超重力旋转床的原理与影响因素

1、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。超重力旋转床由部转子高速旋转产生的离心力将液滴

2、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)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，其部一般都装填了多孔填料，并通过转1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

3、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腔，经喷头淋洒在转子缘上。进入转子的液体受到转子填料的作用，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22 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，使其在填料的停留时间很短

4、，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)气液相在填料层流量稳定，且分布均匀。采用超重力氨法脱除烟气中的SO2 气体时，其实质首先是水吸收SOZ，然后液相中的 SO2 再与 ( NH 4 )2 SO3 和 NH 4 HSO3 混合溶液中 ( NH 4 ) 2 SO3 发生化学反应。一方面由于 ( NH 4 )2 SO3 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 SO2 能够迅速地反应，进一步减小了液相阻

5、力，使得 ( NH 4 ) 2 SO3 和 NH 4 HSO3 混合溶液吸收 SO2 的传质过程成为气膜控制的过程。SO2 在气膜中扩散速率为：N Ak y ( yye )(1)SO2 吸收反应为快反应，整个反应过程在液膜完成，吸收液液相主体中SO2 的浓度为零 63 。气相的传质阻力起主要作用，有KGky ，因此，又可写为 :N AK G ( yye )(2)在超重力旋转填料床填料取一半径为r ，厚度为 dr ，轴向高度为 H 的体积微元。填料模型图如下图所示。r1 为填料半径， r2 为填料外半径。3超重力旋转填料床传质模型图在填料半径为 r 处做吸收 SO2 的物料衡算，气相中SO2 减

6、少量等于气相向液相的传质量，得到 :(3)式中 :a 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 SO2 与吸收液迅速反应，因此，可认为相界面处SO2 浓度为零，即。对式 (5)进行积分可以得到 :4(6)定义：脱硫率，则。因此式 (6)可以写为：(7)四、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

7、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5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

8、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

9、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60.0 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

10、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

11、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。7（3）吸收液 pH 值对脱硫率及气相总体积传质系数的影响控制入口模拟烟气SO2 浓度为 2920mg/m3 ，超重力因子为 55.64，气体流量为8m3/h, 液气比为2.5L/m3 ，吸收液中 (NH4)2SO3 和 NH4HS03 总浓度为0.05mol/L-O.1 mol/L，考察吸收液 pH 值对脱硫率及气相总体积传质系数的影响。结果如图所示。由左图可知，脱硫率随着吸收液pH 值的增大逐渐增大，这是因为，随着吸收液 pH 值的增大，吸收液的碱度增大，吸收液中(NH4)2S03 的含

12、量有所增大，从而有利于吸收。但当吸收液pH 值小于 6.0 时，吸收液 pH 值越低，脱硫率越低，一方面由于吸收液pH 值越低，吸收液碱度越小，另一方面由于吸收液pH值越低，吸收液中H+ 浓度较高，从而抑制了H2S03 的解离，使 SO2 在水中的溶解度降低。从脱硫率的角度来看，吸收液pH 值越高越好，但吸收液pH 值过高会造成氨的大量逃逸，使吸收液的利用率下降由右图可知，随着吸收液pH 值的增大，气相总体积传质系数逐渐增大。其主要原因是 :在吸收过程中，随着SO2 的不断溶解，溶液中的H+ 浓度不断增加，由于 pH 值高的吸收液结合H+ 的能力高于 pH 值低的吸收液，增大了传质推动力，所以

13、表现出较高的气相总体积传质系数。8（ 4）入口 SO2 浓度对脱硫率及气相总体积传质系数的影响取 SO2 浓度为单一变量进行分析，其结果如图由图上左可知，脱硫率随着入口SO2 浓度的增大而降低。这是由于增大入口SO2 浓度相当于增加了烟气中SO2 的分压，根据双膜理论，增大烟气中SO2 的分压相当于增大了气相主体分压，从而增加了气相主体与相界面间的分压差，增大了气相传质推动力，有利于SO2 的吸收。但是由于吸收液是一定的，吸收液吸收SO2 的限度也就是一定的，入口SO2 浓度增大的同时，由于吸收液吸收SO2 的能力受到了限制。 另外，在超重力旋转填料床中由于气液传质面积以及停留时间的限制，入口

14、 SO2 浓度的不断提高，会使部分SO2 气体来不及与吸收液进行接触即离开超重力旋转填料床， 也会影响吸收效果。 因此，脱硫率和气相总体积传质系数随着入口 SO2 浓度增大而降低。（5）气体流量对脱硫率及气相总体积传质系数的影响取气体流量为单一变量进行研究，其结果如下9由上图可知，脱硫率随着气体流量的增大而降低，其主要原因是 :一方面，气体流量的增加导致气体流速增大，而气体流速增加可提高气液两相的湍动，从而降低 SO2 气体与液滴间的膜厚度，提高传质系数，有利于对SO2 气体的吸收 ;另一方面，气体流量增加，使气体流速增大，导致SO2 气体在超重力旋转填料床的停留时间缩短，气液接触时间减少，不利于吸收的进行。两者相互作用下，脱硫率随着气体流量的增加呈下降趋势（后者的作用占优势）：气相总体积传质系数随着气体流量的增大先增大后逐渐降低。五、应用目前，化工大学研究院"海基环能科技与巨化股份合作已建成200kt/a和150kt/a 硫酸的装置尾气脱硫示装置各一套; 与华兴化工合作已建成200kt/a 硫酸的尾气脱硫装置3 套。 2012 年，寿光联盟磷复肥的一套150kt/a 硫酸的尾气脱硫装置 ;