超重力旋轉(zhuǎn)床的原理與影響因素

1、超重力旋轉(zhuǎn)床的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用一、前言化學(xué)工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè),但在化工生產(chǎn)過(guò)程中伴隨著"三高 "(高污染、高能耗、高物耗 )問(wèn)題的產(chǎn)生。在化工生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)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(jīng)成為研究者們共同的目標(biāo)?；み^(guò)程強(qiáng)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效手段。其方式主要可從設(shè)備和工藝兩個(gè)途徑出發(fā) ,超重力旋轉(zhuǎn)床是其中過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備的典型代表。二、超重力技術(shù)簡(jiǎn)介超重力工程技術(shù)是一項(xiàng)強(qiáng)化“三傳一反”化工過(guò)程的新型技術(shù)及設(shè)備，利用離心力強(qiáng)化傳遞與微觀混合實(shí)現(xiàn)高效多相反應(yīng)與分離。超重力旋轉(zhuǎn)床由部轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將液滴

2、切割成更小的微元體,大大強(qiáng)化傳質(zhì)效率 ,它能在很大程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源消耗 ,減少設(shè)備投資。超重力旋轉(zhuǎn)床有如下特點(diǎn):(1)傳質(zhì)和混合效率高 ;(2)開停車容易 ,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)快 ;(3)持液量小 ,停留時(shí)間短 ,對(duì)快速反應(yīng)提升顯著 ;(4)不怕顛毅、傾斜、振蕩,適用于移動(dòng)場(chǎng)所 ;(5)部清洗容易 ,填料更換快捷 ,易于維護(hù)和檢修。超重力脫硫機(jī)主要由固定的圓柱形外殼和部圓環(huán)柱狀的轉(zhuǎn)子組成，核心部分是轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子有不同的結(jié)構(gòu)形式，其部一般都裝填了多孔填料，并通過(guò)轉(zhuǎn)1軸與電動(dòng)機(jī)連接， 以每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)至數(shù)千轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，其主要作用是固定和帶動(dòng)填料旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)良好的氣液接觸和微觀混合。氣相經(jīng)氣體進(jìn)口管由切向引

3、入轉(zhuǎn)子外腔。在氣體壓力的作用下， 由轉(zhuǎn)子外緣處進(jìn)入的填料液體由液體進(jìn)口管引入轉(zhuǎn)子中心的腔，經(jīng)噴頭淋灑在轉(zhuǎn)子緣上。進(jìn)入轉(zhuǎn)子的液體受到轉(zhuǎn)子填料的作用，周向速度增加， 所產(chǎn)生的離心力將其推向轉(zhuǎn)子外緣。液體被轉(zhuǎn)子拋到外殼匯集后經(jīng)液體出口管離開旋轉(zhuǎn)填充床，氣體經(jīng)填料層進(jìn)入轉(zhuǎn)子中心上升至出口管引出，完成傳質(zhì)與反應(yīng)過(guò)程。三、原理1 傳質(zhì)模型建立選用雙模理論氣相中氣體通過(guò)擴(kuò)散， 克服氣膜阻力到達(dá)氣液相界面處轉(zhuǎn)入液相，液相中氣體通過(guò)擴(kuò)散，克服液膜阻力后，到達(dá)液相主體。雙膜理論模型如下圖所示。雙模理論模型22 理論計(jì)算（以氨水吸收二氧化硫?yàn)槔┯捎谠诔亓?chǎng)中氣液兩相受到強(qiáng)大的超重力作用，使其在填料的停留時(shí)間很短

4、，基本無(wú)返混，因此根據(jù)超重力場(chǎng)中氣液接觸特點(diǎn)作出如下假設(shè):(1)整個(gè)填料層的傳質(zhì)速率常數(shù)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(zhuǎn)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SO2 氣體時(shí)，其實(shí)質(zhì)首先是水吸收SOZ，然后液相中的 SO2 再與 ( NH 4 )2 SO3 和 NH 4 HSO3 混合溶液中 ( NH 4 ) 2 SO3 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。一方面由于 ( NH 4 )2 SO3 溶于水的反應(yīng)為快速反應(yīng)，另一方面有化學(xué)吸收的存在，使得進(jìn)入液相的 SO2 能夠迅速地反應(yīng)，進(jìn)一步減小了液相阻

5、力，使得 ( NH 4 ) 2 SO3 和 NH 4 HSO3 混合溶液吸收 SO2 的傳質(zhì)過(guò)程成為氣膜控制的過(guò)程。SO2 在氣膜中擴(kuò)散速率為：N Ak y ( yye )(1)SO2 吸收反應(yīng)為快反應(yīng)，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程在液膜完成，吸收液液相主體中SO2 的濃度為零 63 。氣相的傳質(zhì)阻力起主要作用，有KGky ，因此，又可寫為 :N AK G ( yye )(2)在超重力旋轉(zhuǎn)填料床填料取一半徑為r ，厚度為 dr ，軸向高度為 H 的體積微元。填料模型圖如下圖所示。r1 為填料半徑， r2 為填料外半徑。3超重力旋轉(zhuǎn)填料床傳質(zhì)模型圖在填料半徑為 r 處做吸收 SO2 的物料衡算，氣相中SO2 減

6、少量等于氣相向液相的傳質(zhì)量，得到 :(3)式中 :a 為填料有效比表面積， m2/m3將式 (2)代入式 (3)中，得到 :(4)兩邊同時(shí)積分得 :(5)在旋轉(zhuǎn)填料床中的化學(xué)吸收過(guò)程，液膜極薄， 且由于吸收液濃度足夠， 溶入液相的 SO2 與吸收液迅速反應(yīng)，因此，可認(rèn)為相界面處SO2 濃度為零，即。對(duì)式 (5)進(jìn)行積分可以得到 :4(6)定義：脫硫率，則。因此式 (6)可以寫為：(7)四、超重力旋轉(zhuǎn)床影響因素以氨法脫硫?yàn)槔?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(duì)脫硫率的影響規(guī)律，并根據(jù)相關(guān)脫硫率， 結(jié)合推導(dǎo)出的理論傳質(zhì)模型，考察各操作參數(shù)對(duì)超重力旋轉(zhuǎn)填料床

7、傳質(zhì)效率的影響規(guī)律。（1）超重力因子對(duì)脫硫率及氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)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.1 mol/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(duì)脫硫率及氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)(KGa)的影響。超重力因子對(duì)脫硫率的影響如圖下圖所示5由上左圖可知， 在入口 SO2 濃度一定時(shí)脫硫率隨超重力因子的增大而增大;在超重力因子一定時(shí)，脫硫率隨入口SO2 濃度的增大而減小。當(dāng)超重力因子大于 55.64 時(shí)，脫硫率隨著超重力因子增大而增大的趨勢(shì)趨于平緩。從

8、上右圖亦可知，在入口 SO2 濃度一定時(shí)，隨著超重力因子的增大，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)而后趨于平緩的趨勢(shì)。這是由于超重力因子的增大， 即超重力旋轉(zhuǎn)填料床轉(zhuǎn)速的增大，由高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力就會(huì)越來(lái)越大，從而使物料在填料層中被剪切成極細(xì)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(yùn)動(dòng)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表面更新速率， 因此氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)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(shí)間，不利于吸收的進(jìn)行。 綜合二者影響， 最終當(dāng)超重力因子達(dá)到一定程度時(shí)，使得兩圖最終趨于平緩。（2）、液

9、氣比對(duì)脫硫率及氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響液氣比是考察脫硫性能的重要參數(shù)之一，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，液氣比的大小直接影響脫硫裝置的投資和運(yùn)行費(fèi)用。控制入口模擬煙氣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60.0 5 mol/L-0.1 mol/L，在吸收液 pH 值分別為 6.0,6.2,6.5 時(shí)，固定氣體流量為 8m3/h ，通過(guò)改變液體流量，考察液氣比對(duì)脫硫率的影響。結(jié)果如圖所示：由左圖可知，在吸收液pH 值一定時(shí)，脫硫率隨液氣比的增大而增大，當(dāng)液氣比大于 2.5L/m3 后，脫硫率隨著液氣比的增大而開始緩慢增長(zhǎng)。由右圖

10、可以看出， 氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)隨著液氣比的增大而增大，當(dāng)液氣比小于 2.5L/m3 時(shí)，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)隨液氣比增大而增大的趨勢(shì)較明顯;當(dāng)液氣比大于 2.5L/m3 時(shí)，增長(zhǎng)趨勢(shì)較平緩。這是因?yàn)?，在其他條件一定時(shí)，氣體流量不變，增加液氣比，即增加液體流量，則有效傳質(zhì)比表面積增大，傳質(zhì)推動(dòng)力增加，氣相傳質(zhì)系數(shù)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(huì)使得液膜厚度逐漸增加， 從而使得氣液間的傳質(zhì)阻力增大，所以氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)隨液氣比增大而增大的趨勢(shì)趨于平緩。在不同 pH 值下對(duì)比發(fā)現(xiàn)，pH 值越低，脫硫率隨著液氣比的變化規(guī)律越明顯。主要原

11、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。7（3）吸收液 pH 值對(duì)脫硫率及氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)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.1 mol/L，考察吸收液 pH 值對(duì)脫硫率及氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響。結(jié)果如圖所示。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?yàn)?，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

12、量有所增大，從而有利于吸收。但當(dāng)吸收液pH 值小于 6.0 時(shí)，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(lái)看，吸收液pH 值越高越好，但吸收液pH 值過(guò)高會(huì)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(zhì)系數(shù)逐漸增大。其主要原因是 :在吸收過(guò)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(jié)合H+ 的能力高于 pH 值低的吸收液，增大了傳質(zhì)推動(dòng)力，所以

13、表現(xiàn)出較高的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)。8（ 4）入口 SO2 濃度對(duì)脫硫率及氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響取 SO2 濃度為單一變量進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖由圖上左可知，脫硫率隨著入口SO2 濃度的增大而降低。這是由于增大入口SO2 濃度相當(dāng)于增加了煙氣中SO2 的分壓，根據(jù)雙膜理論，增大煙氣中SO2 的分壓相當(dāng)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(zhì)推動(dòng)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 濃度增大的同時(shí)，由于吸收液吸收SO2 的能力受到了限制。 另外，在超重力旋轉(zhuǎn)填料床中由于氣液傳質(zhì)面積以及停留時(shí)間的限制，入口

14、 SO2 濃度的不斷提高，會(huì)使部分SO2 氣體來(lái)不及與吸收液進(jìn)行接觸即離開超重力旋轉(zhuǎn)填料床， 也會(huì)影響吸收效果。 因此，脫硫率和氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)隨著入口 SO2 濃度增大而降低。（5）氣體流量對(duì)脫硫率及氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響取氣體流量為單一變量進(jìn)行研究，其結(jié)果如下9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(dǎo)致氣體流速增大，而氣體流速增加可提高氣液兩相的湍動(dòng)，從而降低 SO2 氣體與液滴間的膜厚度，提高傳質(zhì)系數(shù)，有利于對(duì)SO2 氣體的吸收 ;另一方面，氣體流量增加，使氣體流速增大，導(dǎo)致SO2 氣體在超重力旋轉(zhuǎn)填料床的停留時(shí)間縮短，氣液接觸時(shí)間減少，不利于吸收的進(jìn)行。兩者相互作用下，脫硫率隨著氣體流量的增加呈下降趨勢(shì)（后者的作用占優(yōu)勢(shì)）：氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)隨著氣體流量的增大先增大后逐漸降低。五、應(yīng)用目前，化工大學(xué)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(lián)盟磷復(fù)肥的一套150kt/a 硫酸的尾氣脫硫裝置 ;