2.6　填料內(nèi)支撐對逆流旋轉(zhuǎn)填充床傳質(zhì)過程的影響

在實(shí)踐中，填料可極大地強(qiáng)化傳質(zhì)，而松散的填料必須用內(nèi)支撐來定位，以防止填料變形、移位，但內(nèi)支撐的加入必然會影響旋轉(zhuǎn)填充床傳質(zhì)過程。為此，北京化工大學(xué)教育部超重力研究中心系統(tǒng)地研究了填料內(nèi)支撐對旋轉(zhuǎn)填充床傳質(zhì)的影響[40]。

2.6.1　填料內(nèi)支撐對液膜控制傳質(zhì)過程的影響

采用氮?dú)饨馕械难踹@一典型的液膜控制傳質(zhì)體系，研究了填料內(nèi)支撐對液膜控制傳質(zhì)過程的影響規(guī)律。結(jié)果表明，內(nèi)支撐的板厚度、開孔形狀對傳質(zhì)無明顯影響；內(nèi)支撐布置在填料端效應(yīng)區(qū)會明顯地強(qiáng)化傳質(zhì)；在10%～100%的開孔率范圍內(nèi)，內(nèi)支撐的加入有利于傳質(zhì)，而在2.5%～10%的開孔率范圍內(nèi)，內(nèi)支撐的加入不利于傳質(zhì)。

2.6.1.1　填料內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)中采用正方形和圓孔兩種結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐，軸向?qū)挾?.1m，詳細(xì)情況如表2-5所示。

2.6.1.2　無內(nèi)支撐時(shí)液量、轉(zhuǎn)速對傳質(zhì)的影響

無內(nèi)支撐時(shí)液量對傳質(zhì)影響的結(jié)果如圖2-59所示。在其他條件不變的條件下，在低轉(zhuǎn)速區(qū)（0～200r/min），隨著液量的增加，NTU值幾乎不變；但當(dāng)轉(zhuǎn)速大于200r/min后，隨著液量的增加，NTU值反而降低。對于液量對傳質(zhì)的影響，有兩方面因素：一方面，隨液量的增加，液體停留時(shí)間變短，不利于傳質(zhì)；同時(shí)，液量增加，液滴變大、液膜變厚，這也不利于傳質(zhì)。另一方面，液量增加，氣液相間相對速度提高，有利于傳質(zhì)過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，湍動程度不大，此時(shí)液量增加，氣液相間相對速度提高，有利于傳質(zhì)過程占優(yōu)；但在高轉(zhuǎn)速區(qū)，旋轉(zhuǎn)填充床旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的湍動程度極大，使得液量增加所導(dǎo)致的氣液相間相對速度提高，有利于傳質(zhì)過程的影響作用變小。綜合正反兩方面的作用，在高轉(zhuǎn)速區(qū)，液量增加反而不利于傳質(zhì)。

無內(nèi)支撐時(shí)轉(zhuǎn)速對傳質(zhì)影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2-60所示。在其他條件不變的條件下，在0～800r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，NTU值迅速增加，但當(dāng)轉(zhuǎn)速大于800r/min后，NTU的增加幅度變得越來越小。之所以產(chǎn)生上述結(jié)果，對于轉(zhuǎn)速而言，有兩方面原因：一方面，增加轉(zhuǎn)速，迅速提高離心加速度[a=r（2πn）2]，有利于傳質(zhì)；同時(shí)，增加轉(zhuǎn)速導(dǎo)致填料線速度增加，其結(jié)果是填料與液體的碰撞頻率加大，這會導(dǎo)致產(chǎn)生大量的液滴、液霧、液絲，表面大量更新，大大強(qiáng)化傳質(zhì)；另一方面，增加轉(zhuǎn)速使液體停留時(shí)間迅速減少，氣液接觸時(shí)間迅速變短，不利于總體傳質(zhì)。在0～800r/min間，增加轉(zhuǎn)速對傳質(zhì)有利的方面占優(yōu)；在800r/min后，增加轉(zhuǎn)速對傳質(zhì)有利的方面與不利的方面彼此相當(dāng)，相互抵消，使得增加轉(zhuǎn)速對傳質(zhì)影響不顯著。

2.6.1.3　內(nèi)支撐的開孔形狀和板厚度對傳質(zhì)的影響

從圖2-61可以看出，在其他條件不變的情況下，開孔形狀（正方形孔與圓形孔的支撐板）對傳質(zhì)的影響不明顯區(qū)別。而從圖2-62可以看出，在其他條件相同的情況下，內(nèi)支撐板的厚度對傳質(zhì)的影響也不明顯。

2.6.1.4　內(nèi)支撐開孔率、內(nèi)支撐的安置位置對傳質(zhì)的影響

圖2-63給出了內(nèi)支撐的布置位置對傳質(zhì)影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，內(nèi)支撐的布置在填料內(nèi)緣一層時(shí)傳質(zhì)效果最好。之所以產(chǎn)生上述結(jié)果，有兩點(diǎn)原因：首先，內(nèi)支撐的加入相當(dāng)于一層特殊的填料，有利于傳質(zhì)；但是，內(nèi)支撐的加入也產(chǎn)生負(fù)面影響，支撐體的未開孔部分對氣、液體的遮擋會導(dǎo)致氣、液分布不均勻，減少了氣液接觸界面，不利于傳質(zhì)。在液膜控制傳質(zhì)體系中，端效應(yīng)區(qū)在填料內(nèi)緣一層（約距離內(nèi)緣3mm），且端效應(yīng)區(qū)的傳質(zhì)強(qiáng)度幾倍于填料主體，此處內(nèi)支撐的加入強(qiáng)化了端效應(yīng)區(qū)的傳質(zhì)，而內(nèi)支撐的加入導(dǎo)致氣液分布不均，不利于傳質(zhì)的影響占次要地位。因此，當(dāng)內(nèi)支撐布置在填料內(nèi)緣一層時(shí)，傳質(zhì)效果最好。

圖2-64給出了內(nèi)支撐的開孔率ε對傳質(zhì)的影響。這里ΔNTU=NTU（有內(nèi)支撐）-NTU（無內(nèi)支撐），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在10%～100%的開孔率范圍內(nèi)，內(nèi)支撐的加入有利于傳質(zhì)；而在2.5%～10%的開孔率范圍內(nèi)，內(nèi)支撐的加入不利于傳質(zhì)。如上所述，在開孔率大時(shí)，內(nèi)支撐作為一層特殊的填料有利于傳質(zhì)的方面占主導(dǎo)；相反，在開孔率小時(shí)，內(nèi)支撐的加入導(dǎo)致氣液分布不均不利于傳質(zhì)的影響占主導(dǎo)。

2.6.2　填料內(nèi)支撐對氣膜控制傳質(zhì)過程的影響

采用氨-水氣膜控制傳質(zhì)體系，研究了旋轉(zhuǎn)填充床中填料內(nèi)支撐對氣膜控制傳質(zhì)過程的影響。與無內(nèi)支撐相比，有內(nèi)支撐時(shí)的傳質(zhì)效果變差。在40%～100%開孔率范圍內(nèi)，隨著開孔率的增加，傳質(zhì)系數(shù)值緩慢升高，而內(nèi)支撐在填料中安置位置對傳質(zhì)無明顯影響。

2.6.2.1　填料內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)尺寸

實(shí)驗(yàn)采用四種內(nèi)支撐，均為正方形孔篩板，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)尺寸見表2-6。

2.6.2.2　內(nèi)支撐對傳質(zhì)的影響

無內(nèi)支撐時(shí)，液量、轉(zhuǎn)速對傳質(zhì)影響如圖2-65（a）所示。在低轉(zhuǎn)速區(qū)（0～400r/min），隨著轉(zhuǎn)速增加，Kya值迅速增加，但當(dāng)轉(zhuǎn)速大于400r/min后，Kya的增加幅度變小；隨液量增加，Kya變小。有內(nèi)支撐時(shí)傳質(zhì)規(guī)律與無內(nèi)支撐時(shí)相同，如圖2-65（b）所示。轉(zhuǎn)速增加，離心加速度增加，填料線速度增加，填料與液體的碰撞頻率加大，導(dǎo)致產(chǎn)生大量的液滴、液霧、液絲，表面更新速率提高，有利于傳質(zhì)強(qiáng)化；另一方面，增加轉(zhuǎn)速使液體停留時(shí)間減少，氣液接觸時(shí)間變短，不利于總體傳質(zhì)。在低于400r/min時(shí)，增加轉(zhuǎn)速對傳質(zhì)有利占優(yōu)；高于400r/min時(shí)，增加轉(zhuǎn)速對傳質(zhì)有利與不利影響相互抵消，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速對傳質(zhì)影響不顯著。

2.6.2.3　內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)及布置位置對傳質(zhì)的影響

內(nèi)支撐開孔率及有、無內(nèi)支撐對傳質(zhì)的影響如圖2-66所示。開孔率為40%～100%的范圍內(nèi)，隨著開孔率的增大，傳質(zhì)系數(shù)值緩慢變大，如圖2-66（a）所示。以有、無內(nèi)支撐兩種情況下傳質(zhì)系數(shù)差，即ΔKya=Kya（有支撐）-Kya（無支撐）來表征內(nèi)支撐的影響，如圖2-66（b）所示。內(nèi)支撐相當(dāng)于一層特殊填料，有利于傳質(zhì)；但內(nèi)支撐的未開孔部分對氣、液的遮擋會導(dǎo)致氣、液分布不均勻，減少了氣液接觸界面，不利于傳質(zhì)。對比研究表明，后者的影響較大，內(nèi)支撐的加入使傳質(zhì)效果變差。隨開孔率增加，傳質(zhì)效果緩慢改善。

圖2-67為在不同轉(zhuǎn)速度下內(nèi)支撐的位置對傳質(zhì)的影響。由圖可知，在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，內(nèi)支撐的布置位置對傳質(zhì)影響不明顯。