折流式旋转床水力学性能的研究

'万方数据DissertationSubmittedtoZhejiangUniversityofTechnologyforMasterDegreeofScience⑧STUDIESONHYDRoDYNAMICCHARACTERISTICSOFRoT厶口INGZIGZAGBEDSubmittedbyLuYongshengSupervisedbyAssociateProf．LiYuminCollegeofChemicalEngineeringZhejiangUniversityofTechnologyHangzhou，ER．ChinaOctober2014 万方数据浙江工业大学㈣嬲学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：节水生日期：》缈年肛月矽日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密d。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：导师签名：彦年z，懒日期：如f眵年，_月印日日期：-)口，乒年／≯月叩Et 万方数据折流式旋转床水力学性能的研究摘要超重力旋转床是一种新型高效气液接触设备，该设备以离心力场取代重力场，极大增加了气液比表面积和强化了气液传质。折流式旋转床作为一种新型超重力旋转床，已应用于数十种物系精馏过程的工业化过程，其核心部件是由动盘和静盘嵌套组成的转子。本文以空气一水为体系对折流式旋转床水力学性能进行研究，考察了气体表观速度UG、液体表观速度UL和超重力因子∥对折流式旋转床持液量、压降及液泛性能、雾沫夹带的影响，并建立了折流式旋转床持液量数学模型。本文还以体积分数为3％、6％的乙醇溶液和质量分数为20％、30％的碳酸钾溶液为液相考察液体表面张力、密度对折流式旋转床雾沫夹带的影响。实验结果表明：(1)折流式旋转床持液量随液体表观速度U￡和气体表观速度UG的增加而增加，随超重力因子∥的增加而减小，特别地，高转速下气体表观速度对旋转床持液量影响明显减弱。(2)折流式旋转床气相压降随气体表观速度UG的增大，先缓慢增大，后迅速增加，压降曲线迅速上升，液泛点随后出现。(3)折流式旋转床气相压降随液体表观速度的增大，先缓慢增加，后迅速增大，在出现液泛后，又缓慢变大。特别地，在气体表观速度llG较小时(1．23m／s)，气相压降随液体表观速度增大呈线性增加。T 万方数据浙江工业大学硕士学位论文(4)折流式旋转床气相压降随超重力因子∥的增加，先增加，出现液泛后，压降开始降低。在超重力因子声>120，压降又有小幅度上升。(5)折流式旋转床雾沫夹带量ev小于0．02，随气体表观速度甜G、液体表观速度uz的增加而增加，随超重力因子∥增大先迅速减小，后缓慢增大。(6)折流式旋转床中液相体系的表面张力或密度越小，其雾沫夹带量e、，越大。关键词：折流式旋转床，持液量，气相压降，液泛，雾沫夹带 万方数据浙江工业大学硕士学位论文STUDIES0NHYDRoDYNAMICCHARACTERISTICSOFRoTATINGZIGZAGBEDABSTRACTAsanewandefficientgas—liquidcontactor,RotatingPackedBedcangreatlyincreasethegas-liquidspecificinterracialareaandintensifytheprocessofmasstransferusingcentrifugalfieldtoreplacethegravitationalfield．Rotatingzigzagbed(RZB)isanewtypeofcontactorwhichhasbeenappliedintheindustrializationofdistillationprocesswithdozensofsystem．TherotorofRZBconsistsofstationarydiscsandrotatingdiscs．HydrodynamicsofRZB，includingtheliquidhold—up，entrainment，pressuredropandfloodinghavebeeninvestigatedexperimentallyusingair-waterinthispaper．InfluencesoftheliquidsuperficialvelocityuL，thegassuperficialvelocityUGandthesupergravityfactor0ontheliquidhold—up，entrainment，pressuredropandfloodingofRZBwereinvestigated．Andamathematicalmodelofliquidhold-upwasproposedoriginally．EffectsofsurfacetensionandliquiddensityonentrainmentofRZBwerealsoinvestigatedusingvolumefraction3％，6％ofethanolsolutionandmassfraction20％，30％ofpotassiumcarbonatesolution．Theexperimentalresultsshowthat：(1)Theliquidhold—upofRZBincreaseswithincreasedliquidIII 万方数据浙江工业大学硕士学位论文superficialvelocityULandgassuperficialvelocityUG，butdecreaseswithincreasedsupergravityfactor，andtheinfluenceoftheUGdecreasessignificantlyatthehighrotorspeed．(2)Firstlythepressuredropincreasedslowly,andthenincreasedrapidly,whentheUGincreased．Thefloodingpointappearedafterthepressuredropcurveinflectionpoint．(3)FirstlythepressuredropofRZBincreasedslowly,andthenincreasedrapidly,whentheliquidsuperficialvelocityULincreased．Afterthefloodingpointappearedthepressuredropraisedgently．Inparticular,thepressuredropincreasedlinearlywiththeincreasedULwhenthegassuperficialvelocityUGwas1．23m／s．(4)ThepressuredropofRZBincreasedfirstly,andthendecreasedrapidlyafterthefloodingappeared，whenthesupergravityfactorjBincreased．Whenthesupergravityfactorwasabove120thepressuredropraisedmodestly．(5)TheentrainmentincreasedwhenthegassuperficialvelocityUGandtheliquidsuperficialvelocityULincreased．AndfirstlytheentrainmentofRZBdecreasedrapidly,andthenincreasedslowly,whenthesupergravityfactorincreased．(6)ThesurfacetensionandliquiddensitycanintensifytheentrainmentofRZB．KeyWords：rotatingzigzagbed，liquidhold—up，pressuredrop，IV 万方数据浙江工业大学硕士学位论文flooding，entrainmentV 万方数据浙江工业大学硕士学位论文符号说明珥6，cd一式(18)的系数爿一持液量模型中式(6)系数B一持液量模型中式(12)系数ae一气液两相传质比表面积，m2／m3C"G一气相液泛能力因子，m／s而一动圈开孔区小孔孔径，mev～雾沫夹带率，kg／kgF一气相动能因子，k90．5Ⅱro～·s‘1g一重力加速度，m／s2Jlzo。一静圈下沿高度，m△磊2一静圈上液滴降膜运动高度，mAh4一动圈上液滴升膜运动高度，m^一转子轴向高度，mKLa。一液相体积传质系数，sJ凰一液相传质系数，m／sn一转速，r／minⅣ一功率，w△P一压降，PaAPe一旋转床离心压降，PaAPe一干床压降，Pa竹旋转床摩擦压降，Pa△R一旋转床环形截面收缩引起的压降，Pa蛾一湿床压降，PaQG一气体体积流量，m3／hQ一液体体积流量，L／h№～旋转床液体进口管半径，mrca。。一旋转床壳体半径，m‰一转子内半径，m^，一液体流动i区动圈半径，m凡．f一液体流动i区静圈半径，m△d一动、静折流圈环隙间距平均值，m尺％一气体雷诺数，(Ad·UG‘06)／肋尺既一液体雷诺数，(do‘UL‘pt)／／ILRe。一旋转雷诺数，(co·Fm2·po)／鼬f一动圈开孔区孔间距，m巩4一液体流动f区动圈壁液膜流动速度，m／s“G一气体表观速度，m／s比一液体表观速度，m／s％一液泛气速，m／s耽一液泛液速，m／sⅥ一液体流动f区离开动圈的液滴切向速度，m／s魄i一液体流动i区液滴沿静圈切线方向的切向速度，m／s 万方数据浙江工业大学硕士学位论文希腊字母口一离开动圈的液滴速度与静圈切线方向的夹角，。口一超重力因子s一不通空气时转子持液量，％s’一通空气时转子持液量，％P6--气体粘度，kg／(m·S)肌一液体粘度，kg／(m·S)册一气体密度，kg／m3VIIPL一液体密度，kg／m3r一不通空气时液体在转子的停留时间，sr7一通空气时液体在转子内停留时间，Sri,l，ri,2，vi,3，l"i,4--在液体流动f区液体依次经历的四个停留时间，s6一动圈壁上的液膜厚度，m国一角速度，rad／s 万方数据浙江工业大学硕士学位论文目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．IABSTRACT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．III符号说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯VI目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．VIII第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．2超重力旋转床简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21．2．1超重力旋转床的基本原理与特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．2．2超重力旋转床的类型与结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31．3旋转床的研究进展及应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．71．3．1国外超重力技术研究及应用进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．81．3．2国内超重力技术的研究及应用进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．91．4超重力旋转床基础理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1l1．4．1超重力旋转床的流体力学性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯111．4．2超重力旋转床传质性能理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯161．4_3旋转床功耗研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．181．5本论文选题背景、目的及研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．201．5．1本论文选题背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一201．5．2本论文研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一201．53本论文的研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．21第二章折流式旋转床持液量的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一222．1实验部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯222．1．1实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．222．1．2实验中旋转床及转子的结构尺寸⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯222．1．3实验仪器及设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．222．1．4实验流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．232．1．5实验操作步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一24VIII 万方数据浙江工业大学硕士学位论文2．2结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯242．2．1持液量数学模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一242．2．2模型参数拟合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一282．2．3持液量影响因素讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一292．2．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．30第三章折流式旋转床压降及液泛性能的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯313．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯313．2实验部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯313．2。l实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。313．2．2主要实验仪器与设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一313．2．3实验流程及说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一313．2．4实验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．323．2．5数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．333．3结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯333．3．1气体表观速度对折流式旋转床压降及液泛的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯343．3．2液体表观速度对折流式旋转床压降及液泛的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯353．3．3超重力因子对折流式旋转床压降及液泛的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯363．3．4折流式旋转床液泛操作曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．383．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39第四章折流式旋转床雾沫夹带的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．404．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．404，2实验部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4l4．2．1实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4l4．2．2实验仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．414，2．3实验流程及说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．424．2．4实验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．424．2．5实验操作步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．434．2．6数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．434．3实验结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯43IX 万方数据浙江工业大学硕士学位论文4．3．1操作参数对折流式旋转床雾沫夹带的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯434．3．2液体物性对折流式旋转床雾沫夹带的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯464．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯47第五章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．485．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯485．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯49参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯50致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．55攻读学位期间的科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．56X 万方数据浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论1．1引言化学工业作为国民经济的支撑产业给社会经济发展和国防工业提供重要基础材料的同时也造成了严重的环境污染和能源消耗。现代过程工业的迅猛发展，使得人们在享受日益丰富的产品同时，也越来越关注可持续的绿色经济发展。在此背景下，人们提出了过程强化(ProcessIntensification)这一概念，力图通过技术及工艺流程的改进，使设备小型化、高效化，降低工厂的设备和能耗费用，减少三废排放【11。过程强化包括过程设备的强化和过程技术的强化21。设备强化方面如超重力旋转床、多功能反应器、微反应器、膜反应器等。技术强化方面有膜技术、耦合技术、脉动燃烧干燥技术、连续床色谱技术、整体催化技术和信息技术【31。早期化工生产中的过程强化往往局限于通过对已有的设备进行改良来提升有限的效率。近年来，化工塔器中板式塔和填料塔的塔内件结构上创新迭出，使得设备的效率提高，能耗降低，经济效益显著。但是，从长远来看，化工塔内件性能改进和提升的潜力已经有限【41。因此，研究人员致力于开发一批具有革命性的新型化工过程强化技术。超重力技术正是其中一项具有广阔前景的新型过程强化技术。超重力工程技术的开发研究始于20世纪70年代末，由英国ICI公司的Ramshaw教授等首先提出‘51。该技术以旋转设备产生的稳定、可控的离心力场代替传统化工设备工作的地球重力场，使得化工过程中物质(气一液、液一液、液一固两相)受到数百倍乃至千倍于地球重力的离心力。液体在如此巨大的剪切力作用下，被撕裂产生的液膜、液丝或液滴能够达到微米甚至纳米级别，从而形成高速更新的相界面，提高相间传质速率1～3个数量级。以超重力工程技术原理设计的新型气液接触设各叫做超重力机或者超重力旋转填充床(RotatingPackedBed，RPB)。超重力环境下高传质、强混合的特性，使得几米高的超重力旋转床可以取代几十米高的传统化工塔器。这极大的缩小了化工设备和化工厂尺寸，减少了工厂占地面积，提高设备效率，降低了能耗，具有极大的环境和经济效益潜力。因此，超重力工程技术被认为是一项具有突破性的过程强化技术，超重力旋转床也被誉为21世纪“化学工业的晶体管”【61。自第一台超重力机问世以来，各国研究人员陆续开发出多种结构的超重力装1 万方数据浙江工业大学硕士学位论文置。以超重力机转子的结构来分，主要有填料式、多级雾化式、螺旋板式和填料环式等，其产业化应用多集中在吸收、解吸、结晶、除尘等领域，但未能在过程工程中最广泛的精馏过程中实现产业化【‘门。浙江工业大学开发出一种新型转子结构的旋转床一折流式旋转床(RotatingZigzagBed)t8。10】，实现了数十种物系的精馏过程产业化。折流式旋转床转子由动盘上的动圈和静盘上的静圈相互嵌套组成，动静结合的转子实现了单台旋转床的连续精馏，同时可以方便的串联多个转子提高单台设备的处理量[11]。1．2超重力旋转床简介1．2．1超重力旋转床的基本原理与特点1976年，英国ICI公司ColinRamshow教授的新学科组承接了美国宇航局(NASA)的微重力实验项目，做了微重力环境下化工分离单元操作的研究。结果发现微重力场下，液体表面张力使液体几乎得不到分散，传质效率大幅降低。与此相反，超重力环境下液体被巨大剪切力撕裂成液膜、液滴和液丝，形成巨大的相间接触面积，极大提高了传质速率，强化了传质过程。由此，ICI对这方面进行了深入研究，陆续发表了一些专利[12-15】，这些专利正是后来被称为HIGEE的专利。如图卜1所示，超重力旋转床的基本结构包括壳体(外壳)、转轴、转子、液体分布器、密封装置、电机等。其中转子是核心部件，固定并带动填料旋转，形成超重力场。工作时在压力作用下，气相切向进入旋转床外腔，由转子外缘进入填料，最后从气体出El管引出。液体自液体进口管导入转子内腔，被液体分布器均匀分散并喷淋到转子内缘，从而进入转子。进入转子的液体在极短时间内自填料处获得加速度向转子外缘运动。过程中，被填料分散、撕裂而形成巨大且急速更新界面的液体与气体高速逆向接触，而后被甩出转子，由壳体汇集经液体出口管流出，完成整个传质或反应过程。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文H图1．1旋转填料床结构示意图g由于超重力旋转床的特殊结构和原理，相较于传统塔器设备有以下优点【l6]：1、强化传递效果显著，在相同操作条件和物系下，旋转床传质系数比传统塔器设备提高l～3个数量级，大幅减小设备体积，减少设备和操作成本。2、旋转床的离心力场产生巨大剪切力，适用于高粘度物料处理。3、持液量小、机内残留少，适用于昂贵物料、有毒物料及易燃易爆物料处理。4、物料停留时间短，易于处理某些特殊的快速混合及反应过程。5、机体结构紧凑、体积小，空间利用率高，成本低，便于安装维修。6、转子内填料具有自清洗作用，不易结垢、堵塞。7、床体安装方向没有限制，对于装载平台适应性极强，可以用于离岸工作场所，如海上油田注水脱氧等。1．2．2超重力旋转床的类型与结构旋转床显著的过程强化和高度微观混合特性，不仅可以应用在传质分离过程中，也可以用于多相反应过程。根据分离物系的要求和物料处理量的不同，分为单层填料和多层填料。根据不同的气液接触方式主要分为逆流、错流、折流式旋转床：液一液接触过程强化装置主要有撞击流旋转填料床‘"】。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文下面是几种不同结构的超重力旋转床：(1)逆流型旋转填料床结构填料式转子是最早出现的一种旋转床转子结构，转子中填料为多孔介质材料，如金属丝网、泡沫金属或陶瓷等。逆流型旋转床转子结构如图1．2所示[18-19】。气相由气体进口切向进入壳体，沿径向自填料外缘进入内腔，从气体出口管排出。液体由位于壳体中间的液体入口管进入转子内腔，通过液体分布器均匀喷洒在liquidlgasj{gas；湖。亓=|5黼布均与不易返混，与多孔介质填料相比有效降低气相阻力。但液体相对于同心环呈直线型流动，易产生沟流，不易雾化，不利于气液接触，不利于传质。螺旋板式旋转床转子㈤如图l一4所示，由转盘和安装在转盘上的螺旋型叶片组成，这样使得液体在转子里的流通距离增加，液膜厚度有效降低，传质效率得到提高。同时此种结构不易结垢、堵塞，在纳米材料制备领域具有很大优势和潜力。4gas}}gasShaft＼n]K。图1-3碟片式转子结构图1．4螺旋板式转子结构 万方数据浙江工业大学硕士学位论文(2)错流型旋转填料床结构错流式旋转填料床和逆流型旋转床相比传质效率较低，但前者气相流阻更低、设备压降更小、适用于大流量气液传质过程。主要原因是：错流式旋转床的气相沿轴向运动，气相通道横截面积均匀，气体流速恒定，形体阻力小；沿轴向运动，气相不需要克服强大的离心阻力，因此，设备压降较小。研究人员目前已经开发了多种类型的错流式旋转填料床，主要有卧式错流结构、两级轴向错流结构和多级雾化结构。如图l一5为卧式错流旋转填料床结构[23】，由北京化工大学开发研制。液体由空心轴进入，在喷淋段沿径向喷出与轴向流动的气体错流接触后被甩到外腔，最后由液体出口排出。气体由气体进口进入，在叶轮增压后进入转子填料层与液体错流接触，而后轴向通过除雾段，最后由气体出口离开旋转床。图1．5卧式错流旋转填料床结构图两级轴向错流旋转填料床的结构如图1-6所示【241，由中北大学研发。其特点在于填料设计成上下两层，转子固定于与轴相连的中隔套上。1．电机：2_夕}壳；3．转子；4．中隔套；5．液体进口；6．液体出口：7．气体进口；8．气体出口。图1-6两级轴向错流式旋转填料床结构图气体自气体进口进入，沿轴向自下而上通过上下两层填料，后由气体出口离开。液体从液体进口进入转子中心，经过液体分布器进入转子内缘，在离心力作用下沿径向甩出，与轴向穿过填料层的气体错流接触，最后由壳体收集从液体出口排出。该型旋转床设计有四个进料管，可通过使用不同的进料管控制最大进料量和进料位置，同时，当仅仅使用下层进液管时，上层填料可以起到除沫的作用。多级雾化旋转填料床转子如图1．7所示【251，由华南理工大学研制。气体由进气口进入旋转床并在喷雾区形成均匀向上的轴流气流，液体从旋转床进液管进 万方数据浙江工业大学硕士学位论文入，经液体分布器均匀喷洒在第一级同心圆环填料层上，在巨大的离心力作用下雾化分散；经历第一级雾化后的液滴继续洒到第二级同心圆环填料层上，再次经历离心雾化。这样液体经高速旋转的填料多次雾化成细小的液滴，与喷雾区均匀向上的轴流气流充分接触，完成气液两相的传质传热过程。该型旋转床转子具有气相阻力小，传质传热效果好的优点，但也易发生雾沫夹带现象。liquidloasf1gasI刊hIl|||圈：圉I霎|：【J=I||I圈：目||||Iiquid图卜7多级雾化式转子结构示意图(3)折流式旋转床结构折流式旋转床转子结构如图1-9所示【261，由静盘、动盘相互嵌套组成，静盘与旋转床壳体相连，上面同心固定有一系列无孔静折流圈；动盘与电机转轴相连并由电机带动旋转，上面同心安装有不同直径的多孔动折流圈。动静结合的方式形成了“S”型折流式通道供气液流通。气体在压力作用下由转子外缘切向进入旋转床外腔，随后由转子外缘进入转子，在各圈内螺旋式上升、下降到达最内圈后从转子中心离开；液体由转子中心进液管进入转子内缘，沿动折流圈向上爬升，到达动折流圈开孔区后，在离心力作用下被高速甩出，撞击到静圈上，产生连续高度雾化，从而极大提高传质效率。折流式转子动静结合的特点实现了单台旋转床的连续进料，同时结构简单，易于拆装清洗，传质效率高。折流式旋转床还可以在单台设备内方便的串联多个转子，来满足不同物料品质及处理量的要求。如图1．10所示，为三层折流式旋转床结构‘271，其转子设计也是采用动静结合的方式。三层转子的静盘都能安装进料管，可以满足不同要求的中间进料，同时串联多层转子也极大提高了单台旋转床的传质效率，大大加速了其工业化应用的推广。6 万方数据浙江工业大学硕士学位论文Iiquidgasliquid|图1．9折流式转子结构示意图liquidgas图1．10三层折流式旋转床结构示意图1．动盘；2-动圈：3．气体进口：4．1，2，3．中间进料13；5．静盘：6-静圈：7．气体出口；8．液体分布器：9．回流液进口；10．壳体：1】．液体出口i12．转轴(4)撞击流一旋转填料床(IS．RPB)装置㈣如图1．1l所示，旋转床填料空腔内设置有撞击流装置，形成射流的两个喷嘴被一个狭缝隔离，且两个喷嘴同轴设置。两股流体自进口l、2分别进入后，由喷嘴喷出形成射流，并发生碰撞，形成一垂直于射流方向的圆(扇)形薄膜(雾)面，实现一定程度的混合，混合较弱的雾面边．．缘进入旋转床填料内腔，流体沿填料空隙向外缘流动，过程中液体被多次切割、凝聚和分散，从而进一步混合。最终，液体在离心力作用下被甩出转子，经壳体收集‘}r、I从液体出13排出。撞击流．旋转填料床将“”。图1．11撞击流．旋转填料床结构示意图超重力技术研究领域从强化气液相间传递拓展到液液相间传递过程强化，开辟了强化液液接触的新方法，使得超重力技术研究内容得到丰富。1．3旋转床的研究进展及应用超重力技术作为一项崭新的过程强化技术，具有独特的优点和广阔的工业应用前景。自20世纪70年代末诞生以来，国内外众多研究机构、公司和学者对其 万方数据浙江工业大学硕士学位论文进行大量研究。目前，超重力技术己在精馏、吸收、脱气、环保除尘、纳米粉体材料制备和生物氧化等领域取得广泛应用。1．3．1国外超重力技术研究及应用进展国外研究超重力旋转床的机构主要集中在大学和公司，其中处于世界领先地位的有英国Newcastle大学、ICI公司及美国CaseWestemReserve大学、TexasAustin大学、Washington大学、FlourDaniel公司、Glitsch公司、DowChemical公司等。(1)海水脱除氧。英国Newcastle大学的ColinRamshaw教授的科研小组，长期对海水脱除氧进行研究【281，其所用超重力装置的相关参数与传统塔器的对比，如表1．1所示。表1．1海水脱氧中超重力装置与传统塔器的比较(2)地表水脱除有机挥发物。1985年美国Michigan州的海岸警卫队在超重力装置中，用空气对地下水中的苯类有机物脱除‘291。使得污染物含量由500-3000pg／kg降至1．g／kg左右。该套装置成功运转6年，直到被污染的地下水全部处理完成。(3)聚合物中残留单体的脱除。美国CaseWesternReserve大学的郝靖国‘30]利用超重力机对聚苯乙烯中残留单体进行脱除。使得聚合物熔融物中乙苯、苯乙烯等单体的脱除率超过95％。(4)H2S的选择性吸收。1987年，美国FluorDaniel公司通过二乙醇胺对含有H2S和C02的天然气进行选择性吸收H2S【31】。相比于传统的处理方法该套工艺具有较高的经济效益。随后Glitsch公司进行了两项实验，分别是利用二乙醇胺对不含H2S的气体进行C02的脱除和利用三甘醇进行天然气干燥，并取得成功。(5)英国ICI公司最早提出了HIGEE的概念，利用旋转填料床对表卜2中列R 万方数据浙江工业大学硕士学位论文出的体系进行了实验研究，并成功地进行了工业应用[321。表1．2ICI公司旋转填料床实验研究1．3．2国内超重力技术的研究及应用进展超重力技术在我国起步相对较晚，但发展迅猛。1984年，全国第二届高校化学工程会议上汪家鼎院士作了关于超重力技术及其应用前景的报告，国内一些高校和研究机构开始关注这一领域。1988年北京化工大学郑冲教授联合美国CaseWesternReserve大学，进行旋转填料床的研究应用，此后，国内十几所高校陆续进行该领域的研究。经过近三十年的发展，国内超重力技术的相关应用已经处于世界先进水平。目前国内超重力技术的工业化应用主要集中在精馏、纳米粉体材料的制备、脱硫除尘、工艺用水脱氧(油田注水、锅炉水)、氨氮废水处理、生物氧化反应、萃取等领域。下面是国内几个主要研究机构的研究及工业化应用情况16,16]。北京化工大学作为国内第一个研究超重力技术的高校，其所在的教育部超重力过程研究中心，对超重力技术的多个领域进行了研究，如表1—3所列。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文1纳米级莩篙材料制产品粒度可控，粒径分建成多条纳米级布窄，粒度及均匀程度CaC03、BaC03均优于国外产品生产线。2SO：,一r34j⋯娜。：琴然薹5嚣尘物的洗涤㈣油田注水脱氧‘361含饱和氧的地表水生物氧化反应‘351空气／酵母菌分级效率达99％切割粒径为O．3加1使地表水含氧量降至该项技术已实现50／29／kg，投资节省23％工业化菌体的生产周期缩短一半，空气消耗减少2／3中北大学的超重力化工工程技术研究中心(山西省)在工程化应用领域作了大量工作，如表1-4所列。浙江工业大学主要致力于超重力技术精馏领域的研究以及工业化应用推广，其开发的折流式旋转床‘8，91是一种新型超重力旋转床。该旋转床转子独特的动静结合设计结构，一举解决了单台旋转填料床不能连续精馏的难题。同时，单台设10 万方数据浙江工业大学硕士学位论文备串联多层转子，显著提高分离能力，以上突出的优点使得折流式旋转床精馏过程的产业化得以实现。经过十多年的完善和推广，目前折流式旋转床已经成功实现甲醇／水、乙醇／水、丙酮／水、DMSO／水、甲醇／甲苯／水等[7,110数十种物系的工业化生产，累计销售400多套，分布于江苏、浙江、湖北及山东等。表1．5列举了其部分工业化应用实例【391。表1．5折流式旋转床精馏过程部分工业化实例1．4超重力旋转床基础理论研究从目前文献来看，超重力旋转床基础理论研究主要集中在流体力学性能、传质性能及轴功率消耗等方面。旋转床流体力学性能主要包括气相压降性能、液泛、持液量、停留时间分布及旋转床内液体流动形态、液膜厚度和液体直径等。传质性能主要包括吸收过程的传质系数和精馏过程的等板高度。轴功率消耗占旋转床的总能耗主要部分，该参数对于旋转床设计和经济效益分析具有重大意义。1．4．1超重力旋转床的流体力学性能1．4．1．1气相压降设备的气相压降是设备性能评判及设备工程设计的一项重要指标。旋转床的ll 万方数据浙江工业大学硕士学位论文压降主要由机体外腔(转子外缘与壳体间部分)、转子、转子内腔(转子内缘到气体出口)三部分组成，后两者为压降主要部分。由于旋转床床层内流体流动复杂，目前还未形成通用的压降计算公式，就文献报道来看多是经验关联式。KeyvanyM和GardnerNC[40】对内置金属铝泡沫填料(床层孔隙率92％)的旋转床压降进行研究。实验转速为500r／min～2000r／min(相当于超重力因子60～1000)。结果表明：①在气液量一定时，干床压降和湿床压降与转子角速度∞的平方成正比：②液量一定时，气相压降随气体流量的增加而增大；③一定气液流量范围内干床压降远大于湿床压降，这一点区别于传统塔设备。Kumar[411等应用理论模型对丝网填料旋转床气相压降进行试验，将气体通过床层总压降分为三个部分，AP=必+啦+必(1·1)式中：△P。为气体克服离心力产生的压降，△Pf为气体克服摩擦阻力和形体阻力产生的压降，△Pk为转化为气体动能而导致的压降。实验表明，APk可以忽略不计，在相同超重力因子和气体流量下模型的计算值与实验值误差为±20％。李振虎、郭引421等利用空气．水介质对逆流型旋转填料床的气相压降进行分段模型化实验研究，将气体经过旋转床的压降(从气体进口到气体出口)分成五个部分：①气体进入旋转床时克服进口阻力造成的压降；②气体流经外腔的压降；③气体流经填料层时的压降；④气体流经内腔时的压降；⑤气体流经出口时克服局部阻力引起的压降。实验结果显示，旋转床湿床压降比干床压降小；气量增大导致进口压降增大：内腔压降随液体的加入突然减小，后又趋于稳定；气量增大出口压降增大，转速增加出口压降减小，而液体的加入也会导致出口压降突然增大：气量与转速增大使填料层压降增大，当液体加入时，填料层压降先减小，后增加。焦纬洲、刘有智[431等以空气．水为介质，对两种板间距多孔波纹板错流旋转床压降进行研究。结果表明，多孔错流旋转床气相压降随填料板数、气量、超重力因子的增大而增大，与液量基本无关；在相近的操作条件下该床压降不足逆流床的1／10。并对实验数据拟合，得到该旋转床干湿床压降经验关联式，即△另=0．155875#n5201G0。9054(1．2)12 万方数据浙江工业大学硕士学位论文△只=0．11954f105048Go一44290m316(1—3)王广全[27,39】等研究了折流式旋转床(RZB)气相压降，认为折流式旋转床的压降主要由离心压降、粘性压降、气液相互作用产生的压降三部分组成。实验结果表明，离心压降正比于转速平方，粘性压降正比于气速平方，气液相互作用引起的压降与液量大小有关，并通过对实验数据拟合得到压降关联式：AP=6．0xlO～刀2+7．4xlO_6磋一5．3x10-3鹾66(1—4)郭成峰等【删以空气．水为介质研究了气相动能因子，和转子转速对新型折流式旋转床压降的影响。新型折流式转子结构取消了静盘上的静折流圈，取而代之的是若干同心凹槽，动折流圈则分成气孔区、液孔区和无孔区三部分，依次嵌套于静盘上与之对应的凹槽内。实验结果显示：新型折流式旋转床压降随转速增大而增大；随F因子的增大几乎呈线性增大，当F因子较大时，新型折流式旋转床的压降比折流式旋转床压降约低70％，这是因为新型转子结构减少了气液在转子内的折流次数，降低了气相通过转子的阻力。1．4．1．2液泛性能超重力旋转床内气液接触的过程中，由于液相流体受到远大于地球重力的离心力作用，其流速要远远大于传统塔设备中液体流速。因此，超重力装置内气体速度能以较高的速度操作，气液接触较塔设备也不易发生液泛【451。但在操作不当或超出正常操作范围时会发生气体大量夹带液体现象，严重时也会出现液泛，从而影响整个气液接触过程。气液在超重力装置中接触可分为逆流接触和错流接触，由于不同的气液接触方式，发生液泛的情况也有所不同。Munjal[46,47]等在逆流式旋转床中进行了液泛实验，研究认为出现液泛的标志是：转子中心出现雾状液滴，气体夹带大量液体自气体出口喷出，气相压降急剧增加。此外，研究还指出，Sherwood关联式对旋转床液泛点估算较为保守，对液泛点低估40％～70％。朱慧铭‘4翻研究了旋转床逆流操作下的液泛情况，研究表明，当压降有较大幅度波动及出现脉冲夹带时，可看作超重力装置液泛发生，液泛线要比填料塔中的整砌拉西环的液泛线高40％左右。王玉纠491也对旋转床的液泛进行了研究，研究认为，液泛最先出现在填料内11 万方数据浙江工业大学硕士学位论文缘，这是由于旋转床转子内缘流通面积小，气体速度高。液泛气速受转速的影响较为明显。转速一定，液泛气速随液量的增加而减小；气量一定，液泛时转速越高液体的处液量越大；液量一定，液泛气速随转速线性增大。陈海辉‘501以空气．水为体系，研究了气液两相在同心圆环碟片填料床中逆流运动时的液泛现象，定性研究了气体流量、液体流量和转子转速对逆流旋转填料床液泛的影响。实验表明：逆流型旋转床的操作范围会随气量、液量和转速的增加而缩小；液泛以气体夹带液滴的形式发生于填料床内径的区域；气相压降、液相夹带量从正常操作到液泛发生连续增加。郭奋‘511等对错流型超重力旋转床流体力学性能进行了研究，发现错流式旋转床不存在液泛问题，只有雾沫夹带问题，能够在很高的气速下操作。而雾沫夹带可以通过在气体出口安装除沫装置来解决。谢爱彭52，531以空气．水为物系，对折流式旋转床的液泛进行了研究，旋转床转子直径为288mm，高55ram。实验结果表明，液泛气速随转子转速和液体的增加而减小，折流式旋转床更容易发生液泛，并根据Wallis的气液两相逆流液泛关联式，建立了适合折流式旋转床的液泛关联式。通过对实验数据的拟合分别得到单排孔结构和多排孔结构液泛关联式，即单排孔结构RZB液泛关联式：厂、2争l而一jm5)多排孔结构RZB液泛关联式：，，、2铲l而薪j㈨6)14 万方数据浙江工业大学硕士学位论文1．4．I．3停留时问及持液量性能研究了解旋转床转子内液体的停留时间，对于传质与反应过程的深刻揭示具有重要意义。美国CaseWesternReserve大学的Kenvany和NelsonGradner[401脉冲示踪法对超重力机内液体停留时间分布进行研究。在液体进口处和转子外腔中分别安装电导探头，测得停留时间分布。但这种方法测量下的停留时间包含了液体在进出口管路中的停留与返混时间，并非填料内的停留时间分布。旋转床持液量为单位体积转子中液体体积所占的分率。超重力旋转填料床的压降、传质效率及液泛气速等受持液量影响很大，且旋转床填料的形状及空隙率、实验操作条件等对持液量均有影响【16]。Basic掣541在旋转床绝缘填料层中内置电极，利用电极测量出填料内液体的电导率变化，从而间接研究旋转床持液量，并建立了持液量理论模型。Bums等‘551将电极环检测器安装在旋转床填料内缘和外缘，对转子不同半径处持液量进行研究，建立了滴流和孔流的持液量理论模型，得到了持液量关联式。郭锴【561同样利用固定于旋转床丝网填料上的电导探头，得到转子内液体的平均停留时间，进而计算得到转子持液量，实验获得液量1．眦．5m3／h，转速800～1200r／min的条件下，丝网旋转填料床的不通气持液量为1．14％～2．78％。周莉骅等[57】基于溶液的电导性，建立了闭合回路，利用数据采集系统得到了错流旋转填料床的持液量电阻．时间曲线，并通过与电阻．液量标准曲线对照得到对应的持液量。综上所述，目前公布的超重力旋转填充床的持液量文献中，研究者大多先测量旋转床填料中液体电导率的变化，再通过数字处理得到液体停留时间分布，从而间接对持液量进行研究。由于此法要求测量仪器精度很高，同时实验中传递与采集电导信号的过程很容易受到干扰，这在一定程度上影响到实验结果的准确度。1．4．1．4液体流动形态超重力场中液体流动状况十分复杂，而对液体在超重力旋转床中流动状态的了解是建立超重力环境下传递和混合理论的物理基础。目前国内外研究者对于超重力旋转填料床中液体流动过程和流动状态多利用摄像机或高速频闪照相技术来直接观察，并由此建立液体流动模型。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文Burns和Ramshaw掣581通过35ram频闪观测照相机对液体在PVC填料的超重力旋转床中流动状态进行了观察研究。研究认为，旋转床填料层中的液体流动状态有孔流(PoreFlow)、滴流(DropletFlow)、膜流(FilmFlow)3种形态，如图1—12所示。进一步分析认为：在低转速条件下(300r／min--600r／min)，填料层中液体主要以孔流形式存在，此时液体分布效果较差；在高转速条件下(600r／min--900r／min)，液体通过填料层的流动形态主要为液滴，不能确定有液膜流动形态；当转速增加时，填料表面的润湿度增加，明显存在孔流形态向液滴流形态转变的现象。圃圈la}≠L汽I砩昶礴流动Ic"瑕流动图1-12液体在填料层中流动形态llllllIR黼；o液体郭锴【561将电视摄像机直接固定在旋转床填料中，对流体进行观察，实验结果表明，低转速下(300-600r／min，15-609)液体以液膜形式覆盖于填料表面和填料空隙中。高转速下(>800～1000r／min，>lOOg)由于液体在填料中的运动速度加快、湍动加剧，因此观察不到液膜存在。研究还发现，液体进入填料时并非一起获得与填料相同的加速度，而是一部分立即被填料加速至相同速度，另一部分先保持原速度一段时间后才被填料完全捕获，即获得填料相同速度。原因是在填料床某些区域液体受到剪切力作用发生巨大的变形，从而使得传递过程并不完全一致，即存在一个端效应。1．4．2超重力旋转床传质性能理论研究早起研究者主要是采用吸收或解吸的方法来测定旋转床内相应物系的传质系数。Kumar和Rao[41】在旋转床中对C02．H20物系的体积传质系数进行研究，因为当时对旋转床中液体液膜厚度和液滴直径研究较少，所以只能将虬和口一起处理，求出床层的平均液相体积传质系数KLa。Ramshaw[59]以水吸收氨水测定了逆流旋转床填料层的平均气膜传质系数，用比表面积为1650的不锈钢丝网填16 万方数据浙江工业大学硕士学位论文料在超重力因子7609下得到气膜传质系数为10．8×10一s／m。TrevourKelleher、JamesR．Fair[60]采用环己烷．正庚烷物系，在转子内径、外径、轴向高度分别为175、600、150mm的旋转床中进行了全回流精馏实验，得出径向厚度210mm的填料层的理论塔板高度约为3～9cm，并建立了传质理论模型。J．V．S．Nascimento[611等人以正己烷．正庚烷为物系在常压全回流条件下的精馏实验研究了旋转床的传质性能，引用TrevourKelleher的传质模型得出了旋转床在该实验条件下的气相传质单元面积和气相总体积传质系数。气相总体积传质系数随回流量和转速的增大而增大，其最大值是传统塔器的15．1倍。LinChia．Chang[621采用甲醇．乙醇为物系，在常压全回流条件下，对一转子内径、外径、轴向高度分别为61、147、86mm的不锈钢金属丝网旋转床进行了精馏实验研究。得出其理论塔板高度与超重力因子的0．23--47．26次方成正比，径向厚度86mm的填料层的理论塔板高度约为3-9cm。李振虎、郭锴等【631以S02．水体系对逆流式旋转填料床的径向传质强度分布进行研究，旋转床转子内半径70mm，外半径200mm，考察了气体流量、液体流量、转子转速及气相中S02含量对旋转床填料层径向传质强度分布的影响。实验结果表明，填料层内径向(填料层内缘除外)的体积传质系数KLa随气相中SOz含量的增加变化不明显，随气体流量、液体流量和转速的增加而增大：填料层内径向的KLa随半径的增大呈非线性变化，在半径70mm-90mm段内随半径的增大而逐渐减小，当半径大于90mm后又随半径的增大而逐渐增大：旋转床填料层内缘处存在一个液相端效应区，即内端效应区，在填料层外缘存在一个气相端效应区，即外端效应区。栗继宏、栗秀萍、刘有智[叫以乙醇．水溶液为介质，考察了旋转填料床精馏性能，实验结果表明，低转速区旋转填料床的理论塔板数随气相动能因子F和超重力因子p的增加而增加，传质单元高度为1．09～1．76cm；建立了旋转填料床传质模型，并对实验数据进行非线性回归，得到旋转床理论板数的关联式，即N=10006987／，o10,6旷／△P0。5)n3330(1-7)浙江工业大学计建炳㈣、徐之超‘¨】、俞云副661等人研制出的多层折流式旋转床设备能够串联多个转子的特点使单台旋转床的中间进料、连续精馏变为现 万方数据浙江工业大学硕士学位论文实。以乙醇．水为体系进行连续精馏实验，结果显示，折流式旋转床具有良好的操作弹性。鲍铁虎f671、徐欧官闻等，在常压全回流操作条件下分别以乙醇．水、甲醇．水为物系进行了精馏试验表明，在实验范围内，转子内径、外径、高度分别为100IllIll、520mm、78mm的折流式旋转床的理论塔板数最高可达5．33块，相当于每米25．38块理论塔板的分离效果。郭成峰[44]等采用乙醇．水体系研究了新型折流式旋转床的传质性能，以及气相动能F因子、转速对新型折流式旋转床传质性能的影响。实验结果表明，新型折流式旋转床的每米理论板数随转速的增加而增大，随F因子的增大先增大后略有减小；新型折流式旋转床与折流式旋转床相比，每米理论板数降低约40％，这是因为新型折流式旋转床采用气液错流方式，缩短了液相停留时间，跟折流式旋转床相比，气液接触不充分。姚文【69]等利用乙醇一水体系对常压、全回流操作条件下网板填料复合旋转床的传质性能进行研究，实验选取了同心环网板、同心环网板间周向、轴向和径向填充鲍尔环四中转子。实验结果显示，网板填料复合旋转床的HETP随气相动能因子和转速的增加会出现最小值，在转速800r／min，气相动能因子为1．3kgo5mm’5S‘1时，HETP为28mrll。鲍尔环的填充对气液传质过程有促进作用，其中无填充、径向填充、轴向填充及周向填充的气相总体积传质系数依次增大。1．4．3旋转床功耗研究作为一种新型高效的气液接触设备，超重力旋转床的功率消耗是其设计、选型及工业推广的一项重要指标。超重力旋转床的主要功率消耗体现在其轴功率的消耗，因此，国内外很多学者对此进行了深入研究。Keyvany和Gardnert401将旋转床的总功率分成4部分：(1)液体加速到与转子同样的速度所需要的功率，(2)气体受到旋转填料层的拖曳的功率的损失，(3)轴承摩擦损耗的功率和(4)液体受到旋转填料层的拖曳的功率的损失。实验得到的旋转床能耗计算式如下，总能耗=at,02+b∞1，5+c∞+d∞3沈浩和施南庚【701从流体在旋转填料层中的分布出发，(1-8)利用Keyvany和Gardner的分析法重新对轴功率进行分类，并提出了旋转床总功率的计算公式，18 万方数据浙江工业大学硕士学位论文HIJN__--NI．M斗飓州％(1-9)式中，M为液体被转子加速至工作转速时所需功率；Ⅳ2为气体通过旋转床填料层时动能和压头变化引起的功率变化；Ⅳ3为液体运动损失掉的功率：Ⅳ4为转子的轴承密封摩擦损失的功率。潘朝群、张燕青‘711等通过理论分析建立了多级雾化超重力旋转床能耗数学模型，将多级雾化旋转床总能耗分为四个部分，并由实验数据归纳得出多级雾化旋转床的总能耗计算式，即e,ot_=(口o+口1n+bvLn+c1吃芬儿2)／17(1—10)式中，(％+aln)／rl为干床时动摩擦功耗；bVLn／17为湿床时摩擦功耗；cvLr02n2／17为液体加速所需功耗、液体雾化的表面能功耗、克服填料与表面空气间摩擦力及液体流经填料床克服摩擦阻力所需的功耗之和。李育敏、计建炳掣721将折流式旋转床转子分成若干膜流区，在此基础上建立液相功耗的理论模型，并将各个膜流区液相功耗之和作为折流式旋转床液相功耗。在动坐标系下利用伯努利方程，并基于离心泵功率的计算公式，得到折流式旋转床膜流区液相功耗计算式，即ⅣLf=PLQL(“；一0．5u?+"。wosina。)(1—11)实验以水为物系，在转子直径为600mm、高度为80mill的折流式旋转床中进行，由三相功率表测得液相功率的实验值。实验结果表明，落到折流式旋转床转子动盘上的液体未及时获得加速度就离开了膜流区，造成了折流式旋转床转子的液相功耗实验值比模型计算值小，实验值为计算值的0．611--O．820倍：由液相功耗理论计算式得到，液相功耗正比于液体流量和液体密度，反比于转子转速的平方。19 万方数据浙江工业大学硕士学位论文1．5本论文选题背景、目的及内容1．5．1本论文选题背景超重力技术作为一项新兴、高效的过程强化技术，已在生物氧化、纳米粉体材料制备、精馏、吸收、解吸及萃取等诸多领域应用，并且具有极其广阔的工业应用前景。超重力旋转床是一种集中体现超重力技术原理的新型、高效的气液接触设备，其工作原理是旋转的转子产生离心力场代替传统塔器工作的地球重力场，而离心力产生的巨大剪切力则将转子中液体撕裂形成很薄的液膜和极细的液丝、液滴，从而增加了气液比表面积和极大的强化气液传质。因此，与传统塔设备相比，超重力旋转床使得传质单元高度降低1~2个数量级，使液泛气速增加数倍，大幅缩小了设备体积。浙江工业大学超重力实验室目前已成功开发了折流式旋转床和喷射式旋转床两种超重力装置，其中，折流式旋转床已在精馏领域取得广泛的工业应用，创造了良好的社会和经济效益【391。折流式旋转床动盘与静盘相互嵌套形成的独特转子结构，使得转子与气相出口间无需安装动密封部件，并且可以于静盘上任意位置方便地进料，实现了连续精馏过程，极大促进了其工业化的应用；折流式旋转床动、静折流圈构成的“s”型气液流通通道适当的延长了气液接触时间，对于传质效率的提高有促进作用；折流式旋转床能够在同一壳体内串联多层转子，使得单台旋转床的理论板数成倍增加，显著提高其分离能力。隋立唐173]对折流式旋转床的气相压降进行了研究，并建立了折流式旋转床干床压降的理论模型；王红军【741对折流式旋转床的气相流场进行了研究，得到计算无因次切向气速的经验关联式。但是目前在折流式旋转床持液量、雾沫夹带等方面还缺少研究。谢爱勇【52,531分别对折流式旋转床单排孔动圈和多排孔动圈两种转子结构进行液泛实验，提出相应液泛关联式，但并未给出相关的操作液泛曲线，因此有必要进一步研究。1．5．2本论文研究目的本论文的研究目的一方面是对折流式旋转床还未涉及的有关转子持液量、雾沫夹带两部分内容进行研究，以期对折流式旋转床的相关水力学性能加深理解和认识；另一方面对折流式旋转床多孔动圈转子结构的气相压降及液泛性能进一步 万方数据浙江工业大学硕士学位论文研究，并绘制出相关液泛操作曲线。1．5．3本论文的研究内容根据上述目的，提出本论文的研究内容如下：1、以空气一水为体系，研究气体表观速度“G、液体表观速度UL和超重力因子∥对折流式旋转床持液量的影响，并建立折流式旋转床持液量模型，通过实验数据拟合得到不通空气和通空气时，折流式旋转床持液量的关联式。2、以空气一水为体系，考察气体表观速度“G、液体表观速度蚍、超重力因子∥等操作参数对折流式旋转床气相压降及液泛性能的影响，通过实验得出不同操作条件下旋转床的液泛操作曲线，从而对折流式超重力旋转床的设计、操作起到一定理论指导。3、以空气一水为体系，研究气体表观速度UG、液体表观速度UL、超重力因子口对折流式旋转床雾沫夹带的影响；以体积分数3％、6％的乙醇水溶液和质量分数20％、30％的碳酸钾水溶液为液相，考察液体表面张力、密度对折流式旋转床雾沫夹带的影响。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文第二章折流式旋转床持液量的研究旋转床持液量定义为液体在单位体积转子中所占的体积分率。持液量对于超重力旋转填料床的压降、液泛气速、传质效率等有重要影响，持液量大小跟旋转床填料的形状、空隙率和操作条件有关【16】。本章对折流式旋转床的持液量进行了研究，针对其独特的折流式通道结构采取直接测量法对其持液量进行测量，减少了实验干扰因素，提高了实验精度，并建立了折流式旋转床的持液量数学模型，为折流式旋转床的设计以及结构优化提供理论依据。2．1实验部分2．1．1实验方法实验以空气一水为体系，对折流式旋转床转子持液量进行研究，实验就固定的旋转床转子结构来考察液体喷淋密度、气相动能因子以及超重力因子等操作参数对折流式旋转床转子持液量的影响规律，实验中采取固定其中两个参数调节另外一个参数变化的方法来进行研究。2．1．2实验中旋转床及转子的结构尺寸旋转床的腔体直径为450lrllTl，高160illm。转子直径为300mm，高51mill。动盘上有9个高度为44mm的动圈，所有动圈上部为开孔区，高度29nlm，底部为不开孔区，高度15m／i1，开孔区孔径为1．61131／1，孔问距2．6l／llrl，开孔率29．7％，开孔面积0．253m2。静盘上有9个高度为38ml／1的静圈。(注：后续实验所用转子结构、尺寸与本章中保持一致，不再赘述。)2．1．3实验仪器及设备本实验所用仪器及设备如表2一l所示 万方数据浙江工业大学硕士学位论文表2-1实验所用仪器及设各序号名称生产厂家型号规格l旋涡气泵无锡中策机电设备有限公司XGB．10A0-1000m3／h2电机上海升佳机电有限公司Y112M．4380V4KW3调频器杭州亚大自动化有限公司DZB70B】8．5KW4手持式数字测速仪深圳市欣宝瑞仪器有限公司DT2234A2．5～99999r／min5转子流量计常州热工仪表厂LZB．1525～250L／h6转子流量计常州热工仪表厂LZB一50O．耷4m3／h7孔板流量计杭州节流仪器仪表厂DNl000-1000m3／h8U型管压差计自制1mmH209液体收集器自制50L250mL、10量筒北京博美玻璃有限公司500II】IL、lL2．1．4实验流程采用空气．水体系进行折流式旋转床持液量的实验研究，实验流程如图2—1所示，水经转子流量计计量后从旋转床的中问进料管进入旋转床，空气由孔板流量计计量后以切向方向进入旋转床腔体。液体流量稳定后，同时关闭液体进口管处和液体出口管处的阀门，待转子内液体全部被甩出并与腔体内液体混合到一起。打开液体出口管处的阀门，收集液体并测量体积。去掉转子，用同样方法测量出旋转床腔体内的液体体积，二者差值为旋转床转子内液体的体积。转子内液体体积与转子及其外缘体积和[丌(，乞一‘。2)^】的比值，即为旋转床持液量。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文图2．1折流式旋转床持液量实验流程图1、漩涡气泵2、孔板流量计3、气体进口4、折流式旋转床5、气体出口6、液体进口7、液体进口球阀8、转子流量计9、液体出口球阀10、液体出口11、电机2．1．5实验操作步骤(1)、开启旋转床电机电源及调频器的电源开关，调节旋转床转子至某一转速，记录该转速数值。(2)、打开进液管出水阀，通过调节转子流量计得到不同液体流量，由量简直接测量不同液量下的旋转床转子及腔体总液量。(3)、调节调频器变换不同转子速度，重复步骤(2)。f4)、固定旋转床转速、和液体流量，开启漩涡气泵，通过气泵出口阀调节不同气体流量，同样测得不同气量下旋转床转子及腔体总液量。(5)、选择另一组转速、液量，重复步骤(4)。(6)、去掉转子，在不通空气情况下，重复步骤(2)，得到对应液体流量下旋转床腔体内的液体体积。2．2结果与讨论2．2．1持液量数学模型的建立折流式旋转床的转子主要由静盘和动盘构成，静盘静止不动，动盘随转轴一块转动，动盘上的动圈与静盘上的静圈嵌套构成折流式通道供气液流动，动圈上半部分是开孔区，布满小孔，动圈下半部分是不开孔区。位于动圈上不开孔区壁面上的液膜由于离心力作用向上流动，到达动圈开孔区后被小孔分散成小液滴甩向静圈。液滴在静圈上汇集形成液膜后在重力作用下向下流动，于静圈下沿被甩至动圈不开孔区壁面上，然后再次沿着动圈壁面向上流动，这样周而往复。折流式旋转床的详细结构和气液流动情况见文献[8-11,39】。如图2-2(a)所示，由内向外数第f个动圈的半径为hf，第f个静圈半径为厂蚶，该动圈和静圈构成了第i个液体流动区域(f)。离开半径为^j的动圈上的液滴切向速度为”(=吼。)，经过时间ri,1后，撞击至半径为^。f的静圈上，则一．1-√名一嘭／(国_一(1)24 万方数据浙江工业大学硕士学位论文澈、倘征里力盯1乍用1-彤厩澈膜开、坩看静豳I司1-还功，此时口J认为是垂直半壁上等厚度液膜层流流动㈣。膜内液体平均速度为％：叫等6+警∥．(2)因为是不通空气，故气速UR=0，化简为咋，2=五PL庐2．(3)其中液膜厚度为6：黑．(4)2zcrj以2’、。7由式f31、r41得到静圈匕液膜向下运动的速度为Ui5,2液滴撞击到静圈时，液膜会产生波动，因此引入参数爿对钉．2修正，即。2=彳丝U．(6)i．2’L”，图2—2(a)折流式旋转床液相流动区1、动盘2、壳体3、壳体内壁4、静盘5、静圈6、动圈7、动圈开孔区8、动圈非开孔区9、液体进口管 万方数据浙江工业大学硕士学位论文图2-2(b)折流式旋转床液相流动区O液滴在到达静圈后，液滴在静圈切线方向的切向速度vt，r可由速度“=吼z)分解得到，如图2-2(b)所示，即K』=v00s倪=1{(I』／《，f)．(7)液滴以速度Ⅵ，，由静圈下沿甩出，经时间露．3后撞击半径为rr,i+l的动圈，即一一√嘭rrs2,i‘∞一—百一·(8)液滴在动圈壁面上形成液膜以速度Ui,。向上流动至动圈开孔区的第一列小孔处(孔间距为f)，流动距离为幽4，液膜在穿过第一列小孔时，形成液滴被甩出。液膜厚度6以修正后的板式塔的平堰堰上液层高度公式进行计算，引入参数B’对流体收缩和重力加速度g进行修正，即涮‰]2／3．∽％。2赤．㈣，液滴撞击到动圈时，液膜产生波动，引入参数B7，对vi,。进行修正，即％划‘等胡‘鼍竽．⋯，吩．4”⋯26 万方数据浙江工业大学硕士学位论文％：垫铲．m，t42—■珂荔r‘02’式中，B=B’·B”在转子中心处，液体由转子中心处液体进口管进入动盘，于动盘面形成液膜，液膜在离心力的作用下经过时间ro．1到达最内处动圈。液膜沿动圈壁面向上流动，经过时间ro．4到达动圈开孔区的第-Nd,孔处。ro．4为动圈不开孔区高度与Uo．4比值，而蜘，4可通过式(10)计算。对时I"司ro，l建立微分方程如下：d2r．—T=国‘，．(13)dr2。、7边界条件为：r=0，r=ro；r=0，dr／dr=0。解微分方程，得尸=o．5％G研"JI-e-gOT)．(14)当r=rrl，Nr=ro"l’从而求出时I"司ro．10对于nl区，‰，1、‰，2和‰，3通过式(1)、(6)和(8)计算。轧4为腔内壁上液膜以速度“。，4向下流动的时间，Um,4通过式(5)计算，‰，4由式(6)计算，即f。．4：彳—hos-0．—59r2m,3Um．4(15)液体由旋转床转子中心经过m个区域到达腔体内壁，其总停留时间r为％+t，，+t，。)．(16)l+龟4+％+t，3+t，4J．f16)1=1由总停留时间r可得到不通空气时转子持液量一14]，即～忐2)h．∽，万(吃。。一‘一。u¨当旋转床通空气时，气体和液体在转子折流式通道中逆流流动，气液交互作用。因此通气体时转子持液量s与液量QL、转速n以及气量QG有关。故对s与s的比值关联如下：三=1+出龟bA气c儿％d．(18)UL珊·、-u，式中，a、b、c、d为拟合参数：尺PG、尺钆、尺P。分别是气体雷诺数、液体雷诺数及旋转雷诺数。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文2．2．2模型参数拟合不通气体时，对实验值s进行拟合，得到旋转床持液量数学模型中参数爿和占，分别为2．19和4．20，s的实验值与模型计算值的平均误差为4．32％，最大误差为9．46％。模型计算值与实验测量值的比较如图2．3所示，从图中可以看出关联式与实验数据吻合较好。Bc阳缸脚nur幽r图2-3模型计算值与实验测量值的对比Experimentntunber图2．4模型计算值与实验测量值的对比通气体时，式(18)由实验数据关联得{=1+0．0015Re丢026尺茁216尺《625．(19)S^装v∞ndn．pI。嗣pInbll∞＼b．o_苗．I^ln．日一oI：【它HTl叮H厂I 万方数据浙江工业大学硕士学位论文实验值与计算值平均误差为5．54％，最大误差为11．32％。通空气时模型计算值和实验测量值对比如图2-4所示，表明二者吻合较好，实验精确度较高。式(19)用代表气体、液体和转速的三个无因次准数来体现折流式旋转床持液量的影响因子，和在填料旋转床的膜流、孔流和滴流模型中直接引入物系物性参数及设备结构参数相比，简化了模型的构建，利于提高模型准确性。2．2．3持液量影响因素讨论不通空气体时(Qc=O)，旋转床转子持液量占随液体表观速度毗的增加而增加，随超重力因子卢增加而减小，如图2—5所示。液体表观速度增加，由式(6)和(11)，液体在动圈壁与静圈壁上停留时间减小，但根据式(17)，停留时间r的减小抵消不了液量QL的增大，因此持液量增大。超重力因子增加，液体在转子内的停留时间减少，根据式(17)可知持液量减小。0．00060．00070．00080．0009o．00100．00110．00120．00130．0014n0015uL(ms)图2．5不通气体时液体表观速度对持液量的影响通气体时，s"／e随气体表观速度blG增加而增大，如图2-6所示。转子动圈壁与静圈壁上液膜与气体逆流流动，UG的增大导致液膜流动速度减小，转子中液体停留时间增大，持液量增加。在卢=127．3时，e"／e有较明显的减小，此时旋转床中离心力约为重力的130倍，转子中液滴受气体阻滞作用减弱，液体停留时间减小，s7减小，故s饴值减小。液量0．04～0．08m3／h，转速800～1200r／min时， 万方数据浙江工业大学硕士学位论文折流式旋转床的不通气持液量为2．35％～3．68％，为丝网填料床在液量1．0～2．5m3／h，转速800--1200r／min时持液量酬的1．32～2．06倍。％㈥图2-6气体表观速度对持液量的影响2．2．4本章小结以空气一水为体系，采用直接测量法研究了折流式旋转床在不通空气和通空气时的持液量。(1)、建立折流式旋转床持液量数学模型，通过对持液量实验数据进行拟合，得到模型参数，给旋转床的设计和结构优化提供理论基础。(2)、折流式旋转床持液量随液体表观速度和气体表观速度的增大而增大，随超重力因子的增加而减小，特别地，高转速下持液量受气体表观速度的影响明显减弱。(3)、折流式旋转床的不通气持液量是普通丝网填料床的不通气持液量的1．32～2．06倍，这使得转子内液体停留时间适当延长，有利丁．传质。但持液量的增大，也会增加设备的功率损耗。因此，在保证折流式旋转床传质效率的同时，降低其功率损耗还需进一步研究。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文第三章折流式旋转床压降及液泛性能的研究3．1引言气液在超重力旋转床中接触时，由于受到巨大的离心力作用，液相流速相对于传统塔设备中的速度要大的多。因此，超重力旋转床中液泛气速比塔设备中高很多，气液接触不易发生液泛。折流式旋转床中，流体沿转子径向的流通截面积是不断变化的，在转子内缘处截面积达到最小，而气体流速会在此处达到最大。因此，当操作异常时，折流式旋转床转子内缘会最先出现明显的雾沫夹带，严重时会由于液体不能顺利通过转子，而发生液泛。目前文献中关于超重力旋转床液泛的标志主要有以下三点：(1)、通过直接观察，旋转床转子内缘处出现大量雾沫夹带。(2)、通过直接观察，有大量液体直接从转子内径处喷出。(3)、通过测量旋转床气体进出口的压差，气相压降急剧增加，压降曲线出现拐点。3．2实验部分3．2．1实验方法本章实验主要通过直接观察和气相压降分析法对折流式旋转床液泛性能进行研究。影响超重力旋转床液泛的因素主要包括旋转床转子结构和操作条件，本章实验主要考察不同操作条件下(气量、液量及转速)折流式旋转床对应的压降变化及液泛点，并对实验数据处理分别得到转速液泛操作曲线和液量液泛操作曲线，对折流式旋转床的设计和操作提供一定指导。3．2．2主要实验仪器与设备参照2．1．3主要实验仪器及设备。3．2．3实验流程及说明实验以空气一水为体系，对折流式旋转床进行压降及液泛实验研究，实验流 万方数据浙江工业大学硕士学位论文程如图3．1所示，空气由漩涡气泵提供，经孔板流量计计量后，从气体进口切向进入旋转床，在压差作用下，自转子外缘向内缘运动，最终由气体出口排出。液体经转子流量计计量后，由旋转床中间液体进口进入转子中心，在离心力作用下，自转子内径处向外运动，最终被壳体收集，由液体出口排出。旋转床气体进出口的压差由U型压差计测量。气体进口图3．1折流式旋转床液泛实验流程图1、u型压差计2、转子流量计3、RZB4、电机5、调频器3．2．4实验内容实验主要通过直接观察折流式旋转床转子内缘处液体流动、气体夹带液滴状况和测量不同操作条件下旋转床气相压降变化来间接反应液泛性能。本章实验主要内容为操作参数对折流式旋转床液泛点的影响：(1)保持液体流量和旋转床转子转速不变，改变气体流量，观察转子内缘处液体流动及液滴被夹带情况，并记录相应气量下旋转床气相压降，探究气体表观速度与液泛的关系。(2)保持液体流量和气体流量不变，改变转子转速，观察转子内缘处液体流动及液滴被夹带情况，并记录相应转速下旋转床气相压降，探究超重力因子与液泛的关系。(3)保持气体流量和旋转床转子转速不变，改变液体流量，观察转子内缘处32 万方数据浙江工业大学硕士学位论文液体流动及液滴被夹带情况，并记录相应液量下旋转床气相压降，探究液体表观速度与液泛的关系。3．2．5数据处理气体表观速度”G：气体体积流量与旋转床转子内缘环面积之比。表达式为：铲舞阻。式中，QG为气体流量，m3／s；n为转子内缘半径，Ill；h转子轴向高度，m。液体表观速度比：液体体积流量与旋转床转子内缘环面积之比。表达式如下：铲南b2，式中，QL为液体流量，malh，ri为转子内缘半径，m；h转子轴向高度，m。超重力因子p：超重力旋转床的平均超重力加速度与重力加速度之比。表达式为：p：坐(3．3)g式中，∞：望里，n为转子转速，r／min；r为转子内外半径的几何半径，60g=9．81m·s．2。3．3结果与讨论本章实验主要研究操作参数对折流式旋转床液泛性能的影响。由于折流式旋转床液泛最先发生在转子内缘处，因此，实验中对转子内缘处的液体流动状况进行观察，从而判断是否发生液泛。如图3-2(a)所示，实验中观察到旋转床转子内缘处液体开始积累并形成白色雾圈，认为一旦旋转床设备发生此种现象即出现液泛。此时的气体流量即为该操作参数下旋转床的液泛气量，由公式可计算出对应的折流式旋转床液泛气速％，同样由液泛时的液体流量可以得到对应的液泛液速巩。图3-2(b)为液泛发生后，继续操作，转子中心发生严重液泛时的情形。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文图3-2(a)转子中心开始液泛图3-2(b)转子中心严重液泛3．3．1气体表观速度对折流式旋转床压降及液泛的影响图3．3分别给出了1-6条曲线，操作参数为固定超重力因子∥和液体表观速度UL，改变气体表观速度UG。其中，曲线1、2、4、5的超重力因子为56．6，液体表观速度分别为0．00876m／s，0．00438m／s，0．00193m／s，0．000875州s；曲线3、6的超重力因子分别为31．8，88．4，液体表观速度为0．00193m／s。从图中曲线可以看出，在相同的超重力因子和液体表观速度下折流式旋转床气相压降随UG的增大先缓慢后迅速增加，即“G在O．1．25m／s时，气相压降增加较缓慢，UG大于1．25m／s后，气相压降快速增加。说明折流式旋转床气相压降随UG变化存在两个不同的阶段，前一阶段压降随气速增加而缓慢增大，主要因为气液在旋转床转子中逆流交互运动时，气体径向的阻力损失增大，但由于气速较小，气体阻力损失较小，所以压降缓慢增加。后一阶段，气相压降随UG增大迅速增加，并逐渐发生液泛，图中曲线上方框处的点即为液泛点。从图中标注的液泛点可以发现，气相压降迅速增加后，旋转床转子中心并没有立刻发生液体受气相阻力不能流通过转子而产生液泛，而是有一个液泛发展过程。这一方面是因为折流式旋转床转子中液体受到强大的离心力作用而获得巨大的离心加速度，此时气体要阻滞液体就需要达到很高的气速，因此需要一个过程。另一方面，折流式旋转床转子中液体由动圈小孔形成大量液滴高速甩出，撞击到相邻静圈，一部分形成液膜沿静圈下落至动盘，继续被加速，另一部分则被撞击分裂成更小的液滴，液体在旋转床转子中沿径向不断的进行这样的加速、撞击、粉碎过程。过程中不断产生细小的液滴沿折流通道自内向外运动，液滴后方会形成空穴，周围气体迅速填补这 万方数据浙江工业大学硕士学位论文些空穴。使得气体向转子中心运动的阻力减小，这也延缓了液体达到对应操作条件下液泛气速的过程。从图3．3中还可以看出，曲线1、2、4、5在相同的超重力因子下，液体表观速度大的先出现液泛点，这是因为，液体表观速度大，液体在转子中形成的液膜厚度增加，气体流通面积变小，气速提高，气液交互加强，液泛先发生。曲线3、4、6在相同的液体表观速度下，超重力因子小的液泛先发生，这是因为超重力因子小时液体离心加速度小，气体更容易阻滞液体，使之发生返混甚至出现液泛。图3．3“G对旋转床气相压降及液泛的影响3．3．2液体表观速度对折流式旋转床压降及液泛的影响图3—4分别给出了1-6条曲线，操作参数为固定超重力因子口和气体表观速度“G、改变液体表观速度毗。其中，曲线l、2、4、6的超重力因子为56．6，气体表观速度分别为0rrgs，1．23m／s，1．61m／s，2．01m／s；曲线3、5的超重力因子分别为88．4，31．8，气体表观速度为1．61m／s，同样图中方框处的点为实验中相应操作参数下观察到转子中心出现液泛时的点。图中可以看出，曲线3、4、5、6的气相压降随液体表观速度的增加先缓慢增大，后气相压降迅速增加，液泛点随后出现，液泛发生后气相压降增加趋势又变平缓。这是因为开始阶段液体表观速度比较小，液体在转子动圈壁和静圈壁上形成的液膜厚度比较薄，对旋转床气体流通面积影响比较小，气体径向流通阻力增加缓慢，因此体现在气相压降缓慢 万方数据浙江工业大学硕士学位论文增加。当UL继续增加，转子中液体液膜厚度继续增加，使得气体流通面积明显减小，气速显著提高，气体流通阻力明显增大，所以，气相压降曲线急剧上升，压降迅速增大，直至液泛发生。液泛发生后，继续增大液体表观速度，气相压降的增加又趋于平缓，因为，液泛后，液体受到气相阻滞，不能流通过转子，气体流通面积不会再有明显的减小，气相阻力的增加主要由于U。继续增加引起转子内缘处液泛液体的重力增加，所以，气相压降又缓慢增加。与图3—3中类似，本图中曲线3、4、5、6在急剧上升时，并没有立即观察到转子中心出现液泛，而是压降继续增大一段时间，液泛点才出现，原因与图3．3中类似。图3—4中还可以看出，曲线l、2的气相压降随液体表观速度的增加近似呈线性增大，并没有出现急剧上升趋势。对于曲线1，由于不通气体，床内没有气体径向运动，只有空气随转子周向运动，随地增加，液体在转子内液膜厚度平稳增加，空气周向运动的阻力缓慢增大，因此，气相压降呈线性缓慢增加。对于曲线2，可能是因为气体表观速度相对较小，气体对液体离心运动的阻力较弱，液体表观速度增加时，转子内气液交互作用也较弱，因此，气相压降随地增大呈线性增加，直至液泛发生，没有出现突变。口0000．0020．0040．006D008口010a0120．014口016a018uLnYs图34钆对旋转床气相压降及液泛的影响3-3．3超重力因子对折流式旋转床压降及液泛的影响图3-5给出了1-6条曲线，操作参数为固定气体表观速度“G和液体表观速度 万方数据浙江工业大学硕士学位论文uL，改变超重力因子口。其中，曲线2、3、4的UG为1．40m／s，液体表观速度分别为0．00438m／s，O．00193m／s，o．00131m／s；曲线1、5气体表观速度分别为1．61m／s，1．14m／s，液体表观速度为0．00193m／s；曲线6的气体表观速度为0m／s，液体表观速度为0m／s，气相压降主要由旋转床离心压降引起，压降与转速平方成正比，故此时压降呈线性缓慢上升。图3-5超重力因子口对旋转床气相压降及液泛的影响图中曲线l一5变化趋势都是随超重力因子的增大先增力H(fl<20)，后减小，在超重力因子达到120后，又开始缓慢增大。图中超重力因子小于20时，气相压降由小增大，可能是因为开始旋转床转子转速较低，未达到正常转速，进入转子的液体获得的离心力较小，沿动圈爬升后，从小孔甩出并未撞击到静圈，而是沿动圈壁下流至动盘，静圈壁上没有形成液膜，对气体流通面积没有影响，气体能够顺利沿气道流动，因此，气相压降较小。当超重力因子变大时，液体获得的离心力变大，有一部分从动圈小孔甩出后撞击至静圈，开始在静圈壁上形成液膜，气体通道面积有所减小，气相气速增大，压降开始上升。超重力因子继续增大，撞击至静圈的液体继续增加，气体通道面积继续减小，压降也继续增大，当液体通道面积减小到一定程度时，压降达到最高点，转子中心发生液泛，见图中方框处点。超重力因子声大于20后，气相压降开始降低，因为此时液体在离心力作用下，开始具有较大加速度，撞击至静盘后，一部分液体破碎成小液滴飞溅离开 万方数据浙江工业大学硕士学位论文静圈壁，破碎的小液滴会在后方形成空穴，气体会迅速填补这些空穴，使得气体向转子中心运动的阻力减小，因此，气相压降降低。当超重力因子变得很大，超过120后，压降又有略微增加，这是因为，此时液体离心力的增加对液滴的破碎影响变得微弱，气相阻力不能进一步减小，气速不会继续增加，此时气相压降的增大主要是靠离心压降的增大，而离心压降占总压降的比例很小，因此，压降曲线小幅度上升。3．3．4折流式旋转床液泛操作曲线图3-6为折流式旋转床转速液泛操作线，图中可以看出，液量一定时，转速增加，液泛气速增大。因为，转速增大，液体受到离心力增大，受气体阻滞减小而更容易离开转子，因此，抗液泛性能增强，液泛气速提高，设备操作范围增大。％(m／s)图3-6旋转床转速液泛操作线 万方数据浙江工业大学硕士学位论文3．4本章小结l、折流式旋转床气相压降随气体表观速度UG增大会出现两个阶段，先缓慢增加，后压降曲线急剧上升，压降迅速增大。与文献记载的旋转床液泛出现不同的是，折流式旋转床压降曲线随U6增大急剧上升时，转子中心并未立即观察到液泛发生，而是“G继续增加，才会观察到液泛现象发生。2、折流式旋转床气相压降随液体表观速度的增大，先缓慢增加，后迅速增大，在出现液泛后，又缓慢变大。特别地，在UG较小时(1．23m／s)，气相压降随液体表观速度增大呈线性增加。3、当气体表观速度和液体表观速度固定时，折流式旋转床气相压降随超重力因子口增加，先增加，出现液泛后，压降开始降低，在超重力因子达到很高时∽>120)，压降又有小幅度上升。39 万方数据浙江工业大学硕士学位论文第四章折流式旋转床雾沫夹带的研究4．1引言传统板式塔中，雾沫夹带是指气流穿过塔板上液层时，以液滴的形态将液体夹带至上一层塔板的现象，从而发生与塔内液体主流方向相反的运动。雾沫夹带的发生会导致塔板效率降低，工业上一般规定，雾沫夹带量小于0．1，设备可以正常工作。作为一种新型气液传质设备，超重力旋转床同样也存在雾沫夹带的问题，目前文献对于这方面的研究介绍还比较少。郭奋等‘511对错流式丝网填料旋转床的雾沫夹带进行了研究，结果显示，错流式丝网填料旋转床的雾沫夹带现象不明显，且可通过安装除沫装置来解决夹带的液沫。俞云良等【761在对折流式旋转床功耗研究时发现，离心力作用使得液体高速撞击静圈，从而形成大量细小液滴，其中一部分液滴会被气流夹带至上一层动静圈，存在与板式塔中雾沫夹带的类似现象。但由于折流式旋转床特殊的折流式通道结构，即气液流动为整体逆流，动、静圈之间的气液接触为错流，因此，有必要对折流式旋转床的雾沫夹带进行研究。折流式旋转床中液膜流动及雾沫夹带示意图如图4—1所示，图4-1折流式旋转床雾沫夹带示意图 万方数据浙江工业大学硕士学位论文4．2实验部分4．2．1实验方法本章实验以空气一水为体系，对折流式旋转床雾沫夹带现象进行研究，通过在旋转床转子中心的气体出口处安装雾沫收集装置(自制)来收集并测量雾沫夹带量e。，考察操作参数气体表观速度“G、液体表观速度u。及超重力因子口对折流式旋转床雾沫夹带的影响。4．2．2实验仪器参照2．1．3主要实验仪器及设备。雾沫收集装置如图4．2所示，543i＼纩-jV【Z^鹃；飘l／／；r771．／邙一冀[，野确1挡液板2储液槽3下塔节4筋板5上塔节6筛板7进液管8除沫网9滴液板10排液管图4．2雾沫收集装置图8910实验时，夹带有小液滴的空气从旋转床气体出口进入雾沫收集装置，经过气体流通通道(由挡液板和下塔节气体进口组成)进入上塔节处的除沫网(金属丝网)，小液滴被除沫网拦截，在滴液板上汇聚成较大液滴，液滴受重力作用下落至储液槽，通过储液槽上刻度可以读出被收集液体的体积。用秒表分别测定储液槽中的液体到达25mL，50mL，lOOmL，150mL刻度时的时间，计算出单位时间内收集的液量，再根据气体流量，计算得到e。值。41 万方数据浙江工业大学硕士学位论文4．2．3实验流程及说明实验分别以空气一水、空气一乙醇溶液、空气一碳酸钾溶液为体系，对折流式旋转床雾沫夹带进行测量，实验流程如图4．3所示，空气由漩涡气泵提供，经孔板流量计计量后，从气体进口切向进入旋转床，在压降作用下，由转子外缘向内缘运动，最终由气体出口排出。液体经转子流量计计量后，从雾沫收集装置中间进液管进入转子中心，在离心力作用下，自转子内径处向外运动，最终被壳体收集，由液体出口排出。1、风机2、孔板流量计3、气体进口4、雾沫收集装置5、液体进口管6、转子流量计7、液体出口8、电机图4．3折流式旋转床雾沫夹带实验流程74．2．4实验内容本章实验主要内容为操作参数对折流式旋转床雾沫夹带的影响：(1)保持液体流量和旋转床转子转速恒定，改变气体流量，通过雾沫收集装置收集夹带液体，经计算得到雾沫夹带量ev，研究气体表观速度与e。的关系。(2)保持液体流量和气体流量恒定，改变转子转速，通过雾沫收集装置收集夹带液体，经计算得到雾沫夹带量ev，研究超重力因子与e。的关系。(3)保持气体流量和旋转床转子转速恒定，改变液体流量，通过雾沫收集装置收集夹带液体，经计算得到雾沫夹带量ev，研究液体表观速度与e。的关系。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文4．2．5实验操作步骤(1)、开启旋转床电机电源及调频器电源开关，调节旋转床转子至某一转速，记录该转速数值；开启漩涡气泵，调节气量至一定值，并记录。(2)、打开进液管出口阀，通过转子流量计调节不同液体流量，秒表分别记录雾沫收集装置的储液槽中液体到达刻度为25mL，50mL，lOOmL，150mL时的时问。(3)、保持转速和液体流量一定，通过气泵出口阀，调节不同气体流量，重复步骤(2)qb秒表记录方式，记录相应时间。(4)、保持气量和液量不变，通过调频器调节不同转速，重复步骤(2)qb秒表记录方式，记录相应时间。(5)、选择不同的固定参数值，分别重复步骤(2)，(3)，(4)。(6)、以体积分数为3％、6％乙醇溶液、质量分数为20％、30％碳酸钾溶液为液相体系，重复步骤(1)，(2)，(4)。4．2．6数据处理参见2．3．5数据处理过程。4．3实验结果与讨论4．3．1操作参数对折流式旋转床雾沫夹带的影响超重力因子口=88．4，液体表观速度UL分别为0．0018m／s，0．0022m／s，O．0028m／s时，曲线1．3随气体表观速度“G的变化趋势如图4．4所示。由图可知，雾沫夹带量随”6的增加，逐渐增大，且三条曲线雾沫夹带量ev呈现3>2>1。原因是气体表观速度UG增加，转子中气体流速增加，气液交互作用增强，更多的液滴被气相夹带出气体出口，从而使雾沫夹带量增加；曲线1．3的液体表观速度依次增大，UL增大，转子中液膜厚度增加，气体流通面积减小，气速增强，同样会夹带出更多液滴，增大雾沫夹带量。从图中还可以看出，折流式旋转床雾沫夹带量整体偏小(<0．02)，明显低于普通塔设备中规定的雾沫夹带上限0．1。可能的原因一方面折流式旋转床特殊的结构，气液整体逆流运动，但动、静圈之间气液为错流接触，即液体径向运动，43 万方数据浙江工业大学硕士学位论文气体轴向运动，气体夹带的大粒径液滴在离心力作用下被甩向静圈壁，沿壁面下流，受到离心沉降作用：另一方面，部分粒径较小的液滴被气体夹带，沿轴向向上运动，由于惯性碰撞，部分液滴会被旋转床转子的静盘拦截，类似经过一个折流板式除沫器的作用，如图4-5所示。图“气体表观速度对折流式旋转床雾沫夹带的影响图4—5折流板式除沫器折流式旋转床雾沫夹带与液体表观速度的关系如图4-6所示，其中曲线1、2超重力因子为56．6，气体表观速度“G为2．01m／s，1．61m／s，曲线3超重力因子为88．3，MG为1．61m／s。图中可以看出，雾沫夹带量随液体表观速度增加而增大，一方面因为UL增加，液体受到离心力作用增强，液体与静圈撞击会破碎形成更多细小液滴；另一方面，液体表观速度增加，转子中液体形成的液膜厚度增加，减小气体流通面积，气速变大，气体使更多液滴发生轴向返混。 万方数据浙江工业大学硕士学位论文图4-6液体表观速度对旋转床雾沫夹带的影响折流式旋转床雾沫夹带与超重力因子∥的关系如图4—7所示，其中曲线1、2的气体表观速度“G为1．40m／s，液体表观速度分别为0．00438m／s，0．00193m／s，曲线3的气体表观速度”G为1．61m／s，液体表观速度为0．00193m／s。图中可以看出雾沫夹带量随超重力因子增加先快速降低，后又有小幅度上升。原因是超重力因子较小时，液滴受到离心力较小，径向速度相对较低，轴向受气体作用更易发生返混；随着超重力因子增加，雾沫夹带量又开始缓慢增加，这是因为一方面超重力因子厅越大，液体与转子静圈的撞击使液体雾化更充分，更多小液滴被气相夹带，另一方面口值越大对液体离心加速度越大，受气体阻滞作用明显减弱，故雾沫夹带量增加幅度较小。图4．7超重力因子对折流式旋转床雾沫夹带的影响 万方数据浙江工业大学硕士学位论文4．3．2液体物性对折流式旋转床雾沫夹带的影响图4-8(a)液体表面张力、密度对ev的影响图4-8(b)液体表面张力、密度对cv的影响图4．8(a)以水、体积分数为3％、6％的乙醇水溶液为液体，考察不同液体表面张力、密度对雾沫夹带的影响。从图(a)中1、3、5和2、4、6这两组曲线可以看出，液体表观速度跟气体表观速度一定时，液体表面张力、密度越小，雾沫夹带量越大，可能的原因是表面张力跟密度小的液体，在撞击静圈时更容易破碎 万方数据浙江工业大学硕士学位论文分散成小液滴，使得液滴被夹带现象更严重。图4-8(b)以水、质量分数为20％、30％的碳酸钾水溶液为液相，考察不同液体表面张力、密度对雾沫夹带的影响。同样地，对LLI羽(b)I、3、5和2、4、6这两组曲线可以看出，液体表观速度吡、气体表观速度“G不变时，液体表面张力、密度越大，雾沫夹带量越小，原因与4-8(a)一致。4．4本章小结(1)、折流式旋转床的折流式流体流通通道具有一定的除沫作用，其雾沫夹带量e。小于0．02。(2)、折流式旋转床雾沫夹带量e，，随气体表观速度“G、液体表观速度u￡的增加而增大，随超重力因子口增加先迅速减小，后缓慢增大。(3)、折流式旋转床中液相体系的表面张力或密度越小，其雾沫夹带量e，越—，<。47 万方数据浙江工业大学硕士学位论文第五章结论与展望5．1结论本文以空气一水为体系，对折流式旋转床的持液量进行研究，建立持液量数学模型，通过对实验数据拟合得到模型参数。考察了不同工况下气体表观速度UG、液体表观速度b／L和超重力因子口对折流式旋转床气相压降及液泛性能、雾沫夹带的影响。并对不同液相体系下液体表面张力、密度与雾沫夹带的关系进行实验研究。主要结论如下：(1)、折流式旋转床持液量随液体表观速度和气体表观速度的增加而增加，随超重力因子的增加而减小，特别地，高转速下气体表观速度对持液量的影响明显减弱。(2)、折流式旋转床在不通气时的持液量是丝网填料床在不通气时持液量的1．32～2．06倍。(3)、折流式旋转床气相压降随气体表观速度UG的增大，先缓慢增加，后压降曲线急剧上升，压降迅速增大。但是折流式旋转床压降曲线随“G的增大急剧上升时，转子中心并未立即观察到有液泛现象发生，而是气体表观速度继续增加，液泛才会发生。(4)、折流式旋转床气相压降随液体表观速度的增大，先缓慢增加，后迅速增大，在出现液泛后，又缓慢变大。特别地，在甜G为1．23m／s时，气相压降随液体表观速度增大呈线性增加。(5)、当气体表观速度和液体表观速度固定时，折流式旋转床气相压降随超重力因子∥增加，先增加，出现液泛后，压降开始降低，在超重力因子声>120时，压降又有小幅度上升。(6)、折流式旋转床的折流式流体流通通道具有一定除沫作用，且旋转床雾沫夹带量e。小于0．02。(7)、折流式旋转床雾沫夹带量ev，随气体表观速度UG、液体表观速度毗的增加而增大，随超重力因子口增加先迅速减小，后缓慢增大。(8)、折流式旋转床中液相体系的表面张力或密度越小，其雾沫夹带量e。越大。4R 万方数据浙江工业大学硕士学位论文5．2展望通过对折流式旋转床持液量、气相压降及液泛性能，雾沫夹带等水力学特性的几个方面进行研究，针对本论文工作中的存在的不足与问题，提出以下一些看法，仅供参考：(1)本文仅仅考察了旋转床的操作参数(气体表观速度“G、液体表观速度札和超重力因子p)对旋转床持液量、压降及液泛的影响，以及操作参数和液相表面张力、密度对旋转床雾沫夹带的影响。并未就转子结构，特别是动静折流圈的高度差对上述水力学性能的影响进行研究，因此还需进一步研究完善。(2)实验没有就旋转床持液量、雾沫夹带对设备功耗和传质性能的影响进行研究，后续实验要对这一块进行研究，以期对折流式旋转床的实际应用起到一定指导作用。(3)在对旋转床液泛、雾沫夹带研究中，没有对实验数据进行关联，以得到相应的关联式，对折流式旋转床结构设计和优化缺乏一定理论指导。(4)在折流式旋转床雾沫夹带的实验中，由于雾沫收集装置存在设计上的缺陷，一部分液滴被除沫网拦截后又落入转子中心，未被储液槽收集，因此要对雾沫收集装置加以改进，以提高实验精度。49 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万方数据浙江工业大学硕士学位论文致谢三年的研究生学习生涯即将结束，在本篇论文顺利完成之际，我要对曾经给予我无私帮助的导师、同学、师兄弟及我的家人报以由衷的感激。首先我要感激我的导师李育敏副教授，是他从论文的选题、实验过程的指导、论文的撰写直至最后的修改、定稿给了我细致耐一D的指导。李老师深厚扎实的理论功底辅以简洁精炼的指导，让我克服了实验中一个又一个困难，让我获益良多。李老师从科研到学习、生活都给予了我无微不至的关怀，他巨大的亲和力和严谨的学术风范深深影响了我，这些都使我终生受益。实验过程中还受到计建炳老师、聂勇老师、徐之超老师、王广全老师、陆向红老师、李肖华老师、于凤文老师、姬登祥老师和课题组其他几位老师的悉心指导，在这里一并对几位老师的无私指导和帮助报以衷心的感谢!在整个论文实验期间还得到了周振江师兄、高海燕师姐、操伟伟师弟以及陈银银、曾庆倬、盛佳峰、蔡新兴、江运良、王志伟、欧阳洪生、章文星等同学的帮助，忠-D感谢你们。我还要感谢我的父母及亲人，是你们的坚定的支持及深深关切让我一直坚持下去，并最终得以；ll页N完成学业。最后感谢母校给了我一个充满温馨和良好学习环境的校园，我将带着你的祝福从你爱的港湾扬帆驶向更远方!卢永生二零一四年十二月浙江工业大学 万方数据浙江工业大学硕士学位论文攻读学位期间发表的论文[1】卢永生，李育敏，俞云良，刘学军，计建炳。折流式旋转床持液量的研究[J]．过程工程学报，2014，14(4)：568—572．'