錯流旋轉填料床氣相壓降的模型化及實驗研究＊

祁貴生，劉有智，王 煥，焦緯洲

（中北大學 山西省超重力化工工程技術研究中心，山西 太原 030051）

0 引言

旋轉填料床作為一種有效強化氣液傳質的設備，在氣體凈化、廢水處理、納米材料合成等方面得到廣泛應用，顯示出了十分重大的經濟價值和廣闊的應用前景.

旋轉填料床氣相壓降性能不僅是超重力設備基礎理論研究的主要內容之一，也是超重力技術工程應用和工程設計的一項重要指標.國內外［1-8］對于逆流旋轉填料床的壓降性能的研究較多，而對錯流旋轉填料床的壓降性能研究［9-12］較少，且研究存在氣量小、氣液比大，不適合于工業(yè)應用過程中氣相壓降的預測.因此，本工作以空氣-水為介質，在氣量流量0～1 300 m3／h 的中試規(guī)模對錯流旋轉填料床的氣相壓降性能進行了理論與實驗研究，并尋求壓降大小與各影響因素之間的規(guī)律，建立經驗關聯(lián)式，以預測在工業(yè)應用過程中的氣相壓降，為錯流旋轉填料床的設計及工業(yè)應用提供依據(jù).

1 氣相壓降模型

旋轉填料床中，氣相壓降產生的原因主要有離心阻力、摩擦阻力、形體阻力［2］.以上三方面原因共同作用，使得氣體在流經旋轉填料床時產生氣相壓降，但很難通過計算得到以上三種阻力的具體數(shù)值.從宏觀角度考慮，可測量的旋轉填料床的氣相壓降特性主要有靜床壓降（Δps）、離心壓降（Δpc）、干床壓降（Δpd）及濕床壓降（Δpw）等［13］.

本文根據(jù)錯流旋轉填料床的氣液流動狀態(tài)，不考慮離心阻力、摩擦阻力和形體阻力之間的相互關系，將氣體通過旋轉填料時的阻力損失分為：氣體流經靜止填料及管路時的靜床壓降，旋轉填料產生的離心壓降，液體加入引起的壓降三部分.

1.1 靜床壓降Δps

靜床壓降指在氣體通過靜止填料層的阻力損失.將錯流旋轉填料床進出口管路損失，靜止床層阻力損失，突然放大與縮小的管路損失合并為靜床壓降Δps，其值與氣體流速u的平方成正比，根據(jù)伯努力方程與文獻［11］可知，

式中：ζ為氣體阻力系數(shù)，它是氣體流速u的函數(shù)，由實驗測定；ρg為氣體密度.

1.2 旋轉填料產生的離心壓降Δpc

在轉子內，由于旋轉填料的存在，液體的增加、氣體流動的復雜性和氣液接觸碰撞，使得旋轉填料內氣液流動情況十分復雜且難于測定，很難從理論上進行深層次的分析.根據(jù)文獻［9，11，14］將逆流旋轉填料壓降分為氣體摩擦損耗壓降，轉子對氣體做功壓降和液體增加壓降三部分.但在錯流旋轉填料床中氣體的流通方向不同于逆流，氣體并非是沿軸向垂直流動，在巨大超重力作用下，氣體會沿垂直于軸向的平面形成旋轉，旋轉轉子對氣相壓降起到加強作用.在氣體通過旋轉填料的過程中，由于粘性力、摩擦力和形體阻力的共同作用，填料會對氣體做功，使得氣體通過床層時的阻力增大.

假定氣體在填料層中無徑向運動，可視為不可壓縮、軸對稱流動，忽略填料內外腔對于氣體流動的影響.可知，氣體在填料層中并沒有受到轉子對它做功的力，而是旋轉填料的存在增加了氣體流經填料時的摩擦與形體阻力.這個阻力的大小與旋轉填料的轉速，床層軸向厚度和氣體流速有關.

式中：a和b為待定系數(shù)，由實驗測定；β為超重力因子；H為轉子高度，m.

1.3 液體加入引起的壓降ΔpL

在錯流旋轉填料床中，液體的加入會引起氣相壓降的變化.一方面，液體與氣體的碰撞與接觸會增大氣相阻力；另一方面，氣體的加入會使得填料表面潤濕，減小氣體通過填料層時的形體阻力.因此，在錯流旋轉填料床中，濕床阻力并不一定比干床阻力大.實驗過程中可以通過測定相同操作條件下的干床壓降與濕床壓降來測定液體的加入對于氣相阻力的影響，影響規(guī)律也是和超重力因子和氣體流速有關.

式中：C，E，F(xiàn)為待定系數(shù)；q為液體噴淋密度（平均半徑處）.

綜上，將錯流旋轉填料床的總壓降分為靜床壓降，轉子旋轉產生的壓降和液體加入引起的壓降三部分.

2 氣相壓降實驗研究

以空氣-水為介質，研究錯流旋轉填料床的氣相壓降.為達到求取氣相壓降與操作參數(shù)關聯(lián)的目的，在研究過程中主要考察了氣相壓降隨氣體流速，超重力因子，液體噴淋密度的影響規(guī)律.

2.1 實驗參數(shù)

錯流旋轉填料床的轉子內徑為190mm，轉子外徑為375mm，轉子高度為178mm.不銹鋼絲網(wǎng)填料的比表面積為780 m-1，填料孔隙率為95%.

在實驗范圍內，氣體流量為0～1 300m3／h，液體流量為0～7 m3／h，轉速范圍為0～1 600rpm.為了能夠與不同尺寸的旋轉填料床有可比性，將氣量、液量及轉速轉換為氣體流速，范圍為0～3.75 m／s；液體噴淋密度范圍為0～45m3／（m2·h）；超重力因子范圍為0～265.

2.2 實驗流程

錯流旋轉填料床氣相壓降性能研究的實驗流程如圖1 所示.來自風機的空氣經流量計計量后從氣體進口進入錯流旋轉填料床，沿軸向穿過填料層后從氣體出口離開；液體儲槽中的水通過離心泵輸送，經轉子流量計計量后從液體分布器均勻地噴灑在旋轉填料的內緣上，在離心力的作用下沿徑向通過填料層并與氣體錯流接觸后，由液體出口經液封管流回液體儲槽循環(huán)使用.

圖1 錯流旋轉填料床氣相壓降實驗流程圖Fig.1 Experimental setup of cross-flow RPB for gas pressure drop

3 實驗結果與討論

3.1 靜床壓降

在本研究過程中，將氣體進出口阻力損失，氣體流經殼體時的阻力損失和流經靜止填料時的阻力損失合并，稱之為靜床壓降Δps.在轉速為零、液量為零的條件下，測定不同氣體流速下錯流旋轉填料床氣體進出口之間的氣相總壓降，得到氣體流速對靜床壓降的影響規(guī)律.靜床壓降隨著氣體流速的增加而顯著增加，如圖2 所示.

圖2 氣體流速對靜床壓降的影響Fig.2 Effect of gas velocity on pressure drop of static bed

3.2 離心壓降

在液量為零、氣量為零的條件下，測定不同轉速下錯流旋轉填料床氣體進出口之間的氣相總壓降，得到超重力因子對離心壓降的影響規(guī)律.離心壓降隨著超重力因子的增加而顯著增加，且基本呈線性關系，如圖3 所示.

圖3 超重力因子對離心壓降的影響Fig.3 Effect of super gravity factor on centrifugal pressure drop

旋轉填料對于氣體的加壓作用主要表現(xiàn)在形體阻力和摩擦阻力的提高方面，但由于旋轉的填料對于由于超重力因子中已包含了轉速的平方，因此離心壓降隨著超重力因子的增加顯示出線性關系.離心壓降的存在使得錯流旋轉填料床的氣相壓降明顯高于靜床壓降.

3.3 干床與濕床壓降

3.3.1 氣體流速對氣相壓降的影響

不同操作參數(shù)下，氣體流速對于氣相壓降的影響規(guī)律如圖4 所示.其中，液相噴淋密度為零時的壓降為干床壓降，其余為濕床壓降.

從圖4 中可以看出，在不同操作條件下，隨著氣體流速的增加，氣相壓降均明顯增加.這是因為隨著氣體流速的增加，氣體流經旋轉填料時的形體阻力、摩擦阻力均增加，導致錯流旋轉填料床氣相壓降增加.A，B，C三種大超重力因子操作條件下的氣相壓降明顯高于D，E，F(xiàn)三種超重力因子較小的操作條件，表明超重力因子在氣相壓降中也起著重要的作用，超重力因子越大，其氣相壓降越大.另外，在超重力因子較小的情況下（D，E，F(xiàn)，β＝6.3），在研究的氣體流速范圍內，液相噴淋密度越大，其氣相壓降越大，濕床壓降（D，E）明顯高于干床壓降（F）.而在超重力因子較大的情況下（A，B，C，β＝157），當氣體流速小于1.5m／s時，液相噴淋密度越大，其氣相壓降越小，干床壓降（C）高于濕床壓降（A，B）.這可能是由于在超重力因子較大、氣體流速較小時，液體的加入使填料表面潤濕引起的氣相阻力降低的程度在總氣相壓降中所占的比例較大引起的結果.液相噴淋密度對氣相壓降的影響隨著氣體流速的增大而增強，隨著超重力因子的增加而減弱.

圖4 氣體流速對氣相壓降的影響Fig.4 Effect of gas velocity on pressure drop

3.3.2 超重力因子對氣相壓降的影響

不同操作參數(shù)下，超重力因子對于氣相壓降的影響規(guī)律如圖5 所示.

從圖5 中可以看出，除大氣量、大液量的操作條件B外，在其它操作條件下，氣相壓降均隨超重力因子的增加而顯著增加，且基本呈線性關系.分析相同氣體流速、不同液體噴淋密度的曲線可知，隨著超重力因子的增加，液體噴淋密度對于氣相壓降的影響逐漸減弱.分析曲線B，在超重力因子較小、液量較大的操作條件下，進入旋轉填料的液體沒有及時被填料捕獲而達到均勻分布的效果，可能造成液體局部淹沫填料層，從而使得氣相壓降明顯增加，隨著超重力因子的增加，在大于15 之后，這一現(xiàn)象得到克服.對于曲線B，C，D 與E，F(xiàn)，G 也可知，隨著氣體流速的增加，液體噴淋密度對于氣相壓降的影響變得顯著.

圖5 超重力因子對氣相壓降的影響Fig.5 Effect of super gravity factor on pressure drop

3.3.3 液體噴淋密度對氣相壓降的影響

不同操作參數(shù)下，液體噴淋密度對于氣相壓降的影響規(guī)律如圖6 所示.

圖6 液體噴淋密度對氣相壓降的影響Fig.6 Effect of liquid spray density on pressure drop

液體噴淋密度對于氣相壓降的影響并不明顯，隨著噴淋密度的增加，氣相壓降呈緩慢增大的趨勢，但其影響程度隨著氣體流速的增加而增強，隨著超重力因子的增強而減弱，這與研究氣體流速與超重力因子對氣相壓降影響規(guī)律的分析結果表示出一致性.

3.4 氣相壓降模型參數(shù)的確定

3.4.1 靜床壓降Δps

經靜床壓降隨氣體流速的變化關系數(shù)據(jù)擬合，得到計算錯流旋轉填料床阻力系數(shù)的關系式，ζ＝26.2u-1.035.因此，錯流旋轉填料床的靜床壓降

3.4.2 旋轉填料產生的離心壓降Δpc

將實驗得到的干床壓降減去靜床壓降，可知轉子旋轉產生的壓降基本與超重力因子呈線性關系，經擬合得

3.4.3 液體加入引起的壓降ΔpL

將實驗得到的濕床壓降減去干床壓降，得到液體加入引起的壓降的數(shù)值.通過對試驗數(shù)據(jù)的擬合，得到本試驗范圍內液體加入引起的壓降ΔpL與液體噴淋密度q和氣體流速u之間的經驗關聯(lián)式為

將式（5）～（7）代入式（4），可得到實驗數(shù)據(jù)與模型擬合的壓降的計算公式.

4 結論

1）錯流旋轉填料床的氣相壓降隨氣體流速和超重力因子的增加而顯著增加；超重力因子對于氣相壓降的影響呈線性關系；液體噴淋密度的增加會造成氣相壓降的增加，但增加的程度隨氣體流速的增加而增加，隨超重力因子的增強而減弱.

2）對錯流旋轉填料床的氣相壓降進行了模型化研究，經實驗數(shù)據(jù)擬合，確定了壓降模型的參數(shù)，得到計算氣相壓降的關聯(lián)式，為超重力技術工程化應用時壓降的計算提供了依據(jù).

［1］Liu H S，Lin C C，Wu S C，et al.Characteristics of a rotating packed bed［J］.Ind.Eng.Chem.Res.，1996，35（1）：3590-3596.

［2］李振虎，郭鍇，陳建銘，等.旋轉填充床氣相壓降特性研究［J］.北京化工大學學報，1999，26（4）：5-10.Li Zhenhu，Guo Kai，Chen Jianming，et al.Research into characteristics of gas pressure drop of a rotating packed bed［J］.Journal of Beijing University of Chemical Technology，1999，26（4）：5-10.（in Chinese）

［3］Zheng Chong，Guo Kai，F(xiàn)eng Yuanding，et al.Pressure drop of centripetal gas flow through rotating beds［J］.Ind.Eng.Chem.Res.，2000，39（3）：829-834.

［4］Sandilya P，Rao D P，Sharma A.Gas-phase mass transfer in a centrifugal contactor［J］.American Chemical Society，2001，40（1）：384-392.

［5］Chandra A，Goswami P S，Rao D P.Characteristics of flow in a rotating packed bed（HIGEE）with split packing［J］.Ind.Eng.Chem.Res.，2005，44（11）：4051-4060.

［6］Lin C C，Jian G S.Characteristics of a rotating packed bed equipped with blade packings［J］.Separation and Purification Technology，2007，54：51-60.

［7］Hugo L C.Analysis of flow in rotating packed beds via CFD simulations-dry pressure drop and gas flow maldistribution［J］.Chemical Engineering Science，2009，64：2113-2126.

［8］Sung W D，Chen Y S.Characteristics of a rotating packed bed equipped with blade packings and baffles［J］.Separation and Purification Technology，2012，93：52-58.

［9］Guo Fen，Zheng Chong，Guo Kai.Hydrodynamics and mass transfer in cross-flow rotating packed bed［J］.Chemical Engineering Science，1997，52（21）：3853-3859.

［10］劉振河，劉有智，焦緯洲，等.錯流旋轉填料床氣相壓降的研究［J］.化學反應工程與工藝，2006，22（5）：451-456.Liu Zhenhe，Liu Youzhi，Jiao Weizhou，et al.Study on pressure drop in cross flow rotating packed bed［J］.Chemical Reaction Engineering and Technology，2006，22（5）：451-456.（in Chinese）

［11］劉有智，劉振河，康榮燦，等.錯流旋轉填料床氣相壓降特性［J］.化工學報，2007，58（4）：869-874.Liu Youzhi，Liu Zhenhe，Kang Rongcan，et al.Study on pressure drop in cross flow rotating packed bed［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering，2007，58（4）：869-874.（in Chinese）

［12］Lin C C，Chen B C.Characteristics of cross-flow rotating packed beds［J］.Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2008，14：322-327.

［13］劉有智.超重力化工過程與技術［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009.

［14］陳建峰.超重力技術及應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2003.