徐飛，羅丹，全學(xué)軍，邱發(fā)成，代明星

（重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400054）

液相射流在氣流中的破碎霧化在工程上常用于減小液滴的霧化粒徑，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等各種機(jī)械系統(tǒng) 中[1-3]。利用射流霧化現(xiàn)象減小液滴尺寸、提高氣液兩相接觸面積在化工領(lǐng)域也是強(qiáng)化傳質(zhì)過程的一種途徑。水力噴射空氣旋流器（water-sparged aerocyclone，WSA）即是利用液相射流在三維氣相旋流場(chǎng)中的霧化現(xiàn)象，形成液體射流與氣體旋流耦合場(chǎng)，同時(shí)又利用旋流場(chǎng)的靜態(tài)超重力作用，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化氣液傳質(zhì)和反應(yīng)的過程。該類設(shè)備具有傳質(zhì)性能高、結(jié)構(gòu)集成度高等特點(diǎn)，并已在廢水脫氨、濕法煙氣脫硫、含Cr(Ⅵ)廢水處理等氣液傳質(zhì)與反應(yīng)方面取得了良好的效果[4-8]。

目前開發(fā)的WSA 以傳統(tǒng)圓柱旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，其進(jìn)氣口位于旋流封頭上，位置離液相射流與氣體旋流耦合區(qū)域存在一定的軸向距離，并且WSA 工作時(shí)，主筒體底部會(huì)設(shè)置一定高度的液封來保證內(nèi)部氣流主要走向。為了對(duì)此兩段區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，本文通過廢水脫氨傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)，考察了進(jìn)氣口位置軸向下移以及主筒體底部擋板設(shè)置對(duì)WSA 氣液傳質(zhì)性能的作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 水力噴射空氣旋流器與實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)用WSA 以傳統(tǒng)圓柱旋風(fēng)分離器為基礎(chǔ)，所有結(jié)構(gòu)采用透明有機(jī)玻璃制作，其主要設(shè)計(jì)尺寸如下：主筒體內(nèi)徑D 設(shè)計(jì)為70mm，總長(zhǎng)H≈4.28D，為300mm；中心排氣管內(nèi)徑d1≈0.45D，為32mm，壁厚為 4mm，中心排氣管插入主筒體深度h=0.7H[9]，為210mm；主筒體側(cè)壁上開有射流噴孔，噴孔直徑d2設(shè)計(jì)為2mm，噴孔采用正方形排列方式，孔間距取為15.6mm，其開孔區(qū)域占排氣管插入深度的78%[10]。這樣，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：噴孔共10 層，噴孔起始線距離主筒體頂部30mm，噴孔區(qū)域長(zhǎng)度L 為140.4mm，每層沿筒體外壁均勻排布16個(gè)，總數(shù)為160 個(gè)；氣相進(jìn)口采用矩形直線切向進(jìn)氣方式，寬a=0.225D，為15.75mm，高b=0.45D，為31.5mm[11]；底流口內(nèi)徑d3為32mm。

為了對(duì)比研究進(jìn)氣口位置對(duì)WSA 內(nèi)部氣液傳質(zhì)性能的影響，實(shí)驗(yàn)采用了兩套WSA 設(shè)備，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1(a)中的WSA 矩形進(jìn)氣口上緣與第一排射流噴孔齊平，因進(jìn)氣口占據(jù)射流噴孔區(qū)域，噴孔總數(shù)為154 個(gè)；圖1(b)中WSA 進(jìn)氣口設(shè)置于旋流封頭上，兩套裝置旋流封頭、底流口與主筒體均采用螺栓法蘭連接。對(duì)于底部擋板的研究，實(shí)驗(yàn)采用了圖1(a)中的WSA，并將擋板設(shè)置于底流口法蘭盤上，擋板的設(shè)計(jì)采用攪拌槽中常用的標(biāo)準(zhǔn)擋板排列方式[12]，即寬度為D/10 擋板4 塊，垂直于底部與內(nèi)壁均勻排布，為保證擋板不因旋流流體沖擊 而產(chǎn)生形變，擋板厚度設(shè)為3mm，如圖2 所示。

圖1 兩種不同進(jìn)氣位置WSA 結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 擋板設(shè)置及安裝示意圖

實(shí)驗(yàn)裝置由WSA、液體儲(chǔ)槽、篩板式氣液分離器、循環(huán)水泵、氣泵、氣體流量計(jì)、液體流量計(jì)、U 形壓差計(jì)、閥門等組成，聯(lián)接方式如圖3 所示，液體儲(chǔ)槽和氣液分離器均由透明的有機(jī)玻璃制作 而成。

1.2 脫氨過程體積傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算

在吹脫過程中，當(dāng)pH≥11 時(shí)，游離氨含量將達(dá)到99%以上，氨的電離平衡受溫度的影響變得很小，可認(rèn)為消除了電離平衡的影響，使得氨水吹脫過程主要受氣液傳質(zhì)過程影響[13-14]。

在pH≥11 的情況下，脫氨過程中的體積傳質(zhì)系數(shù)可用式（1）進(jìn)行計(jì)算[4，15]。

式中，c0(NH3-N)和ct(NH3-N)分別為水中初始和t 時(shí)刻的氨氮濃度，mg/L； KLa 為氨的體積傳質(zhì)系數(shù)，min-1；t 為吹脫時(shí)間，min。

在實(shí)驗(yàn)中，通過測(cè)定初始氨氮濃度與t 時(shí)刻氨氮濃度，并運(yùn)用式（1）進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合即可得出吹脫氨過程中的體積傳質(zhì)系數(shù)KLa。

季、年平均氣溫（10 m高度）：年均9.58℃，春季10.73℃，夏季25.48℃，秋季9.95℃，冬季-8.19℃。

圖3 WSA 結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)裝置流程圖示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用空氣吹脫氨水的方式考察傳質(zhì)性能。原料為5.8L 初始氨氮濃度約為3500mg/L 的氨水溶液，并通過計(jì)算吹脫過程中OH-的理論消耗量和吹脫實(shí)驗(yàn)來確定整個(gè)吹脫過程為保持pH≥11 所加入的NaOH 溶液的量。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將配制好的氨水溶液倒入液體儲(chǔ)槽中，開啟循環(huán)水泵，調(diào)節(jié)液體流速至預(yù)定值，使其穩(wěn)定運(yùn)行5min，并從液體儲(chǔ)槽的取樣口取初始樣，然后打開風(fēng)機(jī)調(diào)至預(yù)設(shè)的氣速開始計(jì)時(shí)，進(jìn)行廢水吹脫氨的實(shí)驗(yàn)，并立即調(diào)節(jié)WSA 底部閥門，使WSA 底部形成高度約為40mm的液封，使得氣體主要從中心排氣管排出。實(shí)驗(yàn)采用間歇操作方式，分別采用不同結(jié)構(gòu)的WSA 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，單次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行60min，前30min 每隔5min取樣一次，后30min 每隔10min 取樣一次。廢水樣品采用納氏試劑分光光度法在420nm 處進(jìn)行氨氮濃度測(cè)定。實(shí)驗(yàn)設(shè)定初始水溫為20℃，液體循環(huán)流量設(shè)定為1.5m3/h、2.0m3/h 和2.5m3/h，并在不同的進(jìn)氣速度下開展吹脫實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度通過使用裝置附近的空調(diào)系統(tǒng)保持為20℃左右。相同條件的實(shí)驗(yàn)重復(fù)一次，所得結(jié)果取平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)氣口位置對(duì)WSA 脫氨傳質(zhì)過程的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同液相循環(huán)流量下兩種進(jìn)氣口位置對(duì)WSA 內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)的影響，結(jié)果如圖4 所示，內(nèi)部氣相壓降結(jié)果如圖5 所示。由圖4 可知，在相同液相循環(huán)流量與進(jìn)氣速度下，進(jìn)氣口位置對(duì)于WSA傳質(zhì)性能幾乎無影響。這說明，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的兩種進(jìn)氣口位置對(duì)WSA 內(nèi)部的射流-旋流耦合作用影響不大。但由圖5 可知，進(jìn)氣口位置對(duì)WSA 內(nèi)氣相壓降有著明顯影響，進(jìn)氣口軸向下移的WSA 氣相壓降均低于傳統(tǒng)進(jìn)氣口位置的WSA，其數(shù)值相差10%以上。

圖4 不同液相循環(huán)流量下進(jìn)氣口位置對(duì)WSA 內(nèi)氣液傳質(zhì)系數(shù)的影響

圖5 不同液相循環(huán)流量下進(jìn)氣口位置對(duì)WSA 內(nèi)氣相壓降的影響

WSA 內(nèi)部氣相壓降主要來自于旋流場(chǎng)與器壁之間的摩擦損失和內(nèi)部氣相旋流場(chǎng)與液相射流場(chǎng)之間的耦合作用[16]，進(jìn)氣口位置的軸向移動(dòng)對(duì)WSA內(nèi)部液相射流場(chǎng)與氣相旋流場(chǎng)耦合作用并無影響，即氣相壓降的降低主要是因?yàn)榭s短了氣相旋流沿WSA 軸向運(yùn)動(dòng)的距離，降低了氣相旋流場(chǎng)與器壁的摩擦損失。

由于WSA 內(nèi)部氣液射旋流耦合作用會(huì)使液相從射流表面上剝落，并卷入氣相旋流中，且部分液相由于未能越過WSA 內(nèi)軸向零速包絡(luò)面，會(huì)隨著氣體運(yùn)動(dòng)從中心排氣管帶出[17]。因此WSA 的液相回流比（RL=Q1/Q，Q1為從中心排氣管經(jīng)氣液分離器回流入儲(chǔ)液槽中的液相流量，Q 為進(jìn)入WSA 的液相流量）也能間接反應(yīng)WSA 內(nèi)氣液兩相耦合作用的狀態(tài)。兩種進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)的WSA 內(nèi)回流比測(cè)得的結(jié)果如圖6 所示?？梢钥闯觯M(jìn)氣口位置的改變對(duì)回流比的影響較小，都表現(xiàn)出了相同的規(guī)律：在較高液體循環(huán)流量下，液相回流量隨著進(jìn)氣速度的提升而變大；在低循環(huán)流量下，隨著氣速的升高，兩種結(jié)構(gòu)下的液相回流比都有明顯下降的趨勢(shì)，這是由于低液相循環(huán)流量下形成了貼壁霧化現(xiàn)象，液相通過射流噴孔進(jìn)入WSA 中時(shí)，在強(qiáng)烈的氣相旋流場(chǎng)作用下，大部分液相被壓在了主筒體內(nèi)壁上，最終從底流口流出，只有少部分液相被卷進(jìn)氣相從中心排氣管中排出，此時(shí)的液相射流流型呈現(xiàn)貼壁 霧化旋線射流，氣液兩相間有效傳質(zhì)比表面積 減小[18]。

2.2 底部擋板對(duì)WSA 脫氨傳質(zhì)過程的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同液相循環(huán)流量下底部擋板對(duì)WSA 內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)和氣相壓降的影響，結(jié)果如圖7和圖8 所示。由圖7 與圖8 可以看出，在較高液相流量下（2.0m3/h 和2.5m3/h），擋板的加入對(duì)WSA的體積傳質(zhì)系數(shù)和氣相壓降沒有明顯的影響；但在較低液相流量下（如1.5m3/h），隨著氣速的增加，底部擋板對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)有著明顯的提升作用，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)其數(shù)值最大提高了13%，氣相壓降在各個(gè)氣速下也均有一定的提升，其數(shù)值提高了6%～10%。這可能是由于擋板的加入增強(qiáng)了WSA 內(nèi)氣液兩相的相互作用的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)所測(cè)回流比結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可知，在較高液相循環(huán)流量條件下，底部擋板對(duì)回流比影響較??；但在低液相循環(huán)流量下，擋板的加入使得回流比在各個(gè)氣速下均有提升，說明擋板的加入改變了WSA 內(nèi)氣液兩相作用狀態(tài)，并使軸向速度向上的氣相旋流中被卷入了更多液相。這主要是由于在較低液相循環(huán)流量下，大量的貼壁霧化使得液封處的液體大部分貼著主筒體內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)，液封液面在軸心處向下凹陷，形成氣相空腔，擋板的加入則限制了液封旋流處的切向速度，增加了軸向速度與徑向速度分量，即原有的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪狈瓭L運(yùn)動(dòng)[19]，這不僅使液封表面氣液兩相接觸面積更新速度加快，也使漩渦中心凹陷處部分氣相被卷入液相內(nèi)部，產(chǎn)生大量氣泡，使得氣液兩相重新混合，提高了相間傳質(zhì)比表面積，從而提高了傳質(zhì)性能，并且液體劇烈的翻滾運(yùn)動(dòng)與氣泡的產(chǎn)生，使得液封表面失穩(wěn)程度加劇，液體更容易被上升旋流場(chǎng)剝離、抽出，導(dǎo)致液相回流比升高；在較高液相循環(huán)流量下，由于射流動(dòng)能較大，有部分液相射流能夠到達(dá)中心排氣管表面并向下運(yùn)動(dòng)，最后匯合于液封表面。這種高液相射流和高進(jìn)口氣速作用下的傳質(zhì)主要發(fā)生在WSA 的射流-旋流耦合部分，因此，底部擋板對(duì)兩相傳質(zhì)和液相回流比的影響不太顯著。

圖6 兩種進(jìn)氣結(jié)構(gòu)WSA 的液相回流比

圖7 不同液相循環(huán)流量下底部擋板對(duì)WSA 內(nèi)氣液傳質(zhì)系數(shù)的影響

圖8 不同液相循環(huán)流量下底部擋板對(duì)WSA 內(nèi)氣相壓降的影響

圖9 兩種底部結(jié)構(gòu)WSA 的液相回流比

3 結(jié) 論

本文通過吹脫氨傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)，研究了進(jìn)氣口位置與底部擋板對(duì)水力噴射空氣旋流器（WSA）傳質(zhì)過程的影響。結(jié)果表明，氣相進(jìn)口沿軸向下移不能提高WSA 內(nèi)氣液傳質(zhì)性能，但能夠有效降低其內(nèi)部的氣相壓降，其數(shù)值約為10%。在WSA 主筒體底部液封區(qū)域設(shè)置擋板，可以提高在低液相流量下WSA 內(nèi)的氣液傳質(zhì)效果，且隨進(jìn)氣速的增加效果越顯著，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)其數(shù)值最大提高約為13%。

符 號(hào) 說 明

a——WSA 矩形進(jìn)氣口寬度，mm

c0(NH3-N) ——水中初始氨氮濃度，mg/L

ct(NH3-N) ——水中t 時(shí)刻氨氮濃度，mg/L

D——WSA 主筒體內(nèi)徑，mm

d1——中心排氣管內(nèi)徑，mm

d2——液相射流噴孔直徑，mm

d3——WSA 底流口直徑，mm

H——WSA 主筒體高度，mm

h——中心排氣管插入深度，mm

KLa——氨的體積傳質(zhì)系數(shù)，min-1

L——噴孔區(qū)域長(zhǎng)度，mm

t——廢水吹脫時(shí)間，min

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