气体喷射-气液旋流式冷氢箱的传质特性

于坤，石岩，王振元，黄子宾，程振民



气体喷射-气液旋流式冷氢箱的传质特性

于坤，石岩，王振元，黄子宾，程振民

（华东理工大学化学工程联合国家重点实验室，上海 200237）

开发了一种具有多重旋流结构的气体喷射-气液旋流式冷氢箱，并通过大型冷模实验对其进行传质性能测试。在气体喷射速度10～80 m·s-1和液体进口速度0.2～0.7 m·s-1条件下，采用氧吸收法测量了液相体积传质系数L，采用空气-Na2SO3溶液化学吸收法测量了相界接触面积。结果表明：L和均随气体喷射速度和液体进口速度增大而增大，其中受气体速度变化影响更为明显；由测定的传质参数数值可知新型冷氢箱传质效果较传统冷氢箱大幅提高，与机械输入设备处于相同量级，具有优异的气液混合性能。还采用量纲分析法对数据进行了归纳拟合，得到传质参数与气相Reynolds数、液相Weber数之间的关联式，可以较好地关联预测冷氢箱的传质性能。

冷氢箱；气液两相流；旋流；传质；混合；相界面积

引 言

冷氢箱是加氢反应器的主要内构件之一，其功能是为上部催化剂床层流下的高温反应物和冷激氢气提供快速混合与换热的场所，通过气液间的热量传递，反应物温度降低并流入下一床层[1-3]。因此，冷氢箱性能直接影响着床层温升，对反应器的稳定操作有重要意义。国内外很多学者和机构对冷氢箱进行研究，推出了很多不同的结构，并采用多种方法探究产品的传质传热性能。马成国等[4]采用流体力学软件对单管和盘管式冷氢箱的传热进行了数值模拟，林付德等[5]采用氧吸收方法比较了不同型式冷氢箱的气液传质性能。在冷氢箱气液传递过程中，气液之间的接触面积也是十分重要的参数，但目前还没有相关的研究报道。此外，已开发的冷氢箱的结构多为挡板式和水平旋流式[6-7]，通过气液折流碰撞或气液旋转流动达到接触传热的目的，然而由于气液两相之间密度的差异，流体实际运动形式成为气液分层运动，这就限制了气液之间的接触面积和湍动程度，降低了传递效率[8]。

针对存在的这些缺点，本研究提出了一种新型的气体喷射-气液旋流式冷氢箱，充分利用气体的动能，克服相密度差异，实现了绕不同轴线的立体旋流运动。并通过氧吸收法测量液相体积传质系数L，通过空气-Na2SO3溶液化学吸收法测量相界接触面积，考察了这些传质参数随操作条件变化的规律，为冷氢箱的设计和评价提供进一步的理论依据，增强对气液射流-旋流流动过程中质量传递的认识。

1 实验部分

1.1 喷射旋流式冷氢箱的工作原理

喷射旋流式冷氢箱的结构如图1所示，主要由降液管、气体支管、水平旋流管和混合室4部分构成。其中，降液管为方形，宽度与旋流管半径相同，长为130 mm，高为200 mm，下方与水平旋流管竖直相切；气体由反应器外部侧向进入，通过总管平均分向3根直径为20 mm的气体支管，支管入口位于降液管下方，并与旋流管水平相切；3根水平旋流管前段与气液入口相连，末端与圆柱状混合室切向连接，旋流管长为410 mm，直径为80 mm；混合室为圆柱形结构，内部安装有6片导向叶轮，底部中间为气液两相出口，高度为360 mm，直径为350 mm。

1—inlet of gas; 2—gas pipeline; 3—horizontal swirling tube; 4—inlet of liquid; 5—liquid downcomer; 6—mixing drum; 7—turning vanes

喷射旋流式冷氢箱内充分进行气液的旋流运动，其操作形式如图2所示，从上床层流下的液体落在冷氢箱顶部塔板上，经降液管入口进入冷氢箱，同时气体以高速射流的方式从支管进入冷氢箱，液体在降液管下落过程中受重力作用动能不断增加，在进入旋流管后也被气体高速喷射的曳力带动前进，气液两相均以高速切向进入水平旋流管。由于气体的推动，液体在旋流管中克服重力限制，进行沿水平轴线的立体螺旋前进运动，这样就避免了因气液密度差带来的分层流动现象，大大增加了流体的湍动程度和气液接触面积。在旋流管的末端，3股螺旋流又切向进入混合室，在内部导流挡板的撞击引导下继续进行沿竖直轴线的旋转流动，最终由出口沿导流方向离开冷氢箱。在此过程中旋流得到进一步加强，有效促进了气液相间的混合效果。

1.2 实验方法

冷氢箱是高温流体与冷激氢气快速混合换热的场所，因此换热性能是评价冷氢箱优劣的重要指标，但由于热量传递实验操作复杂、准确性差且成本高，往往根据质量与热量的相似的传递机理研究传质过程，以气液传质参数表征设备的传热性能。本实验采用氧吸收的物理方法测定气液体积传质系数L，采用空气-Na2SO3溶液化学吸收方法测定相界接触比表面积[9-10]。

1.2.1 氧吸收法测量L采用氧吸收物理实验方法测定体积传质系数。首先使用Na2SO3对水槽里的水中含氧进行反应消耗，达到无氧化程度（溶解氧浓度低于1.5 mg·L-1）。实验中，空气和处理后的水在喷射旋流式冷氢箱中混合，空气中的部分氧气被水吸收，通过测量进、出口水中氧含量变化计算得到液相体积传质系数L[11]。

根据传质过程物料衡算及液膜吸收理论，可以得到液相传质速率A的表达式

式中，L为液体流量；in和out分别为冷氢箱进、出口水中氧浓度；C为冷氢箱体积；∆m是浓度对数平均推动力，其表达式为

式中，*(O2)是该温度下水中的饱和氧浓度值。

联立式（1）和式（2），即可得到气液混合传质过程中液相体积传质系数L的表达式为

1.2.2 化学吸收法测量为进一步得到气液接触过程中的相界比表面积，本工作还采用空气-Na2SO3溶液化学吸收系统进行了研究。在硫酸钴作催化剂的条件下，反应方程式如下

在Na2SO3溶液浓度较高的范围时(大于0.2 kmol·m-3)，该反应对于空气为二级反应，可按二级不可逆反应处理，同时忽略气膜阻力[12]。根据反应吸收原理，可得单位面积氧的传递速率i为

式中，为反应速率常数；为氧气在液相中的扩散系数。

根据Andrieu等[13]提出的反应器模型，将整个冷氢箱实验系统看作带有液相循环的微分反应器，并假设带有内循环的液体水槽为全混器，空气在冷氢箱中呈活塞流流动，与Na2SO3发生氧化反应。

进入冷氢箱的Na2SO3溶液的浓度为1，离开冷氢箱的Na2SO3溶液的浓度为2，其中参加化学反应消耗掉的量为2iC，冷氢箱中积累的速率为，根据物质守恒可以得到

此外，对全混流水槽进行物质守恒计算，有

初始条件为：= 0,1=2=0。

对式（5）和式（6）进行积分以及拉普拉斯变换，可以化简为

式（8）和式（9）即为利用空气-Na2SO3溶液氧化吸收法测定冷氢箱相界接触比表面积的数学模型。这两式表明，冷氢箱进出口亚硫酸钠溶液的浓度1、2为时间的线性函数，而且斜率为

以此为基础，即可通过实验测量Na2SO3溶液的浓度变化求取相界比表面积。

1.2.3 实验装置流程 实验在直径为1 m的有机玻璃塔内进行，如图3所示。空气由空气压缩机提供，经过涡轮流量计计量后由支管输送入冷氢箱，液相由泵输送至排管式分布器进入塔内，流入冷氢箱。

1—air compressor; 2—valve; 3—flowmeter of gas; 4—gas-liquid multi-swirling quench box; 5—outlet sampling device; 6—defoaming device; 7—recording instrument; 8—outlet of gas; 9—outlet of liquid;10—flowmeter of liquid; 11—liquid tank; 12—liquid pump

在氧吸收实验过程中，水槽内为脱氧水，无回流循环过程，在冷氢箱与空气混合后两相均从塔底排出，在冷氢箱出口处设有取样采集装置，用溶氧分析电极检测水中氧浓度值，并与数据采集系统相连，实现在线测量，待稳定后取平均值作为冷氢箱出口的溶解氧浓度。

在空气-Na2SO3溶液化学吸收过程中，水槽中为高浓度Na2SO3溶液，通过管路阀门控制，液相在输送至冷氢箱与空气反应后循环流回水槽，同时水槽内部液体不断回流混合，保持全混流状态，每隔5 min从水槽取样，采用碘量法滴定分析Na2SO3浓度。

2 实验结果与讨论

2.1 量纲分析及数据回归

在直径为1 m的冷模实验装置中进行了物理吸收和化学吸收的传质测试。实验中所用的气体流量G范围是50～300 m3·h-1，折合成喷射速度G为14.73～73.68 m·s-1；液体流量L范围是8～20 m3·h-1，入口线速度L为0.25～0.63 m·s-1，气液流量比在3～30之间，在较宽操作条件内进行实验。对数据分别进行处理后得到体积传质系数L和相界接触比表面积，如图4所示。

为了揭示喷射旋流式冷氢箱普遍性的传质规律，采用量纲分析法对结果进行回归处理。影响冷氢箱传质特性的主要物理参数包括：气体密度G，气体黏度G，气体喷射速度G，进气支管直径G，液体密度L，表面张力L，氧气在液相中的扩散系数，进液流速L和液体入口当量直径L。

采用量纲分析法可以得到关系式（11）

L=(G,L) (11)

式中，L=LL/，为传质准数；G=GGG/G，表明气体流动对吸收传质过程的影响；L=L2LL/L，表明液体惯性力与表面张力比值对流动的影响[14]。

结合实验数据，查取相关物性参数，按照式（11）进行多元线性拟合，得到量纲一关系式（12）

同时，为了更好地说明气液两相流动对体积传质系数和比表面积的影响，也将它们分别与G和L拟合，得到经验关联式式（13）和式（14）

以上公式适用范围为G= (1.96～9.81)×104，L= 53.36～333.52。

将不同气液两相速度下的L和的实验值与拟合值对比，如图5、图6所示，相关系数均超过0.9，较为吻合，说明可以根据这些经验关联公式预测新型冷氢箱的传质系数及相界接触面积；另外，从图4可知，在常规操作条件下，新型冷氢箱中液相体积传质系数L与已有冷氢箱文献中结果[15]相比提高了20%；冷氢箱的气液接触面积虽没有相关文献报道，但根据图4可知的值处于200～500 m-1之间，这与带有机械搅拌的气液接触设备处于同一量级[16]，由于加氢反应器内流体流动没有额外的机械能输入，说明气体喷射-气液旋流式冷氢箱具有优异的气液混合性能。

2.2 喷射气速对L和的影响

在液体流量为14 m3·h-1（进口速度0.44 m·s-1）时，得到L和随喷射气速变化的实验数据和关联计算值，如图5所示。可以看出，在相同液体入口速度下L和均随气体速度的增大而显著增加，这也说明气速增大非常有利于改善冷氢箱的传质性能。这也与实验中观察到的现象是一致的，随着气体流量增大，水平旋流管中液体旋流更加强烈，产生泡沫，甚至逐渐雾化。

由于射流旋流式冷氢箱独特的结构，气体高速切向射入时携带大量的动能，液体在气体曳力的作用下做立体螺旋流运动，气液两相发生密切的接触，极大地提高了传质系数和相界面积，并在混合室中得到进一步加强。当气速不断增大时，携带更多的动能，增强了流动的湍动程度，实现了更高速度的旋转运动，气液接触更加充分，因此增大了相界之间的接触面积，促进了传质效果的提高。

2.3 液体速度对L和的影响

在气体流量为150 m3·h-1（喷射速度44.2 m·s-1）时，得到L和随进口液速变化的实验数据和关联计算值，如图6所示。可以看出，在相同气体喷射速度下L和均随液体速度的增大而增大。这是因为，当液体的进口速度增加时湍动程度增加，更有利于液体实现高速剧烈的螺旋流运动，增大了气液间的传质速率，L增大；同时液体流量的增大使冷氢箱内部充满更多的液体，气液之间接触的概率增大，接触的量更多，相应带来了接触面积的提高。此外，分别根据图5和图6中气液速度对传质的影响，结合得到的经验关联式式（7）和式（8）中的系数可以看到，虽然气液两相对传质均有影响，但受气相的影响更为强烈，这是因为气体是整个旋流过程的推动者，也表明了传质过程主要受气相流动控制。

3 结 论

开发了一种新型的气体喷射-气液旋流式冷氢箱，采用氧吸收方法测定了气液混合过程中的液相体积传质系数L，用空气-Na2SO3溶液化学吸收法测定了气液相界比表面积，得到以下结果。

（1）体积传质系数L和相界比表面积均随气体喷射和液体进口速度的增大而增大，并且受气流的湍动程度影响更为强烈。

（2）通过量纲分析及数据拟合得到了传质参数与G和L的关联式，并且实验值与计算值较为吻合。

（3）气体喷射-气液旋流式冷氢箱的体积传质系数L较传统冷氢箱提高20%以上，气液相界比表面积与带有机械能输入的气液接触设备处在同一量级，具有优异的混合传质性能。

符 号 说 明

a——相界接触比表面积，m-1 cin——进口液相溶解氧浓度，mol·m-3 cout——出口液相溶解氧浓度，mol·m-3 c*(O2)——饱和液相溶解氧浓度，mol·m-3 D——氧气在液相中的扩散系数，m2·s-1 dG——气体进口直径，m dL——液体进口当量直径，m Ji——反应中氧的传递速率，mol·m-2·s-1 k——反应速率常数，m3·mol-1·s-1 kL——液相传质系数，m·s-1 kLa——液相体积传质系数，s-1 NA——液相传质速率，mol·s-1 QG,QL——分别为气体、液体的流量，m3·h-1 uG,uL——分别为气体、液体进口的速度，m·s-1 VC——冷氢箱体积，m3 VL——亚硫酸钠溶液体积，m3 mG——气体黏度，Pa·s rG,rL——分别为气体、液体的密度，kg·m-3 s——液体表面张力，N·m-1 下角标 G——气体 L——液体

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Mass transfer characteristics in gas-liquid swirling quench box with gas injection

YU Kun, SHI Yan, WANG Zhenyuan, HUANG Zibin, CHENG Zhenmin

State Key Laboratory of Chemical EngineeringEast China University of Science and TechnologyShanghaiChina

A novel gas-sparged quench box with multiple swirling flow structures was designed. With the gas velocity of 10—80 m·s-1and liquid velocity of 0.2—0.7 m·s-1 in a cold-flow model experiment, the liquid volumetric mass transfer coefficient (kL) was measured using the oxygen absorption method, and the interfacial area () was measured using air-Na2SO3solution chemical absorption method. The results showed that mass transfer parameters increased with the increase of gas jet velocity and liquid inlet velocity, especially changing more pronouncedly with fluctuation of gas jet. TheLandwere better than traditional quench box’s performance and were at the same order of magnitude as mechanically stirred device, which illustrated that the multi-swirling quench box is capable of excellent mixing performance. Empirical correlations, obtained through dimensional analysis, fit the experimental data well and could be used to predict the mass transfer characteristics.

quench box；gas-liquid flow；swirling flow；mass transfer；mixing；interfacial area

2015-05-21.

CHENG Zhenmin, zmcheng@ecust.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150650

TQ 027

A

0438—1157（2015）08—2947—06

程振民。

于坤（1991—），男，硕士。

中国石油天然气集团公司重大科技专项基金项目（2010E-2004-02）；国家自然科学基金项目（21076072, 21306045）。

2015-05-21收到初稿，2015-05-28收到修改稿。

supported by the Scientific Research Foundation of PetroChina(2010E-2004-02) and the National Natural Science Foundation of China (21076072, 21306045).