排气管直径与深度对水力喷射空气旋流器传质性能的影响

程治良，徐飞，全学军，邱发成，代明星

（重庆理工大学化学化工学院，重庆 400054）

引 言

化工反应、环境治理、纳米材料制备等过程中常涉及气液反应，传统的气液传质设备主要是喷淋塔、鼓泡塔、填料塔等，存在重力场较弱、传质效率较低、设备易堵塞等问题[1-3]。为了提高传质性能，学者们研究发现通过产生超重力场可大大提高气液效率。在超重力环境下，液体的表面张力作用变小，液体会被巨大的剪切力和撞击力撕裂为不同形态的微元，产生大量快速更新的有效相界面积，使得微观混合和传质过程得到极大的强化[4-5]。按照超重力场产生方式的不同，主要有依靠自身旋转产生动态超重力场的旋转填充床[6-7]以及依靠流体切向进入螺旋运动产生静态超重力场的旋流器[8-10]。

前期研发的水力喷射空气旋流器（WSA），是利用液体射流场和空气旋流场耦合作用强化气液传质的新型气液传质设备，在废水脱氨[11]、烟气脱 硫[12]、含铬废水处理[13]等方面取得了良好效果。与传统的旋风分离器作用原理和流场分布有所不同，在WSA中高速气体旋流场与液体射流场充分作用，使得液相射流流型在进口气速高于某个值时处于射流雾化状态，有效相界面积增大，液滴表面更新频率加快，综合作用使得传质性能提高[5,14]。为了进一步优化WSA 结构，并为其设计提供依据，本工作以吹脱氨为体系研究了中心排气管直径和插入深度对WSA 脱氨传质性能和气相压降的影响，并提出了综合评价传质过程的能效指标。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验中WSA 主要由主筒体、旋流头和中心排气管组成，主筒体和旋流头采用法兰连接。WSA 主筒体内径D为100 mm；筒体长H=4.5D，为450 mm；筒体上部设有液相射流喷孔区域，长度h为210 mm。喷孔直径设计为2 mm，排列依据前期优化结果[15]，采取正方形排列，射流喷孔沿径向每隔20°、轴向间距20.2 mm 开孔，每层18 个孔，共计10 层180 个喷孔。与喷孔区域相连的是一个内径DL为145 mm 的夹套，与主筒体形成液相射流分布室。气体旋流头采用常规旋风分离器螺旋进口封头，其进口尺寸（a×b）为23 mm×45 mm[8]。实验系统由WSA、液体贮槽、液体循环泵、风机、筛板式气液分离器及系统测试配套的气液流量计、U 形压差计等组成，如图1所示。WSA、贮液槽和气液分离器等实验装置均采用PVC 材料制成。通过制作带有不同直径和长度的中心排气管的旋流头优化WSA 的中心排气管直径De及其插入深度S。Elsayed等[16]通过研究De等旋流器结构参数对其气相压降的影响发现，旋流器的De应选择与旋流器直径D之比De/D为0.487时才具有最低的压降效果。为此，本研究中De和S的取值设计见表1。

图1 实验装置（a）与WSA 结构（b）Fig.1 Flow diagram of experimental setup (a) and WSA configuration (b)

表1 WSA 中心排气管直径和插入深度实验取值Table 1 Structural parameters of water-sparged aerocyclone (WSA)

1.2 实验过程

实验时，先配制12.5 L 以游离态的氨或铵离子等形式存在的氮的浓度（即氨氮浓度）约为3400 mg·L-1的氨水溶液，加入80 ml 3 mol·L-1NaOH溶液保持吹脱过程中废水pH≥11。将含氨废水倒入WSA 贮液槽中，先开启循环液泵，调节循环液速至1.40 m·s-1，稳定10 min 后取初始样。然后打开风机开始脱氨实验，调节WSA 液相出口底阀使得WSA 底部具有一定液位高度以实现液封，旋流气体主要通过反向涡旋从中心排气管排出，并保持实验过程中的废水回流比RL大致相同（RL=Ql/Q，Ql为从气液分离器中回流到贮液槽中的废水流量，Q为废水循环流量）。实验过程中每隔一定时间取样一次，样品的氨氮浓度采用纳氏试剂比色法测定（HJ 535—2009）。实验采用间歇式操作，相同条件实验重复两次，结果采用平均值。实验过程中控制空气环境温度为20℃，考察WSA 的De及其S对脱氨体积传质系数KLa以及气相压降Δp的影响。

1.3 体积传质系数的计算

吹脱法脱氮的效率主要受气液传质过程和NH3/NH+4电离平衡影响。当吹脱过程中废水pH 保持在11 及以上时，游离氨含量可达99%以上，而且温度对氨电离的影响很小[15,17]。此时可以消除NH3/NH+4的电离平衡对吹脱过程的影响，吹脱效果只取决于气液传质性能，废水脱氨过程的体积传质系数KLa与废水中氨氮浓度符合式(1)[10,15]

式中，c0(CH3-N)和ct(NH3-N)分别为比色法测得的废水中初始和t时刻的氨氮浓度，mg·L-1；KLa为吹脱过程中的体积传质系数，min-1；t为吹脱时间，min。

2 结果与讨论

前期研究表明[5,14]，WSA 中气液有效传质面积a和脱氨体积传质系数KLa随射流流速UL增大而增大。因此，在本研究中选择射流流速为1.40 m·s-1，考察了De和S对WSA 脱氨传质性能的影响。

2.1 中心排气管直径De 对脱氨传质性能和气相压降的影响

采用不同De的WSA 进行吹脱氨实验研究，氨氮浓度随时间的变化如图2所示。将这些动力学实验数据采用式(1)进行线性拟合，拟合直线线性较好，相关系数R2可达0.99 以上，如图2中的插图所示，其中拟合直线的斜率是脱氨的体积传质系数KLa值。在不同的进口气速下De对KLa值的影响规律总结如图3(a)所示。

由图可知，当De由53 mm 减小为32 mm，即De/D由0.53 减小至0.32 时，KLa值增大，而且随着进口气速的增大，增大的趋势越加明显。在较低气速下，即Ug为10.58 m·s-1时，De的减小对KLa值影响不明显；但随着Ug增大并超过21.16 m·s-1时，随着De的减小，KLa值出现较大幅度的增大。这主要是由于当De减小时旋流器中的切向速度和轴向速度增大[18-19]，这有利于气液两相的激烈的相互作用，使液相射流易于发生破碎和雾化，有效相界面积和表面更新速度加快，传质性能提高。Elsayed 等[18]研究表明，对于单纯的旋风分离器，De降低40%，最大切向速度增大25%；De的降低还会导致旋流器内的轴向速度分布流场由倒W 形向倒V 形转变，使最大轴向速度增大73%，而这一点也被高翠芝等[20]的研究证实。其次，De的减小会导致中心排气管入口区域的零轴速边界分布收缩，流场稳定性更好[21]。De的减小对于气体旋流场的这些作用有利于增强WSA 内旋流气场对液相射流的雾化作用，从而增强两相间的传质作用。而De的增大反而导致轴向速度滞流区域增大，中心轴向速度不断减小，甚至出现倒流[18,20]，这会削弱WSA 内旋流气场对液相射流的分散雾化作用，KLa值出现降低。此外，De的增大会压缩WSA 内气液作用的环隙空间体积，不利于液相射流与旋转气流的充分碰撞、作用和雾化，也会使传质性能降低。

图2 不同中心排气管直径的WSA 中脱氨过程浓度随时间的变化Fig.2 Change of ammonia concentration with stripping time using WSA with different vortex finder diameter

De对Δp的影响规律如图3(b)所示。从图中可以看出，Δp随De减小一直增大。当De为32 mm时，Δp随进口气速增大迅速增大，能量损失巨大，尤其是进口气速达到其最大值28.57 m·s-1时，Δp可达8000 Pa 以上。WSA 中的气相压降损失主要由旋风口进口损失、WSA 主筒体内气液作用损失和中心排气管进口及其内部损失3 部分组成[22]。当De减小时，中心排气管收窄，通过排气管的气体流速增大，排气管进口及其内部压降损失增大，导致Δp增大，而这部分压降损失对总压降损失贡献很大[23]。当De减小时，如上所述，WSA 内的流场发生改变，轴向和切向速度增大，气液作用加剧，压降损失增大，这一点也被早期研究发现的传质性能和压降变化一致的结果证实[15]，即传质性能提高，压降也会增大。另外，轴向和切向速度的增大也会造成摩擦损失增加，这也会导致气相压降急剧增大。

2.2 中心排气管插入深度S对脱氨传质性能和气相压降的影响

采用不同S的WSA 进行吹脱氨时氨氮浓度随时间的变化如图4所示。将实验数据采用式（1）进行线性拟合可得KLa值，S对KLa和Δp的影响变化规律总结如图5所示。

由图可知，与De的影响相比，S对KLa和Δp的影响较小。当S由210 mm 增大为420 mm 时（即S/H由0.47 增大至0.93），KLa和Δp也随之增大，而且随着进口气速的增大，增大的幅度增加。这可能主要由于S增大，旋流器内的切向速度明显增大，而且旋流器中心区域的轴向速度也会增大[24]，从而有利于气相旋流和液相射流之间的激烈作用，KLa值增大。其次，S的增大会降低WSA 中流场“短路流”的发生[25]，有利于气液两相充分作用，也会导致KLa值增大。对于WSA 而言，S的增大会增加空气旋流场的超重力作用的轴向距离，延长气液作用时间，这也会导致WSA 的气液传质性能提高。

但与此同时，随着S的增大，Δp也随之增大。这是因为，当其他结构参数相同时，S的增大会导致旋流气体在中心排气管内外表面的摩擦等引起的静压损失增大[24]，同时也延长了WSA 主筒体内气液作用的空间距离，阻力损失也会增大，当然旋流器内切向和轴向速度的增大以及旋流空气轴向作用距离加大等原因导致的气液作用更加剧烈，也会导致旋流空气的能量损失增大，最终都会导致Δp的增大。

2.3 中心排气管直径与插入深度的设计取值讨论

图3 中心排气管直径对脱氨传质系数KLa（a）和气相压降Δp（b）的影响Fig.3 Effect of vortex finder diameters of WSA on volumetric mass transfer coefficient KLa (a) and gas pressure drop (b)

图4 不同中心排气管插入深度的WSA 中脱氨过程浓度随时间的变化Fig.4 Change of ammonia concentration with stripping time using WSA with different vortex finder length

由前面的分析可知，De的降低及S的增大都 会导致KLa值增大，但随着De的降低及S的增大，WSA 的传质性能不会一直提高。De的降低会导致管道阻力的增大，进口气速无法持续增加，而S最大只能达到S/H为1。De降低及S增大，气相压降也随之增大，这使得WSA 中的气液相间传质过程的能耗增大。那么，从技术经济的角度深入分析中心排气管直径与插入深度对于过程能耗与传质性能的综合作用效果，显然对于其设计取值具有重要的参考价值。为此，本研究提出一个将过程能耗与传质性能相结合的评价指标，即压降效率ηp，定义为单位压降作用下产生的传质系数，如式(2)所示。

图5 中心排气管插入深度对脱氨传质系数(a)和气相压降(b)的影响Fig.5 Effect of vortex finder length of WSA on volumetric mass transfer coefficient KLa (a) and gas pressure drop(b)

图6 中心排气管直径（a）和插入深度（b）对单位压降的传质效率ηp 的影响Fig.6 Effect of vortex finder diameters (a) and length (b) of WSA on mass transfer efficiency per pressure drop (ηp)

不同中心排气管直径和插入深度下的WSA 吹脱氨的ηp结果如图6所示。

由图6可知，随着De的增大，综合能效指标ηp一直趋于增大。由图3(a)中的KLa值变化规律可知，当进口气速Ug≤21.16 m·s-1时，De/D由0.32 增大至0.53，由此造成的气液传质性能的变化并不是特别明显；当进口气速继续增大至26.45 m·s-1及以上时，De/D的增大导致KLa值平均降低了约10%左右。但与此同时，图3(b)的Δp值变化规律显示过程中的压降也降低了45%以上。具有较低De/D的WSA 的气相阻力和压降都很大，而且由于巨大的阻力作用，实验条件下De/D为0.32 的WSA 进口气速只能达到28.57 m·s-1，使旋流器的应用受到很大限制。结合图6(a)的结果，综合考虑能效关系，WSA 的De/D 适宜取值为0.42～0.53，才既具有较高的气液传质性能，气相压降的阻力损失又较低，能效比较高。

S对ηp的影响略小于De的影响。由图6(b)可知，在10.58 m·s-1的低气速下，当S/H由0.47 增大至0.71 时ηp值略有下降，继续增大S/H为0.93时ηp值有较大幅度降低；而其他较高气速下（≥15.87 m·s-1），ηp值均出现先略有增大后明显降低的变化规律。由此可知，S存在一个较适宜的值为S/H=0.71，此时既具有适宜的传质性能，气相压降损失又较低，这也同传统旋风分离器排气管插入深度存在较优值才具有较好能效的结果相一致[25]。

3 结 论

本工作研究了水力喷射空气旋流器（WSA）的中心排气管直径和插入深度对脱氨传质性能和气相压降的影响。研究表明，随着中心排气管直径的增大，WSA 的脱氨传质性能降低，但气相压降反映的能耗也降低，综合考虑能耗和传质性能，中心排气管直径De和WSA 直径D之比（De/D）宜为0.42～0.53；WSA 脱氨传质性能和气相压降均随中心排气管插入深度增大而增大，WSA 设计时较适宜的中心排气管插入深度S与WSA 筒体长度H之比（S/H）约为0.70。

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