、傳遞過程強(qiáng)化規(guī)律及模型化等研究都取得了不錯(cuò)的成果;在應(yīng)用研究方面,主要表現(xiàn)在以下3方面:①納米顆粒材料超重力制備技術(shù);②超重力反應(yīng)強(qiáng)化技術(shù);③超重力分離強(qiáng)化技術(shù)[2-8]。目前,超重力技術(shù)已成為化工過程強(qiáng)化的有效途徑之一,超重力場內(nèi)強(qiáng)化傳質(zhì)的研究也得到廣泛關(guān)注,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不斷被發(fā)明與優(yōu)化,其中一些已成功應(yīng)用到化工工業(yè)生產(chǎn)中。本文從旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)出發(fā),綜述了整體旋轉(zhuǎn)式、雙動(dòng)盤式、動(dòng)靜結(jié)合式等轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的超重力旋轉(zhuǎn)床氣液傳質(zhì)強(qiáng)化的研究進(jìn)展和理論成果,并展望了超重力旋轉(zhuǎn)床氣液強(qiáng)化傳質(zhì)的發(fā)展方向。
圖1 按操作方式的旋轉(zhuǎn)床分類Fig.1 Types of RPBs according to operation mode
經(jīng)過 30多年的發(fā)展,科研工作者已將超重力旋轉(zhuǎn)床發(fā)展成多種形式。按操作方式或氣液流動(dòng)的方向,可分為逆流旋轉(zhuǎn)床[9][圖1 (a)]、并流旋轉(zhuǎn)床[10][圖 1 (b)]和錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床[11-12][圖 1 (c)]。
圖2 逆流超重力旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of counter-current rotating packed bed
逆流超重力旋轉(zhuǎn)床的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,旋轉(zhuǎn)床殼體上布置有氣體進(jìn)、出口和液體進(jìn)、出口。轉(zhuǎn)子跟隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過變頻儀可方便地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力場(通常為 10~1000倍重力加速度)來模擬超重力場。超重力旋轉(zhuǎn)床在運(yùn)行時(shí),液體從液體進(jìn)口通入液體分布器,從液體分布器噴灑在填料上,液體被高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子剪切、破碎成細(xì)微的液滴、液膜和液絲,與來自氣體進(jìn)口自轉(zhuǎn)子外緣進(jìn)入內(nèi)緣的氣體,在轉(zhuǎn)子內(nèi)部填料等多孔介質(zhì)中與液體逆流接觸,完成氣液兩相傳質(zhì)的強(qiáng)化過程。
圖3 按是否填充填料的旋轉(zhuǎn)床分類Fig.3 Types of RPBs according to whether filling of packing
圖4 常見的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類型Fig.4 Types of general rotor structure
各類型旋轉(zhuǎn)床最大區(qū)別在于其內(nèi)部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同,若按轉(zhuǎn)子內(nèi)是否裝載填料分,可分為填充式旋轉(zhuǎn)床[13][圖 3 (a)]和非填充式旋轉(zhuǎn)床[14-15]{主要有定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床[圖3 (b)]、折流式旋轉(zhuǎn)床[圖3 (b)]}。
從目前的文獻(xiàn)報(bào)道來看,常見的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有整體旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)子[圖4 (a)]、雙動(dòng)盤式轉(zhuǎn)子[圖4 (b)]、動(dòng)靜結(jié)合式轉(zhuǎn)子[圖4 (c)、(d)、(e)]、霧化式轉(zhuǎn)子[圖4 (f)]等[16-17]。一般而言,整體旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為在轉(zhuǎn)子徑向方向上連續(xù)填充一定厚度的填料,為單一填料環(huán)狀,由單臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng);雙動(dòng)盤式轉(zhuǎn)子由上下兩層多圈同心填料環(huán)組合,由兩臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng);動(dòng)靜結(jié)合式轉(zhuǎn)子為兩層轉(zhuǎn)盤咬合而成,由單臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng),主要分為兩類:轉(zhuǎn)子內(nèi)未裝載填料的定-轉(zhuǎn)子(同心分布的棒狀立柱)、折流式轉(zhuǎn)子(同心分布的多孔環(huán)形板)和轉(zhuǎn)子內(nèi)裝載填料的交錯(cuò)式轉(zhuǎn)子(靜止的同心分布環(huán)形板和旋轉(zhuǎn)的同心分布填料環(huán)組合);霧化式轉(zhuǎn)子一般由環(huán)形板組成,也由單臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
下面本文從不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)床出發(fā),綜述超重力旋轉(zhuǎn)床氣液傳質(zhì)強(qiáng)化的研究進(jìn)展和理論成果。
氣液傳質(zhì)設(shè)備一般采用傳質(zhì)系數(shù)來表征其傳質(zhì)能力,對于超重力旋轉(zhuǎn)床而言,研究人員主要對超重力旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)參數(shù)實(shí)驗(yàn)測量、傳質(zhì)參數(shù)關(guān)聯(lián)式擬合、傳質(zhì)參數(shù)模型構(gòu)建3方面開展了諸多研究工作。
早在19世紀(jì)50年代,即超重力旋轉(zhuǎn)床還未發(fā)明之前,已有科研人員研究了傳質(zhì)系數(shù)與重力加速度之間的關(guān)系。Onda等[18]在填料塔中進(jìn)行了水吸收CO2和NH3的研究,得到液相傳質(zhì)系數(shù)kL與重力加速度g的0.38次冪呈正比的關(guān)系,如式(1)所示。
1965年,Vivian等[19]將一個(gè)內(nèi)徑為0.152 m、高0.305 m裝有拉西環(huán)填料的填料塔,放置在一個(gè)水平旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上,氣液逆流接觸,利用空氣解吸水中飽和CO2的體系測量傳質(zhì)系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,液相體積傳質(zhì)系數(shù)kLa與重力加速度的 0.41~0.48次冪呈正比。
19世紀(jì)70年代,受美國宇航傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的啟發(fā),英國帝國化學(xué)公司(ICI)發(fā)明了超重力旋轉(zhuǎn)床[20-21],從此開啟了超重力旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)過程的研究。
圖4 (a)顯示的為整體旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。整體旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)子內(nèi)可裝載散裝填料,也可裝載規(guī)整填料,由Ramshaw等[20]于1979年發(fā)明,是目前研究最成熟、工業(yè)現(xiàn)場最常用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
1981年,Ramshaw等[22]在離心力場為240倍重力加速度的超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi),得到液相傳質(zhì)系數(shù)kL與重力加速度的 0.14~0.504次冪呈正比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1985年,Tung等[23]以溶質(zhì)滲透理論為基礎(chǔ),假設(shè)離心力場的傳質(zhì)過程亦遵循傳統(tǒng)填料塔的傳質(zhì)規(guī)律,將離心加速度替代重力加速度,得到如下關(guān)聯(lián)式
1989年,Dudukovic等[24-25]在液相為連續(xù)相、氣相為分散相的超重力旋轉(zhuǎn)床中,填充了glass bead等填料,利用NaOH溶液吸收CO2體系,測得了液相傳質(zhì)系數(shù)和有效傳質(zhì)比表面積。基于液體在rotating disk 和rotating blade均為層流流動(dòng)的液膜假設(shè),得到液相傳質(zhì)系數(shù)kL與離心加速度的0.1667次冪呈正比的結(jié)論,其關(guān)聯(lián)式為
1990年,Rao等[26]研究了液相為分散相、氣相為連續(xù)相的超重力旋轉(zhuǎn)床的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能。實(shí)驗(yàn)同樣采用NaOH溶液吸收CO2體系,測得了液相體積傳質(zhì)系數(shù)kLa,在實(shí)驗(yàn)的操作范圍內(nèi),其kLa的值為0.08~0.15 s?1,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Vivian等[19]和Tung等[23]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比,認(rèn)為超重力場下液相體積傳質(zhì)系數(shù)kLa的值高出傳統(tǒng)塔器1個(gè)數(shù)量級(jí)(圖5)。
1991年,楊村[27]采用氮?dú)饨馕腥苎醯膶?shí)驗(yàn)體系,對裝載有泡沫金屬填料的超重力旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行傳質(zhì)研究,實(shí)驗(yàn)中考察了轉(zhuǎn)速、氣體流量和液體流量對傳質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,轉(zhuǎn)速和液體流量的增大在一定程度上促進(jìn)傳質(zhì),而氣體流量的增大對傳質(zhì)無明顯作用。
1992年,王玉紅[28]基于 Danckwerts表面更新的思想,采用新的處理方法,對超重力場內(nèi)的傳質(zhì)模型進(jìn)行了修正。在超重力場下,旋渦把新鮮物料帶到相界面上,在新暴露出來的表面上,兩相進(jìn)行不穩(wěn)定的分子擴(kuò)散傳質(zhì),旋渦在界面上停留 0~∞時(shí)間后,又被新的旋渦所替代,得到修正后的傳質(zhì)系數(shù)方程為
1993年,竺潔松[29]對裝載有泡沫金屬填料、陶瓷泡沫填料、普通不銹鋼絲網(wǎng)填料和RS鋼波紋絲網(wǎng)填料的超重力旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行了液相體積傳質(zhì)系數(shù)的測定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,轉(zhuǎn)子填料區(qū)和空腔區(qū)均參與傳質(zhì),在Dudukovic的模型假設(shè)基礎(chǔ)上[24-25],同時(shí)考慮了液膜和液滴模型,運(yùn)用溶質(zhì)滲透理論推導(dǎo)了覆蓋在第i層填料表面的液相傳質(zhì)系數(shù)為
圖5 Rao的傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Vivian等的、Tung等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.5 Comparison of mass transfer coefficient results of Rao et al, Tung et al, and Vivian et al
從第i層填料飛出的液滴表面的液相傳質(zhì)系數(shù)為
此外,竺潔松還發(fā)現(xiàn)了端效應(yīng)區(qū)(靠近轉(zhuǎn)子內(nèi)緣的區(qū)域)的存在,該區(qū)域有極高傳質(zhì)系數(shù),原因是在緊靠內(nèi)徑的一兩層填料的空間中產(chǎn)生了大量的液滴,而大量液滴的表面積數(shù)值相當(dāng)于全部床層填料表面積的幾倍甚至于十幾倍。
1994年,基于Dudukovic和竺潔松的研究成果,王桂輪[30]利用水脫氧體系對超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi)傳質(zhì)過程做了進(jìn)一步的假設(shè):①氣液兩相在界面完全混合,達(dá)到平衡;②液體從一個(gè)填料空心球(填料為球形聚四氟乙烯,假定填料由無數(shù)個(gè)空心球組成)流到另外一個(gè)空心球時(shí),液相混合完全,濃度均一(其中空心球內(nèi)部傳質(zhì)分兩部分:其一是液膜傳質(zhì);其二是液滴傳質(zhì));③由于實(shí)驗(yàn)體系為液膜控制,忽略氣相傳質(zhì)阻力,得到
王桂輪通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),證實(shí)了端效應(yīng)區(qū)的存在,認(rèn)為旋轉(zhuǎn)的填料對液體分布器噴射出來的液體進(jìn)行強(qiáng)烈的切割使液體更好的分散是端效應(yīng)區(qū)氣液傳質(zhì)強(qiáng)化的主要原因。
1995年,王剛[31]以黃原膠水溶液為研究對象,利用亞硫酸鈉氧化法考察超重力旋轉(zhuǎn)床中非牛頓流體的傳質(zhì)特性,并得到了液相體積傳質(zhì)系數(shù)與操作條件的關(guān)聯(lián)式
1995年,萬冬梅[32]采用氨法吸收SO2,對超重力旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行了傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究,其將旋轉(zhuǎn)床內(nèi)部分為3個(gè)區(qū),即填料端效應(yīng)區(qū)、填料主體區(qū)和轉(zhuǎn)子與殼體之間的空腔區(qū),并建立了上述3個(gè)區(qū)域的氣相體積傳質(zhì)系數(shù)的模型。
1996年,Kelleher等[33]利用超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi)環(huán)己烷/正庚烷全回流精餾實(shí)驗(yàn),得到氣相體積傳質(zhì)系數(shù)kGa的關(guān)聯(lián)式為
1996年,Liu等[12]利用汽提乙醇來測量氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)KGa,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸,得到經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式
式(11)中量綱 1數(shù)變化范圍為:
可以看出,KGa隨離心加速度的0.25次冪變化。
1996年,廖穎[34]采用氮?dú)饨馕腥苎躞w系,對裝載有錦凸網(wǎng)填料的超重力旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行流體力學(xué)和傳質(zhì)特性的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,氣液傳質(zhì)過程主要發(fā)生在填料間的自由液體上,填料表面的液膜傳質(zhì)不占主要部分。這一結(jié)論對如何進(jìn)一步提高傳質(zhì)效率提供了依據(jù)。根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,一味增大填料本身的比表面積對提高傳質(zhì)系數(shù)比較有限,大幅提高傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)鍵在于如何強(qiáng)化填料對液體的剪切,使液體最大程度的被細(xì)化。同時(shí),廖穎還假設(shè)床內(nèi)有端效應(yīng)區(qū)、主體區(qū)和空腔區(qū),由于3個(gè)區(qū)在每個(gè)位置傳質(zhì)系數(shù)不同,給出液相平均體積傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算公式
以及3個(gè)區(qū)傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式
郭鍇等[35-36]利用電視攝像機(jī)觀測了超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi)流體的流動(dòng)情況,并測得填料表面液膜厚度為30~80 μm。另外一個(gè)貢獻(xiàn)是利用電導(dǎo)探頭測量了液體在填料內(nèi)的停留時(shí)間分布。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的基礎(chǔ)物理數(shù)據(jù),利用水脫氧體系對超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi)的平均液相體積傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行了研究。計(jì)算結(jié)果表明,端效應(yīng)區(qū)的徑向厚度為填料內(nèi)緣的 10 mm左右,其傳質(zhì)系數(shù)是轉(zhuǎn)子填料主體區(qū)(轉(zhuǎn)子區(qū)域除去端效應(yīng)區(qū)剩余的區(qū)域)的數(shù)倍,空腔區(qū)的傳質(zhì)系數(shù)約為主體區(qū)的1/3。
1996年,張軍[37]利用高速頻閃攝影技術(shù)對裝載泡沫金屬填料與RS波紋絲網(wǎng)填料的超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi),不同區(qū)域不同操作條件下的流體流動(dòng)狀況進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在300~600 r·min?1時(shí),液體以液膜形式覆蓋在填料表面,填料間隙液體以液膜和液滴呈一定比例存在;在800~1000 r·min?1時(shí),填料表面液體主要為液膜態(tài),填料間隙液體主要以液滴形式存在且有少量液線;在空腔區(qū)液體主要以液滴形式存在。照片經(jīng)過分析處理后,得到空腔區(qū)液滴直徑為 0.1~0.3 mm。此外,張軍利用水脫氧體系擬合得到端效應(yīng)區(qū)液相體積傳質(zhì)系數(shù)
郭奮等[38-39]在錯(cuò)流超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi)進(jìn)行了液膜控制過程(水脫氧)和氣膜控制過程(水吸收氨氣)的傳質(zhì)實(shí)驗(yàn),并認(rèn)為液相總體積傳質(zhì)系數(shù)為
氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)為
1997年,竺潔松[40]對裝載有RS鋼波紋絲網(wǎng)填料的超重力旋轉(zhuǎn)床流體流動(dòng)和氮?dú)饨馕腥苎躞w系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,液體分布器與轉(zhuǎn)子之間的相對速度越大,液體分布越均勻,并且液體在端效應(yīng)區(qū)的微?;潭仍綇?qiáng),旋轉(zhuǎn)的填料對液體的微?;饔檬切D(zhuǎn)床氣液傳質(zhì)強(qiáng)化的主要原因。此外,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了超重力旋轉(zhuǎn)床設(shè)計(jì)中的兩個(gè)重要指標(biāo):①液體與填料間的相對碰撞速度;②液體在填料中的均勻分布。
1999年,崔建華[41]采用氮?dú)饨馕腥苎醯膶?shí)驗(yàn)體系,對超重力旋轉(zhuǎn)床有無內(nèi)支撐兩種情況進(jìn)行了傳質(zhì)研究。結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)操作條件下內(nèi)支撐開孔形狀和厚度、內(nèi)支撐在填料中不同位置對傳質(zhì)影響不大。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了無內(nèi)支撐時(shí)平均液相體積傳質(zhì)系數(shù)為
上述結(jié)論對工業(yè)應(yīng)用的超重力旋轉(zhuǎn)床設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。例如,對于絲網(wǎng)填料等非整形填料,需有內(nèi)支撐固定填料,因內(nèi)支撐的厚度對旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)的影響不明顯,所以在設(shè)計(jì)時(shí)無須考慮其對傳質(zhì)的影響,只需考慮其機(jī)械強(qiáng)度。
2000年,李振虎[42]提出在超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi)存在兩個(gè)表面現(xiàn)象:一是液滴的表面吸附作用,二是微小霧滴的過飽和蒸氣壓。根據(jù)對流擴(kuò)散方程,在充分考慮這兩個(gè)現(xiàn)象對傳質(zhì)過程的明顯作用下,對旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)過程進(jìn)行了模型化。采用水吸收CO2為例,對并流操作和逆流操作分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值吻合良好。
2000年,燕為民[43]采用RS鋼波紋絲網(wǎng)填料,以水吸收SO2為研究體系,將自制的電導(dǎo)探頭埋藏在填料中,采集液體的濃度信號(hào),首次對超重力旋轉(zhuǎn)床沿徑向的液相濃度分布進(jìn)行了測量。得到了如下的液相體積傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式
同時(shí),基于表面更新理論建立了超重力旋轉(zhuǎn)床填料層內(nèi)的傳質(zhì)模型。
2001年,楊玲等[44]通過氮?dú)?水系統(tǒng),對裝有三葉草形和球形填料的超重力旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行了傳質(zhì)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,液相體積傳質(zhì)系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速和氣體流量的增加而增大,同時(shí)還得到了氣液兩相間的傳質(zhì)不總是與填料的比表面積呈正比的重要結(jié)論。
2002年,Chen等[45]用水吸收VOCs(異丙醇、丙酮和乙酸乙酯),對氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)(KGa)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,KGa隨著GrG的0.18次方增加;旋轉(zhuǎn)床的氣相傳質(zhì)系數(shù)(kG)在一定范圍內(nèi)與填料塔傳質(zhì)系數(shù)值相類似;超重力場下強(qiáng)化傳質(zhì)的原因在于氣液有效接觸面積大幅度增加。Chen等還提取了 Liu等[12]關(guān)于汽提乙醇的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),回歸出適用于多種VOCs(異丙醇、丙酮、乙酸乙酯和乙醇)的氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式
2003年,郭奮等[46]利用 TG0.5、TG1.0、和BUCT1、2、3噴頭共5種液體分布器(每個(gè)液體分布器有 4個(gè)供液管,呈十字分布,TG0.5、TG1.0的每個(gè)出液管上有兩個(gè)噴霧孔,孔徑分別為 0.5、1.0 mm;BUCT1每個(gè)管上有兩個(gè)孔徑為1.0 mm的出液孔;BUCT2每個(gè)管上有一條縫隙為0.3 mm、縫長為10.0 mm的小縫;BUCT3每個(gè)管上有孔徑為1.0 mm的噴霧孔),采用水吸收氨氣體系,在不同操作條件下研究了液體初始分散對超重力旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)的影響。結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)所用5種分布器對傳質(zhì)影響不明顯;液體分布器到填料內(nèi)緣空腔的傳質(zhì)貢獻(xiàn)占整個(gè)旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)貢獻(xiàn)的10%以下。
2004年,Chen等[47]用水吸收伴隨有氧氣分解的臭氧,在不同操作條件下對超重力旋轉(zhuǎn)床的液相體積傳質(zhì)系數(shù)和有效傳質(zhì)比表面積進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,液相體積傳質(zhì)系數(shù)顯著地隨著轉(zhuǎn)速、氣體流量和液體流量的增大而增大;有效傳質(zhì)比表面積隨著液體流量的增大而明顯增大,隨著轉(zhuǎn)速的減小而緩慢增大,受氣體流量影響很小。
2004年,許明等[48]認(rèn)為前人在超重力旋轉(zhuǎn)床流體力學(xué)和傳質(zhì)模型研究中存在不足,于是提出3方面的補(bǔ)充:①應(yīng)考慮氣相對液體分散相的影響;②應(yīng)更合理地簡化絲網(wǎng)填料結(jié)構(gòu);③應(yīng)考慮液滴的凝并和破碎。通過這些補(bǔ)充內(nèi)容,建立了液相平均體積傳質(zhì)系數(shù)模型,又利用水脫氧實(shí)驗(yàn)對模型進(jìn)行驗(yàn)證,模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。
2004年,胡孝勇等[49]采用NaOH吸收CO2體系,分別對裝載填料(瓷拉西環(huán)、玻璃珠、三板式、四板式、五板式)和不裝載填料的超重力旋轉(zhuǎn)床在不同操作條件下進(jìn)行了有效傳質(zhì)比表面積的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,轉(zhuǎn)速和液體流量的增大均使有效傳質(zhì)比表面積增大;裝載填料測得的有效傳質(zhì)比表面積值均比不裝載填料時(shí)大,且裝載有五板式填料轉(zhuǎn)速為 800 r·min?1、液量為 0.07 m3·h?1時(shí)的有效傳質(zhì)比表面積最大,為149.7 m?1。
2005年,Chen等[50]采用氮?dú)夥謩e與牛頓流體(甘油水溶液)和非牛頓流體(羥甲基纖維素鈉水溶液)進(jìn)行逆流脫氧實(shí)驗(yàn),對超重力旋轉(zhuǎn)床黏性流體進(jìn)行了液相傳質(zhì)系數(shù)的研究。以流體在填料內(nèi)的流動(dòng)方式為層流液膜流為假設(shè)建立傳質(zhì)模型,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)出含黏性流體(牛頓和非牛頓流體)的液相體積傳質(zhì)系數(shù)
相比于填料塔,流體黏度對旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)的影響很小,超重力旋轉(zhuǎn)床有能力處理黏性牛頓流體和非牛頓(如剪切變?。┝黧w。
2005年,Chen等[51]采用水脫氧體系,分別對不同轉(zhuǎn)子內(nèi)半徑(固定轉(zhuǎn)子外半徑)和轉(zhuǎn)子外半徑(固定轉(zhuǎn)子內(nèi)半徑)超重力旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)性能進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)旋轉(zhuǎn)床體積不變時(shí),填料徑向厚度越?。ㄌ盍蠌较蚝穸茸钚?0 mm)其液相體積傳質(zhì)系數(shù)越大。當(dāng)填料徑向厚度減小時(shí),填料體積亦減小,填料體積越小則液體分布器到轉(zhuǎn)子內(nèi)緣的體積或轉(zhuǎn)子外緣到殼體內(nèi)壁的體積越大,這兩部分體積越大則端效應(yīng)越顯著。而 Chen等認(rèn)為的端效應(yīng)區(qū)為轉(zhuǎn)子內(nèi)緣和轉(zhuǎn)子外緣附近的區(qū)域,這一觀點(diǎn)與竺潔松[29]認(rèn)為的端效應(yīng)區(qū)(即轉(zhuǎn)子內(nèi)緣附近的區(qū)域)有所不同。Chen等整理了大量傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并將端效應(yīng)的因素考慮在內(nèi),擬合了液相體積傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式為
2006年,Chen等[52]繼續(xù)采用水脫氧體系,對4種不同性質(zhì)(填料大小、形狀、原料、表面性質(zhì))組合成的 11種填料進(jìn)行了傳質(zhì)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同長度的丙烯酸玻璃珠填料對于旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)效率沒有明顯影響;在填料形狀的實(shí)驗(yàn)中,金屬絲網(wǎng)狀的液相體積傳質(zhì)系數(shù)最高,陶瓷玻璃珠液相體積傳質(zhì)系數(shù)居中,而拉西環(huán)和矩鞍形的液相體積傳質(zhì)系數(shù)較低;丙烯酸、玻璃、陶瓷和不銹鋼玻璃珠為填料原料,此4種材質(zhì)測得的液相體積傳質(zhì)系數(shù)相近;丙烯酸玻璃珠、玻璃珠、陶瓷玻璃珠和不銹鋼玻璃珠經(jīng)表面疏水處理后液相傳質(zhì)系數(shù)值均比未處理前要低,這可能是因?yàn)榻?jīng)過處理后,填料不容易被液體潤濕,導(dǎo)致氣液接觸面積減小。最后,在式(24)基礎(chǔ)上,將不同填料性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到液相體積傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式
2006年,金沙楊[53]分別進(jìn)行了超重力旋轉(zhuǎn)床和填料塔酸性氣體吸收的冷模實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,填料塔中吸收過程的氣相總傳質(zhì)系數(shù)為 0.1~0.6 s?1,而旋轉(zhuǎn)床的氣相總傳質(zhì)系數(shù)為 0.2~3.0 s?1,并且旋轉(zhuǎn)床CO2吸收率要明顯高于填料塔的吸收率,旋轉(zhuǎn)床的CO2吸收率隨操作條件的變化敏感性要低于填料塔。由此可見,旋轉(zhuǎn)床吸收CO2過程的傳質(zhì)效果要優(yōu)于填料塔吸收過程,吸收效果強(qiáng)于傳統(tǒng)的填料塔單獨(dú)堿洗工藝。
2008年,Chen等[54]利用水吸收VOCs(異丙醇、丙酮和乙酸乙酯),首次在錯(cuò)流超重力旋轉(zhuǎn)床中提出了氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)KGa的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式
2009年,Yi等[55]討論了超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速超過 800 r·min?1時(shí)的氣液傳質(zhì)模型。根據(jù) Burns等[56]的可視化實(shí)驗(yàn)得知,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過 800 r·min?1時(shí),液體在轉(zhuǎn)子內(nèi)部幾乎全部為液滴形態(tài)。通過建立物料平衡方程,可得液相傳質(zhì)系數(shù)為
利用Onda等[57]基于填料塔內(nèi)氣相傳質(zhì)系數(shù)
最終得到旋轉(zhuǎn)床的氣相總傳質(zhì)系數(shù)
2010年,Yang等[58-59]設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)子內(nèi)徑不變,外徑可以變化的可沿程取樣的超重力旋轉(zhuǎn)床。他們利用NaOH吸收CO2體系,測定了轉(zhuǎn)子內(nèi)徑不變、外徑變化情況下的有效傳質(zhì)比表面積,得到空腔區(qū)傳質(zhì)貢獻(xiàn)最大占整體的25%,并首次驗(yàn)證了端效應(yīng)區(qū)的有效傳質(zhì)比表面積值數(shù)倍于填料主體區(qū)值的結(jié)論。由于端效應(yīng)區(qū)和主體區(qū)的差異,他們提出了分段函數(shù)的有效傳質(zhì)比表面積的關(guān)聯(lián)式
李沃源等[60-62]發(fā)明了一種脫除聚合物揮發(fā)分的超重力旋轉(zhuǎn)床裝置。以糖漿為高黏載體、丙酮為揮發(fā)分、不銹鋼絲網(wǎng)為填料,在不同操作條件下對超重力脫揮裝置的脫揮效果進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提高真空度、轉(zhuǎn)速和揮發(fā)分起始濃度,或減小流體黏度和流體體積流量,均能增強(qiáng)脫揮效率。脫揮效率的提高主要是因?yàn)檎婵斩群蛽]發(fā)分起始濃度的提高產(chǎn)生了較高的平均濃度梯度,增加了揮發(fā)分丙酮往氣相的傳質(zhì)。相比常規(guī)脫揮設(shè)備,超重力旋轉(zhuǎn)床脫揮裝置氣液傳質(zhì)效果好,效率高,能耗低。
2010年,錢智等[63]利用CO2-MDEA為實(shí)驗(yàn)體系,研究了超重力旋轉(zhuǎn)床中伴有可逆反應(yīng)的氣液傳質(zhì)。首先,實(shí)驗(yàn)基于3條假設(shè):①超重力旋轉(zhuǎn)床中液體大部分以液膜形式存在并進(jìn)行傳質(zhì);②液膜都有相同的平均壽命;③填料的表面積設(shè)為氣液的有效接觸面積,然后應(yīng)用滲透模型對MDEA吸收CO2的動(dòng)態(tài)過程建立了擴(kuò)散-反應(yīng)偏微分方程,最后通過模型所得模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較得出結(jié)論,超重力旋轉(zhuǎn)床強(qiáng)化傳質(zhì)是由于不斷更新的液膜使得可溶性氣體短時(shí)間內(nèi)在液膜內(nèi)形成較大的濃度梯度,并且這種強(qiáng)化作用是在動(dòng)態(tài)中完成的。
2011年,Chen[64]總結(jié)了中國臺(tái)灣地區(qū)超重力旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)的大量數(shù)據(jù),進(jìn)一步擬合了更加精準(zhǔn)的氣相體積傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式
圖6 轉(zhuǎn)子內(nèi)腔、填料區(qū)和轉(zhuǎn)子外腔結(jié)構(gòu)Fig.6 Schematic diagram of inner cavity, packing area,and outer cavity in RPB
2011年,Zhang等[65]在超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi)首次利用離子液體吸收CO2,同時(shí)運(yùn)用表面更新理論得到如下液相體積傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式
2012年,Sun等[66]提出了超重力旋轉(zhuǎn)床的設(shè)計(jì)方程。如圖6所示,將旋轉(zhuǎn)床劃分為3個(gè)區(qū)域:轉(zhuǎn)子內(nèi)腔(r=0~ri)、轉(zhuǎn)子填料區(qū)(r=ri~ro)、轉(zhuǎn)子外腔(r=ro~rc),針對上述3個(gè)區(qū),分別給出設(shè)計(jì)方程。
2012年,Luo等[67]為考察超重力旋轉(zhuǎn)床所用填料微結(jié)構(gòu)調(diào)變對傳質(zhì)的影響,對不同絲徑和孔徑的不銹鋼絲網(wǎng)組合為8種不同填料,測定其有效傳質(zhì)比表面積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了端效應(yīng)區(qū)的存在,并非線性擬合了含有絲網(wǎng)參數(shù)的不銹鋼絲網(wǎng)填料有效傳質(zhì)比表面積的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式
2013年,羅會(huì)娟[68]設(shè)計(jì)了一種基于化學(xué)吸收法(NaOH吸收CO2),來測定超重力旋轉(zhuǎn)床及其空腔區(qū)有效傳質(zhì)比表面積的方法。實(shí)驗(yàn)將純N2通入旋轉(zhuǎn)床填料區(qū)域,再將一定濃度的CO2從空腔區(qū)外部直接通入空腔區(qū),根據(jù)分子擴(kuò)散理論,合理控制通入兩種氣體的流量,可保證通入的N2恰好保護(hù)填料區(qū)域,使化學(xué)反應(yīng)僅發(fā)生在空腔區(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,超重力旋轉(zhuǎn)床及其空腔區(qū)的有效傳質(zhì)比表面積分別為359 m?1和164 m?1,空腔區(qū)傳質(zhì)貢獻(xiàn)約占整體的25%左右。
2013年,宋俊男等[69]認(rèn)為端效應(yīng)區(qū)徑向厚度由未被填料絲剪切的液體射流所決定?;谝后w進(jìn)入填料后,一部分液體以液膜形態(tài)隨著填料沿周向移動(dòng),另一部分液體繼續(xù)沿徑向流動(dòng)?;谏鲜黾僭O(shè),利用N-S方程和質(zhì)量守恒方程推導(dǎo)出端效應(yīng)區(qū)長度與射流速度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系式。此后,他們利用物理手段(墨跡實(shí)驗(yàn))和化學(xué)手段(脫碳實(shí)驗(yàn))對上述推導(dǎo)的關(guān)系式所求得的端效應(yīng)區(qū)徑向厚度進(jìn)行了證明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,可視化結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果誤差不超過10%,脫碳實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。
整體旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單,轉(zhuǎn)子空間全部裝載有填料,廣泛用于氣液、液液、氣液固、氣固等反應(yīng)過程。整體旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)子最突出的特征——端效應(yīng)區(qū),即在轉(zhuǎn)子內(nèi)緣徑向厚度為10~15 mm的環(huán)形區(qū)域傳質(zhì)效率數(shù)倍于轉(zhuǎn)子主體區(qū)。近些年來,科研人員正在深入研究端效應(yīng)現(xiàn)象并利用其來強(qiáng)化主體區(qū)傳質(zhì),過程雖略有進(jìn)展,但總體仍顯緩慢。在未來一段時(shí)間,端效應(yīng)的形成原因仍是研究重點(diǎn)。
在精餾、吸收等過程中傳質(zhì)阻力可能控制在氣相、液相或氣液兩相。在超重力旋轉(zhuǎn)床中,氣膜控制的傳質(zhì)過程研究偏少,提高氣側(cè)的傳質(zhì)系數(shù)也是研究的熱點(diǎn)問題。雙動(dòng)盤式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[圖4 (b)]是源于“調(diào)節(jié)氣相和液相間的切線滑移速度來改變氣相傳質(zhì)系數(shù)”的思想,由印度的科研人員發(fā)明[70]。
圖7 雙動(dòng)盤式超重力旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of split packing high gravity rotating bed
2006年,Rao等[71]首次對裝載有雙動(dòng)盤式轉(zhuǎn)子超重力旋轉(zhuǎn)床(圖7)進(jìn)行了傳質(zhì)系數(shù)的測定,利用NaOH溶液吸收NH3和水脫氧體系分別測定氣相體積傳質(zhì)系數(shù)和液相體積傳質(zhì)系數(shù),得到以下關(guān)聯(lián)式
2011年,Rajan等[72]利用NaOH溶液吸收CO2,對裝載泡沫金屬填料的雙動(dòng)盤式超重力旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行了傳質(zhì)研究。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與整體旋轉(zhuǎn)式超重力旋轉(zhuǎn)床和填料塔進(jìn)行對比,得出結(jié)論,裝載泡沫金屬填料的雙動(dòng)盤式旋轉(zhuǎn)床的有效傳質(zhì)比表面積值分別是填料塔、整體旋轉(zhuǎn)式超重力旋轉(zhuǎn)床的10倍和2倍;液相體積傳質(zhì)系數(shù)最大為填料塔的 20倍,并且是整體旋轉(zhuǎn)式超重力旋轉(zhuǎn)床的2倍。但實(shí)驗(yàn)中泡沫金屬的比表面積值遠(yuǎn)大于填料塔和整體旋轉(zhuǎn)式超重力旋轉(zhuǎn)床所選用填料的比表面積,雙動(dòng)盤式旋轉(zhuǎn)床強(qiáng)化傳質(zhì)能力的主要原因是其獨(dú)特的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),有效增大了氣液兩相間的滑移速度。對于整體旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)子而言,表面積的提高對傳質(zhì)的強(qiáng)化沒有直接的線性關(guān)系,但這一觀點(diǎn)目前在雙動(dòng)盤式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中還未得到證實(shí)。
2013年,Rao等[73]繼續(xù)對裝載有雙動(dòng)盤式轉(zhuǎn)子超重力旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行傳質(zhì)研究,利用NaOH溶液吸收SO2和水脫氧體系分別測定氣相體積傳質(zhì)系數(shù)和液相體積傳質(zhì)系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與整體旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)子超重力旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行比較,可知,對于氣相傳質(zhì)阻力控制的NaOH溶液吸收SO2體系,雙動(dòng)盤式旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)性能優(yōu)于整體旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)子超重力旋轉(zhuǎn)床,其主要原因可能是氣液兩相滑移速度的增大導(dǎo)致的;對于液相傳質(zhì)阻力控制的水脫氧體系,在 750 r·min?1以下時(shí),雙動(dòng)盤式旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)性能較好。
雙動(dòng)盤式轉(zhuǎn)子的上下轉(zhuǎn)動(dòng)盤各由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng),上下盤可以同向也可逆向旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子輸入了更多的能量,從理論上講傳質(zhì)特性能得到進(jìn)一步強(qiáng)化。但雙動(dòng)盤式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,加工精度要求較高,目前未獲得較好的工業(yè)應(yīng)用。
動(dòng)靜盤結(jié)合式轉(zhuǎn)子由靜盤和動(dòng)盤組成,靜盤固定于殼體,而動(dòng)盤由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。動(dòng)靜結(jié)合式轉(zhuǎn)子分為兩類,其中一類是轉(zhuǎn)子內(nèi)未裝載填料的定-轉(zhuǎn)子[圖 4 (c)]和折流式轉(zhuǎn)子[圖 4 (d)]。
定-轉(zhuǎn)子由宋云華等[74]設(shè)計(jì)發(fā)明。2007年,林海霞[75]利用氮?dú)饨馕腥苎躞w系,對定-轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的液相體積傳質(zhì)系數(shù)kLa進(jìn)行了測定。實(shí)驗(yàn)過程中改變操作條件如氣體體積流量、液體體積流量、定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床特征尺寸,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與kLa關(guān)聯(lián)得到
林海霞還將定-轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的kLa與其反應(yīng)器尺寸相差不大的整體旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)子超重力旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行對比,表明定-轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)系數(shù)略低,但由于其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單,沒有裝載填料,這種設(shè)計(jì)更適高黏或不易清洗的反應(yīng)體系。
圖8 折流式旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of rotating zigzag bed (RZB)
圖9 噴射式超重力旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of rotating jet high-gravity bed (RJB)
折流式轉(zhuǎn)子由計(jì)建炳等[76]設(shè)計(jì)發(fā)明,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是動(dòng)盤設(shè)置有同心分布的動(dòng)環(huán)形板且靜盤設(shè)置有同心分布的靜環(huán)形板,兩盤的動(dòng)靜環(huán)形板相間排列,折流式轉(zhuǎn)子有效解決了旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的中間進(jìn)料問題,從而實(shí)現(xiàn)單臺(tái)旋轉(zhuǎn)床完成連續(xù)精餾過程。2002年,鮑鐵虎等[77]以乙醇-水體系利用全回流精餾操作研究了折流式旋轉(zhuǎn)床(圖 8)的傳質(zhì)性能,實(shí)驗(yàn)考察了回流液量和轉(zhuǎn)速對于傳質(zhì)效率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,折流式旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)效率可達(dá)48.3塊理論塔板,傳質(zhì)效率隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大,而幾乎不隨通量的增加而變化。噴射式超重力旋轉(zhuǎn)床(圖 9)由李育敏等[78]設(shè)計(jì)發(fā)明,噴射式轉(zhuǎn)子僅在動(dòng)盤上設(shè)置有同心分布的環(huán)形板,這種新結(jié)構(gòu)的發(fā)明為了解決折流式旋轉(zhuǎn)床處理通量小、壓降大等問題。李育敏等[79-81]將兩種結(jié)構(gòu)為網(wǎng)孔板式和百葉窗式的噴射式轉(zhuǎn)子,采用乙醇-水體系在不同操作條件下對噴射式超重力旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)性能進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對于網(wǎng)孔板式轉(zhuǎn)子,氣體流量和轉(zhuǎn)速的增大有利于傳質(zhì)效率的提高,而以百葉窗式為轉(zhuǎn)子的噴射式超重力旋轉(zhuǎn)床其傳質(zhì)效率隨轉(zhuǎn)速增加變化不明顯,并且噴射式旋轉(zhuǎn)床與折流式旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)效率相當(dāng),可實(shí)現(xiàn)大通量操作,目前正在利用其模擬吸收沼氣中的CO2,吸收效果良好。2013年,王廣全等[82]以乙醇-水為實(shí)驗(yàn)體系,考察了新型折流式旋轉(zhuǎn)床(圖10)傳質(zhì)性能。新型折流式旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子特點(diǎn)是利用同心分布的凹槽來替代折流式旋轉(zhuǎn)床靜盤上的環(huán)形板,僅在動(dòng)盤上設(shè)置有同心分布的環(huán)形板,且動(dòng)環(huán)形板部分區(qū)域設(shè)置有液孔和氣孔,理論上講可有效增加氣液接觸面積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,新型折流式旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)效率為 30塊理論板左右,將其與傳統(tǒng)折流式旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行比較,這種新型折流式旋轉(zhuǎn)床在傳質(zhì)效率上稍遜于折流式旋轉(zhuǎn)床,還需要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提高。2014年,Li等[83]以乙醇-水為實(shí)驗(yàn)體系,對逆流同心環(huán)式旋轉(zhuǎn)床(圖11)進(jìn)行了傳質(zhì)性能研究。逆流同心環(huán)式旋轉(zhuǎn)床是在折流式旋轉(zhuǎn)床的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良,一種改良方法是去掉折流式轉(zhuǎn)子中靜盤的環(huán)形板,在動(dòng)盤環(huán)形板上開有許多微孔,這些微孔相當(dāng)于液體分布器,改良后轉(zhuǎn)子稱為單環(huán)轉(zhuǎn)子;另一種改良方法是在第一種改良方法的基礎(chǔ)上在動(dòng)盤擋板兩側(cè)添加金屬薄板,并在金屬薄板上開有分布均勻的圓孔,這種轉(zhuǎn)子稱為復(fù)合環(huán)轉(zhuǎn)子。Li等還利用表面更新理論對改良后的兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)床,進(jìn)行了傳質(zhì)模型的構(gòu)建。通過精餾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,得到上述改良后兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)床的氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)KGa的關(guān)聯(lián)式分別為
圖10 新型折流式旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of novel rotating zigzag bed (nRZB)
圖11 逆流同心環(huán)式旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of counterflow concentric-ring rotating bed
相比于折流式旋轉(zhuǎn)床,同心環(huán)式旋轉(zhuǎn)床具有處理較大氣液量的能力,稱得上是折流式旋轉(zhuǎn)床的升級(jí)版。
另一類動(dòng)靜結(jié)合式轉(zhuǎn)子,是轉(zhuǎn)子中裝載有填料的交錯(cuò)式轉(zhuǎn)子[圖4 (e)],最早由陳建峰等[84]設(shè)計(jì)發(fā)明,交錯(cuò)式轉(zhuǎn)子不僅有上述折流式轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn),且轉(zhuǎn)子中裝載有填料,還具有較高的傳質(zhì)能力。
2012年,Luo等[16]利用丙酮-水體系,對裝載有兩個(gè)交錯(cuò)式轉(zhuǎn)子的兩級(jí)逆流式超重力旋轉(zhuǎn)床 (圖12),進(jìn)行了傳質(zhì)效率的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在填料厚度為0.2 m時(shí),NT為4.94~11.57,相比于傳統(tǒng)式超重力旋轉(zhuǎn)床,兩級(jí)逆流式旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)效率略低,但熱損耗較少同時(shí)具有占地面積小等優(yōu)勢,有著較大的工業(yè)應(yīng)用潛力。
2012年,Chen等[85]提出了一種動(dòng)靜結(jié)合結(jié)構(gòu)的超重力旋轉(zhuǎn)床(圖13),轉(zhuǎn)子動(dòng)盤裝有板式填料,靜盤裝有擋板。利用水吸收異丙醇體系研究了其傳質(zhì)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此旋轉(zhuǎn)床帶有靜盤的氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)KGa比無靜盤時(shí)要高37%~117%。
動(dòng)靜盤結(jié)合式有利于延長流體在轉(zhuǎn)子內(nèi)的停留時(shí)間,增大氣液接觸面積,有利于提升傳質(zhì)效率,可用于精餾、多組分吸收等場合。
圖12 兩級(jí)逆流式旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)Fig.12 Structure of two-stage couter-current rotating packed bed(TSCC-RPB)
圖13 帶有板式填料和擋板的超重力旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)Fig.13 Structure of RPB with blade packings and baffes
圖14 螺旋式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.14 Structure of helical rotator
1995年,陳昭瓊等[86]發(fā)明了螺旋型超重力旋轉(zhuǎn)床,其中轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為加工方便、不易堵塞的螺旋式轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖14)。實(shí)驗(yàn)采用CO2-NaOH體系對有效傳質(zhì)比表面積和液相傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,有效傳質(zhì)比表面積和液相傳質(zhì)系數(shù)均隨轉(zhuǎn)速的增大而增大,有效傳質(zhì)比表面積為5.6~10.8 cm?1,液相傳質(zhì)系數(shù)為 0.086~0.110 cm·s?1。1996年,陳昭瓊等[87]利用水吸收SO2實(shí)驗(yàn)體系,在不同操作條件下對螺旋型超重力旋轉(zhuǎn)床的脫硫和傳質(zhì)性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,氣相總傳質(zhì)系數(shù)和液相總傳質(zhì)系數(shù)均隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大,在相同條件下氣相總傳質(zhì)系數(shù)比填料塔的氣相總傳質(zhì)系數(shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上,并且脫硫效率最高為82%。
鄧先和等[88-93]發(fā)明了碟片式旋轉(zhuǎn)床(圖15),其轉(zhuǎn)子由多塊同心圓環(huán)碟片沿軸線疊加而成,實(shí)驗(yàn)采用NaOH吸收CO2體系在不同操作條件下對碟片間距、液相體積傳質(zhì)系數(shù)和有效傳質(zhì)比表面積進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,轉(zhuǎn)速較低時(shí),碟片數(shù)量較多且碟片間距較窄時(shí)傳質(zhì)效果較差,而碟片數(shù)量較少間距較大時(shí)可獲得較高的傳質(zhì)系數(shù),轉(zhuǎn)速較高時(shí)情況恰好相反,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得液相體積傳質(zhì)系數(shù)和有效傳質(zhì)比表面積最大值分別為2.61 s?1、1300 m?1。陳明功等[94-96]利用三維激光多普勒測速儀和高速攝像技術(shù),在不同操作條件下對碟片式旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行了流體流動(dòng)的研究,目的在于深入分析液體形態(tài)(液滴、液膜等)對氣液傳質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,液滴的Sauter平均直徑隨著轉(zhuǎn)速或碟片間距的增大而減小,隨著液體流量的增大而增大,受氣體流量影響較?。灰耗し致剩ㄒ耗んw積/軸心噴出總液量)隨著轉(zhuǎn)速的增大、液體流量的增大、氣體流量的增大、碟片間距的增大和碟片開孔率的增大而增大。此外,碟片式旋轉(zhuǎn)床具有氣液相流動(dòng)阻力小、氣相流動(dòng)功耗小的特點(diǎn),在CO2脫除中也有很好的應(yīng)用前景。
圖15 碟片式旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)Fig.15 Structure of wave form disk rotating bed
圖16 霧化式超重力旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)Fig.16 Structure of rotating bed with spraying
1997年,鄧先和等[97]發(fā)明了霧化式超重力旋轉(zhuǎn)床(圖16),霧化式旋轉(zhuǎn)床中氣體沿軸向流動(dòng),無須克服離心阻力,氣體阻力極低;液體沿徑向流動(dòng),在多層填料的離心加速作用下可不斷霧化分散。1999年,陳海輝等[95]采用化學(xué)吸收法測定了多級(jí)離心霧化超重力旋轉(zhuǎn)床的液相體積傳質(zhì)系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,測得的液相體積傳質(zhì)系數(shù)值為 0.21~0.44 s?1,比傳統(tǒng)填料塔高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。2006年,潘超群等[99]采用NaOH吸收CO2體系對兩級(jí)絲網(wǎng)霧化超重力旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行傳質(zhì)研究,以雙膜理論為基礎(chǔ)建立傳質(zhì)模型,并在實(shí)驗(yàn)中測得液相體積傳質(zhì)系數(shù)在0.17~0.25 s?1之間,為多級(jí)霧化旋轉(zhuǎn)床的工業(yè)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。2010年,潘超群等[100]采用NaOH吸收SO2體系,對多級(jí)霧化超重力旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行氣相體積傳質(zhì)系數(shù)(kya)的研究。實(shí)驗(yàn)中考察了操作條件對傳質(zhì)系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)轉(zhuǎn)速N=1400 r·min?1、液體流量為 0.8 m3·h?1,氣體流量為 650 m3·h?1時(shí),kya=2250 mol·(m3·s)?1,氣相體積傳質(zhì)系數(shù)相比傳統(tǒng)填料塔高一個(gè)數(shù)量級(jí),但比相近操作條件下實(shí)驗(yàn)[34]所得值略低。2012年,鄧先和等[101]采用NaOH吸收CO2體系和有機(jī)胺吸收SO2體系,對多級(jí)離心霧化超重力旋轉(zhuǎn)床中試吸收設(shè)備進(jìn)行了傳質(zhì)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,中試設(shè)備的有效傳質(zhì)比表面積為 7.06 m?1,液相體積傳質(zhì)系數(shù)為 1.03 m·s?1,與填料塔相比,霧化超重力旋轉(zhuǎn)床所用填料體積最小是其1/21,顯而易見,旋轉(zhuǎn)床所用材料少,降低了制造成本。在超高速的運(yùn)行狀態(tài)下,霧化式轉(zhuǎn)子對流體可起到良好的霧化擴(kuò)展界面作用,有效地提高氣液接觸面積,具有氣體阻力小,系統(tǒng)風(fēng)機(jī)操作能耗低等優(yōu)點(diǎn),一般適用于大氣量的氣液傳質(zhì)過程。
Lin等[102-103]設(shè)計(jì)了一種新型超重力旋轉(zhuǎn)床,此床的填料轉(zhuǎn)子為板填料(圖 17),板填料結(jié)構(gòu)由 12個(gè)導(dǎo)向板組成,其中每兩個(gè)板相隔 30°,每個(gè)板上覆蓋有不銹鋼金屬絲網(wǎng)填料。Lin等利用水吸收有機(jī)揮發(fā)性化合物(乙醇、丙酮、乙酸乙酯)對此床進(jìn)行傳質(zhì)研究,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)得
圖17 板填料式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.17 Structure of blade packing rotor
式(42)量綱 1數(shù)群范圍:3<KGadp/DGat<83,10<ReG<105,17<ReL<4,258<GrG<2320,3.4×10?4<H<5.5×10?3。
圖18 導(dǎo)向板式超重力旋轉(zhuǎn)床Fig.18 Structure of blade-packing rotating packed bed
圖19 分段進(jìn)液式超重力旋轉(zhuǎn)床Fig.19 Structure of multi-liquid-inlet rotating packed bed
2012年,Luo等[104]設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)向板式超重力旋轉(zhuǎn)床(圖18),即轉(zhuǎn)子內(nèi)裝載有填料和導(dǎo)向板。為實(shí)現(xiàn)總體模型的構(gòu)建,基于表面更新理論并借鑒前人對旋轉(zhuǎn)平板和旋轉(zhuǎn)立板研究基礎(chǔ)上建立模型,將轉(zhuǎn)子填料分成填料區(qū)和導(dǎo)向板區(qū),得到了導(dǎo)向板式旋轉(zhuǎn)床的液相平均總傳質(zhì)系數(shù)模型
邢子聿等[105-106]利用端效應(yīng)現(xiàn)象,以強(qiáng)化主體區(qū)傳質(zhì)并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子整體強(qiáng)化為目的,發(fā)明了分段進(jìn)液式超重力旋轉(zhuǎn)床(圖 19)。分段進(jìn)液式超重力旋轉(zhuǎn)床的特點(diǎn)是通過改變轉(zhuǎn)子內(nèi)部結(jié)構(gòu),人為地在填料內(nèi)部制造多個(gè)端效應(yīng)區(qū)。實(shí)驗(yàn)利用NaOH溶液吸收混合氣體中CO2考察了多段進(jìn)液式旋轉(zhuǎn)床的有效傳質(zhì)比表面積和液相體積傳質(zhì)系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在相同的操作條件下,這種新型旋轉(zhuǎn)床的有效傳質(zhì)比表面積和液相體積傳質(zhì)系數(shù)值均略大于整體旋轉(zhuǎn)式超重力旋轉(zhuǎn)床。
2013年,姚文等[107]發(fā)現(xiàn)折流式旋轉(zhuǎn)床在實(shí)際生產(chǎn)中有通量較小的缺點(diǎn), 提出了一種網(wǎng)板填料復(fù)合超重力旋轉(zhuǎn)床(RCB),其中轉(zhuǎn)子由上下兩塊動(dòng)盤及固定在動(dòng)盤之間的同心環(huán)網(wǎng)板組成,上下兩塊動(dòng)盤與同心環(huán)網(wǎng)板整體轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)采用乙醇-水體系進(jìn)行全回流精餾實(shí)驗(yàn),考察4種不同網(wǎng)板填料轉(zhuǎn)子(圖20)的氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)Kya。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,轉(zhuǎn)子 4(鮑爾壞周向填充)傳質(zhì)系數(shù)值最大為1100 mol·m3·s?1,傳質(zhì)效率最高,同時(shí)也說明網(wǎng)板填料復(fù)合旋轉(zhuǎn)床有潛力取代折流式旋轉(zhuǎn)床,可應(yīng)用在大規(guī)模生產(chǎn)的場合。
圖20 網(wǎng)板填料復(fù)合旋轉(zhuǎn)床的轉(zhuǎn)子Fig.20 Photos of rotor in RCB
超重力旋轉(zhuǎn)床經(jīng)過 30多年的發(fā)展,對其傳質(zhì)強(qiáng)化的研究已取得較大的成績。從以上綜述可以看出,整體旋轉(zhuǎn)式、雙動(dòng)盤式、動(dòng)靜結(jié)合式、霧化式超重力旋轉(zhuǎn)床較適用于氣液反應(yīng)、氣體吸收等操作;交錯(cuò)式和折流式的超重力旋轉(zhuǎn)床,由于其在轉(zhuǎn)子中設(shè)置了中間進(jìn)料結(jié)構(gòu),較適用于連續(xù)精餾操作。相比其他類型的旋轉(zhuǎn)床,整體式超重力旋轉(zhuǎn)床的研究最為深入,廣泛用于氣液、液液、氣液固、氣固等反應(yīng)過程。
科研工作者對超重力旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)研究主要圍繞3個(gè)方面來進(jìn)行:傳質(zhì)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測量、傳質(zhì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)式擬合、傳質(zhì)參數(shù)的模型構(gòu)建。傳質(zhì)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測量手段和體系趨于成熟和完善,傳質(zhì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)式也不斷優(yōu)化?;诳梢暬Y(jié)果,超重力場中的流體形態(tài)多以液滴、液膜、液線為假設(shè),構(gòu)建超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi)的傳質(zhì)參數(shù)模型。但關(guān)于超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi)的傳質(zhì)強(qiáng)化研究還有許多值得關(guān)注的內(nèi)容,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
(1)針對傳質(zhì)參數(shù)kG的實(shí)驗(yàn)測量、關(guān)聯(lián)式、傳質(zhì)模型構(gòu)建的研究相對偏少,需進(jìn)一步加強(qiáng)。
(2)在累積更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,針對不同結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)參數(shù)關(guān)聯(lián)式還可進(jìn)一步優(yōu)化。
(3)獲取更加真實(shí)的旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子內(nèi)的流體形態(tài)是構(gòu)建精確傳質(zhì)參數(shù)模型的前提。隨著可視化技術(shù)的不斷發(fā)展,旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子內(nèi)的流體形態(tài)可視化還有待進(jìn)一步的研究。
(4)針對旋轉(zhuǎn)床的端效應(yīng)現(xiàn)象研究不夠深入。探究端效應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和機(jī)理,對開發(fā)以強(qiáng)化整體轉(zhuǎn)子傳質(zhì)為目標(biāo)的第二代旋轉(zhuǎn)床技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。
由于旋轉(zhuǎn)床內(nèi)流體流動(dòng)情況的復(fù)雜性,在未來研究工作中,實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合的方法有望成為基礎(chǔ)研究的有效手段;此外,在更加合理簡化旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,研究的重點(diǎn)可轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)床的內(nèi)構(gòu)件創(chuàng)新設(shè)計(jì),如轉(zhuǎn)子內(nèi)結(jié)構(gòu)、高效填料、液體分布器等,以實(shí)現(xiàn)超重力旋轉(zhuǎn)床的高效傳質(zhì)強(qiáng)化,為其工業(yè)放大和廣泛工業(yè)應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
符 號(hào) 說 明
ac——離心加速度,m·s?2
ae——有效傳質(zhì)比表面積,m?1
(ae)p——填料區(qū)有效傳質(zhì)比表面積,m?1
ap——填料的比表面積,m?1
aP′——2 mm玻璃珠的比表面積,m?1
at——填料的比表面積,m?1
C——液相總濃度,mol·m?3
dp—— 填 料 的 當(dāng) 量 直 徑[dp= 6 (1 ?ε)/ap=6(1?ε)/at],m
D——擴(kuò)散系數(shù),m·s?2
DG——?dú)庀嗳苜|(zhì)擴(kuò)散系數(shù),m2·h?1
Di——反應(yīng)器特征尺寸,m
Gr——Grashof數(shù)
——液相第i層填料表面的Grashof數(shù)
g——重力加速度,m2·s?1
H——填料軸向高度,m
He——亨利常數(shù),Pa·m3·mol?1
Hy——量綱1亨利常數(shù)
li——單位絲網(wǎng)長度上液體流量,m3·s?1
KGa——?dú)庀嗫傮w積傳質(zhì)系數(shù),s?1
KLa——液相體積傳質(zhì)系數(shù),mol·s?1·m?3
kGa——?dú)庀囿w積傳質(zhì)系數(shù),s?1
kL——液相傳質(zhì)系數(shù),m·s?1
kf——第i層填料飛出的液滴表面?zhèn)髻|(zhì)分系數(shù),
Lim·s?1
ks——第i層填料表面液相傳質(zhì)分系數(shù),m·s?1
Li
kLa——液相平均體積傳質(zhì)系數(shù),h?1
(kLa)e——端效應(yīng)區(qū)的液相體積傳質(zhì)系數(shù),h?1
(kLae)B——導(dǎo)向板區(qū)液相體積傳質(zhì)系數(shù),s?1
(kLa)b——主體區(qū)的液相體積傳質(zhì)系數(shù),h?1
(kLa)c——空腔區(qū)的液相體積傳質(zhì)系數(shù),h?1
(kLae)P——填料區(qū)液相體積傳質(zhì)系數(shù),s?1
(kLae)T——液相體積總傳質(zhì)系數(shù),s?1
k1——擬一級(jí)速率常數(shù),s?1
N——轉(zhuǎn)速,r·min?1
Qw——填料單位寬度的液體流量,m2·s?1
Re——Reynolds數(shù)
Res——液相第i層填料表面Reynolds數(shù)
Li
r——填料半徑,m
rc——旋轉(zhuǎn)床外殼內(nèi)半徑,m
re——端效應(yīng)區(qū)徑向長度,m
ri——填料內(nèi)半徑,m
ro——填料外半徑,m
S——表面更新率,s?1
Sc——Schmidt數(shù)
Sh——Sherwood 數(shù)
ug——?dú)庀嗫沾矚馑?,m·s?1
Vi——填料內(nèi)徑以內(nèi)的體積,m3
Vo——填料外徑與外殼內(nèi)徑間的體積,m3
Vt——旋轉(zhuǎn)床總體積,m3
We——Weber數(shù)
ΔX——表面更新參數(shù),m
σ——表面張力,kg·s?2
σc——填料臨界表面張力,kg·s?2
σw——水表面張力,kg·s?2
ρ——密度,kg·m?3
υ——運(yùn)動(dòng)黏度,m2·s?1
μ——?jiǎng)恿︷ざ龋琍a·s
φ——液體未被絲網(wǎng)捕獲的理論概率
ε——孔隙率
ω——轉(zhuǎn)速,rad·s?1
θi——液體由第i層填料飛至i+1層填料的飛行時(shí)間,s
下角標(biāo)
e ——平衡值,有效值
G ——?dú)庀?/p>
L ——液相
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