張斌，李育敏，耿康生，計建炳

（浙江工業(yè)大學化學工程學院，浙江省生物燃料利用技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310014）

折流式旋轉床氣液比表面積的實驗研究及CFD模擬

張斌，李育敏，耿康生，計建炳

（浙江工業(yè)大學化學工程學院，浙江省生物燃料利用技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310014）

氣液比表面積對折流式旋轉床（RZB）的傳質(zhì)起到關鍵的作用。本文采用NaOH溶液化學吸收混合氣體中CO2的方法對折流式旋轉床的氣液比表面積進行了研究，通過計算流體力學（CFD）技術來模擬轉子內(nèi)液體的流動行為。分析轉子轉速、氣體流量和液體流量對氣液比表面積的影響。結果表明：折流式旋轉床的比表面積在100～350m2/m3范圍內(nèi)，折流式旋轉床的氣液比表面積隨液量的增大而增大，隨氣量的增大明顯增大，隨轉速的增加先緩慢增大后迅速增大。CFD模擬表明，隨液量的增加，動靜圈之間的液滴數(shù)量明顯增多，并且靜圈上更多的表面被液膜覆蓋；隨氣量的增大，更多的液體被碎成細小的液體，液滴的數(shù)量成倍增加；隨轉速的增大，動圈施加給液體的剪切力和離心力增大，液體被更好地分散，并且離開動圈的液滴尺寸變得更小。RZB與其他類型填充旋轉床（RPB）的氣液比表面積進行對比，發(fā)現(xiàn)RZB的比表面積低于分段進液式RPB、常規(guī)不銹鋼金屬網(wǎng)RPB、鎳泡沫填料RPB、新型多個葉片轉子RPB，接近于板式填料和擋板PRB。

折流式旋轉床；化學吸收；氣液比表面積；計算流體力學；流動

超重力裝置，也叫作填充旋轉床（RPB），在旋轉床腔體內(nèi)有一個特殊形狀的鋼性轉子，能產(chǎn)生數(shù)百至一千倍重力加速度的超重力環(huán)境，強化了氣液間的傳質(zhì)。折流式旋轉床（RZB）是一種新型的超重力設備，特別是它能用于工業(yè)化連續(xù)的精餾過程，因為它巧妙地設計了動靜盤和多層轉子結構[1-2]。折流式旋轉床首次將超重力技術應用到工業(yè)化精餾過程當中，真正實現(xiàn)了無塔精餾[3]，已經(jīng)應用于連續(xù)精餾、間歇精餾、萃取精餾等。折流式旋轉床的流體力學已經(jīng)有許多的詳細的理論、實驗研究和CFD模擬[4-7]，但是在折流式旋轉床的傳質(zhì)方面研究較少，僅有少數(shù)文獻研究了折流式旋轉床精餾的理論塔板數(shù)[2,8]。折流式旋轉床氣液有效傳質(zhì)比表面積仍然未知。

NaOH水溶液化學吸收CO2的方法通常是用來測量旋轉床的氣液有效界面面積。焦緯洲等[9]分別用2種不同填料結構來研究旋轉床的有效比表面積，得出有效比表面積增大至2.66倍。陳海輝等[10]用化學吸收法測量同心環(huán)波紋碟片旋轉床有效相界面積，這種填料結構能100%地有效利用本身的比表面積，使相界面積增加2～3.5倍。姚遠等[11]通過實驗測定和驗證了不同吸收液所得的有效傳質(zhì)比表面積相同，提出有效傳質(zhì)比表面積為流體力學參數(shù)。MUNJAL等[12]通過實驗測得填料旋轉床的有效界面面積ae在500～700m–1范圍內(nèi)高出數(shù)倍的重力流。ZHENG等[13]實驗表明RPB的有效界面積大于SNP主要是由于更微小液體的形成導致氣液界面積的增加。RAJAN等[14]報道了分割填料新型填料旋轉床的有效截面面積大于常規(guī)填料旋轉床，是因為新型填料旋轉床設計了反向旋轉/相鄰填料環(huán)。GUO等[15]用一個創(chuàng)新的方法隔離填料旋轉床的轉子來測量旋轉床外腔的有效傳質(zhì)面積。腔體的有效傳質(zhì)面積占整個填料旋轉床的30%左右。LUO等[16-17]、TSAI等[18]、LIU等[19]、CHU等[20-21]測量和報道了對新型填料旋轉床有效界面面積的研究。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置和方法

圖1是測量有效比表面積的實驗裝置流程圖，主要包括：折流式旋轉床、鼓風機、液體泵、CO2鋼瓶、液體儲罐和其他輔助設備。

圖1 RZB實驗裝置示意圖

實驗所用折流式旋轉床的轉子內(nèi)徑為0.101m，外徑為0.284m，高0.051m，轉子中心處放置一個液體分布器。旋轉床轉子是由9對動靜圈和一個短的靜圈組成。9個靜圈高度為0.038m，其直徑分別為0.130m、0.157m、0.178m、0.197m、0.216m、0.235m、0.250m、0.265m、0.284m，短靜圈位于轉子的內(nèi)緣。9個動圈高為0.044m，其直徑分別為0.117m、0.145m、0.168m、0.189m、0.208m、0.229m、0.242m、0.260m、0.276m。動圈上部開孔，孔徑為0.0015m，孔間距為0.0025m。為了測定轉子內(nèi)的比表面積，排除轉子外緣和腔體之間的比表面積，故在靠近轉子外緣設置一個液體樣品收集器來收集離開轉子的液體。如圖1所示，G1和G3分別是在氣體進出口處設置取樣口收集的氣體樣品；L2和L3分別是轉子外緣和液體出口管處設置取樣口收集的液體樣品。

實驗是以NaOH溶液和CO2與空氣的混合氣體為體系，在20～25℃和常壓的條件下測定折流式旋轉床轉子的有效比表面積。NaOH水溶液（1mol/L）作為吸收液，由液體儲罐通過泵注入到液體進口，通過液體分布器流到轉子的內(nèi)緣，然后在離心力的作用下被甩到轉子外緣，最終匯聚到腔體底部并從液體出口排到液體儲槽。CO2的混合氣體由鋼瓶從氣體進口切向進入旋轉床，逆向接觸吸收液并進行傳質(zhì)，最終經(jīng)氣體出口流出旋轉床?；旌蠚怏w中CO2的體積分數(shù)在2%左右。

氣體進出口處的G1和G3收集到氣體樣品的濃度可以通過氣相色譜分析得到，液體出口和轉子外緣處的L2和L3收集到的液體樣品可以用雙指示劑法來確定Na2CO3和NaOH的濃度。在G1、轉子外緣和G3處的CO2摩爾分數(shù)分別用y1,CO2、y2,CO2和y3,CO2來表示。在L2處的Na2CO3和NaOH的濃度分別用c2,Na2CO3和c2,NaOH來表示，在L3處Na2CO3的濃度用c3,Na2CO3,來表示。

1.2 多相流模型和邊界條件

通過分析眾多的氣液兩相流模型實例，VOF模型適用于一種或者多種互不相融的流體間反應過程，它基于歐拉網(wǎng)格下的表面跟蹤方法，可以得到不同介質(zhì)間的交界面情況；VOF模型適用于多種流動形式，如分層流動、灌注、晃動、流體中的氣泡流動、精餾塔中氣液介質(zhì)的流動以及噴射流動時表面張力對流動的影響等，利用VOF模型可以得到任意時刻交界面的情況。

本次工作是通過對上述的折流式旋轉床二維模型不同工況進行 CFD模擬，建立的二維模型為旋轉床進氣口平面與轉軸相垂直的剖面，氣體入口設置為mass flow inlet，氣體出口設置為pressure outlet，液體入口設置為velocity inlet，液體出口設置為out flow，將動圈設置為旋轉墻（move wall），并設置相應的旋轉速度，邊界條件無滑移。主要包括碰壁后液滴沿壁面鋪展、反彈、破碎，若鋪展，則需附壁的液膜厚度和長度；若反彈，則需液滴大小和方向；若破碎，則需液滴的尺寸和數(shù)目等從而獲得液體的運動情況。其主要因素有液體的密度、表面張力、黏度，溫度等都設定在常壓、常溫條件下。

1.3 模型驗證

測量有效傳質(zhì)比表面積的方法，常有的是物理法和化學吸收法。其中前者是建立在氣液體系物性基礎之上，而化學吸收法是建立在已知反應的動力學模型方程之上。對裝置比表面積實驗數(shù)據(jù)與模型模擬結果進行對比，如圖2所示，模擬結果與實驗變化趨勢基本一致，模擬值比實驗值偏高，最大誤差為16%，平均誤差在10%之內(nèi)。表明所用模型和計算方法具有良好的可靠性。

圖2 實驗數(shù)據(jù)與模擬結果對比

1.4 實驗原理

NaOH溶液吸收CO2氣體，因為NaOH溶液過量（1mol/L），故該反應為擬一級反應。如圖3所示，CO2氣體在折流式旋轉床環(huán)形元素剖面的物質(zhì)

圖3 RZB環(huán)形元素氣體物質(zhì)平衡

平衡，可以推出如式(1)。通過從轉子外半徑到轉子內(nèi)半徑對式(1)積分，可以得到式(2)。

根據(jù)亨利定律，整理得到式(3)。

變形可得式(4)。

CO2在NaOH溶液中的溶解度系數(shù)H可根據(jù)Stechehow公式[22]進行求解，得到式(5)。

式中，H0是CO2在純水中的溶解度分數(shù)；h是溶質(zhì)常數(shù)；I是溶液中的離子強度。h取決于溶液中的正負離子及氣體溶質(zhì)的常數(shù)，I取決于溶液中的離子濃度和離子價數(shù)。

CO2在NaOH溶液體系中的擴散系數(shù)D可按式(6)計算[23]。

式中，D0、μ0分別是溫度為298.15K時CO2在純水中的擴散系數(shù)和水的黏度。

擬一級反應常數(shù)k1與溫度T及電解質(zhì)離子濃度cOH–關系[24]見式(7)～式(9)。

2 結果與討論

2.1 折流式旋轉床內(nèi)的氣液流動

折流式旋轉床的轉子內(nèi)氣液流動如圖4所示，液體經(jīng)過分布器后，在壓力作用下液體均勻地噴射到動圈下半部分不開孔區(qū)的壁面上，在動圈壁面上形成液膜并往上攀爬，到達開孔區(qū)后被小孔分散成液滴并甩向靜盤，液滴在靜圈上積累形成液膜后在重力作用下向下流動，到達靜圈底部后被甩向下層動圈下半部分的不開孔區(qū)，然后再次沿壁面往上流動，這樣周而復始。氣體由轉子外緣在壓差的作用下向轉子內(nèi)側流動其中，大部分氣體從動靜圈間隙中流動，只有少部分氣體從動圈上的小孔中流動。

圖4 局部氣液流動示意圖

2.2 轉速、進氣速、液體噴淋密度對有效比表面積的影響

（1）氣液比表面積ae隨液體噴淋密度qL的關系如圖5所示。圖6(a)和圖6(b)表明，CFD模擬相同轉速和氣速，不同噴淋密度下的RZB內(nèi)的液體流動狀況。從圖5可以看到，氣液比表面積ae隨噴淋密度qL的增加而增加。當噴淋密度從4.95m3/(m2·h)增加到14.84m3/(m2·h)時，ae從191～263m2/m3增加到236～325m2/m3，ae平均增加21.4%。這是由于隨噴淋密度的增加，更多的液滴從動圈甩出，動靜圈之間的液滴數(shù)量明顯增多，并且靜圈上更多的表面被液膜覆蓋，導致比表面積ae增大。這從圖6(a)和圖6(b)的比較可以看出，噴淋密度14.84m3/(m2·h)下動靜圈之間的液滴數(shù)量和靜圈圈壁上的液膜明顯多于噴淋密度4.95m3/(m2·h)下的液滴數(shù)量和液膜。

（2）氣液比表面積ae隨氣速uG的關系如圖7所示。圖8(a)和圖8(b)表明，CFD模擬相同轉速和液體噴淋密度，不同氣速下的RZB內(nèi)的液體流動狀況。由圖7可知，氣液比表面積ae隨氣速的增加而增加。當氣速從0.172m/s增加到0.687m/s時，ae從199～235.7m2/m3增加到257～341m2/m3，ae平均增加36%。這是由于隨著氣速的增大，氣液兩相的交互作用更加強烈，加劇了液滴的湍動，更多的液體被碎成細小的液體，液滴的數(shù)量成倍的增加，導致比表面積ae增大。從圖8(a)和圖8(b)的比較可以看出，氣速0.687m/s下動靜圈之間的液滴數(shù)量明顯高于氣速0.515m/s下的液滴數(shù)量。

（3）氣液比表面積ae隨轉速的關系如圖9所示。圖10(a)和圖10(b)表明，CFD模擬的相同氣速和液體噴淋密度，不同轉速下的RZB內(nèi)的液體流動狀況。由圖9可以看到，氣液比表面積ae隨轉速增加的變化的情況比較復雜，在轉速500～1000r/min，ae隨轉速增加先明顯增加后緩慢增加，當轉速超過1000r/min后，ae隨轉速的增加而明顯增加。當轉速n由600r/min增加到1400r/min時，ae從128.4～206.4m2/m3增加到219.8～316m2/m3，ae平均增加67.6%。隨著轉速的增大，動圈施加給液體的剪切力和離心力增大，液體被更好地分散，并且離開動圈的液滴尺寸變得更小，導致比表面積ae增大。用圖10(a)和圖10(b)的比較可以看出，轉速1200r/min下動靜圈之間的液滴數(shù)量明顯高于轉速800r/min下的液滴數(shù)量。

圖5 液體噴淋密度對氣液比表面積ae的影響

圖6 CFD模擬的相同轉速和氣速、不同液體噴淋密度下的RZB內(nèi)的液體流動狀況

圖7 氣速對氣液比表面積ae的影響

圖8 CFD模擬的相同轉速和噴淋密度，不同氣速下的RZB內(nèi)的液體流動狀況

2.3 線性相關

用Origin軟件對RZB有效比表面積進行線性相關，得到關聯(lián)式為式(10)。

線性模擬值與實驗值平均誤差為10.3%，最大誤差為17%。

2.4 與其他RPB比較

圖11說明了在液體噴淋密度qL和氣速uG下，RZB與其他類型RPB的氣液比表面積進行了對比。從圖中很容易看出，RZB的比表面積低于分段進液式RPB、常規(guī)不銹鋼金屬網(wǎng)RPB（鋼絲直徑0.22mm，孔隙率為97%，整體面積499.7m2/m3）、鎳泡沫填料RPB、新型多個葉片轉子RPB[25-26]。接近于板式填料和擋板PRB，是因為RZB 和板式填料和擋板PRB在轉子外緣與外殼之間有較大的空腔，導致比表面積較小。

圖9 轉速對氣液比表面積ae的影響

圖10 CFD模擬的相同氣速和液體噴淋密度，不同轉速下的RZB內(nèi)的液體流動狀況

圖11 比較RZB與其他RPB有效比表面積ae

3 結論

為了揭示折流式旋轉床的傳質(zhì)性能，以化學吸收系CO2-NaOH來測定轉子的有效比表面積ae（排除轉子外緣到外腔之間的部分），實驗測得的氣液比表面積ae在100～350m2/m3范圍內(nèi)。實驗結果表明有效比表面積ae均隨氣量、液量與轉速的增大而增大。通過對比分析可知，折流式旋轉比表面積與傳統(tǒng)的RPB很接近。

符號說明

ae——氣液比表面積，m2/m3

ap——填料的比表面積，m2/m3

c′A——液體界面處溶質(zhì)濃度，mol/L

cOH–——進出口OH–的濃度，kmol/m3

D ——CO2在NaOH溶液中擴散系數(shù)，m2/s

D0——CO2在純水中擴散系數(shù)，m2/s

dp——填料的水力學直徑

Gm——氣體的摩爾流量，kmol/s

H ——CO2在NaOH溶液中的溶解度系數(shù)，kPa·m3/kmol

H0——CO2在純水中中的溶解度系數(shù)，kPa·m3/kmol

I——離子強度，kmol/m3

k1——擬一級反應速率常數(shù)，s–1

k2——擬二級反應速率常數(shù)，m3/(kmol·s)

k2∞——無限稀NaOH溶液反應速率常數(shù)，m3/( kmol·s)

P ——混合氣體的總壓力，kPa

QL——液體體積流量，m3/s

qL——液體的噴淋密度，m3/(m2·h)

R ——轉子半徑，m

ro,ri——轉子外徑、轉子內(nèi)徑，m

T ——溫度，K

uG——氣速，m/s

υ ——液體的運動黏度，m2/s

yCO2——CO2在轉子內(nèi)的摩爾分數(shù)

y2,CO2——CO2在轉子外緣處的摩爾分數(shù)

y3,CO2——CO2在氣體出口處的摩爾分數(shù)

z ——轉子高度，m

μ——CO2在NaOH溶液中黏度，Pa·s

μ0—— CO2在純水中黏度，Pa·s

ρL—— 液體密度，kg/m3

σ —— 液體的表面張力，kg/s2

φ —— 液體被填料未捕捉理論概率φ=1

ω —— 角速度，r/min

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Experimental and CFD simulation on gas-liquid effective interfacial area in rotating zigzag bed

ZHANG Bin，LI Yumin，GENG Kangsheng，JI Jianbing
（Zhejiang Province Key Laboratory of Biofuel，College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

Gas-liquid effective interfacial area play a key role in rotating zigzag bed（RZB）. The gas-liquid effective interfacial areas in a RZB were studied with chemical absorption of CO2using NaOH solution in the mixed gases. The flow behavior of liquid in the rotor was simulated via CFD. The effects of rotor speed，gas flow and liquid flow on the effective specific surface area were studied. Experimental results showed that gas-liquid effective interfacial area in RZB is about 100—350m2/m3. Gas-liquid effective specific surface area increases with the increase of liquid and gas volume. It increases with the rotor speed slowly at first and than rapidly afterward. CFD simulation indicated that between the rotational baffle and stationary the droplet volume increased significantly and more static ring surface is covered by liquid membrane with the increase of fluid. Along with the increase of gas，the more liquid is broken into tiny droplets. Along with the increase of rotational speed，moving coil increases imposed on the centrifugal force and shear force of liquid. Liquid is better dispersed. Moving-coil droplet size becomes smaller. The values of aeof RZB rotor are lower than those of the multiliquid-inlet rotating packed bed（RPB），conventional RPB with stainless steel wire mesh，RPBwith nickel foam packing and RPB with novel rotor of blades and multiple packing，and are close to the PRB equipped with blade packings and baffles.

rotating zigzag bed；chemical absorption；gas-liquid effective interfacial area；computational fluid dynamics（CFD）；flow field

TQ021.4

：A

：1000–6613（2017）05–1635–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.05.011

2016-09-12；修改稿日期：2017-01-14。

張斌（1989—），男，碩士研究生，研究方向為傳質(zhì)與分離。E-mail：386891003@qq.com。聯(lián)系人：李育敏，副教授，研究方向為傳質(zhì)與分離。E-mail：liym@zjut.edu.cn。