噴射式超重力旋轉床的流體力學與傳質性能的研究

童政富,李肖華,李育敏,謝愛勇,王 營,計建炳

(浙江工業大學化學工程與材料學院,浙江杭州310014)

噴射式超重力旋轉床的流體力學與傳質性能的研究

童政富,李肖華,李育敏,謝愛勇,王 營,計建炳

(浙江工業大學化學工程與材料學院,浙江杭州310014)

采用空氣-水物系和乙醇-水物系在噴射式超重力旋轉床(簡稱噴射式旋轉床)(轉子直徑為260mm,高45mm)中進行流體力學與傳質性能實驗,考察了F因子、噴淋密度和轉子轉速對噴射式旋轉床壓降和傳質性能的影響。實驗結果表明,噴射式旋轉床壓降隨F因子、噴淋密度和轉子轉速的增加而增加;由實驗數據回歸得到壓降關聯式,干床壓降的平均誤差為8.7%,濕床壓降的平均誤差為10.5%;等板高度隨轉子轉速和F因子的增加而減小,裝有液體分布器時的等板高度比無液體分布器時的等板高度降低20%～50%。噴射式旋轉床具有壓降低和傳質效率高的特點,尤其適用于高真空和熱敏性物料的分離。

噴射式超重力旋轉床;壓降;精餾;傳質;流體力學

化工過程強化已成為國內外化學工程領域的研究熱點[1]。過程強化是指在實現既定生產目標的前提下,運用新技術或新設備,大幅度減小設備體積或減少設備數目,減少副產物的產生,從而顯著提高生產效率。超重力旋轉床是一種新型氣液傳質過程強化設備,該設備利用旋轉產生的離心力極大地強化了氣液接觸過程,增強了傳質效率[2～4]。其中,折流式超重力旋轉床[5～10]的研究已取得很大進展,并廣泛應用于化工、制藥、輕工等行業,但該設備存在壓降偏大、通量偏小的缺點。

本工作設計了一種新型高效的噴射式超重力旋轉床(簡稱噴射式旋轉床),考察了噴射式旋轉床的壓降特性和傳質性能。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

噴射式旋轉床的結構見圖1。噴射式旋轉床主要由噴射式轉子和一種新型液體分布器組成。旋轉床轉子由靜盤和裝有一系列同心圓環動圈的動盤構成。動盤上的動圈頂端嵌入靜盤的凹槽,形成迷宮式密封。轉子中心安裝一新型液體分布器。噴射式旋轉床轉子直徑260mm,高45mm,轉子動盤安裝8個同心圓環動圈,尺寸見表1。轉子轉速通過電動機調頻器在500～1 400r/m in范圍內調節。

圖1 噴射式旋轉床的結構Fig.1 Structure of rotating jet high2gravity bed(RJB). 1 Gas inlet;2 Shell;3 Gas outlet;4 Stationary disc; 5 L iquid inlet;6 L iquid distributor;7 Labyrinth seal; 8 Concentric rotating baffles;9 L iquid outlet;10 Rotating shaft;11 Dynam ic seal;12 Rotating disc

表1 噴射式旋轉床轉子動圈尺寸Table1 Size of rotating baffles of RJB

在離心力的作用下,液體均勻地從液體分布器噴射到相鄰的動圈上。動圈上分布著篩孔,液體被篩孔撕裂和粉碎成細小的液滴和液絲。液滴和液絲在離心力作用下以更大速度撞擊到相鄰動圈上形成許多更細小的液滴,在動圈間隔區域內形成具有很大氣液接觸面積的霧化區域。氣體由進口管進入,沿徑向通過動圈篩孔與液體進行逆流接觸后由轉子中心流出。

1.2 實驗方法

采用空氣-水物系,測量噴射式旋轉床壓降,實驗流程見圖2。來自氣泵的空氣經孔板流量計計量后,切向進入噴射式旋轉床,在轉子內部與液體逆流接觸后,從氣體出口流出;水經轉子流量計計量后,進入液體分布器,被高速旋轉的轉子沿徑向甩出,在外腔匯集后從液體出口排出。噴射式旋轉床氣體進口與出口之間的壓降由U型壓差計測量。

影響噴射式旋轉床壓降的變量有F因子、噴淋密度(Lv)和轉子轉速。分別考察3個變量對噴射式旋轉床壓降的影響。F因子和噴淋密度定義為:

圖2 測定噴射式旋轉床壓降的實驗流程Fig.2 Experiment flow of determ ination of pressure drop in RJB. 1 B lower;2 M anometer;3 O rifice meter;4 Gas outlet; 5 L iquid inlet;6 RJB;7 Rotameter;8 L iquid outlet; 9 Frequency modulator;10 M otor

采用乙醇-水物系在全回流條件下進行精餾實驗,測量噴射式旋轉床的等板高度?？疾霧因子、Lv和轉子轉速對噴射式旋轉床傳質效率的影響,并且比較了有液體分布器和無液體分布器的噴射式旋轉床的傳質效率。精餾實驗流程見圖3。在再沸器中液體被加熱汽化,以汽態進入噴射式旋轉床,與床內液體進行汽液逆流接觸后進入冷凝器;在冷凝器中汽體全部冷凝形成回流液,回流液經計量后,進入液體分布器;回流液與汽體逆流接觸后,從液體出口管流出再返回再沸器。由此形成全回流操作。

全回流操作穩定25～30m in后在塔頂(汽體出口)與塔釜(回流液出口)取樣口同時取樣。采用氣相色譜儀分析試樣中乙醇的含量。由壓差傳感器測量噴射式旋轉床進出口之間的汽相壓降,采用圖解法[11]求得理論塔板數。改變再沸器溫度以改變回流液流量,得到不同回流液流量下的理論塔板數和壓降。

圖3 精餾實驗流程Fig.3 Experiment flow of distillation in RJB. 1 Reboiler;2 Condenser;3,4 Rotameter;5 Pump; 6,7 Sampler;8 M otor;9 Frequency modulator; 10 RJB;11 Pressure difference sensor

2 結果與討論

2.1 噴射式旋轉床的壓降特性

F因子對干床壓降(Δpd)的影響見圖4。

圖4 F因子對Δpd的影響Fig.4 Effect of F2factor on dry bed pressure drop(Δpd). Rotor speed/(r·m in-1):○ 0;◆ 705;? 830;▲ 940;■ 1 045;● 1 220

由圖4可見,當沒有氣體通過,即F因子為0時,Δpd隨轉子轉速的增大而增大,此時Δpd為離心壓降,離心壓降與轉子轉速的平方成正比;當有氣體通過,即F因子大于0時,Δpd隨F因子和轉子轉速的增大而增大,此時Δpd除了離心壓降之外,還有氣體通過轉子的摩擦壓降和由于進出口流通截面積不同而產生的動壓頭差壓降。

F因子對濕床壓降(Δpw)的影響見圖5。由圖5可見,Δpw隨F因子和轉子轉速的變化關系與Δpd類似,即Δpw隨F因子和轉子轉速的增加而增大。對比圖4和圖5的Δpd和Δpw可看出,Δpw比相同條件下的Δpd略高,這是由于Δpw不僅包括Δpd,還包括由于液體影響而產生的壓降。

圖5 F因子對Δpw的影響Fig.5 Effect of F2factor on irrigated bed pressure drop(Δpw). Condition:spray density1.8m3/(m2·s). Rotor speed/(r·m in-1):◆ 705;? 830;▲ 940;■ 1 045;● 1 220

Lv對Δpw的影響見圖6。由圖6可見,Δpw隨Lv和F因子的增加而增大。Lv增大,氣體通過噴射式旋轉床的流通面積減小,導致氣速增大和氣液兩相間的摩擦阻力增大。

圖6 Lv對Δpw的影響Fig.6 Effect of spray density(Lv)onΔpw. Condition:rotor speed940r/m in. F2factor/(kg0.5·m-0.5·s-1):? 1.61;▲ 2.06;■ 2.33;● 2.60

轉子轉速對Δpw的影響見圖7。由圖7可見, Δpw隨轉子轉速和Lv的增加而增大。轉子轉速增大,氣體需要克服的離心壓降也增大,因而Δpw增大。噴射式旋轉床壓降Δp表達式[12,13]為:

圖7 轉子轉速對Δpw的影響Fig.7 Effect of rotor speed onΔpw. Condition:F2factor2.06kg0.5/(m0.5·s). Lv/(m3·m-2·s-1):? 1.8;▲ 3.6;■ 4.8;● 6.2

式(3)中的阻力系數(f)是氣體流速、液體流速和轉子轉速的函數,利用實驗測定的150多組數據,采用冪指函數回歸分析得到f的關聯式:

式中,轉子轉速雷諾數(Rew)為在轉子平均半徑處氣體作周向旋轉運動的雷諾數;動圈間距(Δs)由中間動圈與其相鄰動圈環隙的水力學半徑推導得到。

壓降關聯式的計算值與實驗值的比較見圖8。從圖8可看出,壓降計算值的誤差基本在±20%以內。Δpd的平均誤差為8.7%,Δpw的平均誤差為10.5%,壓降關聯式能較好地預測噴射式旋轉床的壓降。

2.2 噴射式旋轉床的傳質性能

F因子對噴射式旋轉床傳質性能的影響見圖9。由圖9可見,隨F因子和轉子轉速的增大,等板高度降低;當轉子轉速為1 045r/m in時,噴射式旋轉床的等板高度為0.02～0.04。這是因為F因子增大,氣液兩相間的相對速度提高,汽液表面湍動加劇,表面更新加快,從而使傳質系數增大;F因子增大使回流量也增加,被轉子動圈粉碎形成的液滴數量增多,傳質的相界面積增大,強化了傳質;轉子轉速增加,液體受到的離心力和剪切力增大,產生大量更細小的液滴和液絲,表面更新加快,同時汽液傳質面積增大,強化了傳質。由圖9還可看出,裝有液體分布器時的等板高度比無液體分布器時的等板高度降低20%～50%,這是因為液體分布器能很好地改善液體初始分布,從而使轉子內的液體分布更均勻,使汽液接觸更充分,有利于傳質。

圖8 壓降關聯式的計算值與實驗值的比較Fig.8 Comparison between the experimental and calculated pressure drops.■ Δpd;● Δpw

圖9 F因子對噴射式旋轉床傳質性能的影響Fig.9 Effect of F2factor on height equivalent toa theoretical plate(HETP)of RJB. Rotor speed/(r·m in-1):● 940(w ithout liquid distributor);▲ 940(w ith liquid distributor);■ 1 045(w ithout liquid distributor);? 1 045(w ith liquid distributor)

單位理論塔板壓降與F因子的關系見圖10。由圖10可見,在一定的轉子轉速下,隨F因子增大,單位理論塔板壓降先增大后減小,在F因子為0.6時達到最大值,此時噴射式旋轉床達到壓降效率的最佳結合點。

圖10 單位理論塔板壓降與F因子的關系Fig.10 Relationship between theoretical plate/pressure drop(NT/Δp)and F2factor. Rotor speed/(r·m in-1):● 940;■ 1 045

噴射式旋轉床作為一種新型的超重力設備,動、靜部件相結合的轉子結構使其擁有易于實現徑向進料、分離能力較高、易于串聯實現多層結構等優勢,同時它克服了折流式旋轉床存在的壓降大、通量小等缺點。與折流式旋轉床[9,10]相比,噴射式旋轉床壓降降低了80%～90%,傳質效率與其相當。噴射式旋轉床具有低壓降高效率的優點,尤其適用于高真空和熱敏性物料的分離,具有較廣闊的應用前景。

3 結論

(1)采用空氣-水物系考察了噴射式旋轉床的壓降特性,對實驗數據采用冪指函數回歸分析得到噴射式旋轉床壓降關聯式,Δpd的平均誤差為8.7%,Δpw的平均誤差為10.5%。

(2)噴射式旋轉床的等板高度為0.02～0.04。在F因子為0.6時,單位理論塔板壓降達到最大值,即為最佳操作點。

(3)噴射式旋轉床的液體分布器能很好地改善液體的初始分布,裝有液體分布器比無液體分布器時的等板高度降低20%～50%。

1 Stankiew icz A I,M oulijn J A.Process Intensification:Transform ing Chem ical Engineering.Chem Eng Prog,2000,96(1):22～34

2 劉國標,蘭仁水,王樹楹等.噴射式并流填料塔板流體力學及傳質性能的研究.石油化工,2004,33(12):1 147～1 151

3 鄒?？?邵磊,陳建峰.超重力技術進展——從實驗室到工業化.化工學報,2006,57(8):1 810～1 816

4 Imperial Chem ical Industries PLC.M ass Transfer Apparatus and Its Use.Eur Pat Appl,EP0002568.1979

5 浙江工業大學.折流式超重力場旋轉床裝置.中國,CN 1415396.2003

6 浙江工業大學.多層折流式超重力旋轉床裝置.中國,CN 1686591.2007

7 Zhejiang University of Technology.An Equipment of M ulti2Rotors Zigzag High2Gravity Rotating Beds.US Pat Appl,US7344126. 2008

8 俞云良.折流式旋轉床性能的研究:〔學位論文〕.杭州:浙江工業大學,2004

9 徐之超,俞云良,計建炳.折流式超重力場旋轉床及其在精餾中的應用.石油化工,2005,34(8):778～781

10 王廣全,徐之超,俞云良等.折流式旋轉床的流體力學與傳質性能研究.現代化工,2008,28(增刊1):21～24

11 何潮洪,馮霄.化工原理.北京:科學出版社,2001.391～460

12 L iu Hwai2Shen,L in Chia2Chang,W u Sheng2Chi,et al.Charac2 teristics of a Rotating Packed Bed.Ind Eng Chem Res,1996,35 (10):3 590～3 596

13 L in Chia Chang,Ho Tsung2Jen,L iuW en2Tzong.D istillation in a Rotating Packed Bed.J Chem Eng Jpn,2002,35(12):1 298～1 304

(編輯 李治泉)

Hydrodynam ics andMass Transfer Performance of Rotating Jet High2Gravity Bed

Tong Zhengfu,Li Xiaohua,Li Yum in,Xie Aiyoug,Wang Ying,J i J ianbing
(College of Chem ical Engineering and M aterials Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou Zhejiang310014,China)

The hydrodynam ics and m ass transfer perform ance of rotating jet high2gravity bed(RJB) w ith rotor diam eter of260mm and height of45mm w ere studied in air2w ater and alcohol2w ater system s.Effects of F2factor,spray density and rotor speed on hydrodynam ics and m ass transfer perform ance of the RJB w ere investigated.Pressure drop of the RJB increased w ith increases of the F2 factor,spray density and rotational speed.Pressure drop correlation w as obtained through regression of experi m ental data.Calculated values agreed w ell w ith experim ental values.A verage errors of the dry bed pressure drop and irrigated bed pressure drop w ere8.7%and10.5%,respectively.Height of equivalent to a theoretical plate(HETP)of the RJB reduced w ith increases of F2factor and rotor speed. HETP of RJB w ith liquid distributor reduced by20%～50%compared w ith that of RJB w ithout liquid distributor.RJB w ith low pressure drop and high efficiency is applicable to high vacuum condition and separation of heat2sensitive m aterials.

rotating jet high2gravity bed;pressure drop;distillation;m ass transfer;hydrodynam ics

book=3,ebook=69

1000-8144(2010)03-0275-05

TQ021.4

A

2009-09-30;[修改稿日期]2009-12-18。

童政富(1982—),男,浙江省淳安縣人,碩士生。聯系人:李肖華,電話0571-88320598,電郵lixh63@zjut.edu.cn。

國家科技創新基金項目(07C26213300465);浙江省重大科技計劃項目(2002C11032)。