2.7　錯流旋轉(zhuǎn)填充床的傳質(zhì)特性

隨著旋轉(zhuǎn)填充床轉(zhuǎn)子直徑的增加，機械強度、加工精度都會要求越來越高，所以，設(shè)備投資費用都會大幅增加。因此，減小轉(zhuǎn)子直徑是降低設(shè)備投資的一個重要途徑，由此提出了錯流旋轉(zhuǎn)填充床的設(shè)想。其基本思想是液體由空心軸進入旋轉(zhuǎn)填充床（見圖2-68），在轉(zhuǎn)子的噴淋段沿徑向噴出，與軸向流動的氣體錯流接觸后被拋到外腔，然后由設(shè)備底部排出。

從理論上講，錯流傳質(zhì)推動力不如逆流大，但對液相濃度較高的循環(huán)操作，液體經(jīng)過一次吸收后濃度變化極小，對于這類氣液過程，采用逆流、錯流或并流，其傳質(zhì)推動力差別不大。另外，對于濕法除塵過程，由于不存在平衡分壓問題，氣液錯流接觸分離效果可能更好。因為氣體橫吹可將填料中的液絲吹斷，液膜吹破，有利于增加氣液接觸機會，增強分離效果。如果在錯流接觸情況下的傳質(zhì)系數(shù)和逆流相當(dāng)，而兩種情況下過程的推動力沒有顯著差異或不是過程的主要矛盾時，則錯流旋轉(zhuǎn)填充床可因其以下的特點而具有吸引力：錯流旋轉(zhuǎn)填充床不存在逆流液泛的限制氣速問題，而其出口氣體中的液沫夾帶可通過捕沫段設(shè)計解決，因此，錯流床有可能采取遠比逆流旋轉(zhuǎn)填充床泛點氣速高得多的操作氣速，如采取類似于氣體管道中的經(jīng)濟氣速（8～16m/s），這對于處理大氣量的洗滌、吸收過程具有特別有意義。

郭奮[41]對錯流旋轉(zhuǎn)填充床的流體力學(xué)和傳質(zhì)特性進行了理論分析和實驗研究。分別采用氮氣解吸水中的氧這一典型的液膜控制傳質(zhì)過程和水吸收空氣中的氨這一氣膜控制傳質(zhì)過程，對錯流旋轉(zhuǎn)填充床的傳質(zhì)過程進行了實驗研究和理論計算，還利用氨法尾氣SO2吸收，研究了錯流旋轉(zhuǎn)填充床的化學(xué)吸收過程，計算結(jié)果與實驗值吻合較好。結(jié)果表明，錯流旋轉(zhuǎn)填充床的傳質(zhì)單元高度在2～5cm，與逆流旋轉(zhuǎn)填充床的結(jié)果相當(dāng)，用于氨法尾氣SO2吸收單級吸收率可達90%以上，是一種高效的傳質(zhì)設(shè)備。

2.7.1　體積傳質(zhì)系數(shù)實驗值的計算模型

由于氣液錯流接觸，氣液濃度在徑向和軸向上都有變化，所以很難得到計算床層傳質(zhì)系數(shù)的解析式，只能將床層分為微圓環(huán)，用試差和遞推的方法求取。即先給定體積傳質(zhì)系數(shù)Kxa，然后，從氣相或液相入口端逐層遞推，最后，求出氣液相出口平均濃度與實驗值比較。如果兩者之差小于精度要求，則認為Kxa即為所求，否則，修正Kxa重新從頭開始遞推計算，直到滿足要求。

2.7.1.1　計算假設(shè)

（1）氣相平推流；

（2）液相無軸向和徑向返混；

（3）液相傳質(zhì)系數(shù)Kxa取常數(shù)；

（4）氣體徑向與軸向壓力一致；

（5）不考慮端效應(yīng)。

2.7.1.2　計算方法

（1）對填料層沿軸向分為m等份，即分為m段；

（2）對填料層沿徑向分為n等份，即分為n個同心圓筒；

（3）用兩個二維數(shù)組分別記錄nm個微圓環(huán)的氣液相濃度。

2.7.1.3　質(zhì)量平衡方程

對第i、j個微環(huán)（見圖2-69）列質(zhì)量平衡方程（設(shè)為氣體解吸）：

式中　L、G——分別為液、氣相摩爾流率，mol/s；

　R1、R2——分別為填料層的內(nèi)外半徑，m；

　H——填料的軸向長度，m；

　a——傳質(zhì)總比表面積，m2/m3；

　NA——傳質(zhì)通量，mol/（m2?s）。

式中　Kx——液相傳質(zhì)系數(shù)，mol/m2s；

　xe——液相平衡濃度，可由亨利定律求出。

式中　H e——亨利系數(shù)，mmHg；

　PA——O2的氣相分壓，mmHg，PA由下式計算：

式中　P——床內(nèi)總壓，mmHg；

　y——氧的摩爾分數(shù)。

將式（2-95）代入式（2-94），得到：

積分上式得：

變形得：

式中，

定義為第j段的徑向傳質(zhì)單元高度，m；

定義為第j段的傳質(zhì)單元數(shù)。

可以看出此結(jié)果與逆流旋轉(zhuǎn)填充床的結(jié)果在形式上完全一致。由式（2-103）還可看出，由于R2-R1為常數(shù)，所以NTU對每個徑向?qū)佣枷嗟取Ｈ绻摧S向定義傳質(zhì)單元高度則：

對錯流床以軸向傳質(zhì)單元高度表達傳質(zhì)特性較好為合理，所以后面的傳質(zhì)單元高度皆以軸向表示。

2.7.1.4　遞推公式的推導(dǎo)

（1）對液相，由式（2-94）得：

取，代入式（2-104）得：

令A=πHKxa/L代入式（2-105）并整理，得到液相濃度的遞推公式：

（2）對氣相，對第i，j微環(huán)列出質(zhì)量平衡方程得：

將Δz=H/m，Δy=yi，jyi，j1，Δx=xi1，jxi，j，代入式（2-107）得：

令代入式（2-108）得：

式（2-106）、式（2-109）為錯流旋轉(zhuǎn)填充床的遞推公式，由給定的進口條件和Kxa，自填料內(nèi)層向外遞推，對每層（薄圓筒）自氣體進口向出口推，即可得到出口氣液相濃度分布。

2.7.1.5　氣液出口平均濃度的計算

（1）對出口液體：

（2）對出口氣體：

2.7.1.6　體積傳質(zhì)系數(shù)實驗值的計算過程

（1）給定n，m值，輸入數(shù)據(jù)；

（2）由實驗測得的氣液進出口濃度，用逆流床的計算公式估算Kxa初值并定出上下限；逆流床的計算Kxa公式為：

式中　x0、x2——分別為液相進出口的氧濃度；

　xe0、xe2——分別為液相進出口的氧平衡濃度。

（3）根據(jù)Kxa初值由遞推公式（2-106）、式（2-109）遞推求出氣液相出口濃度分布，再由下式（2-110）求出液相出口的平均濃度；

（4）將液體出口濃度的測量值與計算值對比。如果計算值與實驗值的誤差小于控制精度，則認為這時的Kxa值即為實驗值。如果誤差不小于控制精度則采用二分法修正Kxa值重新計算直至滿足精度要求；

（5）計算框圖。計算框圖如圖2-70所示。

2.7.2　理論計算與試驗結(jié)果的對比

實驗與模擬結(jié)果的對比見圖2-71。由圖可看出，在整個實驗范圍內(nèi)，模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。圖2-72～圖2-74為HTU隨G0、L0和N變化的部分實驗結(jié)果。由圖可看出，轉(zhuǎn)速對HTU的影響最為顯著。在轉(zhuǎn)速為1420r/min時，HTU基本在2.5～4cm之間，逆流旋轉(zhuǎn)填充床的結(jié)果也是在這一范圍內(nèi)，這說明錯流旋轉(zhuǎn)填充床的傳質(zhì)效果也相當(dāng)好。

圖2-75～圖2-78是不同氣量、液量與轉(zhuǎn)速下體積傳質(zhì)系數(shù)的模型計算與實驗結(jié)果對比的部分結(jié)果。由圖可看出，二者雖有小的誤差，但均有相同趨勢，特別是轉(zhuǎn)速對Kxa影響的模型計算結(jié)果與實驗值吻合良好。