排氣管直徑與深度對(duì)水力噴射空氣旋流器傳質(zhì)性能的影響

程治良，徐飛，全學(xué)軍，邱發(fā)成，代明星

（重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400054）

引 言

化工反應(yīng)、環(huán)境治理、納米材料制備等過程中常涉及氣液反應(yīng)，傳統(tǒng)的氣液傳質(zhì)設(shè)備主要是噴淋塔、鼓泡塔、填料塔等，存在重力場(chǎng)較弱、傳質(zhì)效率較低、設(shè)備易堵塞等問題[1-3]。為了提高傳質(zhì)性能，學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)通過產(chǎn)生超重力場(chǎng)可大大提高氣液效率。在超重力環(huán)境下，液體的表面張力作用變小，液體會(huì)被巨大的剪切力和撞擊力撕裂為不同形態(tài)的微元，產(chǎn)生大量快速更新的有效相界面積，使得微觀混合和傳質(zhì)過程得到極大的強(qiáng)化[4-5]。按照超重力場(chǎng)產(chǎn)生方式的不同，主要有依靠自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)超重力場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)填充床[6-7]以及依靠流體切向進(jìn)入螺旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生靜態(tài)超重力場(chǎng)的旋流器[8-10]。

前期研發(fā)的水力噴射空氣旋流器（WSA），是利用液體射流場(chǎng)和空氣旋流場(chǎng)耦合作用強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的新型氣液傳質(zhì)設(shè)備，在廢水脫氨[11]、煙氣脫 硫[12]、含鉻廢水處理[13]等方面取得了良好效果。與傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器作用原理和流場(chǎng)分布有所不同，在WSA中高速氣體旋流場(chǎng)與液體射流場(chǎng)充分作用，使得液相射流流型在進(jìn)口氣速高于某個(gè)值時(shí)處于射流霧化狀態(tài)，有效相界面積增大，液滴表面更新頻率加快，綜合作用使得傳質(zhì)性能提高[5,14]。為了進(jìn)一步優(yōu)化WSA 結(jié)構(gòu)，并為其設(shè)計(jì)提供依據(jù)，本工作以吹脫氨為體系研究了中心排氣管直徑和插入深度對(duì)WSA 脫氨傳質(zhì)性能和氣相壓降的影響，并提出了綜合評(píng)價(jià)傳質(zhì)過程的能效指標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中WSA 主要由主筒體、旋流頭和中心排氣管組成，主筒體和旋流頭采用法蘭連接。WSA 主筒體內(nèi)徑D為100 mm；筒體長H=4.5D，為450 mm；筒體上部設(shè)有液相射流噴孔區(qū)域，長度h為210 mm。噴孔直徑設(shè)計(jì)為2 mm，排列依據(jù)前期優(yōu)化結(jié)果[15]，采取正方形排列，射流噴孔沿徑向每隔20°、軸向間距20.2 mm 開孔，每層18 個(gè)孔，共計(jì)10 層180 個(gè)噴孔。與噴孔區(qū)域相連的是一個(gè)內(nèi)徑DL為145 mm 的夾套，與主筒體形成液相射流分布室。氣體旋流頭采用常規(guī)旋風(fēng)分離器螺旋進(jìn)口封頭，其進(jìn)口尺寸（a×b）為23 mm×45 mm[8]。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由WSA、液體貯槽、液體循環(huán)泵、風(fēng)機(jī)、篩板式氣液分離器及系統(tǒng)測(cè)試配套的氣液流量計(jì)、U 形壓差計(jì)等組成，如圖1所示。WSA、貯液槽和氣液分離器等實(shí)驗(yàn)裝置均采用PVC 材料制成。通過制作帶有不同直徑和長度的中心排氣管的旋流頭優(yōu)化WSA 的中心排氣管直徑De及其插入深度S。Elsayed等[16]通過研究De等旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其氣相壓降的影響發(fā)現(xiàn)，旋流器的De應(yīng)選擇與旋流器直徑D之比De/D為0.487時(shí)才具有最低的壓降效果。為此，本研究中De和S的取值設(shè)計(jì)見表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置（a）與WSA 結(jié)構(gòu)（b）Fig.1 Flow diagram of experimental setup (a) and WSA configuration (b)

表1 WSA 中心排氣管直徑和插入深度實(shí)驗(yàn)取值Table 1 Structural parameters of water-sparged aerocyclone (WSA)

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先配制12.5 L 以游離態(tài)的氨或銨離子等形式存在的氮的濃度（即氨氮濃度）約為3400 mg·L-1的氨水溶液，加入80 ml 3 mol·L-1NaOH溶液保持吹脫過程中廢水pH≥11。將含氨廢水倒入WSA 貯液槽中，先開啟循環(huán)液泵，調(diào)節(jié)循環(huán)液速至1.40 m·s-1，穩(wěn)定10 min 后取初始樣。然后打開風(fēng)機(jī)開始脫氨實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)WSA 液相出口底閥使得WSA 底部具有一定液位高度以實(shí)現(xiàn)液封，旋流氣體主要通過反向渦旋從中心排氣管排出，并保持實(shí)驗(yàn)過程中的廢水回流比RL大致相同（RL=Ql/Q，Ql為從氣液分離器中回流到貯液槽中的廢水流量，Q為廢水循環(huán)流量）。實(shí)驗(yàn)過程中每隔一定時(shí)間取樣一次，樣品的氨氮濃度采用納氏試劑比色法測(cè)定（HJ 535—2009）。實(shí)驗(yàn)采用間歇式操作，相同條件實(shí)驗(yàn)重復(fù)兩次，結(jié)果采用平均值。實(shí)驗(yàn)過程中控制空氣環(huán)境溫度為20℃，考察WSA 的De及其S對(duì)脫氨體積傳質(zhì)系數(shù)KLa以及氣相壓降Δp的影響。

1.3 體積傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算

吹脫法脫氮的效率主要受氣液傳質(zhì)過程和NH3/NH+4電離平衡影響。當(dāng)吹脫過程中廢水pH 保持在11 及以上時(shí)，游離氨含量可達(dá)99%以上，而且溫度對(duì)氨電離的影響很小[15,17]。此時(shí)可以消除NH3/NH+4的電離平衡對(duì)吹脫過程的影響，吹脫效果只取決于氣液傳質(zhì)性能，廢水脫氨過程的體積傳質(zhì)系數(shù)KLa與廢水中氨氮濃度符合式(1)[10,15]

式中，c0(CH3-N)和ct(NH3-N)分別為比色法測(cè)得的廢水中初始和t時(shí)刻的氨氮濃度，mg·L-1；KLa為吹脫過程中的體積傳質(zhì)系數(shù)，min-1；t為吹脫時(shí)間，min。

2 結(jié)果與討論

前期研究表明[5,14]，WSA 中氣液有效傳質(zhì)面積a和脫氨體積傳質(zhì)系數(shù)KLa隨射流流速UL增大而增大。因此，在本研究中選擇射流流速為1.40 m·s-1，考察了De和S對(duì)WSA 脫氨傳質(zhì)性能的影響。

2.1 中心排氣管直徑De 對(duì)脫氨傳質(zhì)性能和氣相壓降的影響

采用不同De的WSA 進(jìn)行吹脫氨實(shí)驗(yàn)研究，氨氮濃度隨時(shí)間的變化如圖2所示。將這些動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用式(1)進(jìn)行線性擬合，擬合直線線性較好，相關(guān)系數(shù)R2可達(dá)0.99 以上，如圖2中的插圖所示，其中擬合直線的斜率是脫氨的體積傳質(zhì)系數(shù)KLa值。在不同的進(jìn)口氣速下De對(duì)KLa值的影響規(guī)律總結(jié)如圖3(a)所示。

由圖可知，當(dāng)De由53 mm 減小為32 mm，即De/D由0.53 減小至0.32 時(shí)，KLa值增大，而且隨著進(jìn)口氣速的增大，增大的趨勢(shì)越加明顯。在較低氣速下，即Ug為10.58 m·s-1時(shí)，De的減小對(duì)KLa值影響不明顯；但隨著Ug增大并超過21.16 m·s-1時(shí)，隨著De的減小，KLa值出現(xiàn)較大幅度的增大。這主要是由于當(dāng)De減小時(shí)旋流器中的切向速度和軸向速度增大[18-19]，這有利于氣液兩相的激烈的相互作用，使液相射流易于發(fā)生破碎和霧化，有效相界面積和表面更新速度加快，傳質(zhì)性能提高。Elsayed 等[18]研究表明，對(duì)于單純的旋風(fēng)分離器，De降低40%，最大切向速度增大25%；De的降低還會(huì)導(dǎo)致旋流器內(nèi)的軸向速度分布流場(chǎng)由倒W 形向倒V 形轉(zhuǎn)變，使最大軸向速度增大73%，而這一點(diǎn)也被高翠芝等[20]的研究證實(shí)。其次，De的減小會(huì)導(dǎo)致中心排氣管入口區(qū)域的零軸速邊界分布收縮，流場(chǎng)穩(wěn)定性更好[21]。De的減小對(duì)于氣體旋流場(chǎng)的這些作用有利于增強(qiáng)WSA 內(nèi)旋流氣場(chǎng)對(duì)液相射流的霧化作用，從而增強(qiáng)兩相間的傳質(zhì)作用。而De的增大反而導(dǎo)致軸向速度滯流區(qū)域增大，中心軸向速度不斷減小，甚至出現(xiàn)倒流[18,20]，這會(huì)削弱WSA 內(nèi)旋流氣場(chǎng)對(duì)液相射流的分散霧化作用，KLa值出現(xiàn)降低。此外，De的增大會(huì)壓縮WSA 內(nèi)氣液作用的環(huán)隙空間體積，不利于液相射流與旋轉(zhuǎn)氣流的充分碰撞、作用和霧化，也會(huì)使傳質(zhì)性能降低。

圖2 不同中心排氣管直徑的WSA 中脫氨過程濃度隨時(shí)間的變化Fig.2 Change of ammonia concentration with stripping time using WSA with different vortex finder diameter

De對(duì)Δp的影響規(guī)律如圖3(b)所示。從圖中可以看出，Δp隨De減小一直增大。當(dāng)De為32 mm時(shí)，Δp隨進(jìn)口氣速增大迅速增大，能量損失巨大，尤其是進(jìn)口氣速達(dá)到其最大值28.57 m·s-1時(shí)，Δp可達(dá)8000 Pa 以上。WSA 中的氣相壓降損失主要由旋風(fēng)口進(jìn)口損失、WSA 主筒體內(nèi)氣液作用損失和中心排氣管進(jìn)口及其內(nèi)部損失3 部分組成[22]。當(dāng)De減小時(shí)，中心排氣管收窄，通過排氣管的氣體流速增大，排氣管進(jìn)口及其內(nèi)部壓降損失增大，導(dǎo)致Δp增大，而這部分壓降損失對(duì)總壓降損失貢獻(xiàn)很大[23]。當(dāng)De減小時(shí)，如上所述，WSA 內(nèi)的流場(chǎng)發(fā)生改變，軸向和切向速度增大，氣液作用加劇，壓降損失增大，這一點(diǎn)也被早期研究發(fā)現(xiàn)的傳質(zhì)性能和壓降變化一致的結(jié)果證實(shí)[15]，即傳質(zhì)性能提高，壓降也會(huì)增大。另外，軸向和切向速度的增大也會(huì)造成摩擦損失增加，這也會(huì)導(dǎo)致氣相壓降急劇增大。

2.2 中心排氣管插入深度S對(duì)脫氨傳質(zhì)性能和氣相壓降的影響

采用不同S的WSA 進(jìn)行吹脫氨時(shí)氨氮濃度隨時(shí)間的變化如圖4所示。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用式（1）進(jìn)行線性擬合可得KLa值，S對(duì)KLa和Δp的影響變化規(guī)律總結(jié)如圖5所示。

由圖可知，與De的影響相比，S對(duì)KLa和Δp的影響較小。當(dāng)S由210 mm 增大為420 mm 時(shí)（即S/H由0.47 增大至0.93），KLa和Δp也隨之增大，而且隨著進(jìn)口氣速的增大，增大的幅度增加。這可能主要由于S增大，旋流器內(nèi)的切向速度明顯增大，而且旋流器中心區(qū)域的軸向速度也會(huì)增大[24]，從而有利于氣相旋流和液相射流之間的激烈作用，KLa值增大。其次，S的增大會(huì)降低WSA 中流場(chǎng)“短路流”的發(fā)生[25]，有利于氣液兩相充分作用，也會(huì)導(dǎo)致KLa值增大。對(duì)于WSA 而言，S的增大會(huì)增加空氣旋流場(chǎng)的超重力作用的軸向距離，延長氣液作用時(shí)間，這也會(huì)導(dǎo)致WSA 的氣液傳質(zhì)性能提高。

但與此同時(shí)，隨著S的增大，Δp也隨之增大。這是因?yàn)椋?dāng)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同時(shí)，S的增大會(huì)導(dǎo)致旋流氣體在中心排氣管內(nèi)外表面的摩擦等引起的靜壓損失增大[24]，同時(shí)也延長了WSA 主筒體內(nèi)氣液作用的空間距離，阻力損失也會(huì)增大，當(dāng)然旋流器內(nèi)切向和軸向速度的增大以及旋流空氣軸向作用距離加大等原因?qū)е碌臍庖鹤饔酶觿×?，也?huì)導(dǎo)致旋流空氣的能量損失增大，最終都會(huì)導(dǎo)致Δp的增大。

2.3 中心排氣管直徑與插入深度的設(shè)計(jì)取值討論

圖3 中心排氣管直徑對(duì)脫氨傳質(zhì)系數(shù)KLa（a）和氣相壓降Δp（b）的影響Fig.3 Effect of vortex finder diameters of WSA on volumetric mass transfer coefficient KLa (a) and gas pressure drop (b)

圖4 不同中心排氣管插入深度的WSA 中脫氨過程濃度隨時(shí)間的變化Fig.4 Change of ammonia concentration with stripping time using WSA with different vortex finder length

由前面的分析可知，De的降低及S的增大都 會(huì)導(dǎo)致KLa值增大，但隨著De的降低及S的增大，WSA 的傳質(zhì)性能不會(huì)一直提高。De的降低會(huì)導(dǎo)致管道阻力的增大，進(jìn)口氣速無法持續(xù)增加，而S最大只能達(dá)到S/H為1。De降低及S增大，氣相壓降也隨之增大，這使得WSA 中的氣液相間傳質(zhì)過程的能耗增大。那么，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度深入分析中心排氣管直徑與插入深度對(duì)于過程能耗與傳質(zhì)性能的綜合作用效果，顯然對(duì)于其設(shè)計(jì)取值具有重要的參考價(jià)值。為此，本研究提出一個(gè)將過程能耗與傳質(zhì)性能相結(jié)合的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即壓降效率ηp，定義為單位壓降作用下產(chǎn)生的傳質(zhì)系數(shù)，如式(2)所示。

圖5 中心排氣管插入深度對(duì)脫氨傳質(zhì)系數(shù)(a)和氣相壓降(b)的影響Fig.5 Effect of vortex finder length of WSA on volumetric mass transfer coefficient KLa (a) and gas pressure drop(b)

圖6 中心排氣管直徑（a）和插入深度（b）對(duì)單位壓降的傳質(zhì)效率ηp 的影響Fig.6 Effect of vortex finder diameters (a) and length (b) of WSA on mass transfer efficiency per pressure drop (ηp)

不同中心排氣管直徑和插入深度下的WSA 吹脫氨的ηp結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，隨著De的增大，綜合能效指標(biāo)ηp一直趨于增大。由圖3(a)中的KLa值變化規(guī)律可知，當(dāng)進(jìn)口氣速Ug≤21.16 m·s-1時(shí)，De/D由0.32 增大至0.53，由此造成的氣液傳質(zhì)性能的變化并不是特別明顯；當(dāng)進(jìn)口氣速繼續(xù)增大至26.45 m·s-1及以上時(shí)，De/D的增大導(dǎo)致KLa值平均降低了約10%左右。但與此同時(shí)，圖3(b)的Δp值變化規(guī)律顯示過程中的壓降也降低了45%以上。具有較低De/D的WSA 的氣相阻力和壓降都很大，而且由于巨大的阻力作用，實(shí)驗(yàn)條件下De/D為0.32 的WSA 進(jìn)口氣速只能達(dá)到28.57 m·s-1，使旋流器的應(yīng)用受到很大限制。結(jié)合圖6(a)的結(jié)果，綜合考慮能效關(guān)系，WSA 的De/D 適宜取值為0.42～0.53，才既具有較高的氣液傳質(zhì)性能，氣相壓降的阻力損失又較低，能效比較高。

S對(duì)ηp的影響略小于De的影響。由圖6(b)可知，在10.58 m·s-1的低氣速下，當(dāng)S/H由0.47 增大至0.71 時(shí)ηp值略有下降，繼續(xù)增大S/H為0.93時(shí)ηp值有較大幅度降低；而其他較高氣速下（≥15.87 m·s-1），ηp值均出現(xiàn)先略有增大后明顯降低的變化規(guī)律。由此可知，S存在一個(gè)較適宜的值為S/H=0.71，此時(shí)既具有適宜的傳質(zhì)性能，氣相壓降損失又較低，這也同傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器排氣管插入深度存在較優(yōu)值才具有較好能效的結(jié)果相一致[25]。

3 結(jié) 論

本工作研究了水力噴射空氣旋流器（WSA）的中心排氣管直徑和插入深度對(duì)脫氨傳質(zhì)性能和氣相壓降的影響。研究表明，隨著中心排氣管直徑的增大，WSA 的脫氨傳質(zhì)性能降低，但氣相壓降反映的能耗也降低，綜合考慮能耗和傳質(zhì)性能，中心排氣管直徑De和WSA 直徑D之比（De/D）宜為0.42～0.53；WSA 脫氨傳質(zhì)性能和氣相壓降均隨中心排氣管插入深度增大而增大，WSA 設(shè)計(jì)時(shí)較適宜的中心排氣管插入深度S與WSA 筒體長度H之比（S/H）約為0.70。

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