詹 麗，孫家棟，周麗艷，路 平，余國(guó)賢，晉 梅

（工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（江漢大學(xué)），江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

0 引言

超重力技術(shù)作為強(qiáng)化多相流傳遞及反應(yīng)過程的新技術(shù)，在精餾、吸收和反應(yīng)等多個(gè)領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用［1-4］。目前超重力旋轉(zhuǎn)床中內(nèi)構(gòu)件的研究［5-6］主要集中在填料和結(jié)構(gòu)尺寸上，對(duì)于氣-液分布導(dǎo)流片的超重力旋轉(zhuǎn)床內(nèi)構(gòu)件的研究相對(duì)較少。氣-液分布導(dǎo)流片主要安裝在固定轉(zhuǎn)子上以改變氣相、液相在超重力旋轉(zhuǎn)床中的流動(dòng)狀態(tài)和接觸方式，從而改善超重力旋轉(zhuǎn)床中的吸收性能。筆者以CO2-NaOH體系為例［7-9］，在超重力旋轉(zhuǎn)床中采用3種不同的氣-液分布導(dǎo)流片，研究各自不同形式和安裝方式對(duì)超重力旋轉(zhuǎn)床吸收性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

采用如圖1所示有機(jī)玻璃材質(zhì)超重力旋轉(zhuǎn)床，其基本尺寸為：轉(zhuǎn)子外徑196 mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑50 mm，填料床由一定量平行且致密的波紋金屬絲網(wǎng)疊合纏繞成盤狀環(huán)形結(jié)構(gòu)：填料層內(nèi)、外徑分別為5 cm、14.6 cm，厚度80 mm，軸向高度43 mm。 在實(shí)驗(yàn)中，來(lái)自氣瓶的氣體按照CO2∶N2(V/V)=15∶85混合均勻后形成模擬煙道氣，而后從側(cè)邊進(jìn)入超重力旋轉(zhuǎn)床中，通過氣體分布導(dǎo)流片后沿軸向通過不銹鋼絲網(wǎng)填料；NaOH溶液沿超重力旋轉(zhuǎn)床中心通過液體分布導(dǎo)流片后沿液體分布器均勻噴灑在填料層內(nèi)側(cè)，在離心力的作用下沿徑向從填料層外側(cè)甩出，與氣相進(jìn)行逆流接觸并進(jìn)行傳質(zhì)，氣-液分布導(dǎo)流片的安裝示意圖和3種不同的氣-液分布導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)圖分別如圖2和圖3所示。在實(shí)驗(yàn)中，混合氣量為0.294 m3/h，NaOH溶液濃度為0.1 mol/L，進(jìn)液量為100 L/h，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為575 r/min。其中，氣-液流量用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定；CO2濃度采用酸解分析法進(jìn)行測(cè)定。吸收液CO2摩爾吸收容量和吸收速率的計(jì)算如方程（1）和（2）可得。

圖1 CO2-NaOH體系超重力旋轉(zhuǎn)床實(shí)驗(yàn)工藝流程示意圖Fig.1 Diagram of the experimental process of CO2-NaOH system rotating packed bed

圖2 氣-液分布導(dǎo)流片安裝位置示意圖Fig.2 Diagram of gas-liquid distribution inducer installation position

圖3 氣-液分布導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of gas-liquid distribution inducer structure

其中，α為吸收液中CO2摩爾負(fù)荷，molCO2/mol Am；γi為吸收液對(duì) CO2的吸收速率，molCO2/（L·s）；ViCO2為體積取液酸解后釋放的CO2體積，mL；Vi取出待酸解的吸收液體積，mL；c為吸收液濃度，mol/L；T為反應(yīng)溫度，℃；Δt為間隔取樣的時(shí)間，s。

2 體積傳質(zhì)模型的建立［10-11］

模型假設(shè)：1）氣相為平推流；2）液相為無(wú)軸向和徑向返混；3）軸向和徑向壓力變化可忽略；4）等溫操作；5）不考慮端效應(yīng)。

在CO2-NaOH體系中，NaOH吸收CO2的反應(yīng)式為

在兩個(gè)反應(yīng)中，（3）為整個(gè)反應(yīng)的控制步驟，（4）為快速離子反應(yīng)，從而整個(gè)反應(yīng)速率方程為：

由于氣相CO2減少量與液相中CO23-的增加量相同，可以得到：

氣液間的傳質(zhì)量為：

3 結(jié)果與討論

3.1 液體分布導(dǎo)流片對(duì)超重力旋轉(zhuǎn)床吸收性能的影響

在超重力旋轉(zhuǎn)床中單獨(dú)安裝A、B和C 3種不同形式液體分布導(dǎo)流片、以不添加導(dǎo)流片為對(duì)照組，考察他們對(duì)超重力旋轉(zhuǎn)床中CO2吸收性能、傳質(zhì)性能的影響，結(jié)果如表1和圖4所示。

表1 液體分布導(dǎo)流片對(duì)CO2出口濃度及傳質(zhì)系數(shù)的影響Tab.1 Impact of the liquid distribution inducer on CO2 export concentration and mass transfer coefficient

圖4 液體分布導(dǎo)流片對(duì)CO2吸收負(fù)荷的影響Fig.4 Impact of the liquid distribution inducer on CO2 absorbing load

從表1結(jié)果可知，當(dāng)不添加任何氣、液分布導(dǎo)流片時(shí)，在超重力旋轉(zhuǎn)床中采用NaOH對(duì)CO2的脫除率與金沙楊［12］的研究結(jié)果基本一致。添加了不同形式的液體分布導(dǎo)流片后，脫除率和傳質(zhì)系數(shù)都有了明顯的提高，其中當(dāng)采用了B型的液體分布導(dǎo)流片時(shí)，提高效果最為明顯。另外，從圖4可看出，采用B型的液體分布導(dǎo)流片時(shí)，達(dá)到吸收液飽和吸收負(fù)荷的時(shí)間較短。液體分布導(dǎo)流片在超重力旋轉(zhuǎn)床中主要起離心力作用下液體在通過填料層后的液體再分布作用，因此，液體分布導(dǎo)流片的添加能夠改善通過超重力旋轉(zhuǎn)床中填料層后氣液兩相的接觸性能。相比于不采用液體分布導(dǎo)流片的吸收效果而言，無(wú)論哪種形式的液體分布導(dǎo)流片，都會(huì)有效提高氣液兩相的接觸效果，從而提高了吸收液對(duì)CO2的脫除率。當(dāng)液體分布導(dǎo)流片的開孔方向與超重力旋轉(zhuǎn)床中轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，在離心力的作用下，液體更容易通過填料到達(dá)容器壁與氣態(tài)進(jìn)行接觸，因而，吸收液達(dá)到飽和吸收負(fù)荷的時(shí)間較短，傳質(zhì)系數(shù)提高較多。當(dāng)采用B型的液體分布導(dǎo)流片后，NaOH達(dá)到飽和吸附的時(shí)間從25 min縮短到20 min，CO2脫除率從43.34%提高到60.0%，且傳質(zhì)系數(shù)為不添加導(dǎo)流片時(shí)的1.61倍。

3.2 氣體分布導(dǎo)流片對(duì)超重力旋轉(zhuǎn)床吸收性能的影響

超重力旋轉(zhuǎn)床中單獨(dú)安裝A、B和C 3種不同形式氣體分布導(dǎo)流片、以不添加導(dǎo)流片為對(duì)照組，考察他們對(duì)超重力旋轉(zhuǎn)床中CO2吸收性能、傳質(zhì)性能的影響，結(jié)果如表2和圖5所示。

表2 氣體分布導(dǎo)流片對(duì)CO2出口濃度及傳質(zhì)系數(shù)的影響Tab.2 Impact of the gas distribution inducer on CO2 export concentration and mass transfer coefficient

圖5 氣體分布導(dǎo)流片對(duì)CO2吸收負(fù)荷的影響Fig.5 Impact of the gas distribution inducer on CO2 absorbing load

從表2結(jié)果可得：當(dāng)添加了不同形式的氣體分布導(dǎo)流片后，脫除率和傳質(zhì)系數(shù)都有提高，其中當(dāng)采用了A型的氣體分布導(dǎo)流片時(shí)，提高效果最為明顯。另外，從圖5可看出，采用A型的氣體分布導(dǎo)流片時(shí)，達(dá)到吸收液飽和吸收負(fù)荷的時(shí)間較短。氣體分布導(dǎo)流片所起的作用是：對(duì)于進(jìn)入超重力旋轉(zhuǎn)床的氣體從超重力機(jī)入口到與液體進(jìn)行接觸時(shí)，會(huì)對(duì)氣體的導(dǎo)入方向產(chǎn)生一定的導(dǎo)流作用，從而改善氣液兩相的接觸狀態(tài)。當(dāng)氣體分布導(dǎo)流片為徑向無(wú)偏轉(zhuǎn)方向時(shí)，液體在離心力的作用下從填料層甩出時(shí)，與無(wú)偏轉(zhuǎn)方向?qū)氲臍怏w進(jìn)行傳質(zhì)作用；當(dāng)氣體分布導(dǎo)流片的方向與填料旋轉(zhuǎn)方向一致時(shí)，氣液順流接觸，接觸時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)但接觸面更新慢，當(dāng)氣體分布導(dǎo)流片的方向與填料旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，氣液逆流接觸，能有效增加湍流作用但接觸時(shí)間相對(duì)變短，兩種情形下對(duì)傳質(zhì)有利的與不利的方面彼此相當(dāng)，均無(wú)法較大增強(qiáng)傳質(zhì)效果。因此，采用氣體分布導(dǎo)流片A時(shí)，可以使得CO2的脫除率達(dá)到最高，且傳質(zhì)系數(shù)最大，是不添加氣體分布導(dǎo)流片的1.47倍。

3.3 氣-液分布導(dǎo)流片對(duì)超重力旋轉(zhuǎn)床吸收性能的影響

在超重力旋轉(zhuǎn)床中分別安裝9組不同組合的氣-液分布導(dǎo)流片，以不添加導(dǎo)流片為對(duì)照組，考察其對(duì)CO2吸收性能與傳質(zhì)性能的影響，結(jié)果如表3和圖6所示。

從表3和圖6的數(shù)據(jù)中可以看出，相比于采用一種分布導(dǎo)流片的超重力旋轉(zhuǎn)床來(lái)講，同時(shí)采用氣-液分布導(dǎo)流片的超重力旋轉(zhuǎn)床中CO2吸收效果和傳質(zhì)系數(shù)都有明顯的提高。實(shí)驗(yàn)5所顯示的氣液傳質(zhì)系數(shù)最大，所采用的分布導(dǎo)流片添加形式為液體分布導(dǎo)流片B→氣體分布導(dǎo)流片A，即液體分布導(dǎo)流片方向?yàn)轫槙r(shí)針偏轉(zhuǎn)，與填料旋轉(zhuǎn)方向一致，液體更容易由填料旋轉(zhuǎn)甩向容器壁，氣體分布導(dǎo)流片為徑向無(wú)偏轉(zhuǎn)。這樣，液體能在兩種導(dǎo)流片的帶動(dòng)下與氣體的接觸時(shí)間更長(zhǎng)，傳質(zhì)效果更好。

圖6 氣-液分布導(dǎo)流片對(duì)CO2吸收負(fù)荷的影響Fig.6 Impact of the gas-liquid distribution inducer on CO2absorbing load

4 結(jié)論

采用A、B和C 3種不同的超重力旋轉(zhuǎn)床中的氣-液分布導(dǎo)流片，以CO2-NaOH體系為研究對(duì)象，對(duì)氣-液分布導(dǎo)流片對(duì)超重力旋轉(zhuǎn)床中吸收液對(duì)CO2吸收性能和傳質(zhì)性能的影響進(jìn)行研究。由于添加氣、液分布導(dǎo)流片后可以改善氣、液在超重力旋轉(zhuǎn)床中的分布狀態(tài)和接觸方式，當(dāng)隨著填料旋轉(zhuǎn)時(shí)能較好的帶動(dòng)液體與氣體接觸，增大了填料的傳質(zhì)效率。另外，氣、液分布導(dǎo)流片對(duì)氣、液的導(dǎo)流方向?qū)?、液兩相在超重力旋轉(zhuǎn)床中的接觸方式會(huì)產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)采用順時(shí)針偏轉(zhuǎn)的液體分布導(dǎo)流片、徑向無(wú)偏轉(zhuǎn)的氣體分布導(dǎo)流片時(shí)，氣、液兩相為順流接觸，可增長(zhǎng)液體吸收劑與氣體接觸時(shí)間，得較好的傳質(zhì)效果，其傳質(zhì)系數(shù)為不添加分布導(dǎo)流片的2.83倍，CO2的脫除率從43.34%提高到80.00%。

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