一種增大氣液傳質(zhì)界面途徑的探討

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(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

氣液傳質(zhì)的性能由許多因素決定，本文主要介紹氣液接觸面積的影響。現(xiàn)實(shí)工程中，主要有兩種類型的氣液傳質(zhì)設(shè)備：一種是裝有填料、絲網(wǎng)等媒介的填料塔；另一種是篩板、浮閥等板式氣液傳質(zhì)塔。前者是借助媒介的表面面積，實(shí)現(xiàn)氣液傳質(zhì)，依賴于媒介，故在此稱為媒介間接法；后者是利用開孔或浮閥將氣體分散而與液體直接接觸，不再依賴于其他媒介，故在此稱為直接法。

本文研究和分析了直接法的氣液傳質(zhì)的情況，基于表面張力的原因，氣體在液相中呈氣泡狀，可視為近似于球體。在球體中間的大量氣體分子沒有與球面上的液體接觸，而不能發(fā)生作用，因而效率較低。要想提高效率，就需要更多的氣體分子分布到球面上，也就是說要提高單位體積的球表面積。在單位體積內(nèi)，存在著最大內(nèi)切球，同時(shí)也可以將該單位體積分成若干微小的單位體，每個(gè)微小單位體亦存在最大內(nèi)切微小球。比較單位體內(nèi)切球表面與若干微小內(nèi)切球表面積之和的大小，不難發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律：隨著微小單位體數(shù)量的增多，微小內(nèi)切球表面積之和越大，可以遠(yuǎn)超單位體內(nèi)切球表面積，這就為有效增大傳質(zhì)界面提供了一種途徑。

1 常用設(shè)計(jì)

篩板板式塔，通常設(shè)計(jì)的開孔直徑為4、6、8mm，開孔區(qū)在受液槽與降液管之間，其液體從受液槽經(jīng)溢流堰，橫向流過開孔區(qū)，氣體經(jīng)板上小孔上升與液體產(chǎn)生接觸。此后，液體流到降液管進(jìn)入下一塊板。開孔的面積總和與開孔區(qū)面積之比稱為開孔率，通常為5%～15%，篩孔按正三角形排列，孔間距與孔徑之比通常為2.5～5。篩板塔結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)效率高于泡罩塔[1]；在相同處理量條件下，篩板塔比浮閥塔的造價(jià)低20%左右[2]。由此可見，篩板塔效率高，成本低，結(jié)構(gòu)簡單。為方便研究，以篩板塔作為本文研究對(duì)象的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。

2 提高效率的設(shè)想

在單位正四方體內(nèi)，可以得到一個(gè)最大的內(nèi)切球，若將該四方體各邊等分切分出n份，可以得到許多小四方體，每個(gè)小四方體內(nèi)都有一個(gè)最大的內(nèi)切球，且內(nèi)切球大小是相等的，通過將大的內(nèi)切球表面積與全部小內(nèi)切球表面積之和相比較，就可以得出哪種情況的表面積更大，從而得出更加高效的氣液傳質(zhì)途徑。

為研究方便，考慮長、寬、高均為A的正四方體，對(duì)應(yīng)可得一個(gè)最大的內(nèi)切球(圖1)，其球半徑為R。將該正四方體沿X、Y、Z方向上分別進(jìn)行n等分，可以得到n3個(gè)小四方體，其小四方體長、寬、高均為A/n(圖2)。每個(gè)小四方體內(nèi)切球半徑為r，則沿X、Y、Z軸中任一軸，有2R=2r×n，得到R=r×n。

圖1 最大內(nèi)切球示意

2.1 單球的表面積及計(jì)算

假設(shè)孔板上開孔形成氣泡，其直徑為2R，可得氣泡的表面積為As=4πR2。當(dāng)單位正方體邊長為2R時(shí)，即n=1，單位正方體內(nèi)僅有1個(gè)直徑為2R的球體(見圖1)。

2.2 多球體數(shù)量及總界面計(jì)算

將上述單位正四方體分成n3個(gè)小四方體，假設(shè)邊長為2r，則一共n3個(gè)小球體，其總表面積An=4πr2n3(見圖2)。

圖2 正方體n等分示意

2.3 比較結(jié)果

可以將R=r×n代入2.2節(jié)中總表面積公式，

An=4πr2n3=4πr2(R/r)3=4πR3/r

=4πR2×R/r=AS×R/r

上式表明，兩者間存在倍數(shù)關(guān)系，R/r的倍數(shù)值計(jì)算見表1。

表1 R/r的倍數(shù)值

由表1可知，當(dāng)r越小，單位體積內(nèi)總的球表面積就越大。通過一個(gè)具體例子進(jìn)行比較，看看其結(jié)果。

例子：塔徑為D=600mm，開孔率為15%，開孔直徑為2R=4mm。假設(shè)滿塔開孔，其開孔面積為：

F=π(D/2)2×15% =0.3×0.3π×15%≈0.042 39m2

開孔數(shù)量n=F/(πr2)=0.042 39/(π×0.002×0.002)≈3 375

產(chǎn)生氣泡的總面積為：As′=n×As=3375×4×π×0.002×0.002≈0.169 56m2

采用微小氣泡2r=0.3時(shí)，從表1中可知，倍數(shù)R/r=13.3，氣泡總表面積為：

An=13.3×As′=13.3×0.169 56≈2.255 15m2

2.4 適合的微小孔徑確定

在微小孔的選擇上，除了考慮孔徑的大小，還應(yīng)考慮孔間距、制造難度和使用壽命的問題。

如圖3所示：孔間距為T，孔間尺寸為t，孔徑為d，故一個(gè)孔單位T=d+t。根據(jù)現(xiàn)有制造水平和能力，人為確定t后，選擇不同的孔徑d，就可以確定單位微小孔需要的空間尺寸T，從而推出總孔數(shù)量。

圖3

在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮在選取微小孔徑的范圍和對(duì)應(yīng)分隔區(qū)間t的尺寸范圍，以滿足強(qiáng)度要求，通常采用耐腐蝕金屬材料，如各類不銹鋼或陶瓷材料，實(shí)現(xiàn)長周期運(yùn)行。

2.5 塔板的設(shè)計(jì)與制造

確定適合的孔徑以后，可以按照密集有序的排列方式對(duì)塔板進(jìn)行微小孔布置設(shè)計(jì)。通?？梢园凑叫位蛉切闻帕胁伎祝诒“宀牧仙霞庸ば】椎墓に囈逊浅３墒?，制造商采用常規(guī)的滾壓加工手段，可以做到單孔直徑500μm左右或更小。同類型的工業(yè)產(chǎn)品，已經(jīng)在市面上有供應(yīng)。如果采用數(shù)字激光打孔機(jī)可以做到單孔幾十微米的孔徑，甚至更小，而且程序控制進(jìn)行加工的精度相當(dāng)高。

另一種方式是采用無序排列微小孔板，最常見的是瓷性材料的微小孔板或微小管材，如煤氣化中除灰用管芯。

塔板采用微小孔材料或加工成微小孔塔板，在很小的壓差下，一定流量的氣體經(jīng)有序或是無序排布的微小孔分布器，被分散進(jìn)入板上的液層，而產(chǎn)生微小球。選擇合適的微小孔排布及制造方式，可以相應(yīng)地增大氣液接觸面積，提高氣液傳質(zhì)效率。

3 應(yīng)用意義

目前，該技術(shù)處于實(shí)驗(yàn)研究階段，試驗(yàn)效果比較樂觀，工程化的應(yīng)用將為期不遠(yuǎn)。

基于微小球的表面積總和與常規(guī)的單球表面的倍數(shù)關(guān)系，將其用來解決提升氣液傳質(zhì)的效率問題，產(chǎn)生氣泡微小化是發(fā)展趨勢，可設(shè)計(jì)出新型的氣液傳質(zhì)設(shè)備，解決溶液吸收的問題，替代現(xiàn)有填料塔和板式塔。也可以用于氣液或液液間發(fā)生反應(yīng)的場合，隨著微小化所帶來的接觸面積的大幅增加而有力提升反應(yīng)的效率，可設(shè)計(jì)出尺寸更小和能力更大的新型反應(yīng)器，故而提高反應(yīng)效率，如代替易分層液攪拌反應(yīng)設(shè)備。

該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，新理念服務(wù)于化工領(lǐng)域，會(huì)帶來化工傳質(zhì)和反應(yīng)設(shè)備的升級(jí)換代。

4 結(jié)語

本文以篩板塔為標(biāo)比對(duì)象，將常規(guī)開孔與微小開孔情況下產(chǎn)生的總氣液傳質(zhì)面積進(jìn)行對(duì)比，論證在同等開孔率的前提下，微小孔的總傳質(zhì)表面積遠(yuǎn)高于常規(guī)開孔的總傳質(zhì)表面的結(jié)果，為此類設(shè)備增大氣液直接傳質(zhì)界面提供了一個(gè)新的途徑，對(duì)氣液傳質(zhì)或液液接觸面反應(yīng)的關(guān)鍵化工裝備的升級(jí)換代，具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李群生.高效導(dǎo)向篩板塔的研究及其在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].維綸通訊，2005，25(1)：35-37.

[2]劉平望.篩板塔的性能與設(shè)計(jì)[J].煉油設(shè)計(jì)，1999，29(2)：14-16.