超重力旋转床填料结构研究进展

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Zheng C 等[9]以 比 表 面 积 为 1000m2/m3,空 隙 率 为 0.94, 孔 的 尺 寸 为 1mm~2mm 的 泡 沫 金 属 为 填 料,对三种不同内径(外径不变)的转子填料结构进 行了深入的研究。 研究结果表明:(1)在试验范围内 湿 床 压 降 小 于 干 床 压 降 ;(2) 在 固 定 填 料 外 径 的 前 提 下,填料越厚压降越小;(3)转子动力消耗随 气 体 流 量的增加而减小;(4) 气相压降随气体流量和转速 的 增 加 而 增 大 , 随 液 体 流 量 的 增 加 而 下 降 ; (5) 基 于 简 化 的 Navier-Stokes 方 程 对 旋 转 床 中 的 压 降 进 行 了数学模拟,得到了计算压降的半经验式;(6)在 试 验 条 件 下 , 在 转 速 为 816 r/min, 气 体 流 量 为 0~ 160m3·h-1 时 , 转 子 内 径 分 别 为 0.045m、0.15m 和 0.28m 时 干 床 压 降 分 别 为 250 Pa~750 Pa、150 Pa~ 1500 Pa 和 480 Pa~2800 Pa; 在转速 1090 r/min,气 体流量为 0 ~150 m3·h-1,液体流量分别为 0.1m3·h-1、 0.2 m3·h-1 和 0.3 m3·h-1 时,湿床压降分别为 220 Pa~ 1000 Pa、210 Pa~850 Pa 和 200 Pa~790 Pa。
超重力技术正是在这样的背景下应运而生的, 其原理是利用高速旋转的填料转子产生的强大离 心力来模拟超重力环境,在此环境中气液传质过程 得到了极大强化,液体被高速旋转的填料转子切割 成液丝、液滴和液膜等形式,其传质效率比传统塔 设备高 1~2 个数量级,从而缩小设备尺寸 、简 化 工 艺流程路线、降低投资成本和运行操作费用。 目前 超重力技术已在能源、化工、环保等方面得到了较 好 的 应 用 [1-3]。
Liu H S 等[12]对长方 形 和 椭 圆 型 乱 堆 塑 料 填 料
(填料结构参数见表 1)进行了气相压降的试验和模 型化研究。 试验结果表明:(1)气体流量对压降的影 响 最 大 ;(2) 在 高 转 速 条 件 下 , 基 于 持 液 量 小 , 气 相 压 降 随 气 体 流 量 变 化 比 液 体 流 量 大 ;(3) 在 低 转 速 条 件 下, 基于椭圆形填料比长方形填料的持液量小,导 致长方形填料的压降随液体流量的增加比椭圆形 填 料 的 明 显 ; (4) 在 试 验 操 作 范 围 内 , 气 相 压 降 范 围 为 100 Pa~4000 Pa;(5)气相体积传质系数随气量、 液量和旋转床转速的增加而增大;(5) 假定气相体 积传质系数与操作参数和填料结构参数等是相互 独立的,得出气相传质系数关联式为:
Kumar [4]对空隙率为 0.95、比表面积为 4000 m2/ m3、 丝径为 1mm 的片状丝网旋转床气相压降的模 型化做了卓有成效的工作,认为气相压降分为三个 部分:
(1)
式 中 ΔP 为 总 压 降 ;ΔPc 为 离 心 力 产 生 的 压 降 ;ΔPf 为摩擦阻力产生的压降 ;ΔPk 为进出口流道截面积 变化而产生的动压头之差。 为确定这些压降,将丝 网填料假设为多个相互平行且与旋转轴垂直的圆 盘,液体以相同的质量流率呈薄膜状层流流过每个 圆盘的两侧。 同时,气体通过盘与盘之间的空隙均 匀流过。 经过一系列的推导得出:
图 1 液体在超重力场中的三种流动形式 Fig.1 Three types of liquid flow within a rotating packed bed
Chia 等[6]采用丝网填料进行水中脱氧和气体中 吸收异丙醇研究, 该填料结构特点是由 12 片叶片 呈 30 度角间隔垂直排列在转子中, 并且叶片之间 填装丝网填料(平均丝径在 0.22mm~3mm),填料比 表 面 积 299 m2/m3, 空 隙 率 0.97, 叶 片 填 料 内 径 1.95cm,外径 6.25cm,轴向高度 4.3cm。 气液在其中 逆流接触。 水中脱氧的研究结果表明,液相和气相 传质系数随转子转速提高,液相传质系数随液量的 增大而增加,对于吸收气体中异丙醇来说,气相体 积传质系数随气液流量的增加呈上升趋势,对于液 相 水 中 脱 氧 提 供 液 相 传 质 单 元 高 度 为 2.2cm ~ 2.4cm, 对于气相中吸收异丙醇的传质单元高度为 1.1 cm~3.3 cm,研 究 表 明 ,叶 片 旋 转 床 的 传 质 效 率 优越于传统填料塔,与超重力场下的散装和丝网填 料传质效率相近,表明叶片填料旋转床是一种适合 于解析和吸收过程中的有效的气液反应器。
第6期
焦纬洲等:超重力旋转床填料结构研究进展
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超重力旋转床填料结构研究进展
焦纬洲,刘有智,祁贵生
(中北大学山西省超重力化工工程技术研究中心,太原 030051)
摘要:过程强化是近年来国内外科技工作者的研究热点,超重力技术作为一种过程强化的新技术正是在这样的背景下产
生的。 文中综述了超重力场散装填料和规整填料结构的研究进展,对该领域的研究进行了分类和细致的描述,并对其流体力学
在传统塔填料中把丝网填料归类为规整填料, 但在超重力场中,由于旋转床是动设备,使得原本 安装规整的丝网填料在高速旋转的状态下发生变 形,从而使得几何对称性和动平衡被打破。 因此,本 文根据超重力场下填料结构的特点,将丝网填料归 类为散装填料。 以下将对几种散装填料进行逐一介 绍。 3.1.1 丝网填料
超重力旋转床使用丝网填料较为多见。 丝网填 料是由若干平行的波纹金属丝网缠绕叠合组装成 环形盘状填料构成整装的填料单元,该填料由于丝 网材料较为细薄,使填料表面积大,空隙率大,由于 丝网排列规整,使得气流通过填料压降较小,而通 量很大,同时由于波纹丝网细密,液体能在高速旋 转的丝网填料表面上形成稳定薄液膜,使得填料表 面润湿率高,提高传质效率。
2 与传统塔填料的区别
超重力旋转床作为动设备,不仅要求填料结构 在安装时需要良好的动平衡性和较好的几何对称 性,而且在长期运转的过程中须保持良好的动平衡 性和几何对称性,而塔填料作为静态设备对动平衡 性的要求不高, 只要求在安装时达到几何均匀即 可,在运行过程中基本不会变形。 由于超重力旋转 床高速旋转产生巨大剪切力,使得液体在填料中以 液膜、液丝和液滴等形式存在,旋转填料中的持液 量小和泛点气速高,导致旋转床中可以利用高比表 面积的填料,而填料塔中由于液膜较厚,使得填料
(2)
(3)
经试验验证,在相同转速相同气体流量下模型与试
验结果的误差为±20%。 在试验操作条件下,压降在 100 Pa~600 Pa 之间。
Burns 和 Ramshaw[5]利 用 频 闪 照 相 机 拍 摄 超 重 力场中液体在空隙率为 0.95, 比表面积为 1500 m2/ m3 的 PVC 丝网填料中的流动状态(见图 1)。 研究结 果表明,液体在超重力场中填料上呈孔流、液滴、液 膜流动状态。 在低转速条件下,液体主要是以径向 沟流形式通过填料区;在高转速下,液体主要以液 滴流动方式通过填料区;在转速增加时,液体射流 能够穿越填料,液体分布不均匀性明显,未发现液 体有周向扩散。
Keyvani[10]等 运 用 泡 沫 铝 填 料 (空 隙 率 为 0.92, 比表面积为 600 m2/m3~3000m2/m3)) 进行了气相压 降 特 性 实 验 , 得 出 如 下 结 果 : (1) 在 气 相 流 率 和 液 相 流率一定的条件下,干床或湿床气相压降与转速遵 循△P∝ω2;(2)在 液 相 流 率 一 定 的 条 件 下 ,气 相 压 降随气体流率的增加而增大;(3) 在液相流率为 36 kg·m2/s、气相流率为 2.2 kg·m2/s 的范围内没有出现 泛 点 和 闪 点 , 液 泛 速 率 大 大 提 高 ; (4) 在 一 定 的 气 液 流率范围内干床压降远大于湿床压降。 3.1.3 颗粒填料
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焦纬洲等:超重力旋转床填料结构研究进展
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与 MEA 和 PZ 与 AMP 的混合显示了较高的吸收性 能,这主要是由于 MDEA 与 CO2 反应活性低所致。
Chia 等[8]在丝网填料错流旋转床中对废气中的 有 机 挥 发 性 物 质 (VOCs) 进 行 了 吸 收 性 能 的 中 试 研 究 ,研 究 结 果 表 明 : 气 相 传 质 系 数 (KGa) 受 转 速 、 气 量 和液量等参数的影响,在实验条件下,气相体积传 质 系 数 81/s ~1651/s, 其 VOCs 对 应 的 吸 收 率 为 95%。 3.1.2 泡沫金属
Munjal[11]采 用 Φ3 mm 玻 璃 珠 ,空 隙 率 为 0.434 的 散 堆 填 料 对 氢 氧 化 钠 水 溶 液 吸 收 空 气 中 的 CO2 进行实验研究,研究结果发现传质系数 Kl 和转速 ω 有如下关系:Kl∝ω0.34, 有效传质比表面积与转速 ω 和液量 L 有如下关系:a∝ω0.28-0.42L0.26-0.30。
收 稿 日 期 :2008-06-03; 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (No.20576128), 山 西 省 自 然 基 金 资 助 项 目 (No.20051015), 山 西 省 研 究 生 优 秀 创 新 项 目 (No.20081015),中 北 大 学 青 年 科 学 基 金 资 助 项 目 (No.20080404);作 者 简 介 :焦 纬 洲 (1981),男,博士生,主要从事超重力旋转填料床基础应用研究,发 表 论 文 7 篇 ,EI 收 录 4 篇 ,国 家 专 利 2 项 ,省 科 技 进 步 二 等 奖 1 项,电话 13934659076,电邮 jwz0306@126.com。
和传质性能进行了论述。 对比散装填料,规整填料结构的研究开发将是今后旋转床填料结构研究的发展方向。
关键字:超重力;旋转填料床;散装填料;规整填料
中图分类号:TQ 053
文 献 标 识 码 :A
文 章 编 号 :1001-9219(2008)06-67-05
早期的化工过程强化往往以硬件为主。 以化工 塔器为例,高效塔板、规整填料和散装填料的发明 层出不穷,尽管它们的性能不断提高,但化工过程 强化的目标只停留在使已有设备挤出百分之几的 效率,不能满足于渐进式的变革。 近年来,化工过程 的强化更加强调硬件和软件的结合,更加强调科技 创新,以追求在生产能力不变的情况下,在生产和 加工过程中运用新技术和设备,极大地减小设备体 积或者极大地提高设备的生产能力,显著地提高效 率。 化工过程强化目前已成为实现化工过程的高 效、安全、环境友好、密集生产,推动社会和经济可 持续发展的新兴技术,美、德等发达国家已将化工 过程强化列为 21 世纪化学工程优先发展的三大领 域之一。
Chung 等[7]在丝网填料旋转床中研究了 PZ、 MEA、 AMP、MDEA 等 不 通 过 吸 收 剂 吸 收 CO2 的 研 究 ,研 究结果表明,对比几种吸收剂,PZ 是最有效,这主要 是基于 PZ 与 CO2 具有较快的反应速率,当 PZ 与各 种有机胺类吸收剂混合时, 结果表明:PZ 的比例越 大,越有利于 CO2 的吸收,与 MDEA 和 PZ 相比,PZ
Байду номын сангаас8
天然气化工
2008 年第 33 卷
的比表面积较小。
3 填料结构分类
从旋转床填料结构研究现状来看,填料结构主 要分为散装填料和规整填料两大类。 文献报道散装 填料较多,包括丝网填料、颗粒散装填料和泡沫铝 填料等; 规整填料主要包括同心环波纹板填料、不 锈钢多孔波纹板填料和塑料多孔板填料。 3.1 散装填料
1 填料的作用
填料作为超重力旋转床的心脏部件,是气液高 效传质的场所(或媒介)。 填料对超重力装置的动平 衡性、流体力学、传质性能、使用寿命都有着重要的 影响;填料性能的好坏直接关系到超重力技术的传 质效率、应用范围和应用前景。
由于研究超重力技术时间还很短,填料结构的 研究还很不完善,其填料结构明显区别于传统塔填 料。 对于填料结构来说:填料结构的材质、开孔率、 孔径、板厚、空隙率和堆积密度等一系列参数将会 影响液体在填料层中的成膜效果、压降大小和液膜 厚度等流体力学性能;填料比表面积的大小、雾化 性能的优劣和润湿性能的好坏将直接影响其传质 性能;填料几何对称性的好坏将直接关系到设备的 动平衡性和使用寿命;填料空隙率的高低和堆积密 度的大小等将影响功耗性能;填料的结构、材质、空 隙率、填料堆放方式等会影响到填料的堵塞问题。
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