超重力旋转床的原理与影响因素

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'超重力旋转床的原理与影响因素'
超重力旋转床的基础研究与应用一、 前言化学工业是国民经济的重要支柱产业,但在化工生产过程中伴随着"三高"(高污染、高能耗、高物耗)问题的产生。在化工生产过程当中,如何有效地减少"三废"(废水、废气、固废)、降低能耗、提高效率己经成为研究者们共同的目标。 化工过程强化技术是实现这一目标的有效手段。其方式主要可从设备和工艺两个途径出发,超重力旋转床是其中过程强化设备的典型代表。二、超重力技术简介超重力工程技术是一项强化“三传一反”化工过程的新型技术及设备,利用离心力强化传递与微观混合实现高效多相反应与分离。超重力旋转床由内部转子高速旋转产生的离心力将液滴切割成更小的微元体,大大强化传质效率,它能在很大程度上实现节约能源消耗,减少设备投资。超重力旋转床有如下特点:(1)传质和混合效率高;(2)开停车容易,达到稳定状态快;(3)持液量小,停留时间短,对快速反应提升显著;(4)不怕颠毅、倾斜、振荡,适用于移动场所;(5)内部清洗容易,填料更换快捷,易于维护和检修。超重力脱硫机主要由固定的圆柱形外壳和内部圆环柱状的转子组成,核心部分是转子。转子有不同的结构形式,其内部一般都装填了多孔填料,并通过转轴与电动机连接,以每分钟数百转至数千转的速度旋转,其主要作用是固定和带动填料旋转,实现良好的气液接触和微观混合。气相经气体进口管由切向引入转子外腔。在气体压力的作用下,由转子外缘处进入的填料液体由液体进口管引入转子中心的内腔,经喷头淋洒在转子内缘上。进入转子的液体受到转子内填料的作用,周向速度增加,所产生的离心力将其推向转子外缘。液体被转子抛到外壳汇集后经液体出口管离开旋转填充床,气体经填料层进入转子中心上升至出口管引出,完成传质与反应过程。三、原理1传质模型建立 选用双模理论气相中气体通过扩散,克服气膜阻力到达气液相界面处转入液相,液相中气体通过扩散,克服液膜阻力后,到达液相主体。双膜理论模型如下图所示。 双模理论模型2理论计算(以氨水吸收二氧化硫为例) 由于在超重力场中气液两相受到强大的超重力作用,使其在填料内的停留时间很短,基本无返混,因此根据超重力场中气液接触特点作出如下假设: (1)整个填料层的传质速率常数稳定不变; (2)气相浓度在填料层径向不变; (3)液相浓度在填料层轴向不变; (4)忽略沿旋转填料床轴向和径向的压力变化; (5)气液相在填料层内流量稳定,且分布均匀。 采用超重力氨法脱除烟气中的气体时,其实质首先是水吸收SOZ,然后液相中的再与和混合溶液中发生化学反应。一方面由于溶于水的反应为快速反应,另一方面有化学吸收的存在,使得进入液相的能够迅速地反应,进一步减小了液相阻力,使得和混合溶液吸收的传质过程成为气膜控制的过程。在气膜中扩散速率为: (1)吸收反应为快反应,整个反应过程在液膜内完成,吸收液液相主体中的浓度为零[[63]。气相的传质阻力起主要作用,有,因此,又可写为: (2)在超重力旋转填料床填料内取一半径为,厚度为,轴向高度为H的体积微元。 填料模型图如下图所示。为填料内半径,为填料外半径。超重力旋转填料床传质模型图在填料半径为处做吸收的物料衡算,气相中减少量等于气相向液相的传质量,得到: (3) 式中:为填料有效比表面积,m2/m3 将式(2)代入式(3)中,得到: (4)两边同时积分得: (5)在旋转填料床中的化学吸收过程,液膜极薄,且由于吸收液浓度足够,溶入液相的与吸收液迅速反应,因此,可认为相界面处浓度为零,即。对式(5)进行积分可以得到: (6)定义:脱硫率,则。因此式(6)可以写为: (7)4、 超重力旋转床影响因素以氨法脱硫为例,分别考察超重力因子、液气比、吸收液 pH 值、入口SO2浓度、气体流量对脱硫率的影响规律,并根据相关脱硫率,结合推导出的理论传质模型,考察各操作参数对超重力旋转填料床传质效率的影响规律。 (1)超重力因子对脱硫率及气相总体积传质系数的影响 控制气体流量为8m3/h,液气比为3.15L/m3,吸收液中(NH4)2SO3和NH4HS04总浓度为0.05mol/L--O.1 mol/L,吸收液pH值为6.0,在入口SO2浓度不同的情况下,考察超重力因子对脱硫率及气相总体积传质系数(KGa)的影响。超重力因子对脱硫率的影响如图下图所示 由上左图可知,在入口SO2浓度一定时脱硫率随超重力因子的增大而增大;在超重力因子一定时,脱硫率随入口SO2浓度的增大而减小。当超重力因子大于55.64时,脱硫率随着超重力因子增大而增大的趋势趋于平缓。 从上右图亦可知,在入口SO2浓度一定时,随着超重力因子的增大,气相总体积传质系数呈现出先增长而后趋于平缓的趋势。这是由于超重力因子的增大,即超重力旋转填料床转速的增大,由高速旋转所产生的离心力就会越来越大,从而使物料在填料层中被剪切成极细小的液滴、液丝及液膜,且随着超重力因子的增大,使得这些液滴、液丝、液膜在填料层中的运动获得更大的加速度,液体的湍流程度不断加剧,从而极大地增加了气液接触面积及表面更新速率,因此气相总体积传质系数增大。但是,超重力因子的增加也减小了气液在填料层中的接触时间,不利于吸收的进行。综合二者影响,最终当超重力因子达到一定程度时,使得两图最终趋于平缓。(2)、液气比对脱硫率及气相总体积传质系数的影响 液气比是考察脱硫性能的重要参数之一,从经济的角度考虑,液气比的大小直接影响脱硫装置的投资和运行费用。控制入口模拟烟气SO2浓度为2850mg/m3,超重力因子为55.64,吸收液中(NH4)ZS03和NH4HS0:总浓度为0.0 5 mol/L--0.1 mol/L,在吸收液pH值分别为6.0, 6.2, 6.5时,固定气体流量为8m3/h,通过改变液体流量,考察液气比对脱硫率的影响。结果如图所示:由左图可知,在吸收液pH值一定时,脱硫率随液气比的增大而增大,当液气比大于2.5L/m3后,脱硫率随着液气比的增大而开始缓慢增长。由右图可以看出,气相总体积传质系数随着液气比的增大而增大,当液气比小于2.5L/m3时,气相总体积传质系数随液气比增大而增大的趋势较明显;当液气比大于2.5L/m3时,增长趋势较平缓。这是因为,在其他条件一定时,气体流量不变,增加液气比,即增加液体流量,则有效传质比表面积增大,传质推动力增加,气相传质系数增大。但是,在气体流量不变的情况下增加液气比,意味着液体流量的增加,而随着液体流量的不断增加,会使得液膜厚度逐渐增加,从而使得气液间的传质阻力增大,所以气相总体积传质系数随液气比增大而增大的趋势趋于平缓。 在不同pH值下对比发现,pH值越低,脱硫率随着液气比的变化规律越明显。主要原因是,在其他条件一定的情况下,pH值越低,吸收液的总碱度也越低,吸收能力也大大降低,脱硫率也随之降低。(
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