錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床的質(zhì)、熱同傳性能及傳熱機(jī)理研究

郭達(dá)，祁貴生，劉有智，焦緯洲，閆文超，高雨松

（中北大學(xué)山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心，山西太原030051）

引 言

超重力技術(shù)是一種新型的化工過程強(qiáng)化技術(shù)，在超重力場中，高速旋轉(zhuǎn)的填料可將液體剪切成較小的液滴，增大了氣液相際接觸面積，可實(shí)現(xiàn)氣液兩相直接接觸混合，強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)過程[1-4]，已應(yīng)用于除塵[5]、脫硫[6]、脫硝[7]、碳捕集[8]、工業(yè)廢水處理[9-10]和納米材料制備[11-12]等應(yīng)用基礎(chǔ)研究。與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，超重力旋轉(zhuǎn)填料床具有更高效的傳質(zhì)、傳熱效果，沒有表面結(jié)垢、可在低溫操作等優(yōu)勢[13]。盡管在這一領(lǐng)域開展了大量的研究活動，但學(xué)者的注意力仍停留在旋轉(zhuǎn)填料床的傳質(zhì)特性上，其傳熱性能的研究相對較少。

徐春艷等[14-15]、李艷等[16-18]采用熱空氣-冷水體系在逆流旋轉(zhuǎn)填料床進(jìn)行傳熱研究，證明旋轉(zhuǎn)填料床存在端效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)隨轉(zhuǎn)速、氣量、液量的增大呈數(shù)量級增大，并推導(dǎo)出傳熱系數(shù)與操作參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)式，關(guān)聯(lián)式相關(guān)性較好，實(shí)驗(yàn)值與理論值偏差在15%以內(nèi)。李正林等[19]對定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器傳熱特性進(jìn)行研究，通過因次分析法推導(dǎo)出該反應(yīng)器總傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式。鄧先和等[20-21]采用熱空氣-冷水體系在多級霧化旋轉(zhuǎn)填料床進(jìn)行傳熱研究，建立了多級霧化旋轉(zhuǎn)填料床的傳熱模型和計(jì)算方法。陳海輝等[22]也對多級霧化旋轉(zhuǎn)填料床傳熱性能進(jìn)行研究，利用鄧先和等提出的傳熱模型進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)流型多級霧化旋轉(zhuǎn)填料床強(qiáng)化氣液傳熱機(jī)理是通過液滴霧化增大傳熱面積。鄭奇等[23]采用熱空氣-冷水體系對不同填料結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)填料床傳熱性能進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)絲網(wǎng)填料更適合氣速、液體噴淋密度較大的氣液傳熱過程。錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床因處理量較大而較多應(yīng)用在工業(yè)中[24],而對錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床傳熱過程的研究較少且較為復(fù)雜?；诖?，對錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床傳熱過程中各操作參數(shù)對氣相體積傳質(zhì)系數(shù)、體積傳熱系數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行研究，并探索其傳熱過程機(jī)理。

本文采用熱空氣-氨水體系開展氣液直接接觸式傳熱、傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)，考察錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床質(zhì)、熱同傳過程中進(jìn)氣溫度T、超重力因子β、氣速u、液體噴淋密度q對氣相體積傳質(zhì)系數(shù)kyae、體積傳熱系數(shù)(Ua)s的影響規(guī)律，對比絲網(wǎng)填料和亂堆填料對傳質(zhì)、傳熱的影響；同時(shí)探索旋轉(zhuǎn)填料床內(nèi)傳熱機(jī)理，為錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床內(nèi)傳質(zhì)傳熱以及精餾、吸收、反應(yīng)過程中涉及的傳熱過程提供理論基礎(chǔ)，也為旋轉(zhuǎn)填料床的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)以錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床作為換熱設(shè)備，采用熱空氣-氨水體系，對吹脫氨水的傳質(zhì)、傳熱過程進(jìn)行探究，對比兩種填料的影響，錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床結(jié)構(gòu)參數(shù)及填料規(guī)格見表1。采用在線溫度檢測儀測定其氣液進(jìn)出口處溫度，通過計(jì)算得出體積傳熱系數(shù)；參考中華人民共和國工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)HG1-88-81，采用化學(xué)滴定法測定液體出口氨水濃度，用硫酸吸收法測定氣體中氨濃度[25]。

表1 錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床結(jié)構(gòu)參數(shù)及填料規(guī)格Table 1 Structural parameters of cross-flow rotating packed bed and packing specifications

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

（1）氣速u

在旋轉(zhuǎn)填料床內(nèi)，氣速是指氣體流經(jīng)填料層時(shí)單位時(shí)間單位流通截面通過的氣體體積。由于錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床氣體流通路徑是自下而上穿過填料的，因此其計(jì)算公式為[26]:

（2）液體噴淋密度q

液體噴淋密度是在單位時(shí)間內(nèi)單位流通截面上液體噴淋的體積。在旋轉(zhuǎn)填料床中，液體從液體分布器噴出后到達(dá)填料內(nèi)緣被填料捕獲，在離心力的作用下沿徑向從內(nèi)緣向外緣運(yùn)動。由于液體是徑向流通，流通面積是變化的，因此在計(jì)算旋轉(zhuǎn)填料床內(nèi)液體噴淋密度時(shí)，通常以2πhrˉ作為液體的流通截面積[26-27]，其定義式為：

（3）超重力因子β

超重力因子β是旋轉(zhuǎn)填料床中離心加速度與重力加速度g（9.81 m/s2）的比值。在式(3)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或半徑來改變超重力場。

由于超重力場強(qiáng)度沿徑向存在一定的分布，通常用平均超重力因子來描述從內(nèi)半徑到外半徑的超重力強(qiáng)度。實(shí)際上，超重力場具有立體結(jié)構(gòu)分布場的性質(zhì)，當(dāng)轉(zhuǎn)子的調(diào)料在軸向均勻分布時(shí)，則被視為平面分布，超重力場強(qiáng)度的平均值就是其面積平均值，見式(4)。文中所提到的超重力因子均指平均超重力因子，用β表示。

（4）氣相體積傳質(zhì)系數(shù)kyae

對于以氣膜控制傳質(zhì)過程的空氣吹脫含氨富液計(jì)算氣相體積傳質(zhì)系數(shù)kya，一般采用對數(shù)平均濃度差法[29-30]，即式(5)、式(6)。

（5）體積傳熱系數(shù)(Ua)s

(Ua)s的計(jì)算如式(7)所示[13]：

（6）傳熱效率ε

傳熱效率為實(shí)際傳熱量和理論上最大可能傳熱量之比，通常用于評價(jià)換熱器傳熱性能的高低。故用傳熱效率為表征參數(shù)來考察錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床的傳熱效果[31]，計(jì)算如式(9)所示：

（7）有效比界面面積ae

旋轉(zhuǎn)填料床有效比界面面積的計(jì)算如式(10)所示[32]：

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)所用的空氣由羅茨風(fēng)機(jī)供給，風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量通過氣體流量計(jì)上控制閥的開度調(diào)節(jié)，由轉(zhuǎn)子流量計(jì)準(zhǔn)確讀出進(jìn)氣量，隨后空氣進(jìn)入空氣加熱器，被加熱至設(shè)定溫度后輸送至錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床中。在旋轉(zhuǎn)填料床進(jìn)氣后，氨水由離心泵輸送至錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床中，高速旋轉(zhuǎn)的填料將其撕裂成液絲、液滴、液膜，在離心力的作用下沿徑向通過填料層與空氣錯(cuò)流接觸，由液體出口排入到廢液槽中。在液體進(jìn)口和出口分別設(shè)置檢測口。

圖1 錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床傳熱實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Flow chart of heat transfer experiment in cross-flow rotating packed bed

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)氣溫度對kyae、（Ua）s的影響

固定超重力因子57.92，氣速0.244 m/s，液體噴淋密度1.181 m3/(m2·h)，液體進(jìn)口溫度20℃，進(jìn)氣溫度T對兩種填料的氣相體積傳質(zhì)系數(shù)kyae、體積傳熱系數(shù)(Ua)s的影響如圖2所示。由圖可知，T對兩種填料的kyae、(Ua)s的影響趨勢相同，kyae、(Ua)s隨T的升高顯著增大。對絲網(wǎng)填料，當(dāng)T為120℃時(shí)，出口氨水溫度為33℃，出口氨氣溫度為34℃，(Ua)s為1.23 kW/(m3·K)，kyae為79.76 mol/(m3·s)；對亂堆填料，出口氨水溫度為32℃，出口氨氣溫度為36℃，(Ua)s為1.01 kW/(m3·K)，kyae為69.39 mol/(m3·s)。熱量傳遞過程中，升高T使氣液接觸時(shí)熱量從氣相向液相傳遞，液體獲得顯熱又以潛熱的形式由水汽化返回氣相，氣體出口溫度變化不大，溫差較大，因此提高T有利于流體間的傳熱過程。在質(zhì)量傳遞過程中，氨水中的游離氨被空氣吹脫至空氣中，質(zhì)量由液相向氣相傳遞。傳質(zhì)過程伴隨著傳熱過程，吹脫后氨水的溫度升高，氨在水中的溶解度下降，因此提高T有利于傳熱、傳質(zhì)（吹脫）過程。

圖2 進(jìn)氣溫度對kyae和(Ua)s的影響Fig.2 Effect of inlet temperature on kyae and(Ua)s

絲網(wǎng)填料的傳質(zhì)和傳熱性能均優(yōu)于亂堆填料，kyae為亂堆填料的1.22～1.32 倍，(Ua)s為1.24～3.22倍。這是因?yàn)榻z網(wǎng)填料對液體的剪切作用更強(qiáng)，減小液膜厚度，同時(shí)也具有較大的比表面積，更好地捕集液體，更有利于傳質(zhì)傳熱過程。當(dāng)進(jìn)氣溫度T為30～70℃時(shí)，絲網(wǎng)填料的(Ua)s為亂堆的2.42～3.22倍；在T為100～120℃時(shí)，亂堆填料的(Ua)s趨近絲網(wǎng)填料，絲網(wǎng)填料的(Ua)s約為亂堆的1.22 倍，說明進(jìn)氣溫度較高時(shí)傳熱效果受填料的影響較小。這是因?yàn)檫M(jìn)氣溫度在100℃以上時(shí)，部分液體汽化使液滴減少，填料對液滴的捕捉性能下降，絲網(wǎng)填料不能發(fā)揮其高比表面積，因此兩種填料的體積傳熱系數(shù)相接近。

2.2 超重力因子對kyae、（Ua）s的影響

固定進(jìn)氣溫度120℃，氣速0.244 m/s，液體噴淋密度1.181 m3/(m2·h)，超重力因子β對兩種填料的氣相體積傳質(zhì)系數(shù)kyae、體積傳熱系數(shù)(Ua)s的影響如圖3 所示。由圖可知，隨著β不斷增大，兩種填料的kyae、(Ua)s均不斷增大；絲網(wǎng)填料的kyae是亂堆填料的1.44～1.63倍，(Ua)s是亂堆填料的1.65～2.64倍。

圖3 超重力因子對kyae和(Ua)s的影響Fig.3 Effect of high gravity factor on kyae and(Ua)s

當(dāng)β在7.73～57.92 時(shí)，兩種填料的kyae、(Ua)s均緩慢增長，β在57.92～69.46時(shí)，兩種填料的kyae、(Ua)s的增長幅度幾乎不變。這是因?yàn)殡S超重力因子的增大，高速旋轉(zhuǎn)的填料會產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力，將液體剪切成更細(xì)小的微元，液相逐漸從連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾?，隨著液相分散程度增大和液滴直徑減小，氣液兩相間的傳質(zhì)、傳熱面積迅速增加；在旋轉(zhuǎn)填料床中，液相沿徑向被不斷地分散-聚合-分散，表面更新的次數(shù)增多，液膜厚度變薄，減小了液膜阻力，同時(shí)氣液兩相的相對運(yùn)動速度提高，湍動程度加劇，進(jìn)而增大了氣液相際接觸概率，增強(qiáng)了kyae和(Ua)s。繼續(xù)增大β，以分散相為主的液相分散程度難以進(jìn)一步提高，即使相對運(yùn)動速度進(jìn)一步加大，液滴直徑縮小，有效比表面積增大，但是有效比表面積的增加幅度和表面更新次數(shù)已受到液相分散程度的限制難以進(jìn)一步提高[33]，也會使液體停留時(shí)間迅速縮短，氣液接觸時(shí)間變短，阻礙了傳質(zhì)傳熱過程。當(dāng)β達(dá)到57.92 后，對傳質(zhì)、傳熱有利和不利的影響相當(dāng)，影響不顯著，因此kyae、(Ua)s增長幅度趨于0，傳質(zhì)傳熱效果增幅幾乎不變。

2.3 氣速對kyae、（Ua）s的影響

固定進(jìn)氣溫度120℃，超重力因子57.92，液體噴淋密度1.181 m3/(m2·h)，氣速u對兩種填料的氣相體積傳質(zhì)系數(shù)kyae、體積傳熱系數(shù)(Ua)s的影響如圖4所示。由圖可知，兩種填料的kyae、(Ua)s均隨u呈線性增大。絲網(wǎng)填料的kyae是亂堆填料的1.3 倍，(Ua)s是亂堆填料的1.53～1.82 倍。兩種填料的kyae均隨u的增大迅速增大；而絲網(wǎng)填料的(Ua)s的增長幅度遠(yuǎn)高于亂堆填料。隨著氣速的增大，氣液比增大，氣液湍動程度加劇，氨水吹脫率高，兩種填料的kyae均增大；絲網(wǎng)填料的(Ua)s遠(yuǎn)大于亂堆填料，說明絲網(wǎng)填料受氣速影響較大，可能是因?yàn)榻z網(wǎng)填料的孔隙率較大，氣體經(jīng)過絲網(wǎng)填料的路徑較為復(fù)雜[24]，可以更好地與附著在絲網(wǎng)填料上的液體微元充分接觸，使(Ua)s迅速增大。

圖4 氣速對kyae和(Ua)s的影響Fig.4 Effect of gas speed on kyae and(Ua)s

2.4 液體噴淋密度對kyae、（Ua）s的影響

固定進(jìn)氣溫度120℃，超重力因子57.92，氣速0.244 m/s，液體噴淋密度對兩種填料的氣相體積傳質(zhì)系數(shù)kyae、體積傳熱系數(shù)(Ua)s的影響如圖5 所示。由圖可知，兩種填料的kyae均隨q的增大而迅速下降，絲網(wǎng)填料的(Ua)s隨q的增大迅速增大，亂堆填料的(Ua)s隨q的增大緩慢增大。這是由于隨著液體噴淋密度增大，氣液比降低，氨水吹脫率降低，兩種填料的kyae均迅速降低；液體噴淋密度增大時(shí)，液膜更新速度及填料表面潤濕程度增大使氣液接觸相際面積增大，兩種填料的(Ua)s均增大。絲網(wǎng)填料的kyae是亂堆填料的1.09～1.44 倍，(Ua)s是亂堆填料的2.98～3.53 倍，絲網(wǎng)填料的傳熱性能優(yōu)于亂堆填料。這是因?yàn)閬y堆填料的比表面積低于絲網(wǎng)填料，對液體的捕集性相對較差，大部分液體被剪切成液體微元后沒有附著在填料上就被甩到填料層外緣，液體不能較好地潤濕填料層，因此亂堆填料的(Ua)s較低。

圖5 液體噴淋密度對kyae和(Ua)s的影響Fig.5 Effect of liquid spray density on kyae and(Ua)s

2.5 操作參數(shù)對傳質(zhì)和傳熱效果的影響

為進(jìn)一步考察錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床的傳質(zhì)、傳熱效果，以傳質(zhì)比表面積和傳熱效率為表征參數(shù)對其進(jìn)行驗(yàn)證。圖6(a)～(c)實(shí)驗(yàn)條件分別與圖3～圖5相同。

由圖6 可知，兩種填料的傳熱效率和有效比表面積均隨β、u和q的增大而增大，說明隨著超重力因子、氣速和液體噴淋密度的增大，會使液滴流速、液膜更新速度和填料的潤濕程度增加，使相間接觸面積增大，從而導(dǎo)致傳遞過程極大強(qiáng)化，提高了有效比表面積。氣相中的熱量迅速向液相傳遞，使傳熱效率增大，傳熱效果明顯提升；絲網(wǎng)填料的傳熱效率比亂堆填料高2%。當(dāng)填料為絲網(wǎng)填料時(shí)，在液體進(jìn)口溫度為20℃、進(jìn)氣溫度為120℃、超重力因子為57.92、氣速為0.244 m/s、液體噴淋密度為1.181 m3/(m2·h)的實(shí)驗(yàn)條件下，氣體出口溫度為34℃，液體出口溫度為33℃，并根據(jù)熱量衡算計(jì)算出在該實(shí)驗(yàn)條件下，若液溫增長13℃，則氣溫需下降78.6℃，實(shí)際上氣溫下降86℃，證明錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床在傳熱過程熱損相對較小。

圖6 各操作參數(shù)對ε和ae的影響Fig.6 Effect of various operating parameters on ε and ae

2.6 傳熱機(jī)理探討

有學(xué)者認(rèn)為旋轉(zhuǎn)填料床提高傳熱效果的原因是傳熱系數(shù)K的提高[17]，也有學(xué)者認(rèn)為提高傳熱效果的原因是液滴霧化導(dǎo)致傳熱面積A的提高[22]，為驗(yàn)證錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床的傳熱機(jī)理，需求出傳熱系數(shù)K和傳熱面積A。鄧先和等[20]提出的傳熱面積的計(jì)算公式涉及液滴停留時(shí)間和液滴直徑，沒有文獻(xiàn)明確報(bào)道液滴停留時(shí)間的計(jì)算公式，代入數(shù)據(jù)后得到A的計(jì)算公式如式(11)所示。式中ω與A成反比與理論相悖，不適于錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床傳熱面積A的計(jì)算。因此本文根據(jù)徐春艷等[14]提出的A的計(jì)算公式(12)進(jìn)行計(jì)算。

2.6.1 數(shù)據(jù)處理方法

（1）傳熱面積A[14]的計(jì)算如式(12)所示：

（2）傳熱系數(shù)K[19]的計(jì)算如式(13)所示：

2.6.2β、u、q對A和K的影響 圖7(a)～(c)實(shí)驗(yàn)條件分別與圖6(a)～(c)的相同。由圖7(a)可知，絲網(wǎng)填料K隨β的增大幾乎不變，亂堆填料的K隨β的增大先增大后不變，兩種填料的A均隨β的增大先增大后不變。對絲網(wǎng)填料，在β較低時(shí)，絲網(wǎng)填料對液體具有較好的捕集性，K隨β的變化甚微；對亂堆填料，當(dāng)β為7.73～30.85 時(shí)，亂堆填料的K逐漸增大，當(dāng)β繼續(xù)增大，K的變化趨勢與絲網(wǎng)填料相同，這是因?yàn)閬y堆填料的孔道較寬，在β較低時(shí)對液體捕集性較差，提高β可彌補(bǔ)這一缺陷。由圖7(b)可知，兩種填料的K均隨u的增大呈下降趨勢，A隨u的增大而增大；這是因?yàn)閷τ跓峥諝?氨水體系而言，增大氣速使氣相體積傳質(zhì)系數(shù)增大，A迅速增大；u的增大會極大地縮短熱空氣在填料層中的停留時(shí)間，雖然A增大，但不能彌補(bǔ)停留時(shí)間短的缺陷，K逐漸降低。由圖7(c)可知，兩種填料的K和A均隨q的增大而增大，這是因?yàn)閝增大，有足夠的冷氨水與熱空氣接觸，雖然氨水在填料層中的停留時(shí)間縮短，但氣液間的更新速率加快，彌補(bǔ)了液滴停留時(shí)間短的缺陷，K和A均增大。

圖7 各操作參數(shù)對K和A的影響Fig.7 Effect of various operating parameters on K and A

由上述可知，雖然K隨β和q的增大呈上升趨勢，但K隨u的增大呈下降趨勢，此時(shí)ε、A和(Ua)s隨β、u、q的增大而顯著增大，傳熱效果有明顯提高，即傳熱效果的提高與K關(guān)聯(lián)不大，可認(rèn)為錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床的機(jī)理是通過提高A進(jìn)而提高(Ua)s而加強(qiáng)了傳熱效果，并不是因?yàn)樘岣吡薑。

2.6.3 傳熱面積A和體積傳熱系數(shù)（Ua）s關(guān)聯(lián)式 研究結(jié)果顯示，A和(Ua)s與超重力因子β、氣速u、噴淋密度q成冪指數(shù)關(guān)系。因此以絲網(wǎng)填料為例，將A和(Ua)s表達(dá)為：

式中，B1、B2、α1、α2、b1、b2、c1、c2為待定系數(shù)。經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)A和(Ua)s分別與各操作參數(shù)的關(guān)聯(lián)式：

其中，A和(Ua)s關(guān)聯(lián)式的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99。根據(jù)線性回歸的結(jié)果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明：在本文實(shí)驗(yàn)條件下，A和(Ua)s關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好（圖8）。

圖8 A和(Ua)s實(shí)驗(yàn)值和擬合值對比曲線Fig.8 Comparison curves of experimental value and calculated value of A and(Ua)s

定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器、逆流旋轉(zhuǎn)填料床的傳熱系數(shù)均隨轉(zhuǎn)速、液體噴淋密度、氣速的升高而緩慢增大，多級霧化旋轉(zhuǎn)填料床的體積傳熱系數(shù)、傳質(zhì)比表面積、傳熱系數(shù)均不隨液量的變化而變化。錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床的體積傳熱系數(shù)、氣相體積傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)比表面積、傳熱面積均隨超重力因子、氣速、液體噴淋密度的增大而增大，傳熱系數(shù)隨β、q的增大而增大，隨u的增大而下降，與定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器、逆流旋轉(zhuǎn)填料床、多級霧化旋轉(zhuǎn)填料床有差異。

3 結(jié) 論

以氨水-熱空氣體系對錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床進(jìn)行質(zhì)、熱同傳性能研究，考察了進(jìn)氣溫度、超重力因子、氣速、液體噴淋密度對氣相體積傳質(zhì)系數(shù)、體積傳熱系數(shù)的影響，對比了絲網(wǎng)填料和亂堆填料的傳熱效果，探討了錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床的傳熱機(jī)理，得出如下結(jié)論。

（1）錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床的氣相體積傳質(zhì)系數(shù)、體積傳熱系數(shù)隨進(jìn)氣溫度、超重力因子、氣速、液體噴淋密度的增大而增大；傳質(zhì)比表面積和傳熱面積隨超重力因子、氣速、液體噴淋密度的增大而增大；傳熱系數(shù)隨超重力因子、液體噴淋密度的增大緩慢增大，隨氣速的增大而降低。

（2）在相同條件下，絲網(wǎng)填料的氣相體積傳質(zhì)系數(shù)是亂堆填料的1.09～1.63倍，體積傳熱系數(shù)是亂堆填料的1.24～3.53倍。

（3）通過計(jì)算傳熱效率得出錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床具有優(yōu)異的傳熱性能，因此錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床可作為直接接觸換熱器使氣液兩相在填料內(nèi)進(jìn)行傳熱過程。

（4）錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床由體積傳熱系數(shù)表示其傳熱性能，其機(jī)理是通過提高傳熱面積進(jìn)而增大體積傳熱系數(shù)提升傳熱性能，而不是顯著提高傳熱系數(shù)。

（5）得出基于實(shí)驗(yàn)的錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床的傳熱面積和體積傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式A= 1.341β0.11923u0.88303q0.80912和(Ua)s= 1.432β0.13693u0.61097q0.87291，經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)證明，此關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好，為錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床的后續(xù)研究提供傳熱基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

符 號 說 明

A——傳熱面積，m2

a——有效比表面積，m2/m3

ae——有效比界面面積，m2/m3

——界面上NH3的平衡濃度，mol/m3

cp——氨水的比熱容，kJ/(kg·℃)

D——NH3在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

G——?dú)怏w流量，m3/s

G0——?dú)怏w摩爾流量，mol/s

h——填料軸高，m

K——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

k——一級反應(yīng)速率常數(shù)，s-1

ky——?dú)庀鄠髻|(zhì)系數(shù)，mol/(m2·s)

L——液體流量，m3/h

N——旋轉(zhuǎn)填料床的轉(zhuǎn)速，r/min

Q——實(shí)際傳熱量，kJ/h

Qmax——理論最大可能傳熱量，kJ/h

q——液體噴淋密度，m3/(m2·h)

r——轉(zhuǎn)子半徑，m

rˉ——轉(zhuǎn)子平均半徑，m

r1,r2——分別為填料內(nèi)徑和外徑，m

T1,T2——分別為熱空氣進(jìn)、出口溫度，℃

t1,t2——分別為氨水進(jìn)、出口溫度，℃

Δtm——對數(shù)平均溫度差，℃

u——?dú)馑?，m/s

Wm——氨水質(zhì)量流量，kg/s

Y1,Y2——分別為旋轉(zhuǎn)填料床進(jìn)、出口氣體中氨氣與空氣的摩爾比

——與旋轉(zhuǎn)填料床出口液體成平衡的進(jìn)口氣體中氨氣與空氣的摩爾比

——與旋轉(zhuǎn)填料床進(jìn)口液體成平衡的出口氣體中氨氣與空氣的摩爾比

ΔYm——對數(shù)平均推動力

y1,y2——分別為NH3在氣體進(jìn)出口的摩爾分?jǐn)?shù)

β——超重力因子

ε——傳熱效率

ρ——氨水密度，kg/m3

ψ——錯(cuò)流床的溫差校正系數(shù)

ω——旋轉(zhuǎn)填料床的角速度，rad/s