超重力旋轉床的原理及影響因素

-.z.超重力旋轉床的根底研究與應用前言化學工業(yè)是國民經濟的重要支柱產業(yè),但在化工生產過程中伴隨著"三高"(高污染、高能耗、高物耗)問題的產生。在化工生產過程當中,如何有效地減少"三廢"(廢水、廢氣、固廢)、降低能耗、提高效率己經成為研究者們共同的目標。化工過程強化技術是實現這一目標的有效手段。其方式主要可從設備和工藝兩個途徑出發(fā),超重力旋轉床是其中過程強化設備的典型代表。二、超重力技術簡介超重力工程技術是一項強化“三傳一反〞化工過程的新型技術及設備，利用離心力強化傳遞與微觀混合實現高效多相反響與別離。超重力旋轉床由部轉子高速旋轉產生的離心力將液滴切割成更小的微元體,大大強化傳質效率,它能在很大程度上實現節(jié)約能源消耗,減少設備投資。超重力旋轉床有如下特點:(1)傳質和混合效率高;(2)開停車容易,到達穩(wěn)定狀態(tài)快;(3)持液量小,停留時間短,對快速反響提升顯著;(4)不怕顛毅、傾斜、振蕩,適用于移動場所;(5)部清洗容易,填料更換快捷,易于維護和檢修。超重力脫硫機主要由固定的圓柱形外殼和部圓環(huán)柱狀的轉子組成，核心局部是轉子。轉子有不同的構造形式，其部一般都裝填了多孔填料，并通過轉軸與電動機連接，以每分鐘數百轉至數千轉的速度旋轉，其主要作用是固定和帶動填料旋轉，實現良好的氣液接觸和微觀混合。氣相經氣體進口管由切向引入轉子外腔。在氣體壓力的作用下，由轉子外緣處進入的填料液體由液體進口管引入轉子中心的腔，經噴頭淋灑在轉子緣上。進入轉子的液體受到轉子填料的作用，周向速度增加，所產生的離心力將其推向轉子外緣。液體被轉子拋到外殼聚集后經液體出口管離開旋轉填充床，氣體經填料層進入轉子中心上升至出口管引出，完成傳質與反響過程。三、原理1傳質模型建立選用雙模理論氣相中氣體通過擴散，克制氣膜阻力到達氣液相界面處轉入液相，液相中氣體通過擴散，克制液膜阻力后，到達液相主體。雙膜理論模型如下列圖所示。雙模理論模型2理論計算〔以氨水吸收二氧化硫為例〕由于在超重力場中氣液兩相受到強大的超重力作用，使其在填料的停留時間很短，根本無返混，因此根據超重力場中氣液接觸特點作出如下假設:(1)整個填料層的傳質速率常數穩(wěn)定不變;(2)氣相濃度在填料層徑向不變;(3)液相濃度在填料層軸向不變;(4)忽略沿旋轉填料床軸向和徑向的壓力變化;(5)氣液相在填料層流量穩(wěn)定，且分布均勻。采用超重力氨法脫除煙氣中的氣體時，其實質首先是水吸收SOZ，然后液相中的再與和混合溶液中發(fā)生化學反響。一方面由于溶于水的反響為快速反響，另一方面有化學吸收的存在，使得進入液相的能夠迅速地反響，進一步減小了液相阻力，使得和混合溶液吸收的傳質過程成為氣膜控制的過程。在氣膜中擴散速率為：(1)吸收反響為快反響，整個反響過程在液膜完成，吸收液液相主體中的濃度為零[[63]。氣相的傳質阻力起主要作用，有，因此，又可寫為:(2)在超重力旋轉填料床填料取一半徑為，厚度為，軸向高度為H的體積微元。填料模型圖如下列圖所示。為填料半徑，為填料外半徑。超重力旋轉填料床傳質模型圖在填料半徑為處做吸收的物料衡算，氣相中減少量等于氣相向液相的傳質量，得到:(3)式中:為填料有效比外表積，m2/m3將式(2)代入式(3)中，得到:(4)兩邊同時積分得:(5)在旋轉填料床中的化學吸收過程，液膜極薄，且由于吸收液濃度足夠，溶入液相的與吸收液迅速反響，因此，可認為相界面處濃度為零，即。對式(5)進展積分可以得到:(6)定義：脫硫率，則。因此式(6)可以寫為：(7)超重力旋轉床影響因素以氨法脫硫為例，分別考察超重力因子、液氣比、吸收液pH值、入口SO2濃度、氣體流量對脫硫率的影響規(guī)律，并根據相關脫硫率，結合推導出的理論傳質模型，考察各操作參數對超重力旋轉填料床傳質效率的影響規(guī)律?！?〕超重力因子對脫硫率及氣相總體積傳質系數的影響控制氣體流量為8m3/h，液氣比為3.15L/m3，吸收液中(NH4)2SO3和NH4HS04總濃度為0.05mol/L--O.1mol/L，吸收液pH值為6.0，在入口SO2濃度不同的情況下，考察超重力因子對脫硫率及氣相總體積傳質系數(KGa)的影響。超重力因子對脫硫率的影響如圖下列圖所示由上左圖可知，在入口SO2濃度一定時脫硫率隨超重力因子的增大而增大;在超重力因子一定時，脫硫率隨入口SO2濃度的增大而減小。當超重力因子大于55.64時，脫硫率隨著超重力因子增大而增大的趨勢趨于平緩。從上右圖亦可知，在入口SO2濃度一定時，隨著超重力因子的增大，氣相總體積傳質系數呈現出先增長而后趨于平緩的趨勢。這是由于超重力因子的增大，即超重力旋轉填料床轉速的增大，由高速旋轉所產生的離心力就會越來越大，從而使物料在填料層中被剪切成極細小的液滴、液絲及液膜，且隨著超重力因子的增大，使得這些液滴、液絲、液膜在填料層中的運動獲得更大的加速度，液體的湍流程度不斷加劇，從而極增加了氣液接觸面積及外表更新速率，因此氣相總體積傳質系數增大。但是，超重力因子的增加也減小了氣液在填料層中的接觸時間，不利于吸收的進展。綜合二者影響，最終當超重力因子到達一定程度時，使得兩圖最終趨于平緩?！?〕、液氣比對脫硫率及氣相總體積傳質系數的影響液氣比是考察脫硫性能的重要參數之一，從經濟的角度考慮，液氣比的大小直接影響脫硫裝置的投資和運行費用?？刂迫肟谀M煙氣SO2濃度為2850mg/m3，超重力因子為55.64，吸收液中(NH4)ZS03和NH4HS0:總濃度為0.05mol/L--0.1mol/L，在吸收液pH值分別為6.0,6.2,6.5時，固定氣體流量為8m3/h，通過改變液體流量，考察液氣比對脫硫率的影響。結果如下圖：由左圖可知，在吸收液pH值一定時，脫硫率隨液氣比的增大而增大，當液氣比大于2.5L/m3后，脫硫率隨著液氣比的增大而開場緩慢增長。由右圖可以看出，氣相總體積傳質系數隨著液氣比的增大而增大，當液氣比小于2.5L/m3時，氣相總體積傳質系數隨液氣比增大而增大的趨勢較明顯;當液氣比大于2.5L/m3時，增長趨勢較平緩。這是因為，在其他條件一定時，氣體流量不變，增加液氣比，即增加液體流量，則有效傳質比外表積增大，傳質推動力增加，氣相傳質系數增大。但是，在氣體流量不變的情況下增加液氣比，意味著液體流量的增加，而隨著液體流量的不斷增加，會使得液膜厚度逐漸增加，從而使得氣液間的傳質阻力增大，所以氣相總體積傳質系數隨液氣比增大而增大的趨勢趨于平緩。在不同pH值下比照發(fā)現，pH值越低，脫硫率隨著液氣比的變化規(guī)律越明顯。主要原因是，在其他條件一定的情況下，pH值越低，吸收液的總堿度也越低，吸收能力也大大降低，脫硫率也隨之降低?！?〕吸收液pH值對脫硫率及氣相總體積傳質系數的影響控制入口模擬煙氣SO2濃度為2920mg/m3，超重力因子為55.64，氣體流量為8m3/h,液氣比為2.5L/m3，吸收液中(NH4)2SO3和NH4HS03總濃度為0.05mol/L--O.1mol/L，考察吸收液pH值對脫硫率及氣相總體積傳質系數的影響。結果如下圖。由左圖可知，脫硫率隨著吸收液pH值的增大逐漸增大，這是因為，隨著吸收液pH值的增大，吸收液的堿度增大，吸收液中(NH4)2S03的含量有所增大，從而有利于吸收。但當吸收液pH值小于6.0時，吸收液pH值越低，脫硫率越低，一方面由于吸收液pH值越低，吸收液堿度越小，另一方面由于吸收液pH值越低，吸收液中H+濃度較高，從而抑制了H2S03的解離，使SO2在水中的溶解度降低。從脫硫率的角度來看，吸收液pH值越高越好，但吸收液pH值過高會造成氨的大量逃逸，使吸收液的利用率下降由右圖可知，隨著吸收液pH值的增大，氣相總體積傳質系數逐漸增大。其主要原因是:在吸收過程中，隨著SO2的不斷溶解，溶液中的H+濃度不斷增加，由于pH值高的吸收液結合H+的能力高于pH值低的吸收液，增大了傳質推動力，所以表現出較高的氣相總體積傳質系數?！?〕入口濃度對脫硫率及氣相總體積傳質系數的影響取濃度為單一變量進展分析，其結果如圖由圖上左可知，脫硫率隨著入口濃度的增大而降低。這是由于增大入口濃度相當于增加了煙氣中的分壓，根據雙膜理論，增大煙氣中的分壓相當于增大了氣相主體分壓，從而增加了氣相主體與相界面間的分壓差，增大了氣相傳質推動力，有利于的吸收。但是由于吸收液是一定的，吸收液吸收的限度也就是一定的，入口濃度增大的同時，由于吸收液吸收的能力受到了限制。另外，在超重力旋轉填料床中由于氣液傳質面積以及停留時間的限制，入口濃度的不斷提高，會使局部氣體來不及與吸收液進展接觸即離開超重力旋轉填料床，也會影響吸收效果。因此，脫硫率和氣相總體積傳質系數隨著入口濃度增大而降低?！?〕氣體流量對脫硫率及氣相總體積傳質系數的影響取氣體流量為單一變量進展研究，其結果如下由上圖可知，脫硫率隨著氣體流量的增大而降低，其主要原因是:一方面，氣體流量的增加導致氣體流速增大，而氣體流速增加可提高氣液兩相的湍動，從而降低SO2氣體與液滴間的膜厚度，提高傳質系數，有利于對SO2氣體的吸收;另一方面，氣體流量增加，使氣體流速增大，導致SO2氣體在超重力旋轉填料床的停留時間縮短，氣液接觸時間減少，不利于吸收的進展。兩者相互作用下，脫硫率隨著氣體流量的增加呈下降趨勢〔后者的作用占優(yōu)勢〕：氣相總體積傳質系數隨著氣體流量的增大先增大后逐漸降低。五、應用目前，化工大學研究院"?；h(huán)能科技與巨化股份合作已建成200kt/a和150kt/a硫酸的裝置尾氣脫硫示裝置各一套;與華興化工合作已建成200kt/a硫酸的尾氣脫硫裝置3套。2012年，壽光聯盟磷復肥的一套150kt/a硫酸的尾氣脫硫裝