活性炭纤维流态化吸附过程的相含率分布特征

第32卷第7期2004年7月华南理工大学学报(自然科学版)Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition)Vol.32 No.7July 2004文章编号:1000-565X(2004)07-0047-04活性炭纤维流态化吸附过程的相含率分布特征*张小平1 陈水挟2(1.华南理工大学环境科学与工程系,广东广州510640;2.中山大学聚合物复合材料及功能材料教育部重点实验室,广东广州510275)摘 要:在一高1200mm 、直径40mm 的三相流化床实验装置上,采用压降法和取样法测定了不同操作条件下剑麻基活性炭纤维在床内沿轴向的分布特征.结果表明,在一定液速和气速下,气含率沿床高增加,而液含率及固含率则逐渐降低;一定液速下提高气速,床中的混合程度增大,而一定气速下提高液速,床中的离集(分级)程度增大.该研究成果可为活性炭纤维流态化吸附回收贵金属过程的放大和操作提供依据.关键词:三相流态化;活性炭纤维;流体动力学;轴向分布中图分类号:TQ 051.1+3 文献标识码:A收稿日期:2003-12-23*基金项目:广东省科技计划项目(2002A30403)作者简介:张小平(1962-),男,博士后,副教授,主要从事资源回收和综合利用的研究.E 2mail:xpzhang@s 活性炭纤维是近年来研究开发的一种超微粒子、表面具不规则结构以及狭小空间组合的具有独特物理和化学性能的纳米相结构高效吸附材料,具有比表面积大、微孔均匀和吸附-脱附速率快等优点.同时还具有优异的氧化还原特性,对一些高电势的金属,如金、银、铂、汞等有很好的吸附-还原能力.优异的性能使其在贵金属回收、废水处理和湿法冶金等领域获得了广泛的应用[1].以往对活性炭纤维吸、脱附性能(如吸附回收贵金属)的研究,仅仅在静态下进行,而不考虑活性炭纤维吸附过程所处的物理环境[2].研究表明,活性炭纤维吸附过程为扩散传质控制[3].针对这一事实,利用流态化传质传热速率高的特点,强化活性炭纤维的吸附过程以提高活性炭纤维回收贵金属的总体速率[2~4].在活性炭纤维三相流态化吸附回收贵金属过程中,各相含率在轴、径向的分布特征,特别是活性炭纤维在床中的分布,对床中的传质、传热有重要影响,最终影响金属在活性炭纤维上的吸附、沉积和成长速率.因此,研究相含率的分布特征具有重要意义.本研究在三维流化床装置上进行实验,探讨了剑麻基活性炭纤维在回收贵金属过程中各相含率的轴向分布特征,以揭示活性炭纤维三相流态化过程整体结构及其不均匀性的变化规律,为该过程的宏观动力学数学模型的建立及系统的设计、放大和优化奠定基础.1 实验1.1 实验装置及流程实验是在如图1所示的实验装置上进行的.主要包括溶液贮槽、热交换器、进气设备及流化床主体.流化床高1200mm,直径40mm,由普通玻璃制成.溶液贮槽容积为2000mL.进行实验的时候,向三相流化床中投入烘干的剑麻基活性炭纤维20g.将实验流化床的温度控制在(35?0.2)e (三相流化床的床主体带有玻璃换热夹套),以空气作为流化气体.气体流速及液体流速可分别采用压缩机阀门及计量泵进行调节,气体流量采用转子流量计进行计量.1.2 测量原理与方法各相含率可直接由测量不同高度的静压梯度dpdz 后由下列各式得到:dpdz=(E S Q S +E L Q L +E G Q G )g (1)图1 三相流化床实验装置及流程Fig.1 Ex perimental apparatus and flow chart of three 2phas efluidized bed1)空气压缩机;2)空气流量计;3)分布器;4)流化床;5)扩大段;6)排气孔;7)溶液出口;8)溶液贮槽;9)计量泵;10)温度计;11)气阀;12)液阀;13)三通阀;14)夹套进水;15)夹套出水;16)测压孔;17)排料阀若已知床层某段体积为V 的活性炭纤维颗粒的质量为m S ,密度为Q S ,则固相的相含率E S 为[3]E S =m S /(Q S A S H S )=m S /(Q S V)(2)且E S +E L +E G =1(3)式(1)~(3)中:V 为取样体积,m 3;m S 为活性炭纤维的质量,kg;E S ,E L 和E G 分别为颗粒、溶液和气体的相含率;Q S 、Q L 、Q G 分别为颗粒、溶液和气体的密度,kg #m -3,其中Q S 为1200kg #m -3,g 为重力加速度,m #s -2.首先取得流化床某床层段体积为V S (每次约20mL),质量为m S 的样品,由式(2)得到E S ,再联立式(1)和(2)可以分别求得该床层段的液含率E L 和气含率E G .为此,我们沿流化床床高布置5个测压探头,采用U 型水压计测定各段压力降,并在相应的床层段取一定体积的样品烘干并称重,然后由以上各式可以得到颗粒、溶液和气体的相含率沿流化床床高的分布.2 结果分析与讨论2.1 相含率轴向分布图2所示为一定液速(0.3cm #s -1)下各相含率在不同气速下沿轴向的分布;图3为一定气速(0.4cm #s -1)下各相含率在不同液速下沿轴向的分布.由图2,3可见,在一定液速及一定气速时,气含率沿轴向不断增加,而液含率及固含率逐渐降低.即气体含率表现为上浓下稀,而液体含率和固体含率则表现为上稀下浓的总体分布规律.图2 相含率在不同气速下沿轴向的分布Fig.2 Axial profiles of phase holdups at differentgas velocitiesu L =0.3cm #s -148华南理工大学学报(自然科学版)第32卷图3相含率在不同液速下沿轴向的分布Fig.3Axial profiles of phase holdups at different solu tion velocitiesu G=0.4cm#s-12.2气速的影响由图2可见,随着气速逐步提高,气含率沿轴向增加的程度不断增大,且同一床层截面的值也有所上升;而固含率随气速的提高其降低的程度有所趋缓.这说明随着气速的不断提高,增加了体系的湍动程度而使活性炭纤维的混合加剧,进而使得纤维在床中的分布趋向均匀.2.3液速的影响由图3可以看出,相含率分布特征基本与图2一致,只是在逐步提高液速时,气含率稍有所下降.而在一定气速下随着液速的不断提高,固含率沿轴向的分布更不均匀,出现了固相上稀下浓的分布现象.2.4讨论以上的实验现象是由体系的流型结构决定的,根据三相流化床中的气泡流动行为可以将流区划分为气泡分散流区、气泡聚并流区、节涌流区和转变流区4种流动型态[5,6].气泡分散流区表征了此区内气泡不发生聚并,且气泡尺寸小而均匀,此流区一般发生于高液速和低、中气速条件;气泡聚并流区中,气泡倾向于聚并,气泡尺寸和速度均较大且分布较宽,聚并的气泡在床中高速上升,并在床内引起激烈的搅拌,此区主要发生在低液速高气速条件下;小直径床中易出现节涌流;转变流区则是处于分散流区与节涌流区间的一种过渡流型.通过以上分析可知,三相流化床中出现的各相含率分布特征正是其中流动域变化的直接反映,而流动域的不同是系统流体动力学行为的必然结果.因此,系统的流体动力学行为决定着各相含率的分布特征.3结束语以上实验现象的分析和讨论,可为活性炭纤维流态化吸附回收贵金属过程中的操作提供参考.根据不同的需要,可将系统的行为控制在所希望的流动区域.如欲使活性炭纤维在床内沿轴向有较一致的分布,可将床内的流型控制在气泡聚并流区,措施是在较大的气速和较低的液速下操作,此操作流区接近全混流流动状态;反之,若欲使纤维沿轴向出现分级现象(上稀下浓),则可将流型控制在气泡分散流区,即在较低气速和较高液速下操作,此操作接近平推流流动形态.通过对活性炭纤维三相流态化过程相含率沿轴向分布特征的研究,从宏观上明确了各相浓度在床中的分布情况,特别是固相含率的分布特征,并推测了微观相结构变化特征与操作条件49第7期张小平等:活性炭纤维流态化吸附过程的相含率分布特征的关系,为活性炭纤维流态化吸附回收贵金属过程的操作提供了初步方案.参考文献[1]曾汉民.环境意识材料[J].材料科学与工程,1994,12(4):1-10.Zeng Han2min.Envi ronmental conscious materials[J].Ma2 terials Science&Engineering,1994,12(4):1-10.[2]张小平,曾汉民,陆耘.活性炭纤维回收贵金属的三相流态化过程特性[J].水处理技术,1999,25(1):38-41.Zhang Xiao2ping,Zeng Han2min,Lu Yu n.Process chara2cteristics of the recovery of noble metals by functional fibers in three2phas e fluidized bed[J].Technology of Water Treat2 ment,1999,25(1):38-41.[3]张小平,曾汉民,陆耘.流态化强化活性炭纤维回收贵金属过程的传质传热特性[J].水处理技术,1998,24(3):152-156.Zhang Xiao2ping,Zeng Han2min,Lu Yun.Mass and heat transfer behaviour of recovering noble metals by redox fibers in a fluidized bed[J].Technology of Water Treatment,1998,24(3):152-156.[4]张小平,曾汉民,陆耘.流态化强化活性炭纤维回收金的研究[J].水处理技术,1999,25(6):355-357.Zhang Xiao2ping,Zeng Han2min,Lu Yun.Gold recovery from Au2 containing was tewater by ACFs in a fluidized bed[J].Tech2 nology of Water Treatment,1999,25(6):355-358.[5]张小平,钱宇,郭祀远.三相流态化结晶过程的离集与混合特性[J].化学工程,1997,25(5):15-20.Zhang Xiao2ping,Qian Yu,Guo Si2yuan.Segregatio n and mixing i n a three2phase fluidized bed for crystallization[J].Chem Eng of China,1997,25(5):15-20.[6]Fan L S,Matsuura A,Chern S H.Hydrodynamics of gas2liq2uid2solid fluidized bed[J].AIChE J,1985,31(11):1801-1810.Distribution of Phase Holdups in the Adsorption Process of Activated Carbon Fibers with FluidizationZhang Xiao2ping1Chen S hui2xie2(1.Dept.of Environmental Science and Engineering,South China Univ.of Tech.,Guangzhou5106410,Guangdong,China;2.Key Labo ratory of Polymeric Co mposite&Fu nctional Materials,the Minis try of Education,Sun Yat2sen Univ.,Guangzhou510275,Guangdong,Chi na)Abstr act:The axial distribution of phase holdups in the adsorption process of the sisal2based activated carbon fibers in various operating conditions was determined by measuring the pressure drop and sampling.The experiments were car2 ried out in a three2phase fluidized bed with the height of1200mm and the internal diameter of40mm.The results indi2 cate that,at a certain gas velocity and a liquid velocity,the gas holdup increases with the increase of bed height,while the liquid and solid holdups decrease gradually,and that,at a certain liquid velocity,the mixing extent in the bed im2 proves with the increase of gas velocity,while at a certain gas velocity,the segregation extent in the bed increases with liquid velocity.The obtained results provide a basis for the scale2up and operation of the recovery of noble metals by activated carbon fibers in fluidized beds.Key words:three2phase fluidization;activated carbon fiber;hydrodynamics;axial distribution 50华南理工大学学报(自然科学版)第32卷。