王　征　李　季　周加貝　陳德權(quán)

四川大學(xué)　成都　610065

湍球塔氣液相界面結(jié)構(gòu)及傳質(zhì)面積

王征*李季周加貝陳德權(quán)

四川大學(xué)成都610065

摘要湍球塔因其防堵塞、強湍動、傳質(zhì)面積大等特點，可作為煙氣氨法脫碳后用磷石膏漿料凈化尾氣微量氨的氣液傳質(zhì)設(shè)備。本文基于湍球塔液滴團聚分散理論研究了液滴和液膜形成的氣液相界面結(jié)構(gòu)，并得到氣液傳質(zhì)面積的數(shù)學(xué)模型。在磷石膏漿料吸收氨法脫碳尾氣微量氨的湍球塔實驗裝置中，在氣體Reg 157～475、液氣比1～6范圍內(nèi)進行實驗研究，從實驗數(shù)據(jù)回歸得到的氣液傳質(zhì)面積與理論計算值吻合。結(jié)果表明，湍球塔氣液傳質(zhì)面積以團聚分散的液滴為主，湍球表面積占比不足25%。

關(guān)鍵詞尾氣凈化湍球塔氣液兩相流相界面?zhèn)髻|(zhì)面積

氨法脫碳因其具有能耗低、腐蝕性小、可同時捕集多種污染物等優(yōu)點，被認為是最具前景的CO2減排途徑之一[1]，但從能耗或二次污染控制的角度，尾氣氨逃逸是制約氨法煙氣碳減排技術(shù)發(fā)展的瓶頸[2]。

氨法CO2直接礦化磷石膏工藝[3]，利用磷石膏(CaSO4·2H2O)溶解產(chǎn)生的硫酸根抑制NH3逸出，脫除尾氣微量NH3具有良好的熱力學(xué)效應(yīng)[4]和反應(yīng)強化吸收作用[5]。湍球塔因其防堵塞、強湍動、傳質(zhì)面積大，可作為磷石膏礦化煙氣CO2尾氣微量氨控制的氣液固三相傳質(zhì)設(shè)備[6]。

增加傳質(zhì)面積是提高氣液傳質(zhì)速率的主要措施之一。國內(nèi)外學(xué)者針對流化床做過大量關(guān)于填料塔相際接觸面積的試驗研究，如MewesD等[7]利用動力學(xué)數(shù)據(jù)來測定填料塔相界面積。陳毓琛[8]用填料塔吸收低濃度CO2，利用化學(xué)法測定相際面積，并用Danckwerts表面更新模型和表面膜更新修正模型分別將傳質(zhì)數(shù)據(jù)進行處理和比較。RobertE.Tsai[9]用擬一級快速化學(xué)反應(yīng)吸收法測定填料塔的傳質(zhì)面積，得出無因次表達式。關(guān)于湍球塔，尤其是關(guān)于E-Ⅱ-b型操作方式湍球塔氣-液界面積的研究較少，GuerriereRA[10]等在高氣速2.85～4.15m/s下進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)單位床層傳質(zhì)面積隨氣速和液速的增加而增加。Gelperin[11]等用化學(xué)法測定傳質(zhì)面積，并討論靜止床層高度對傳質(zhì)面積的影響。前人研究多以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，擬合湍球塔傳質(zhì)面積經(jīng)驗公式，適用范圍較小。

本文基于液滴團聚分散理論對湍球塔氣液傳質(zhì)面積進行理論分析，得到湍球塔傳質(zhì)面積的解析表達式。基于磷石膏料漿吸收氨法脫碳尾氣微量氨過程，對湍球塔傳質(zhì)面積進行實驗研究, 驗證了模型表達。

1機理與模型

當液氣比較小時，氣相為連續(xù)相，液相為離散相，液相以液膜和液滴的形式分布在湍球塔內(nèi)。湍球塔內(nèi)氣液兩相間的傳質(zhì)即發(fā)生于塔內(nèi)的液滴表面，及附著于小球表面的液膜表面[10]。湍球塔氣液界面分布見圖1。

圖1　湍球塔氣液界面分布

氣體在液相中傳質(zhì)系數(shù)的確定實際上就是確定液滴傳質(zhì)面積及液膜傳質(zhì)面積，即：

a=af+ab

(1)

式中，af為液滴傳質(zhì)比表面積，m2/m3；ab為液膜傳質(zhì)比表面積，m2/m3。

GuerriereRA[11]等提出湍球塔液滴團聚分散理論，即湍球塔中氣液傳質(zhì)主要發(fā)生在自由液滴及小球表面覆著的液滴，認為液體在床層中以液滴形式存在，且液滴在不停的分裂、團聚。

af=qs

(2)

當系統(tǒng)處于動態(tài)平衡時，湍球塔內(nèi)的自由液滴數(shù)守恒，即：液滴的分裂速率等于團聚速率。

Rc=C1qHA

(3)

RD=pn

(4)

Rc=RD

(5)

(6)

聯(lián)立式(3)～(6)解得q，代入式(2)可得：

(7)

式中，A為塔橫截面積，m2；H為膨脹床層高度，m；ug為氣速，m/s；k1為常數(shù)；p為液滴每秒分裂數(shù)，s-1；n為液滴平均分裂數(shù)；q為單位床層體積上的自由液滴數(shù)，m-3；s為液滴平均表面積，m2；x為液滴平均自由運動路程，m。

由Matchett[12]提出：

(8)

式中，B為模型線性回歸系數(shù)，與Hst/D有關(guān)；umf為臨界流化速度，m/s。

(9)

由將(6)代入上式得：

(10)

式中，u0為無噴淋時(氣固流化系統(tǒng))的最小流化速度，m/s；當Hs/D=0.65-0.75時[13]，B=3000A；ε為床層空隙率。

忽略液膜的厚度，液膜傳質(zhì)面積就是單位體積床層湍球表面積。單位體積床層內(nèi)小球數(shù)：

(11)

則液膜傳質(zhì)面積：

(12)

可得湍球塔內(nèi)總傳質(zhì)面積 ：

(13)

理論求解湍球塔傳質(zhì)面積所需的參數(shù)歸納如下：

動態(tài)床層高度[14]：

H/Hst=1.942×103

(14)

臨界流化速度[14]：

umf/u0=0.1565

(15)

液體雷諾數(shù)：

Rel=ρldul/μl

(16)

氣體雷諾數(shù)：

Reg=ρgdug/μg

(17)

韋伯準數(shù)：

(18)

阿基米德準數(shù)：

(19)

總體積傳質(zhì)系[15]：

(20)

氣體傳質(zhì)系數(shù)[16]：

KgRTd/DNH3=53.2

(21)

2實驗部分

實驗裝置見圖2。

圖2　實驗裝置流程

CO2、NH3經(jīng)減壓閥、流量計后，并入空氣管路，充分混合后由塔底進湍球塔。磷石膏漿料經(jīng)泵加壓后由塔頂噴頭噴入，逆流洗滌含氨尾氣。聚丙烯空心填料球(d=6mm,ρp=690kg/m3)在塔內(nèi)劇烈湍動。尾氣微量NH3在CO2以及磷石膏顆粒作用下在塔內(nèi)反應(yīng)吸收。進出口氨氣濃度，由紅外氣體分析儀(POT400)精確測得；塔底設(shè)有液體取樣口，可檢測其液相中離子組成與含量。

通過改變氨進口濃度、氣體流量、料漿流量等條件，得到各組實驗數(shù)據(jù)，由式(19)、(20)計算得到不同操作條件下的總體積傳質(zhì)系數(shù)Kga，Kg。聯(lián)立方程(19)、(20)即得到傳質(zhì)面積實驗值。

實驗所采用的實驗試劑：磷石膏(CaSO4·2H2O，99%(wt)，平均粒徑23μm)。

主要儀器：POT-400型NH3分析儀(量程0～100，0～7000ppm)；POT-400型CO2分析儀(量程0～5000，0～50000ppm)；玻璃轉(zhuǎn)子流量計(LZB-6WB：1.5～15L/min,0.3～3L/min；LZB-40: 4～40m3/h)。

實驗中湍球塔入口氣體溫度為25℃，操作壓力為101. 3kPa，湍球塔參數(shù)及實驗條件見表1。

表1　湍球塔參數(shù)及實驗條件

為了測定實驗系統(tǒng)的精度，每組實驗通過3次重復(fù)實驗操作，測得氨濃度標準偏差為3%，說明實驗系統(tǒng)具有很好的重復(fù)性。

3結(jié)果與討論

實驗中保持氣速為0.68m/s，液體流量為10～80L/min(ReG為305，ReL為2.1～16.8)，氨進口濃度為3500ppm。在液氣比為1～6，填料高度為0.07m時，湍球塔內(nèi)總傳質(zhì)面積a，液滴傳質(zhì)面積af，湍球表面積ab隨液氣比的變化見圖3。

由圖3得，傳質(zhì)面積的理論值比實驗值偏大。其原因在于理論計算假設(shè)湍球塔整個床層液相達到充分分散的狀態(tài)，塔內(nèi)小球均參與氣液傳質(zhì)。但湍球塔內(nèi)各處液體流速不相等，在塔底由于液體流速較慢，會有積液區(qū)存在，局部有效傳質(zhì)面積減小。

圖3　液氣比對傳質(zhì)面積的影響

當Reg為305，Rel由2.1增加到10.1前，即L/V小于3時，隨著液速增加液滴傳質(zhì)面積af呈增大趨勢。因為隨著L/V增大，湍球塔中氣-液界面因劇烈湍動而迅速更新，即液膜液滴團聚/分散速度RD/RC加快，氣-液相間的接觸增加。而當ReL由10.1增加到16.8，即L/V大于3時，隨著液速增加液滴傳質(zhì)面積af增加。因為液速上升增加了填料小球表面的潤濕面積，導(dǎo)致床層膨脹呈活塞流，塔室自由液滴傳質(zhì)減少。Rel為2.1-16.8時，液速增加，湍球表面積由54m2/m3增加到121m2/m3，因為動態(tài)床層高度隨著液速增加而緩慢增加。結(jié)果表明，湍球塔氣液傳質(zhì)面積以團聚分散的液滴為主,即總傳質(zhì)面積a的大小主要由液滴傳質(zhì)面積af決定, 湍球表面積占比不足25%。

4結(jié)語

(1)傳質(zhì)面積的理論計算值與實驗值吻合程度很高，其計算公式適用范圍較廣，可為湍球塔的工業(yè)應(yīng)用提供參考。

(2)當氣體Reg為305，液氣比1～6時，傳質(zhì)面積隨著液氣比的增大先增大后減小；湍球塔氣液傳質(zhì)面積以團聚分散的液滴為主，湍球表面積占比不足25%。

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(收稿日期2016-03-08)

*王征：化學(xué)工程在讀碩士。研究方向：傳質(zhì)與分離。E-mail：zhengwangchn@163.com。

**基金項目：國家科技支撐計劃課題(2013BAC12B01)。