湍球塔气液相界面结构及传质面积.pdf

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1、CHEMICALENGINEERINGDESIGN化工设计2016，26(3)湍球塔气液相界面结构及传质面积王征’李季周加贝陈德权四川大学成都610065摘要湍球塔因其防堵塞、强湍动、传质面积大等特点，可作为烟气氨法脱碳后用磷石膏浆料净化尾气微量氨的气液传质设备。本文基于湍球塔液滴团聚分散理论研究了液滴和液膜形成的气液相界面结构，并得到气液传质面积的数学模型。在磷石膏浆料吸收氨法脱碳尾气微量氨的湍球塔实验装置中，在气体Re。157’475、液气比1～6范围内进行实验研究，从实验数据回归得到的气液

2、传质面积与理论计算值吻合。结果表明，湍球塔气液传质面积以团聚分散的液滴为主，湍球表面积占比不足25％。关键词尾气净化湍球塔气液两相流相界面传质面积氨法脱碳因其具有能耗低、腐蚀性小、可同时捕集多种污染物等优点，被认为是最具前景的cO，减排途径之一⋯，但从能耗或二次污染控制的角度，尾气氨逃逸是制约氨法烟气碳减排技术发展的瓶颈¨1。氨法cO：直接矿化磷石膏工艺旧1，利用磷石膏(CaSO。·2H：0)溶解产生的硫酸根抑制NH，逸出，脱除尾气微量NH，具有良好的热力学效应H1和反应强化吸收作用∞J。湍球塔

3、因其防堵塞、强湍动、传质面积大，可作为磷石膏矿化烟气CO：尾气微量氨控制的气液固三相传质设备∞J。增加传质面积是提高气液传质速率的主要措施之一。国内外学者针对流化床做过大量关于填料塔相际接触面积的试验研究，如MewesD等¨o利用动力学数据来测定填料塔相界面积。陈毓琛∞1用填料塔吸收低浓度CO：，利用化学法测定相际面积，并用Danckwerts表面更新模型和表面膜更新修正模型分别将传质数据进行处理和比较。RobertE．Tsai[9’用拟一级快速化学反应吸收法测定填料塔的传质面积，得出无因次表达

4、式。关于湍球塔，尤其是关于E—II—b型操作方式湍球塔气一液界面积的研究较少，GuerriereRA¨刚等在高气速2．85—4．15m／s下进行实验研究，发现单位床层传质面积随气速和液速的增加而增加。Gelperin⋯1等用化学法测定传质面积，并讨论静止床层高度对传质面积的影响。前人研究多以实验数据为基础，拟合湍球塔传质面积经验公式，适用范围较小。本文基于液滴团聚分散理论对湍球塔气液传质面积进行理论分析，得到湍球塔传质面积的解析表达式。基于磷石膏料浆吸收氨法脱碳尾气微量氨过程，对湍球塔传质面积进

5、行实验研究，验证了模型表达。1机理与模型当液气比较小时，气相为连续相，液相为离散相，液相以液膜和液滴的形式分布在湍球塔内。湍球塔内气液两相间的传质即发生于塔内的液滴表面，及附着于小球表面的液膜表面¨01。湍球塔气液界面分布见图1。液膜，膜厚占聚丙烯填料小球d=6mmPp《90kghn，自由液滴图1湍球塔气液界面分布气体在液相中传质系数的确定实际上就是确定液滴传质面积及液膜传质面积，即：口=口f+ob(1)式中，a，为液滴传质比表面积，m2／m3；0b为液膜{王征：化学工程在读硕士。研究方向：传质

6、与分离。E—mail：zhengwangchn@163．corn。}十基金项目：国家科技支撑计划课题(2013BACl2801)。2016，26(3)王征等湍球塔气液相界面结构及传质面积传质比表面积，m2／m3。GuerriereRAE11]等提出湍球塔液滴团聚分散理论，即湍球塔中气液传质主要发生在自由液滴及小球表面覆着的液滴，认为液体在床层中以液滴形式存在，且液滴在不停的分裂、团聚。口，=俨(2)当系统处于动态平衡时，湍球塔内的自由液滴数守恒，即：液滴的分裂速率等于团聚速率。R。=c。qHA(

7、3)R。=pn(4)R。=R。(5)cl-詈=者‰(6)联立式(3)～(6)解得q，代人式(2)可得：旷÷【麓1]prux(7)8，2百【矗‘7)式中，A为塔横截面积，m2；H为膨胀床层高度，m；Ug为气速，m／s；k。为常数；P为液滴每秒分裂数，s～；n为液滴平均分裂数；q为单位床层体积上的自由液滴数，m～；s为液滴平均表面积，m2；X为液滴平均自由运动路程，m。由Matchett[122提出：pnsx=BH一∽【(u。一u吖)(tZ—k。)／usr(8)式中，B为模型线性回归系数，与H。。／

8、D有关；u耐为临界流化速度，m／s。旷业掣等芷(9)由将(6)代人上式得：n，=BA。H叫加(e／u，)5门(Ⅱg—u吖)m(10)式中，U。为无喷淋时(气固流化系统)的最小流化速度，m／s；当H。／D=0．65—0．75时‘13I，B=3000A；占为床层空隙率。忽略液膜的厚度，液膜传质面积就是单位体积床层湍球表面积。单位体积床层内小球数：N=6(1一占)／(刊3)(11)则液膜传质面积：口6=6H(1一s)／(H馏cd)(12)可得湍球塔内总传质面积：n=鲋一1∥(e／us)加(Ug--UⅣ