1、错流旋转填料床气相压降的研究第 22 卷第 5 期2006 年 10 月化学反应工程与工艺ChemicalReactionEngineeringandTechnologyVol22.No50Ct.2006文章编号:1001-7631(2006)05-0451-06错流旋转填料床气相压降的研究刘振河刘有智焦纬洲康荣灿,李鹏(中北大学,山西省超重力化工工程技术研究中心,山西太原 030051)摘要:利用空气一水系统对错流旋转填料床的气相压降进行了实验研究 .采用因次分析的方法推导出错流旋转填料床气相压降的无因次关联式.结果表明,错流旋转填料床欧拉准数在旋转填料床转速与气速之比(旋流比) 小于 30
2、 时,欧拉准数随旋流比的增大反而减小; 当旋流比大于 30 时,欧拉准数随旋流比的增大而增大.旋流比小于 30 时欧拉准数与填料层轴向厚度的 0.9 次方成正比,旋流比大于 30 时欧拉准数与填料层轴向厚度的 0.5 次方成正比.湿床旋流比小于 30 时,欧拉准数随进液量的增大而上升;旋流比大于 30 时,欧拉准数随进液量的增大而下降.关键词:旋转填料床;错流 i 压降;因次分析中图分类号:TQ021.1 文献标识码:A旋转填料床(RotatingPackedBed,RPB)是上世纪 8O 年代发展起来的一种新型传质和反应设备,具有处理量高,占用空间小,传质效率高,能耗低,投资少,适用面广等优
3、点.对旋转填料床的基础理论研究主要包括两个部分:流体力学性能和传质性能 .其中流体力学性能主要针对气体通过设备的气相压降进行研究.根据气液在旋转填料床内的流动方向可分为逆流旋转填料床,错流旋转填料床,并流旋转填料床和折流旋转填料床.国内外对逆流旋转填料床进行研究的文献较多,但对错流旋转填料床的气相压降研究相对较少6.本工作针对错流结构的旋转填料床的气相压降进行了分析和实验研究.1 实验部分错流旋转填料床结构及实验装置如图 1 所示.旋转填料床的转子外径 300mm,填料层内径80mm,丝网填料孔隙率 97.2,填料比表面积387.4m./m.新鲜水通过转子流量计后进入旋转填料床内腔的液体分布器
4、喷洒到填料的内缘,在旋转填料床离心力的作用下液体径向通过填料床层后,从器壁流下汇集到旋转填料床的下部,从液体出口流出;来自鼓风机的空气经过转子流量计后,由位于旋转填料床端面的气体进口垂直进入填料床.在压差作用下,在填料层中与液体错流接触后,气体轴向通过填料层,由气体出口管排出设备,放空.图 1 错流旋转填料床实验装置Fig.1SchematicdiagramofcrossflowRPB1 一 airblower;2 一 gasflowmeter;3 一 gasinlet;4 一 packing;5 一 liquidinlet;6 一 gasoutlet;7 一 liquidoutlet8 一
5、liquidflowmeter;9 一 pump收稿日期:20060628:修订日期:20060828作者简介:刘振河(1971 一),男,硕士研究生;刘有智(1958 一),男,教授,博士生导师,通讯联系人.E-mail:基金项目:山西省自然基金自主项目(20051015)452 化学反应工程与工艺 2006 年 10 月2 气相压降模型气体从填料床底部的气体进口进入,沿轴向通过旋转填料床层,由集气段汇集从出气口流出,所以气相压降可分成四部分:(1)气体进口阻力;(2) 气体流经填料层时的压降 ;(3)气体流经出口集气段周向动能转化静压能;(4) 出口管时的局部阻力损失.2.1 进出口管阻力
6、气体流经进,出口管的阻力包括进,出口管路阻力损失和局部阻力损失,为了简化计算,同时气体进,出口的直径已知,将进出口的局部阻力合并一起进行计算,当超重机内不放旋转填料床时测定不同气量下的压降,计算局部阻力系数,由实验数据拟合得到:.一 0.108uf_.?孔.(1)2.2 填料层压降模型推导本结构旋转填料床填料层内气液两相流的情况相当复杂,气液问并不是垂直流动.液体在填料内呈螺旋线向填料外层运动;气体在轴向通过填料的运动中 ,受到粘滞力和形体阻力的作用与转速较高的填料产生摩擦(分为径向和切向),在摩擦曳力,形体曳力和离心力的共同作用下,气体沿轴向运动中还进行着周向和径向运动,填料对气体做功.因气
7、,液运动较为复杂,无法从理论上直接推导出气相压降的具体结果,因而采用因次分析方法进行处理8.考虑所有影响填料床压降的参数 11 个物理量,即APbf(de,Ug,Z,g,r1,VI,IDl,/21)(2)各物理量的影响用幂函数表示,则APbKde“UgbgCZg1,/rlIDl,ul(3)这些物理量涉及到 3 个基本因次,因此无因次准数有 8 个.将各物理量的因次代人,经无因次分析得一K()()rl_ffI,(W1)(4)其中P/.是欧拉准数 (),deu/是气相雷诺准数(R),r 】 /可以简单理解为旋转床转速与垂直气速比(简称漩流比),./rcode.代表填料持液量对压降影响,A/ID,/
8、t,l,z/,r/均为简单的无因次比值.对于水一空气体系,在物料特性和干床填料结构尺寸一定情况下,式(4)简化得旋转填料床压降无因次表达式:一K()()(W1)()若旋转填料床只通人气体不通液体,则干床压降无因次关联式:UK(,ug).(Ug)fkc 善 te)g,2.3 集气段动能转化气体在填料出气端带有周向速度,所以会绕超重机的圆形器壁旋转,部分动能在旋转过程中由于与器壁摩擦而损失,一部分动能转换为静压能.实验所用错流旋转填料床集气段较短,故忽略集气段动能转化引起的压力变化,则错流旋转填料床总气相压降可以表示为:AP 一Pi4-P.4-Pb(7)第 22 卷第 5 期刘振河等.错流旋转填料
9、床气相压降的研究 4533 结果与讨论3.1 干床气相压降3.1.1 旋流比的影响旋转床转速对干床气相压降的影响见图 2.从图中可以看出,欧拉准数随着旋流比的增大先减小后增大,其转折点的旋流比约在 3O 左右.所以在处理压降与旋流比的关系时进行了分段处理,对实验数据进行回归得:%.2838.(3o)(3o)(8)(9)导致这两种不同变化趋势的原因:气体在通过填料层时填料对气体的切向运动做功,在离心力的作用下气体在填料中存在径向运动,同时气体在填料内的切向速度沿轴向逐步增大,所以气体径向运动速度沿轴向也逐渐增大,在低旋流比情况下,随旋流比的增大旋转填料对气体切向运动做功增大逐渐大于气体轴向通过旋
10、转填料层压降的增大,填料层压降降低;在高旋流比情况下,还会有部分气体从环行空腔回流到填料进气端形成旋涡而造成能量损失.因次旋流比越大,旋涡能量损失越明显,填料层压降上升.图 2 干床旋流比对干床气相压降的影响Fig.2Effectofrotationflowratioongaspressuredropinthedrybed图 3 雷诺数对干床气相压降的影响Fig.3EffectofReynoldsongaspressuredropinthedrybed3.1.2 气相雷诺准数的影响实验中采用同时改变旋转填料床转速和气速,固定旋流比的方法来考察气相雷诺准数 R 对欧拉准数 E 的影响,结果见图
11、3.在实验范围内当填料厚度 Z,旋流比固定时,欧拉准数随气相雷诺准数的增大而减小,但是旋流比大于 3O 和小于 3O 时欧拉准数随气相雷诺准数的变化率不同;由实验数据回归可得:Reo-ssg2LPb.CRe 一.269g10(3o)(3o)(10)(11)这是由于随旋流比的增加,气体在旋转填料床内的湍动程度增大.在小旋流比的情况下,气相压降主要由填料床对气体轴向摩擦阻力损失和旋转填料对气体的轴向做功来控制;而在大旋流比的情况下,气相压降主要由填料床对气体轴向摩擦阻力损失和气体通过填料层时形成的旋涡损失来控制.3.1.3 无因次准数 l/de 的影响固定填料的当量直径,改变填料层厚度 z 值来考
12、察 l/de 对欧拉准数的影响,结果见图 4.由实验数据回归得:454 化学反应工程与工艺 2006 年 1O 月Pcx:(degg,Pcx:faegg,(30)(30)(12)(13)旋转填料床静止时,气体通过填料床层压降与无因此准数 l/de 的因次应该是 1,但是由于旋转填料床的高速旋转,气体在离心力的作用下部分气体在轴向没有完全穿过填料层,旋流比越大越明显,此时大部分气体没有完全穿过填料床层从环形填料与容器的环隙进入填料出气端,其运动路线远小于填料层厚度 z,所以无因此准数 l/de 的因次小于 1.图 4l/de 对干床气相压降的影响Fig.4Effectofl/deongaspre
13、ssuredropinthedrybed/(r,de)图 5Vl/(rode.)对湿床气相压降的影响Fig.5EffectofVl/(node)onpressuredropinair-waterRPB3.2 湿床气相压降3.2.1 无因次准数./(,.ox/e)的影响图 5 为无因次准数./(rox/e)对湿床气相压降影响的实验结果.可见:当旋流比小于3O 左右时,无因次准数./(,.ox/e)的影响不大; 而在旋流比大于 3O 时,欧拉准数随无因次准数V./(rode)的增大而减小 .在进气量和转速一定的前提下,随进液量增大填料层持液量缓慢上升,但是在旋转填料床转速上升后,填料层持掖量反而下
14、降,气相压降也逐渐下降.但是从压降与进液量变化关系看,液量对压降影响不是很大.可以由实验数据回归得压降关联式:APbcx:(Vi)APbcx:(Vi)(30)(30)(14)(15)填料层的持液量与液体流量和旋转填料床的转速有关,在转速较低的情况下,持液量主要是由液体流量来控制;当转速较高的情况下,旋转填料床的转速占主要因素 .3.2.2 旋流比,雷诺准数的影响湿床旋流比对气相压降的影响见图 6,其变化趋势同干床,旋流比在 3O 左右时欧拉准数出现最低点,且压降低于干床.这是因为旋转填料床通人液体后,一方面液体在填料的表面形成液膜而变得比干床填料光滑g;另一方面液体在填料层内由内向外呈螺旋形运
15、动 ,气体在填料的表面做切向运动中相对速度变小,所以填料对气体摩擦做功较干床填料时减小.由实验数据回归:.c.glDg.czglDg.(30)(30)(16)(17)第 22 卷第 5 期刘振河等.错流旋转填料床气相压降的研究 455图 6 漩流比对湿床气相压降的影响Fig.6Effectofrotationflowratioongaspressuredropinair-waterRPB图 7 计算值与实验结果的比较Fig.7Comparisonofexperimentalandcalculatedvalues湿床雷诺准数的影响其变化趋势同干床,但其影响程度不同而表现在气相雷诺准数的因次上差别
16、,主要是因为湿填料空隙率和填料表面对气体的摩擦系数的变化而引起的.3.3 模型的验证根据以上的实验结果,可以得到旋转填料床干,湿床气相压降公式:干床一 5.702XRe-O.8ts.(.-o.526Reo.2s.(.(30)(30)湿床一 4.05110.Re-O.681.(眈(E1)(30)-o.39Re-“251(卯(E1).(30)(18)(19)(20)(21)实验数据与拟和数据的关系如图 7 所示,图中旋转填料床气相压降的实测值与理论计算值的点全部都在对角线附近,并且所有计算压降数据与实测值最大相对误差在 139/6 以内,故认为所建立的模型很好地反映了该结构错流旋转填料床气相压降的规律.4 结论通过对错流旋转填料床的气相压降进行的分析和模拟,得出了该结构错流旋转填料床干床和湿床气相压降的元因次关联式,并通过实验得出以下结论:a)错流旋转填料床气相压降不仅与气体流量有关而且还与旋转填料床的转速有关.其中元因次准数旋流比是评价旋转填料床转速与进气量对气相压降影响的一个主要元因次准数.b)错流旋转填料床湿床气相压降中元因次准数 V/(re.)是填料层持液量对旋转填床气相压降影响的一个重要的指标.afdeZP.符号说明干填料比表面积,m填料当量直径(=4e/a/),m填料层轴向厚度,m气相总压降,Pa干填料孔隙率
