超重力旋转床中气液传质性能的研究进展

超重力旋转床中气液传质性能的研究进展
方健;詹丽;余国贤;路平;晋梅
【摘要】Rotating packed bed is a kind of new reaction device in industrial chemistry process ,used the centrifugal force generated by materials filling in high speed rotating to imitate the hypergravity enviro⁃ment ,the liquid contacted reversely with the gas phase at high relative velocity in curving hole of packing bed under the conditions of high dispersion ,high turbulence ,strong mixture and quick renew of inter⁃face ,it strongly intensified the gas-liquid mass transference. Reviewed the influence factors on the effect of gas-liquid mass transference in hypergravity rotating packed bed ,introduced the typical theory on gas-liquid mass transference ,moreover , introduced recent progress of the theory and the model of gas-liquid transference in hypergravity rotating packed
bed ,prospected the intensifying technology in this field.%超重力旋转床是一种强化化学工业过程的新型反应器，利用高速旋转填料所产生的离心力来模拟超重力环境，液体在高分散、高湍动、强混合以及界面的快速更新下与气相以极大的相对速度在填料的弯曲孔道中进行逆向接触，极大地强化了气液传质过程而不液泛。

对影响超重力旋转床气液传质效果的因素，如填料、转子转速以及气/液体流量等进行了综述，并在此基础上，介绍了典型的气液传质理论和近年来国内外对超重力旋转床中气液传质理论及气液传质模型的研究进展，最后对超重力旋转床气液传质的强化技术进行了展望。

【期刊名称】《江汉大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】6页(P182-187)
【关键词】超重力旋转床;气液相;传质模型;传质系数
【作者】方健;詹丽;余国贤;路平;晋梅
【作者单位】工业烟尘污染控制湖北省重点实验室江汉大学，江汉大学化学与环境工程学院，湖北武汉 430056;工业烟尘污染控制湖北省重点实验室江汉大学，江汉大学化学与环境工程学院，湖北武汉 430056;工业烟尘污染控制湖北省重点实验室江汉大学，江汉大学化学与环境工程学院，湖北武汉 430056;工业烟尘污染控制湖北省重点实验室江汉大学，江汉大学化学与环境工程学院，湖北武汉430056;工业烟尘污染控制湖北省重点实验室江汉大学，江汉大学化学与环境工
程学院，湖北武汉 430056
【正文语种】中文
【中图分类】TQ053;TQ316
超重力旋转填料床应用超重力技术产生强大离心力，在该离心力的作用下，气液两相以极大的相对速度在填料的弯曲孔道中进行逆向接触以强化传质过程而不液泛，是20世纪80年代发展起来的新型过程强化传质设备，同时还具有气相压降小、
气相动力能耗小、持液量小、物料停留时间短、设备体积小以及操作弹性大等优点，被誉为“化学工业的晶体管”［1-4］。

然而，同传统塔器传质设备相比，超重力旋转床中的气液两相间传质过程则更为复杂。

因此，对旋转床内气液相间传质影响因素、气液两相间的传质模型以及旋转床内气液传质机理进行研究和探讨，归纳出超重力旋转床内气液传质规律，寻找普适性的气液两相传质机理及相应的传质模型，
对于超重力技术的工业化推广应用以及过程强化的基础理论研究具有非常重要的意义。

在超重力旋转床中，影响气液传质效果的主要影响因素有填料结构和形状、转子转速、液体流量和气体流量等。

1.1 填料对气液传质的影响
填充于超重力旋转床中的填料结构和形状对气液两相的传质会产生不同的影响。

CHEN等［5］在超重力旋转床中分别用拉西环、距鞍形和金属丝网3种填料研究填料性质对气液传质的影响时发现，不同结构的填料对气液传质的影响不同。

在超重力旋转床中，采用拉西环和距鞍形填料时，由于液相在径向流动分布的不均匀会导致填料表面液体润湿性较差及气液两相接触面积的减少，从而传质系数较小；相比于上述两种填料，采用金属丝网填料时，在超重力的作用下，会获得较大的气液接触面和气液相更新界面，传质系数最大。

杨玲等［6］在超重力旋转床中分别采用三叶草形和球形填料，用氮气对水中的氧气进行逆流解吸进行研究。

对两种不同形状填料的传质实验结果分析表明，尽管三叶草形填料的比表面积大于球形填料，但是当采用球形填料时的传质系数要明显高于采用三叶草形填料，说明在一定的操作条件下，气液两相间的传质效果和填料的比表面积之间不一定存在正比关系，这意味着超重力旋转床中填料的比表面积不是传质系数和传质效果的敏感参数。

吴杰等［7］在水吸收空气中的丙酮体系中，采用相同体积的不锈钢丝网为填料进行传质研究，发现在一定的工艺操作条件下，由于液相通过薄层填料时液体和填料之间的碰撞更加剧烈，剪切分散效果更好，传质面积增加，表面更新速率加快，对提高传质系数的影响增强。

因此，相对于较小半径的厚层填料而言，较大半径的薄层填料可提供较大的传质系数和较好的传质效果。

综上，在超重力旋转床中采用有利于增大气液接触面积和气液相更新界面的填料，将会提高气液相传质系数和传质效果。

1.2 转子转速对气液传质的影响
大量研究表明在超重力旋转床中，不同的研究体系采用不同的转子尺寸和转速时，传质系数会随着转子转速的增加而增大。

CHEN等［8］在旋转床中吸收VOCs实验时结果表明在一定的气液流量下，随着旋转床的转子转速从150 r/min增加到1 200 r/min，气液传质系数可提高1.7倍左右。

QIAN等［9］采用N-MEDA溶液吸收CO2的研究结果表明当气液流量一定时，转速为1 300 r/min下的传质系数为600 r/min转速的1.5倍。

同样地，SUN等［10］针对NH3-CO2中吸收CO2体系，在一定气液流量条件下的实验表明，当转子转速从300 r/min增加到1 500 r/min，传质系数相应的提高了2.06倍。

各学者的研究均提出随着超重力旋转床中转子转速的增加，气液传质系数提高主要基于两方面的原因：一方面液体被逐渐增强的剪切力撕裂成更细小的液滴、液膜和液丝，使气液传质界面的比表面积大大增加；另一方面随着转子转速的加快会提高气液两相在旋转床中的相间速度以及减小传质阻力。

尽管气液传质系数随着转速的增加而增大，但是当转子转速增大到一定程度后，将导致气液两相在填料层中的停留时间大幅缩短，从而使传质系数的增加幅度变缓［10］。

与此同时，随着转子转速的提高，设备的机械能耗也会相应增加。

因此，超重力旋转床中转子的转速并不是越高越好，而是存在一最佳值。

1.3 液体流量对气液传质的影响
在超重力旋转床中，在不同的研究体系和一定的操作条件下，不同的学者得出了液体流量和传质系数之间的关系。

CHANG等［11］采用超重力技术吸收水中乙醇时，在一定的气体流量和转速下，发现当液体流量从0.2 L/min提高到0.7 L/min 时，对应的传质系数提高了0.69倍；类似地，在超重力旋转床中一定气体流量和转速下，TAN等［12］在负载有2，2，3，3-四氟-1-丙醇的活性炭上超临界CO2解吸的实验结果表明，液体流量为110 mL/min时的传质系数为40 mL/min 时2.25倍；潘朝群等［13］在CO2-NaOH溶液反应体系来研究多级雾化旋转床
中气液间的传质规律实验中得出随着液体流量从0.9 mol/s增加到9.3 mol/s，传质系数也相应地提高了0.72倍。

在超重力旋转床中，液体随转子高速旋转时可获得较大的切线速度，液体在填料层中被撕裂为较为细小的液滴、液膜或液丝，一方面可以减小气液相间的传质阻力，另一方面可以获得较大的气液传质面积，从而获得较高的传质系数和较好的传质效果。

因此，随着液体流量的增加，填料的破碎分散作用得到更好地体现，相界面积和传质推动力增大，同时还可以提供较多的液相吸收液量对气相进行吸收，因此有利于气液传质效果的提高。

尽管当液体流量增大到一定值后，会因为液相量过大而导致气液两相在填料层中接触时间的下降，但并不足以引起气液传质系数的明显下降［11-13］。

总而言之，在超重力旋转床中，液体流量的提高对气液传质的影响是有利的。

1.4 气体流量对气液传质的影响
在超重力旋转床中，针对不同的研究体系，在一定的操作条件下，传质系数随气体流量的增加存在不同的变化趋势。

竺洁松等［14］在氮气解吸水中溶解氧的体系中提出在一定条件下，气体流量从4.5 L/min提高到13 L/min，其传质系数相应地提高到0.31倍左右。

然而，曹会博等［15］从石油伴生气中脱除H2S的气液传质实验中得出了与上述研究不同的结论，在液体流量为80 L/h、转子转速为1200 r/min时，随着气体流量从3 m3/h增加到10 m3/h时，传质系数反而从0.95 s-1下降到0.75 s-1。

孙志斌等［16］采用氨法烟气脱硫研究中发现在一定操作条件下，随着气体流量从6 m3/h增加到10 m3/h，传质系数的变化有一转折点：从6 m3/h时的12.3 s-1提高到8 m3/h时的15 s-1，而后随着气体流量的增大，传质系数则下降到10.84 s-1。

究其原因，主要是在液体流量及转子转速不变的情况下，液相液膜的厚度及更新速率都维持在一个定值，当气体流量在一定范围内增大时，气体流量的增大有利于液滴的分散，增大相界面积，同时可有效地降低传质阻力，有利于传质系数的提高［14-16］。

和液体流量增大的影响相似，
气体流量的增大也会引起气液两相间接触时间的缩短，因此，当气体流量增大超过一定范围时，传质系数会由于两相间接触时间的降低而减小。

综上，在超重力旋转床中，其他操作条件不变时，气相流量的增大一方面使气相传质阻力降低，另一方面使气液相接触时间缩短。

在气液传质过程中，当气体流量的增大导致气相传质阻力降低占主要作用时，传质系数将随着气体流量的增大而增大；当气体流量的增大导致气液两相接触时间的缩短占主要作用时，传质系数将随着气体流量的增大而减小。

因此，在超重力旋转床中，只有在最佳气体流量下才能获得较好的传质效果和较大的传质系数。

2.1 典型的气液传质理论
典型的气液传质理论主要有Whitman提出的双膜理论、Higbie提出的溶质渗透
理论和Danckwerts所提出的表面更新理论。

双膜理论提出：①接触的气液两相间存在稳定相界面，且溶质在每一相中的传质阻力都集中在相界面两侧虚拟的停滞膜内；②吸收质由气相主体以分子扩散方式通过两侧的停滞膜进入液相主体；③气液两相在相界面上达到相平衡；④由于流体充分湍动，气液两相主体组成均匀。

溶质渗透理论认为：在传质过程中，当气液还未接触时，整个气相和液相内的溶质是均匀的；一旦气液两相开始接触，溶质会慢慢溶于液相中，且溶质从相界面向液膜深度方向逐步渗透，直至建立起稳定的浓度梯度。

表面更新理论是对渗透理论进行改进后提出的，该理论假定新鲜流体单元在界面有不同的接触时间（从零到无穷大），暴露渗透的面积更新率保持恒定。

2.2 超重力旋转床中气液传质理论及传质模型的建立
超重力旋转床中，液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下与气体以极大的相对速度在弯曲孔道中逆向接触。

虽然这一过程极大地强化了传质过程，但也致使气液间的传质过程变得较为复杂。

为此，很多学者根据研究体系的不同，
在3种典型气液传质理论基础上进行相应的合理简化和假设，提出了不同的超重
力旋转床运行过程中的气液传质理论及相应的气液传质模型。

GUO等［17］在超重力冷模实验中通过分析体系气液传质系数关系式认为旋转床的传质系数KGa与气体的质量流量、气体密度、气体黏度、液体质量流量、液体
密度、液体黏度、填充物的总比表面积、填充物的直径和离心加速度等参数有关，回归后得到传质模型为：
式中，KG为气相传质系数；a为比表面积，m-1；R为气体常数，0.082 06
atm/mol·K；T为温度，K；DG为气体扩散系数；at为总比表面积，m-1；ReGa 为气体雷诺准数；ReLa为液体雷诺准数；GrG为气体格拉晓夫准数。

虽然在实验中，由于过高的转速引起的液膜更新太快和径向上大量液滴的存在而导致at与传
质系数的关系并不明显，但模型（1）适用于目前已有的大部分实验数据，有一定的适用性。

CHEN等［18］在研究旋转填充床中有机化合物的吸收时，提出利用质量平衡和
传质单元的概念，建立了体积传质系数模型：
式中，Gm为气体摩尔流量，mol/s；Z为填料高度，m；pt为系统压力atm；r1、r2为旋转床内外径，m；A为吸收因子；Y1、Y2为气体进出口摩尔分数；X2为
液体进出口摩尔分数；Hy为享利系数，mol/mol。

模型（2）的计算值与实验值
误差在±30%以内。

SUN等［19］研究在超重力旋转床中以水为吸收液耦合吸收NH3和CO2的过程，假设液相以液滴和液膜共存在旋转床中，且旋转床没有压降和端效应，利用双膜理论建立质量守恒积分方程及其边界条件，依据传质通量相等原则建立液相传质模型：式中，QG为气体体积流量，m3/h；ri、ro为旋转床内外径，m；yi、yo为气体
进出口体积分数。

尽管模型（3）单变量的理论模拟值与实验值较为接近，然而该传质模型仅适用于拟一级快速反应的耦合吸收或者旋转填充床中进行拟一级快速吸
收过程，具有一定的局限性。

ZHANG等［20］在研究离子液体吸收CO2的传质过程时，假设吸收过程为液膜控制步骤并忽略气相阻力，结合所测得的数据进行线性回归得到传质系数表达式为式中，KL为液相传质系数；dp为当量直径，m；D为扩散系数，m2/s；Sc为施密特准数；Gr为格拉晓夫准数；We为韦伯准数。

用表达式（4）计算出来的传质系数与实验所测得值的误差在±15%以内。

杨旷［21］在采用丝网填料的超重力旋转床中以CO2-NaOH为体系研究气液传
质特性，研究中发现在旋转床中液相间的传质作用不仅发生于填料表面，更主要地发生于飞溅起来的微小的液滴表面；气液相间的质量传递则同时发生在填料层和转子与超重力外壳之间的空腔区。

基于上述假设，提出以双膜理论为基础建立传质模型：
式中，G为气体质量流量，kg/h；r、R为旋转床内外径，m；H溶为溶解度系数，mol（/m3·Pa）；k2为液相传质分系数；为CO2的扩散系数；为OH-的浓度，mol/L。

模型（5）获得的模拟值与实验值具有较好的吻合性。

另外，研究者还提
出在超重力旋转床中气液传质过程的强化，一方面体现在快速更新的表面上，另一方面体现在高速旋转的填料层对液体的强烈雾化作用上而形成极大的有效传质比表面。

许明等［22］在研究超重力水脱氧过程中，假设：①旋转床内的气相流动为不可
压缩牛顿流体的稳态湍流流动且沿旋转床的周向均匀分布；②液相以液滴的形式存在且忽略液滴内部运动，分别采用欧拉法和拉格朗日法对旋转床中的气相和液相的运动行为进行数值模拟，并在此基础上建立液滴传质系数模型：
式中，DAB为AB间的扩散系数，m2/s；rp为旋转床半径，m；t为接触时间，s。

模型（6）的模拟计算结果与实验结果的平均误差仅为±7.9%。

王贺等［23］在建立超重力机中硫酸水溶液物理吸收臭氧的体积传质模型和三硝
基甲苯（TNT）碱性废水化学吸收臭氧的体积传质模型时，提出：①假设气相流动状态为平推流且忽略沿轴向和径向压力变化、液相无轴向和径向返混；②由于液体和气体均停留时间短，在填料内气液相的体积流率看作常数；③不考虑端效应。

通过研究获得由质量平衡方程得出气液传质模型：
式中，qL为液相体积流率，L/h；H为亨利系数；ρAGi0为气相入口质量浓度，mg/L；ρALb,eff为液相出口质量浓度，mg/L。

经模型（7）计算硫酸水溶液物理吸收臭氧的效率高达89.324%，接近于理论吸收值，体现了超重力旋转床强化气
液传质的特性。

钱智［24］等在超重力旋转床中研究MDEA吸收CO2吸收性能时，假设液体以
液膜形式存在，在渗透理论的基础上建立传质模型：
式中，为CO2的平衡浓度，mol/L；为CO2的初始浓度，mol/L；为单位界面面积上的二氧化碳平均传质速率，kmol/m2·s；为平均液膜寿命，s。

通过模型（8）所得模型值与稳态传质系数的比较，提出超重力旋转床中强化传质的直接原因为液体在旋转床中的毫秒级停留时间。

在此基础上，为了进一步使得模型（8）具有更好的适用性，钱智等［24］还建立了基于严格可逆反应的传质模型，理论上可以
适用于任何包含有化学反应的反应-扩散传质过程。

综上，各学者在超重力旋转床中建立气液两相传质模型的过程中，均针对特定的研究体系、在一定实验条件下进行气液传质机理的合理简化和合理假设，根据不同的传质机理建立的传质模型式与实验值之间有些吻合较好，有些误差较大。

这说明，到目前为止，在超重力旋转床中并没有普适性的气液传质机理理论和传质模型式，从而难以为超重力旋转床的工业应用提供相应的设计基础数据。

超重力旋转床作为一种强化传质过程的新型反应器，已广泛用于液-液和气-液反应中，并且在工业应用中有传统塔设备不可比拟的优点。

江汉大学超重力旋转床技术研究课题组已将超重力旋转床技术用于H2S的高效脱除、CO2的高效捕集以及脱
硫脱硝一体化吸收液开发、工艺操作条件优化以及超重力旋转床内构件对吸收性能的影响研究中，也取得了较好的研究成果和中试实验结果。

为了进一步强化超重力旋转床的气液传质，为工业超重力旋转床反应器的设计提供基础数据，今后超重力旋转床技术还应加强以下几方面的开发研究：
1）根据超重力旋转床中气液流动方式、填料安装方式、操作条件和气液流程结构等方式对气液传质的影响，对超重力旋转床结构进行优化设计；
2）填料是超重力旋转床中的主要相间传质场所，填料的材质、开孔率、孔径和堆积密度等性能对传质效果有直接的影响。

开发高效传质效率的新型填料，并兼顾填料的使用寿命和润湿性能等应为今后的研究重点；
3）加强超重力旋转床中气液两相流体力学和微观混合性能的研究，建立适用性较好的气液传质模型，为超重力旋转床的工业应用和工业放大提供基础数据。

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