气-液分布导流片对超重力旋转床吸收性能的研究

詹 丽，孙家栋，周丽艳，路 平，余国贤，晋 梅

（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）

0 引言

超重力技术作为强化多相流传递及反应过程的新技术，在精馏、吸收和反应等多个领域得到较好的应用［1-4］。目前超重力旋转床中内构件的研究［5-6］主要集中在填料和结构尺寸上，对于气-液分布导流片的超重力旋转床内构件的研究相对较少。气-液分布导流片主要安装在固定转子上以改变气相、液相在超重力旋转床中的流动状态和接触方式，从而改善超重力旋转床中的吸收性能。笔者以CO2-NaOH体系为例［7-9］，在超重力旋转床中采用3种不同的气-液分布导流片，研究各自不同形式和安装方式对超重力旋转床吸收性能的影响。

1 实验部分

采用如图1所示有机玻璃材质超重力旋转床，其基本尺寸为：转子外径196 mm，转子内径50 mm，填料床由一定量平行且致密的波纹金属丝网叠合缠绕成盘状环形结构：填料层内、外径分别为5 cm、14.6 cm，厚度80 mm，轴向高度43 mm。 在实验中，来自气瓶的气体按照CO2∶N2(V/V)=15∶85混合均匀后形成模拟烟道气，而后从侧边进入超重力旋转床中，通过气体分布导流片后沿轴向通过不锈钢丝网填料；NaOH溶液沿超重力旋转床中心通过液体分布导流片后沿液体分布器均匀喷洒在填料层内侧，在离心力的作用下沿径向从填料层外侧甩出，与气相进行逆流接触并进行传质，气-液分布导流片的安装示意图和3种不同的气-液分布导流片结构图分别如图2和图3所示。在实验中，混合气量为0.294 m3/h，NaOH溶液浓度为0.1 mol/L，进液量为100 L/h，转子的转速为575 r/min。其中，气-液流量用转子流量计测定；CO2浓度采用酸解分析法进行测定。吸收液CO2摩尔吸收容量和吸收速率的计算如方程（1）和（2）可得。

图1 CO2-NaOH体系超重力旋转床实验工艺流程示意图Fig.1 Diagram of the experimental process of CO2-NaOH system rotating packed bed

图2 气-液分布导流片安装位置示意图Fig.2 Diagram of gas-liquid distribution inducer installation position

图3 气-液分布导流片结构示意图Fig.3 Diagram of gas-liquid distribution inducer structure

其中，α为吸收液中CO2摩尔负荷，molCO2/mol Am；γi为吸收液对 CO2的吸收速率，molCO2/（L·s）；ViCO2为体积取液酸解后释放的CO2体积，mL；Vi取出待酸解的吸收液体积，mL；c为吸收液浓度，mol/L；T为反应温度，℃；Δt为间隔取样的时间，s。

2 体积传质模型的建立［10-11］

模型假设：1）气相为平推流；2）液相为无轴向和径向返混；3）轴向和径向压力变化可忽略；4）等温操作；5）不考虑端效应。

在CO2-NaOH体系中，NaOH吸收CO2的反应式为

在两个反应中，（3）为整个反应的控制步骤，（4）为快速离子反应，从而整个反应速率方程为：

由于气相CO2减少量与液相中CO23-的增加量相同，可以得到：

气液间的传质量为：

3 结果与讨论

3.1 液体分布导流片对超重力旋转床吸收性能的影响

在超重力旋转床中单独安装A、B和C 3种不同形式液体分布导流片、以不添加导流片为对照组，考察他们对超重力旋转床中CO2吸收性能、传质性能的影响，结果如表1和图4所示。

表1 液体分布导流片对CO2出口浓度及传质系数的影响Tab.1 Impact of the liquid distribution inducer on CO2 export concentration and mass transfer coefficient

图4 液体分布导流片对CO2吸收负荷的影响Fig.4 Impact of the liquid distribution inducer on CO2 absorbing load

从表1结果可知，当不添加任何气、液分布导流片时，在超重力旋转床中采用NaOH对CO2的脱除率与金沙杨［12］的研究结果基本一致。添加了不同形式的液体分布导流片后，脱除率和传质系数都有了明显的提高，其中当采用了B型的液体分布导流片时，提高效果最为明显。另外，从图4可看出，采用B型的液体分布导流片时，达到吸收液饱和吸收负荷的时间较短。液体分布导流片在超重力旋转床中主要起离心力作用下液体在通过填料层后的液体再分布作用，因此，液体分布导流片的添加能够改善通过超重力旋转床中填料层后气液两相的接触性能。相比于不采用液体分布导流片的吸收效果而言，无论哪种形式的液体分布导流片，都会有效提高气液两相的接触效果，从而提高了吸收液对CO2的脱除率。当液体分布导流片的开孔方向与超重力旋转床中转子的旋转方向相同时，在离心力的作用下，液体更容易通过填料到达容器壁与气态进行接触，因而，吸收液达到饱和吸收负荷的时间较短，传质系数提高较多。当采用B型的液体分布导流片后，NaOH达到饱和吸附的时间从25 min缩短到20 min，CO2脱除率从43.34%提高到60.0%，且传质系数为不添加导流片时的1.61倍。

3.2 气体分布导流片对超重力旋转床吸收性能的影响

超重力旋转床中单独安装A、B和C 3种不同形式气体分布导流片、以不添加导流片为对照组，考察他们对超重力旋转床中CO2吸收性能、传质性能的影响，结果如表2和图5所示。

表2 气体分布导流片对CO2出口浓度及传质系数的影响Tab.2 Impact of the gas distribution inducer on CO2 export concentration and mass transfer coefficient

图5 气体分布导流片对CO2吸收负荷的影响Fig.5 Impact of the gas distribution inducer on CO2 absorbing load

从表2结果可得：当添加了不同形式的气体分布导流片后，脱除率和传质系数都有提高，其中当采用了A型的气体分布导流片时，提高效果最为明显。另外，从图5可看出，采用A型的气体分布导流片时，达到吸收液饱和吸收负荷的时间较短。气体分布导流片所起的作用是：对于进入超重力旋转床的气体从超重力机入口到与液体进行接触时，会对气体的导入方向产生一定的导流作用，从而改善气液两相的接触状态。当气体分布导流片为径向无偏转方向时，液体在离心力的作用下从填料层甩出时，与无偏转方向导入的气体进行传质作用；当气体分布导流片的方向与填料旋转方向一致时，气液顺流接触，接触时间相对延长但接触面更新慢，当气体分布导流片的方向与填料旋转方向相反时，气液逆流接触，能有效增加湍流作用但接触时间相对变短，两种情形下对传质有利的与不利的方面彼此相当，均无法较大增强传质效果。因此，采用气体分布导流片A时，可以使得CO2的脱除率达到最高，且传质系数最大，是不添加气体分布导流片的1.47倍。

3.3 气-液分布导流片对超重力旋转床吸收性能的影响

在超重力旋转床中分别安装9组不同组合的气-液分布导流片，以不添加导流片为对照组，考察其对CO2吸收性能与传质性能的影响，结果如表3和图6所示。

从表3和图6的数据中可以看出，相比于采用一种分布导流片的超重力旋转床来讲，同时采用气-液分布导流片的超重力旋转床中CO2吸收效果和传质系数都有明显的提高。实验5所显示的气液传质系数最大，所采用的分布导流片添加形式为液体分布导流片B→气体分布导流片A，即液体分布导流片方向为顺时针偏转，与填料旋转方向一致，液体更容易由填料旋转甩向容器壁，气体分布导流片为径向无偏转。这样，液体能在两种导流片的带动下与气体的接触时间更长，传质效果更好。

图6 气-液分布导流片对CO2吸收负荷的影响Fig.6 Impact of the gas-liquid distribution inducer on CO2absorbing load

4 结论

采用A、B和C 3种不同的超重力旋转床中的气-液分布导流片，以CO2-NaOH体系为研究对象，对气-液分布导流片对超重力旋转床中吸收液对CO2吸收性能和传质性能的影响进行研究。由于添加气、液分布导流片后可以改善气、液在超重力旋转床中的分布状态和接触方式，当随着填料旋转时能较好的带动液体与气体接触，增大了填料的传质效率。另外，气、液分布导流片对气、液的导流方向对气、液两相在超重力旋转床中的接触方式会产生一定的影响，当采用顺时针偏转的液体分布导流片、径向无偏转的气体分布导流片时，气、液两相为顺流接触，可增长液体吸收剂与气体接触时间，得较好的传质效果，其传质系数为不添加分布导流片的2.83倍，CO2的脱除率从43.34%提高到80.00%。

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