喷射式超重力旋转床的流体力学与传质性能的研究

童政富,李肖华,李育敏,谢爱勇,王 营,计建炳

(浙江工业大学化学工程与材料学院,浙江杭州310014)

喷射式超重力旋转床的流体力学与传质性能的研究

童政富,李肖华,李育敏,谢爱勇,王 营,计建炳

(浙江工业大学化学工程与材料学院,浙江杭州310014)

采用空气-水物系和乙醇-水物系在喷射式超重力旋转床(简称喷射式旋转床)(转子直径为260mm,高45mm)中进行流体力学与传质性能实验,考察了F因子、喷淋密度和转子转速对喷射式旋转床压降和传质性能的影响。实验结果表明,喷射式旋转床压降随F因子、喷淋密度和转子转速的增加而增加;由实验数据回归得到压降关联式,干床压降的平均误差为8.7%,湿床压降的平均误差为10.5%;等板高度随转子转速和F因子的增加而减小,装有液体分布器时的等板高度比无液体分布器时的等板高度降低20%～50%。喷射式旋转床具有压降低和传质效率高的特点,尤其适用于高真空和热敏性物料的分离。

喷射式超重力旋转床;压降;精馏;传质;流体力学

化工过程强化已成为国内外化学工程领域的研究热点[1]。过程强化是指在实现既定生产目标的前提下,运用新技术或新设备,大幅度减小设备体积或减少设备数目,减少副产物的产生,从而显著提高生产效率。超重力旋转床是一种新型气液传质过程强化设备,该设备利用旋转产生的离心力极大地强化了气液接触过程,增强了传质效率[2～4]。其中,折流式超重力旋转床[5～10]的研究已取得很大进展,并广泛应用于化工、制药、轻工等行业,但该设备存在压降偏大、通量偏小的缺点。

本工作设计了一种新型高效的喷射式超重力旋转床(简称喷射式旋转床),考察了喷射式旋转床的压降特性和传质性能。

1 实验部分

1.1 实验装置

喷射式旋转床的结构见图1。喷射式旋转床主要由喷射式转子和一种新型液体分布器组成。旋转床转子由静盘和装有一系列同心圆环动圈的动盘构成。动盘上的动圈顶端嵌入静盘的凹槽,形成迷宫式密封。转子中心安装一新型液体分布器。喷射式旋转床转子直径260mm,高45mm,转子动盘安装8个同心圆环动圈,尺寸见表1。转子转速通过电动机调频器在500～1 400r/m in范围内调节。

图1 喷射式旋转床的结构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 喷射式旋转床转子动圈尺寸Table1 Size of rotating baffles of RJB

在离心力的作用下,液体均匀地从液体分布器喷射到相邻的动圈上。动圈上分布着筛孔,液体被筛孔撕裂和粉碎成细小的液滴和液丝。液滴和液丝在离心力作用下以更大速度撞击到相邻动圈上形成许多更细小的液滴,在动圈间隔区域内形成具有很大气液接触面积的雾化区域。气体由进口管进入,沿径向通过动圈筛孔与液体进行逆流接触后由转子中心流出。

1.2 实验方法

采用空气-水物系,测量喷射式旋转床压降,实验流程见图2。来自气泵的空气经孔板流量计计量后,切向进入喷射式旋转床,在转子内部与液体逆流接触后,从气体出口流出;水经转子流量计计量后,进入液体分布器,被高速旋转的转子沿径向甩出,在外腔汇集后从液体出口排出。喷射式旋转床气体进口与出口之间的压降由U型压差计测量。

影响喷射式旋转床压降的变量有F因子、喷淋密度(Lv)和转子转速。分别考察3个变量对喷射式旋转床压降的影响。F因子和喷淋密度定义为:

图2 测定喷射式旋转床压降的实验流程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-水物系在全回流条件下进行精馏实验,测量喷射式旋转床的等板高度。考察F因子、Lv和转子转速对喷射式旋转床传质效率的影响,并且比较了有液体分布器和无液体分布器的喷射式旋转床的传质效率。精馏实验流程见图3。在再沸器中液体被加热汽化,以汽态进入喷射式旋转床,与床内液体进行汽液逆流接触后进入冷凝器;在冷凝器中汽体全部冷凝形成回流液,回流液经计量后,进入液体分布器;回流液与汽体逆流接触后,从液体出口管流出再返回再沸器。由此形成全回流操作。

全回流操作稳定25～30m in后在塔顶(汽体出口)与塔釜(回流液出口)取样口同时取样。采用气相色谱仪分析试样中乙醇的含量。由压差传感器测量喷射式旋转床进出口之间的汽相压降,采用图解法[11]求得理论塔板数。改变再沸器温度以改变回流液流量,得到不同回流液流量下的理论塔板数和压降。

图3 精馏实验流程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 结果与讨论

2.1 喷射式旋转床的压降特性

F因子对干床压降(Δpd)的影响见图4。

图4 F因子对Δpd的影响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

由图4可见,当没有气体通过,即F因子为0时,Δpd随转子转速的增大而增大,此时Δpd为离心压降,离心压降与转子转速的平方成正比;当有气体通过,即F因子大于0时,Δpd随F因子和转子转速的增大而增大,此时Δpd除了离心压降之外,还有气体通过转子的摩擦压降和由于进出口流通截面积不同而产生的动压头差压降。

F因子对湿床压降(Δpw)的影响见图5。由图5可见,Δpw随F因子和转子转速的变化关系与Δpd类似,即Δpw随F因子和转子转速的增加而增大。对比图4和图5的Δpd和Δpw可看出,Δpw比相同条件下的Δpd略高,这是由于Δpw不仅包括Δpd,还包括由于液体影响而产生的压降。

图5 F因子对Δpw的影响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对Δpw的影响见图6。由图6可见,Δpw随Lv和F因子的增加而增大。Lv增大,气体通过喷射式旋转床的流通面积减小,导致气速增大和气液两相间的摩擦阻力增大。

图6 Lv对Δpw的影响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

转子转速对Δpw的影响见图7。由图7可见, Δpw随转子转速和Lv的增加而增大。转子转速增大,气体需要克服的离心压降也增大,因而Δpw增大。喷射式旋转床压降Δp表达式[12,13]为:

图7 转子转速对Δpw的影响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)中的阻力系数(f)是气体流速、液体流速和转子转速的函数,利用实验测定的150多组数据,采用幂指函数回归分析得到f的关联式:

式中,转子转速雷诺数(Rew)为在转子平均半径处气体作周向旋转运动的雷诺数;动圈间距(Δs)由中间动圈与其相邻动圈环隙的水力学半径推导得到。

压降关联式的计算值与实验值的比较见图8。从图8可看出,压降计算值的误差基本在±20%以内。Δpd的平均误差为8.7%,Δpw的平均误差为10.5%,压降关联式能较好地预测喷射式旋转床的压降。

2.2 喷射式旋转床的传质性能

F因子对喷射式旋转床传质性能的影响见图9。由图9可见,随F因子和转子转速的增大,等板高度降低;当转子转速为1 045r/m in时,喷射式旋转床的等板高度为0.02～0.04。这是因为F因子增大,气液两相间的相对速度提高,汽液表面湍动加剧,表面更新加快,从而使传质系数增大;F因子增大使回流量也增加,被转子动圈粉碎形成的液滴数量增多,传质的相界面积增大,强化了传质;转子转速增加,液体受到的离心力和剪切力增大,产生大量更细小的液滴和液丝,表面更新加快,同时汽液传质面积增大,强化了传质。由图9还可看出,装有液体分布器时的等板高度比无液体分布器时的等板高度降低20%～50%,这是因为液体分布器能很好地改善液体初始分布,从而使转子内的液体分布更均匀,使汽液接触更充分,有利于传质。

图8 压降关联式的计算值与实验值的比较Fig.8 Comparison between the experimental and calculated pressure drops.■ Δpd;● Δpw

图9 F因子对喷射式旋转床传质性能的影响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)

单位理论塔板压降与F因子的关系见图10。由图10可见,在一定的转子转速下,随F因子增大,单位理论塔板压降先增大后减小,在F因子为0.6时达到最大值,此时喷射式旋转床达到压降效率的最佳结合点。

图10 单位理论塔板压降与F因子的关系Fig.10 Relationship between theoretical plate/pressure drop(NT/Δp)and F2factor. Rotor speed/(r·m in-1):● 940;■ 1 045

喷射式旋转床作为一种新型的超重力设备,动、静部件相结合的转子结构使其拥有易于实现径向进料、分离能力较高、易于串联实现多层结构等优势,同时它克服了折流式旋转床存在的压降大、通量小等缺点。与折流式旋转床[9,10]相比,喷射式旋转床压降降低了80%～90%,传质效率与其相当。喷射式旋转床具有低压降高效率的优点,尤其适用于高真空和热敏性物料的分离,具有较广阔的应用前景。

3 结论

(1)采用空气-水物系考察了喷射式旋转床的压降特性,对实验数据采用幂指函数回归分析得到喷射式旋转床压降关联式,Δpd的平均误差为8.7%,Δpw的平均误差为10.5%。

(2)喷射式旋转床的等板高度为0.02～0.04。在F因子为0.6时,单位理论塔板压降达到最大值,即为最佳操作点。

(3)喷射式旋转床的液体分布器能很好地改善液体的初始分布,装有液体分布器比无液体分布器时的等板高度降低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 刘国标,兰仁水,王树楹等.喷射式并流填料塔板流体力学及传质性能的研究.石油化工,2004,33(12):1 147～1 151

3 邹海魁,邵磊,陈建峰.超重力技术进展——从实验室到工业化.化工学报,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 浙江工业大学.折流式超重力场旋转床装置.中国,CN 1415396.2003

6 浙江工业大学.多层折流式超重力旋转床装置.中国,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.折流式旋转床性能的研究:〔学位论文〕.杭州:浙江工业大学,2004

9 徐之超,俞云良,计建炳.折流式超重力场旋转床及其在精馏中的应用.石油化工,2005,34(8):778～781

10 王广全,徐之超,俞云良等.折流式旋转床的流体力学与传质性能研究.现代化工,2008,28(增刊1):21～24

11 何潮洪,冯霄.化工原理.北京:科学出版社,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

(编辑 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,浙江省淳安县人,硕士生。联系人:李肖华,电话0571-88320598,电邮lixh63@zjut.edu.cn。

国家科技创新基金项目(07C26213300465);浙江省重大科技计划项目(2002C11032)。