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超重力旋转床中气液传质性能的研究进展方健;詹丽;余国贤;路平;晋梅【摘要】Rotating packed bed is a kind of new reaction device in industrial chemistry process ,used the centrifugal force generated by materials filling in high speed rotating to imitate the hypergravity enviro⁃ment ,the liquid contacted reversely with the gas phase at high relative velocity in curving hole of packing bed under the conditions of high dispersion ,high turbulence ,strong mixture and quick renew of inter⁃face ,it strongly intensified the gas-liquid mass transference. Reviewed the influence factors on the effect of gas-liquid mass transference in hypergravity rotating packed bed ,introduced the typical theory on gas-liquid mass transference ,moreover , introduced recent progress of the theory and the model of gas-liquid transference in hypergravity rotating packedbed ,prospected the intensifying technology in this field.%超重力旋转床是一种强化化学工业过程的新型反应器，利用高速旋转填料所产生的离心力来模拟超重力环境，液体在高分散、高湍动、强混合以及界面的快速更新下与气相以极大的相对速度在填料的弯曲孔道中进行逆向接触，极大地强化了气液传质过程而不液泛。
收稿日期：2013－02－28。
作者简介：李振虎（1964—），男，山西万荣人，博士，高级工程师，现从事石油化工的研究开发工作。
并流旋转床压降与传质特性的研究李振虎，郝国均（中国石化北京化工研究院，北京100013）摘要：利用水－空气系统对并流旋转床的气相压降进行了研究，并与逆流旋转床气相压降进行了对比。
研究结果表明：并流较逆流旋转床的气相压降低；并流旋转床的气相压降随气体流量的增大而增大，随液体流量的增大而减小，随转速的增大明显降低；而逆流旋转床的气相压降随转速的增大明显升高。
利用水吸收SO 2的实验对并流旋转床的传质特性进行了研究。
研究结果表明：并流旋转床填料层内各点的体积传质系数随着气体流量、液体流量和转速的增大而增大；填料层半径由70mm 增大至90mm 时，并流旋转床的体积传质系数迅速增大，而后并流旋转床的体积传质系数随半径的增大而减小。
对并流和逆流旋转床填料层内体积传质系数进行了对比。
结果表明：填料层半径由70mm 增大至130mm 时，并流旋转床的体积传质系数较逆流时大；当半径大于130mm 后，逆流旋转床的体积传质系数大于并流旋转床的体积传质系数，且随半径增大而增大。
根据研究结果，提出了降低系统压降的设想，即并流与逆流旋转床串联操作。
关键词：旋转床填料并流逆流压降体积传质系数中图分类号：TQ 028．23文献标识码：A文章编号：1006－7906（2013）03－0049－06Study on pressure drop and mass transfer in cocurrent flow rotating packed bedLI Zhenhu ，HAO Guojun（Beijing Research Institute of Chemical Industry ，Sinopec ，Beijing 100013，China ）Abstract ：The gas pressure drop of the cocurrent flow rotating packed bed （RPB ）using water －air system is studied and compared with that of the countercurrent RPB．The results show that gas pressure drop of the cocurrent flow RPB is lower than countercurrent de-press ；gas pressure drop of the cocurrent flow RPB increases with the increase of the air flow rate and decreases with increase of the liq-uid flow rate ；significantly reduces as the rotor speed increases ，while the gas pressure drop of the countercurrent RPB increases as the speed increases significantly．The mass transfer characteristics of the cocurrent flow RPB is studied through SO 2absorption with cocur-rent flow water．The results show that the volumetric mass transfer coefficient （K L a ）of the cocurrent flow RPB increases as the gas flow rate ，liquid flow rate ，and rotor speed increase．Packed layer radius increases from 70mm to 90mm ，the K L a of the cocurrent flow RPB increases rapidly at first ，and then reduces as the radius increases．Compared with K L a of the countercurrent RPB ，the re-sults show that packed layer radius increases from 70mm to 130mm ，the K L a of the cocurrent flow RPB is larger than that of the coun-tercurrent RPB ；when the radius is larger than 130mm ，the K L a of the countercurrent RPB is greater than that of the cocureent flow RPB as the radius increases．According to the results of this study ，the idea of reducing system pressure drop and cocurrent flow with countercurrent RPB tandem operation is proposed．Key words ：Rotating packed bed ；Packed ；Cocurrent flow ；Countercurrent ；Pressure drop ；Volumetric mass transfer coefficient旋转床（Rotating packed bed ，简称RPB ）是一项新兴的强化传质的技术，在化工、石油化工、环境保护等行业有着广阔的应用前景［1－8］。
超重力旋转填料床中天然气水合物含气量研究超重力旋转填料床中天然气水合物含气量研究2007年第26卷第6期化工进展CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS?853? 超重力旋转填料床中天然气水合物含气量研究刘有智,邢银全,崔磊军(中北大学,山西省超重力化工工程技术研究中心,山西太原030051)摘要:研究了在旋转填料床中制备天然气水合物,主要考察了超重力因子,液气比等因素对含气量的影响.实验结果表明,当在压力5MPa,温度277.15K状态下:含气量随着超重力因子增大而增大,大于120后对含气量的影响不明显;天然气水合物含气量随液气比的增大呈现出先增大后减小的趋势,其最佳液气比为10L/m.结合晶体化学方法探讨了超重力方式合成天然气水合物的机理.与传统方式相比,加快了溶解,成核及生长过程,最终含气量显着提高.关键词:旋转填料床;超重力因子;天然气水合物;含气量中图分类号:TE82-3文献标识码:A文章编号:1000—6613(2007)06—0853—04ExperimentalstudyoncapacityofgashydrateinarotatingpackedbedLIUYouzhi,XINGYinQuan,CUlLeiJun(ResearchCenterofShanxiProvinceforHighGravityChemicalEngineeringandT echnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,Shanxi,China)Abstract:Thepreparationofgashydrateinanovelrotatingpackedbedreactorw asinvestigated.At5MPaand277.15K,theexperimentswereconductedtoexaminetheeffectsofhighgr avityfactors8,liquidtogasratioonthecapacityofgashydrate.Experimentalresultsindicat edthatthecapacityofgashydrateincreasedwithincreasinghighgravityfactors8.However,theeffectw asnotobviousatahighgravityfactorsgreaterthan120.Thecapacityofgashydrateincreasedfirstly withincreasingliquidtogasratio,andthengentlydecreased.Theoptimumprocessconditionswereasfol lows:liquidtogasratioabouti0L/m.Themechanismofhydrateformationbyhighgravitywasstudie dwiththetheoryofparedwiththetraditionalsystem,thehighgravitysyst emacceleratedtheprocessofdissolution,nucleationandcrystalgrowthtoagreatextent,andgascapacit ywasalsosignificantlyincreased.Keywords-rotatingpackedbed.highgravityfactors;gashydrate;gascapacity 水合物是烃类气体和水在低温度和高压力的条件下形成的类笼形结构的冰状晶体,通常称之为笼形水合物(elathratehydrates)?J,具有惊人的吸附(浓缩)气体的能力,理论上单位体积的水合物可吸附180倍左右同单位的气体I2】(标准状态下).因此人们一直尝试用天然气水合物的形式进行天然气的储运和运输.所以解决气体水合物高密度生长的关键技术一直成为业内研究者所关注的焦点J.目前的各种天然气水合物快速生成技术都存在一些缺点:自然静态制备法历时长且含气量低:搅拌法使得釜内气体溶解缓慢,诱导时间增长,水合物成核,生成极为缓慢,反应后期由于上层水合物的覆盖,效果更加微弱,且徒增能耗,反而引导反应负向进行; 喷雾法需要专门设计的喷嘴或喷淋装置且未能及时的排走水合反应生成的热量,从而阻止水合物进一步的生成降低了含气量:气泡法其孔板上的孔径很小,容易在孔板上生成水合物,影响进气,也影响系统的正常运行.Skovborg和Rasmussent41详细地收稿日期2006一l0—23;修改稿日期2007—03—2l. 第一作者简介刘有智(1958一),男,博士生导师,教授,主要从事超重力旋转填料床应用研究.E—mailliuyz@.ca.联系人邢银全,硕士研究生.E—mailqjy8686@.?854?化工进展2007年第26卷分析了Englezos的模型后认为:水合物生成速率并非由水合物的结晶过程所控制,而是由气体从气相主体到液相主体的传质所控制,即水合物生成过程是一个传质现象.所以提高天然气与水的传质速率是提高其含气量和快速生成技术的关键所在. 超重力技术是一种新型强化传递过程的技术, 通过高速旋转的填料产生强大的离心力场模拟超重力环境,气一液,液一液,液一固两相在超重力环境下的多孔介质或孔道中流动接触,巨大的剪切力将液体撕裂成微米至纳米级的液膜,液丝和液滴, 微观混合和传质过程得到极大的强化,单位设备体积的生产效率较传统塔设备可提高1,2个数量级J. 因此,超重力技术可以极大的强化天然气的气液传质速率,提高天然气的含气量,缩短天然气水合物的快速生成时间从而实现天然气水合物的快速生成.由此,作者设计了错流型旋转填料床气液反应的装置,通过实验考察了超重力因子,气液比等因素对含气量的影响后发现该装置能够快速生成高密度的气体水合物,方法高效,简单,能满足实验与生产要求.1实验部分1.1试验材料本实验中所使用的天然气由太原市天然气公司加气站提供,其中的气体成分与质量分数见表1. 十二烷基硫酸钠(SDS)由天津市津东天正精细化学试剂厂生产,其纯度为化学纯,SDS的质量分数为300×10一.本实验中所使用的清水吸收液为普通自来水. 表1实验用天然气主要成分名称质量分数/%81.50.80.41.83.68.44.51.2实验设备及流程实验装置主要有:反应装置的主要核心设备旋转填料床(中北大学山西省超重力工程研究中心研制),流量计(余姚市争环流量仪表有限公司),制冷系统包括制冷压缩机(CAJ4461A型冰箱压缩机),膨胀阀,蒸发器以及循环泵,恒温浴槽,供气系统,供水系统等.旋转填料床壳体内径150iil/n,转子内径50 iilin,转子外径145iilin,轴向有效高度80mm.填料采用不锈钢多孔波纹板规整填料,填料结构尺寸如表2.其设备所用材料为不锈钢材料,最大工作压为20MPa.轴承与填料床之间用机械密封(型号 YS104P,最大工作压10MPa,郑州禹氏橡塑五金有限公司生产).实验流程如图1所示,来自供气系统中的天然气经过减压阀到缓冲罐进行缓冲,然后由压力调节装置并把压力稳定在反应所需的固定值,最后经气体流量计进入旋转填料层底部,天然气由旋转填料床底部沿轴向通过填料层.来自供水系统中的清水在液泵的作用下经转子流量计进入旋转填料床顶部,通过转子中心的液体分布器均匀喷洒在填料层内侧,在离心力作用下沿填料层径向向外侧运动, 与天然气气体错流接触反应.经充分吸收后的液体在重力的作用下沿壁向下流动至旋转填料床底部的反应区,进行成核和晶体生长.反应气和反应水都经循环泵抽出循环使用.控制制冷系统和真空泵控制旋转填料床内的反应温度和压力.表2填料结构特性项目参数填料板材内~klmm外径/mm填料片数/片填料板厚度/mm空隙率/m?m一比表面积/m?m一填装密度/l唱?m-3板间距/mm1.3测试仪器压力测试系统:反应器的压力由压力变送器测量,选用陕西麦克传感器有限公司生产MPM480防爆型压阻式压力变送器,最高工作压力为100MPa, 精度为?0.25%FS;温度测试系统:实验中温度用铠装铂电阻温度计(型号WZPK2103,量程一50,100?,精度?0.1 ?)测量,然后由铂电阻温度变送器变换为数字信 9;3一??一一一第6期刘有智等:超重力旋转填料床中天然气水合物含气量研究.855.图l旋转填料床水合物生成实验示意图1一旋转填料床;2一电机;3一变频器;4一制冷系统;5一供水系统;6一匣温浴槽;7一气体流量计;8一阀门;9一循环泵;1O一液体流量计11一压力测试;12一温度测试;13一供气系统号,输送到控制器进行记录显示.2实验结果及讨论2.1超重力因子的影响在标准状态下,单位体积水合物中所含同单位天然气的体积倍数,称之为含气量(V/V). 超重力因子定义为超重力场下加速度与重力加速度的比值,表达式为co'R8一i—g式中.广重力加速度,m/s.R——转子几何半径,m;超重力因子,量纲为1;?——转子转速,r/s.超重力因子相比于转速则更能表明液体流动的强化程度,其改变是通过控制变频器调节转子转速实现的.图2是在5MPa,277.15K,液气比为10L/m., SDS质量分数为300X10一,反应时间为3h等条件下得到的超重力因子与含气量的关系图. 从图2中可以看出,含气量随着超重力因子图2超重力因子对含气量的影响的增加而增大.这是因为天然气水合物的快速生成受天然气从气相到液相传质的限制,而在高速旋转的填料产生强大的离心力场模拟超重力环境下,液体被撕裂成微米至纳米级的液膜,液丝和液滴,增加了气液接触面积和更新速率,气,液传质得到强化带来水合物生成速率得到较大的提高,水合物在晶核形成以后即开始在整个液相范围内大量生成,整个体系反应较为彻底,最终含气量得以提高, 达到175.1(V/.超重力因子从20增加到150, 含气量从36.01(增加到174.9(V/,提高了77.16%;在20,100时,天然气水合物含气量急剧增加;在100,120时,天然气水合物含气量增加速度放缓;在120,160时,天然气水合物含气量几乎没有什么变化.实验结果表明,超重力因子对含气量的影响非常明显,其最佳值为120左右. 2.2液气比的影响旋转填料床的进液量与进气量的比值称为液气比,其单位为L/Il1j.图3为体系在5MPa,277.15K,反应时间为3h,SDS质量分数为300×10和不同的超重力因子等操作条件下,含气量随液气比的变化关系.液气比几?m,图3液气比对含气量的影响从图3可以看出,含气量随着液气比的增加呈先增大后减小趋势.当液气比为10L/m.时含气量的值最大,达到175.1(v/.当液气比为10,14 L/m时含气量急剧下降,原因可能是:随着液气比的增加,液量增大引起在相同操作条件下的液滴流速,液膜更新速度及填料表面的润湿程度的增大, 强化了气液间的传质速率,从而含气量得以提高. 当液气比大于10L/m时,此时液量过大,填料的液膜厚度大大增加,从而使得气体阻力得到了较大的提升,阻碍了气液间的传质,使气液传质效率急剧下降,所以,试验条件下的最佳液气比为10L/m. 且实验结果还表明,超重力因子在较高的情况下?856?化工进展2007年第26卷(J120)液气比对含气量的影响更加明显. 2.3强化机理分析图4为体系在温度277.15K,超重力因子为 120,液气比10L/m,SDS质量分数为300×10一, 反应时间为3h条件下,超重力旋转填料床中制备的天然气水合物与以不同的其他混合方式制备的水合物的含气量的比较.18O16014og-120008O如6O402OOj盘力/MPa图4不同混合方式下的含气量对比由图4可知,在超重力方式下含气量很大的提高,相对搅拌法,在相同的操作条件下,最终含气量增加25%左右.分析其机理可能是在高速旋转的填料产生强大的离心力作用下,吸收液被填料层撕裂成液膜,液丝和液滴,扩大了气液相接触面积, 克服了在传统合成工艺中的水,气交界面表面张力的限制而影响溶解及成核速率这一不利因素.液相在压力梯度和浓度梯度作用下很快达到饱和,不均匀成核和均匀成核现象在整个液相范围内普遍发生,达到临界大小即开始大量生成水合物.在器壁等散热条件优越的地方水合物往往最先生成,并由此引发其往纵深生长.其次,在成核生长期,由于气液相接触面积极大的扩大,液相中的高溶解度气体分子填充在水合物晶格细胞中的5,5126型空腔都有充足气体分子填充,从而带来了晶格填充率的很大提升,最终含气量也得以提高.3结论(1)超重力技术的高效传质特性可以显着提高天然气水合物的含气量,当在5MPa,277.15K,液气比为10L/m,SDS质量分数为300X10一,反应时间为3h等条件下适宜的超重力因子为120左右. (2)当在5MPa,277.15K,SDS质量分数为300×10一,超重力因子为120,反应时间为3h等条件下含气量随着液气比增大呈先增大后减小趋势,其最佳液气比为10L/m3.(3)超重力法制备天然气水合物机理在于提高了气一液相接触总比表面积,促进了溶解成核过程;优化了传质条件,提高了晶体填充率;通过循环及时排走了反应生成热,有利于晶核成长,最终使含气量(W提高到175.1.参考文献[1]SloanEDJr.ClathateHydramsofNatureGases[M].NewYork:MafcdDekkerInc.,1997.[2]孙志高,樊栓狮,郭开华,等.天然气水合物的研究进展[J】_化工进展,2003,30(1):15—17.[3]石定贤,赵阳升.一种新型的天然气储运技术——NGH[J】.辽宁工程技术大学,2005,24(1):15—18.[41SkovborgP,RasmussenPClathratehydrateofnaturalgases[J】_ ChemicalEngineeringScience,1994,49(8):1131—1143. [5]刁金祥,刘有智,焦纬洲,等.超重力旋转填料床研究应用进展[J】_ 化工生产与技术,2006,16(1):48—51.《《2—l22《22,(上接第852页)[2]HG/T2024--1991.中华人民共和国化工行业标准[S]. [3]雷武,夏明珠,王风云.冷却水系统中阻垢剂性能的评定方法[J]. 化工进展,2002,21f41:275—277.[4]NevilleA,MorizotAP.ACombinedBulkChemistry/electrochemicalApproachtoStudythePrecipitationDepositionandInhibitionofCaCO3[J].ChemicalEngineeringScience,2000,55:4737—4743. 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第50卷第3期2023年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science)Vol.50,No.32023引用格式:赵倩,王峰,白岩,等.旋转填充床运行过程重要参数预警调控模型[J].北京化工大学学报(自然科学版),2023,50(3):83-91.ZHAO Qian,WANG Feng,BAI Yan,et al.An early warning control model for the important parameters of a rotatingpacked bed operation process[J].Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science),2023,50(3):83-91.旋转填充床运行过程重要参数预警调控模型赵 倩1,2 王 峰1* 白 岩1 边 靖1(1.北京化工大学机电工程学院国家级危化品生产系统故障预防及监控基础研究实验室,北京 100029;2.航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司,成都 510100)摘 要:旋转填充床是实现超重力技术的典型过程强化设备㊂物料黏附丝网填料会导致转子质量不平衡振动,严重影响设备传质效率和长周期运行,而控制化学反应工艺参数变化可以延缓黏附和减小振动㊂提出旋转填充床运行过程重要参数调控模型构建方法,通过计算流体动力学模拟,基于正交试验分析多参数变化对目标参数影响的趋势规律,获取影响效应程度排序,并确定构建影响预测模型的关键参数㊂通过Matlab 数据拟合,构建旋转填充床运行过程重要参数预警调控模型㊂以旋转填充床填料持液量和气相压降两个目标参数为例,计算多参数对两目标参数的影响效应程度,拟合建立基于关键参数耦合的持液量和气相压降预警调控模型,揭示多参数变化对两目标参数的影响规律㊂计算预警调控误差概率,提出旋转填充床运行过程重要参数预警调控模型构建方法㊂所得成果的应用将有助于监测预警重要工艺参数,在发现设备异常时及时采取有效调控措施,降低振动效应和物料泄漏概率㊂关键词:计算流体动力学(CFD)模拟;旋转填充床;填料持液量;气相压降中图分类号:TQ021.1 DOI :10.13543/j.bhxbzr.2023.03.010收稿日期:2022-05-10基金项目:国家自然科学基金(51775029);中央高校基本科研业务费(JD2319);中央高校基本科研业务费专项资金(XK2020⁃04);中海油科研合作项目(ZX2022ZCTYF7612)第一作者:女,1997年生,硕士生*通信联系人E⁃mail:wangfeng991@引 言超重力技术作为一种具有代表性的过程强化技术,在材料㊁化工㊁冶金等行业领域得到广泛应用[1-3]㊂旋转填充床是实现超重力技术的典型设备之一,其通过转子高速旋转产生的离心力来模拟超重力场,具有强化微观混合和传质的功能[4-5],能够提高产品质量,降低能耗,且设备体积较小[6-8]㊂然而,物料中一些未反应的和反应生成的固体颗粒会不规律地黏附在旋转填充床正在高速旋转的转子填料上,造成转子质量不平衡,并且不平衡质量会随时间不断变化,从而引发转子剧烈振动㊂而转子作为旋转填充床的核心内构件之一,当其不平衡振动严重时,会频繁挤压摩擦轴承和密封,导致设备损坏和物料泄漏[9-10]㊂转子不平衡质量的产生会影响旋转填充床的运行状态参数变化,进而严重影响设备长周期运行和传质效率㊂控制化学反应工艺参数变化可以延缓黏附和减小振动㊂因此,对旋转填充床运行过程参数进行预警和调控是保障旋转填充床长周期稳定运行的重要途径[11]㊂旋转填充床转子结构复杂,流体流动状况及影响转子质量不平衡的很多参数无法直接测量㊁预警和调控㊂计算流体动力学(CFD)模拟方法因具有信息处理量大㊁成本低㊁易并行化㊁响应快等优势,逐渐成为分析流体流动特征及传质过程的有效工具[12-13]㊂Yang等[14]研究了旋转床内速度场与压力场的分布,发现旋转床内压降随转速的增大而增大,揭示了压力场与速度场的分布规律㊂欧阳毅[15]通过液相的分布㊁演化等瞬态信息,分析了黏度㊁转速和流量对于填料区持液量的影响㊂孙润林等[16]模拟旋转床内的气相流场,分析了气相压力在径向的分布情况㊂然而目前很少有文献结合化学反应和转子动力学,通过调控转子不平衡质量分布来减缓吸附和减小转子机械振动㊂本文基于化学反应和转子动力学的研究成果,利用流体动力学模拟方法,通过正交试验研究多参数变化对目标参数的影响趋势规律,确定构建影响预测模型的关键参数,拟合构建旋转填充床运行过程重要参数的预警调控模型,揭示多参数变化对持液量和气相压降的影响规律㊂由此提出旋转填充床运行过程重要参数预警调控模型构建方法,将有助于监测预警重要工艺参数,在发现异常时及时采取有效措施调控,降低振动效应和物料泄漏概率㊂本文工作由北京化工大学高性能计算平台提供计算服务㊂图1 旋转填充床运行过程重要参数预警调控模型构建方法流程Fig.1 Construction method flow of the early warning controlmodel for the important parameters of the rotating packed bed operation process1 模型构建方法在旋转填充床运行过程中,填料内液膜厚度㊁填料持液量㊁气相压降以及物料停留时间等参数都是衡量旋转填充床性能的重要指标,旋转填充床传质效率的优劣㊁负荷的大小以及操作的稳定性等在很大程度上都取决于这些参数㊂然而,受转速㊁流量及填料孔隙率等多个因素的耦合影响,监测预警单一工艺参数变化并不能实现对这些重要目标参数的调控㊂因此,本文通过正交试验确定影响旋转填充床运行过程中重要目标参数的相关工艺参数,研究多参数耦合对目标参数的影响效应,建立旋转填充床运行过程中工艺参数与目标参数间的经验数据模型,以实现多种工况下旋转填充床运行重要参数的监测预警和调控㊂具体方法流程如图1所示㊂2 旋转填充床CFD 模型构建2.1 反应器流体域模型旋转填充床结构如图2所示㊂旋转填充床的转子由转鼓及内部填料层构成,其壳体内容纳了转子㊁液体分布器㊁迷宫密封㊁传动轴等,壳体外传动轴与电机相连接,壳体上分布有气液相进出口,转子及转子内部丝网填料在电机驱动下高速旋转㊂1 液相进口;2 气体迷宫密封;3 丝网填料;4 液相出口;5 电机;6 传动轴;7 外壳;8 气相进口;9 液体分布器;10 气相出口㊂图2 旋转填充床结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the rotatingpacked bed structure旋转填充床工作时,填料区和外空腔区所在位置为原料的主要流动区域,这两个区域构成流体域㊂建立旋转填充床流场空间的物理模型,如图3所示㊂模型采用非结构网格划分方式,总网格数量为47万,节点数量为12万㊂通过网格无关性验证发现,当网格数量从447935增加到466731时,旋转填充床填料持液量出现小幅变化,数值变化率为1.7%,即网格数量的变化并不影响仿真计算结果㊂2.2 计算模型超重力场条件下合成纳米碳酸钙的过程及工艺研究已较为成熟,为更好地对旋转填充床运行过程中重要参数的预警调控模型进行研究,本文基于不平衡质量的产生原理,选择该过程中流体的流动行为进行分析㊂浆料在此过程中同时含有液相与固相物质,因此采用Eulerian 多相流模型来模拟旋转填充床内气㊁液㊁固三相的流动;浆料中的液相与固相物质均是含有多种物质的混合物,因此采用组分运㊃48㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年图3 旋转填充床流场空间模型Fig.3 Spatial model of the flow field in the rotatingpacked bed输模型;模拟采用瞬态模拟,监测旋转填充床内从浆料喷入到最后稳定的过程㊂相间作用力模型对流动特性结果的影响很大㊂由于曳力对流型的影响远高于其他相间作用力[17],本文考虑将曳力作为唯一的相间作用力,采用默认的Schiler⁃Naumann 模型计算气液两相间的曳力,并对气液两相间的曳力系数进行适当的修正㊂气液两相间曳力模型为[16]f =C D Re 24(1)式中,Re 为雷诺数,C D 为两相间曳力系数,其在不同雷诺数下有不同的取值㊂C D =24(1+0.15Re 0.678)Re ,Re ≤10000.44,Re {>1000(2)连续性方程为[18]∂∂t (αq ρq)+Δ㊃(αq ρq v q )=S p (3)式中,下标q 表示流动中的气相㊁液相与固相,αq 为q 相的体积分数矢量,ρq 为q 相的密度矢量,Δ表示对各矢量做偏导,v q 为q 相的速度矢量,S p 为源项,在本节模拟中此项为0㊂动量方程为[16]∂∂t (αq ρq v q)+Δ㊃(αq ρq v q v q )=-αq Δp +Δ㊃τq +αq ρq g +F q (4)式中,p 为所有相共享的压力,τq 为第q 相的压力应变张量,g 为重力矢量,F q 为外部体积力,表示各相之间的相互作用力㊂组分质量守恒方程为[19]∂(ρC S )∂t+div(ρuC S )=div(D S grad(ρC S ))(5)式中,C S 为混合相中组分S 的体积分数,ρ为混合相中组分S 的质量浓度,u 为混合相中组分S 的速度,D S 为混合相中组分S 的有效扩散系数㊂本文采用Standard k⁃ε模型模拟流体的流动㊂湍动能方程为[19]∂∂t (ρmk )+Δ㊃(ρm v m k )=Δ(㊃μt ,m σkΔ)k+G k ,m -ρm ε(6)湍流耗散方程为[19]∂∂t (ρmε)+Δ㊃(ρm v m )=Δ(㊃μt ,m σεΔ)ε+εk(C 1εG k ,m -C 2ερm ε)(7)式中,ρm 为流体密度,k 为湍动能,v m 为流速,μt ,m 为湍流黏度,G k ,m 为速度梯度产生的湍动能,ε为湍流耗散率,σk ㊁σε㊁C 1ε㊁C 2ε代表模型常数,默认取值为σk =1.0,σε=1.3,C 1ε=1.44,C 2ε=1.92㊂多孔介质是由气体㊁液体或不均匀混合物填充的㊁渗透至多个空隙的固体材料㊂旋转填充床使用不锈钢丝网波纹填料,可近似为多孔结构㊂本文采用多孔介质模型模拟旋转填充床的填料结构,多孔介质模型为[19]S i (=∑j =1D ijμv j+∑3j =1Cij12ρv m v )j(8)式中,S i 为动量方程中的源项,D ij 为黏性阻力系数,D ij =1.71×105,μ为流体黏度,v j 为j 向速度分量,C ij 为惯性阻力系数,C ij =21.66㊂2.3 边界条件与求解过程气相与液相进口均定义为速度进口,需要根据工艺中设定的气液流量来设置进口处速度值㊂通过式(9)计算气液进口管处的湍流强度I ,并根据进口处圆管直径设置水力直径[20]㊂I =0.16Re-18(9)气相和液相出口设置为压力出口,出口压力为大气压;壳体设置为无滑移的固体壁面;填料边界设㊃58㊃第3期 赵 倩等:旋转填充床运行过程重要参数预警调控模型置为旋转运动边界,转轴和旋转方向与多孔介质区域的一致㊂将压力㊁密度㊁动量㊁湍流动能和湍流耗散率松弛因子分别设置为0.3㊁1㊁0.7㊁0.8和0.8,之后进行流场初始化,设置时间步长为0.001s,最多模拟20000步㊂3 基于关键参数耦合的调控模型构建3.1 旋转填充床运行过程中重要参数分析3.1.1 填料持液量图4 旋转填充床液相流场分布Fig.4 Liquid flow field distribution in the rotatingpacked bed旋转填充床流场稳定状态下的液相分布云图如图4(a)所示㊂从图中可以看出,由于重力的作用,液相流体靠近反应器底部㊂液相流体从喷射源进入外腔的流线图如图4(b)所示㊂从图中可以看出,液相从喷射源喷出后由于填料的旋转,流向是弯曲的,同时由于离心力作用,液相流体绕转子周向运动,并在填料内流动,最终从液相出口流出㊂液相在填料区的流动对旋转填充床转子的运行状态有着重要的影响,由于液相在转子上分布不均匀产生瞬时偏心质量,使得转子高速运转时出现偏心扰动,最终导致转子转动失衡㊂本文通过填料持液量来表征旋转填充床转子运行状态参数,持液量过大,转子的负载会增大,将会导致旋转填充床的传动装置负荷增大,严重时会影响设备的正常运行;持液量过小,又无法满足实际生产的需求,会影响传质效率和产品质量㊂3.1.2 气相压降气体压降是衡量旋转填充床性能指标的重要因素,本文对旋转填充床的气相压降性能进行分析㊂旋转填充床气相压力分布云图如图5所示㊂从图中可以看出,气相流体从切向进入反应器内部后,沿着设备径向从气相进口到气相出口的压力值逐渐减小,压力分布均呈中心对称分布,且反应器外腔区域和填料区域内产生了明显的气相压降㊂图5 旋转填充床气相压力分布云图Fig.5 Contours of gas phase pressure distribution in therotating packed bed进一步对不同区域位置处的压降进行研究,并对气相压力值沿旋转填充床径向的分布曲线进行分析,结果如图6所示㊂由图中曲线可以看出,从反应器填料区到外空腔区,填料区内侧压力最小,外空腔区外侧压力最大,压力值随反应器径向厚度的增大而升高㊂填料区域内,旋转填充床压力值从686Pa 增大到6426Pa,压降为5740Pa;外空腔区域内,旋转填充床压力值从6426Pa 增大到9371Pa,压降为2945Pa㊂由此得出,旋转填充床的整床压降为8685Pa,填料区压降占整床压降的66%㊂旋转填充床的压降主要是由离心压降和摩擦压降引起的,离心压降由转子填料旋转产生,摩擦压降由气体在㊃68㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年填料中流动时受到的阻力而产生㊂在离心压降和摩擦压降的共同作用下,填料区压降对整床压降的影响明显㊂本文通过气相压降来表征旋转填充床转子的运行状态参数㊂图6 气相压力值沿旋转填充床径向分布Fig.6 The gas pressure value distributed radiallyalong the rotating packed bed3.2 影响旋转填充床运行过程重要参数的主要因素分析影响旋转填充床填料持液量和气相压降的因素较多,为了进一步分析各因素影响的重要性,需要确定各变量的参数取值范围㊂在旋转填充床实际工况的基础上,选择转速㊁液体流量㊁气体流量㊁孔隙率以及固含率这5个因素进行分析,分别根据实际的工况条件选择4个变量波动值,通过正交试验的方法对模拟数据进行分析㊂以转速㊁液体流量㊁气体流量㊁孔隙率和固含率作为正交试验的5个因素,每个因素取4个水平,因素水平表见表1㊂由于该试验为五因素四水平试验,选择L 16(45)作为试验方案,并根据该方案利用CFD 模拟计算,判断因素的主次顺序㊂表1 因素水平表Table 1 Factor level table水平A 转速/(r ㊃min -1)B 液体流量/(L ㊃h -1)C 气体流量/(L ㊃h -1)D 孔隙率/%E 固含率/%18002001500.6220212003003000.7235316004004500.8250420005006000.92653.2.1 影响填料持液量的主要因素按照五因素四水平正交试验建立因素水平表,共计16组试验,如表2所示㊂提取填料持液量计算结果如表3所示㊂表2 五因素四水平正交试验方案Table 2 Five⁃factor four⁃level orthogonal test scheme试验号水平转速液体流量气体流量孔隙率固含率1111112122223133334144445212346221437234128243219313421032431113312412342131341423144231415432411644132表3 旋转填充床填料持液量正交试验计算结果Table 3 Calculation results of orthogonal tests of the liquidholding capacity of the rotating packed bed试验号填料持液量/%13.4224.2334.2643.8051.2562.6174.6486.47试验号填料持液量/%91.78103.02112.17123.82131.28141.44153.31163.93 使用极差分析法对填料持液量正交试验计算结果进行分析㊂首先得出所有因素下每一水平对应的试验指标值,记各因素m 水平的试验指标之和为K m ,将K m 除以各因素下m 水平的试验组数得到k m ,若找出各因素下数值最大的k 值,则该因素在此水平下对所监测的状态参数影响最显著㊂将每个因素下数值最大的k m 减去数值最小的k m 即可得到极差R ,极差R 值的具体计算公式如式(10)所示㊂R =max(k 1,k 2, ,k m )-min(k 1,k 2, ,k m )(10)依据极差R 值可对各因素的影响作用进行判断,R 值越大,意味着该因素对试验指标的影响作用越明显㊂填料持液量正交试验分析结果如表4所示㊂㊃78㊃第3期 赵 倩等:旋转填充床运行过程重要参数预警调控模型表4 填料持液量正交试验分析结果Table4 Orthogonal test analysis results of packing liquid holdup参数试验指标转速液体流量气体流量孔隙率固含率K10.15700.07730.12130.13320.1621 K20.14970.11300.12600.14150.1459 K30.10800.14380.13960.12460.1197 K40.09960.18030.12740.11500.0867 R10.03930.01930.03030.03330.0405 R20.03740.02820.03150.03540.0365 R30.02700.03600.03490.03110.0299 R40.02490.04510.03180.02880.0217极差R0.01430.02570.00460.00660.0189 将R值进行排序,能够得到各因素影响转子填料持液量的主次顺序,从而确定出主要影响因素㊂在众多影响转子填料持液量的因素中,根据正交试验分析结果,得出因素影响的主次顺序为:液量(液体流量)>固含率>转速>孔隙率>气量(气体流量)㊂由极差计算结果发现,液量的极差值最大,固含率的极差值次之,其次是转速的极差值,以上三者的极差值较孔隙率和气量的差距较大,意味着在当前分析的试验条件下,液量㊁固含率以及转速对于填料持液量的影响比其他因素显著㊂3.2.2 影响气相压降的主要因素关于压降的正交试验方案与3.2.1节对于填料持液量的分析一致,本节不再赘述㊂建立压降正交试验方案并提取计算结果,如表5所示㊂表5 旋转填充床气相压降正交试验计算结果Table5 Calculation results of orthogonal tests of the gasphase pressure drop in the rotating packed bed试验号压降/Pa 11655 23022 34751 46876 55039 67325 77102 86626试验号压降/Pa 94496 105720 1114131 1214974 138181 1414174 159645 1615919 使用极差分析法对压降正交试验计算结果进行分析,结果如表6所示㊂依据极差R值,可对各因素的影响作用进行判断㊂ 根据上述转子旋转填充床气相压降的正交试验表6 气相压降正交试验分析结果Table6 Orthogonal test analysis results of the gas⁃phasepressure drop参数试验指标转速液体流量气体流量孔隙率固含率K11630319371390313790523646 K22509229241326793196030538 K33932135628300473142935231 K44791944395278782834140220 R140764843975894765911 R262737310817079907634 R398308907751278578808 R411980110996969708510055极差R79046256278823914144分析结果,可得出因素影响的主次顺序为:转速>液量>固含率>气量>孔隙率㊂根据极差计算结果发现,转速的极差值最大,液量的极差值次之,其次是固含率的极差值,以上三者的极差值较孔隙率和气量的差距较大,意味着在当前分析的试验条件下,转速㊁液量以及固含率对于气相压降的影响比其他因素显著㊂3.3 旋转填充床运行过程重要参数与各工况耦合的经验模型3.3.1 填料持液量与各工况间的经验模型为了提高各状态参数的准确性,选取影响作用最大的3个因素作为主要影响因素㊂基于前文对旋转填充床填料持液量影响因素的分析,可以确定转速㊁液体流量及固含率这3个工艺参数对填料持液量的影响最为显著㊂因此利用试验数据进行回归拟合得到经验公式,根据该公式并通过各工艺参数推算得到填料持液量,可以较准确地掌握持液量与各工艺参数间的耦合关系㊂以转速㊁液体流量和固含率为多因素变量进行模拟,得到旋转填充床填料持液量实验数据,借助Matlab软件对所得实验数据进行拟合,得到转速㊁液体流量及固含率与持液量之间的经验公式㊂设填料持液量为y,转速为x1,液体流量为x2,固含率为x3,经过回归拟合推导出工艺参数与持液量的关系如下㊂y=a1/x3+a2x a31+a4lg x1lg x2+a5+a6x1(11)式中,a1=-0.0173;a2=4.6085×1019;a3= -317.4825;a4=-0.0085;a5=0.4018;a6= 2.3268×10-5㊂计算拟合得到的经验公式的拟合系数R2为㊃88㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年0.9913,意味着拟合程度良好,误差较小㊂将实验值与拟合值进行对比,如图7所示,可看出拟合值与实验值吻合较好,因此认为该拟合公式在一定范围内计算结果是可信的㊂图7 旋转填充床填料持液量实验值与拟合值对比Fig.7 Comparison of experimental values and fitting values ofthe packing liquid holding capacity of the rotating packed bed根据模拟仿真建立的工艺参数与持液量之间的耦合关系式,结合实际的生产需求,可通过修正相应的工艺参数对反应器的持液量进行调整,在维持反应器稳定运行的同时,提高设备的传质效率或产品质量㊂3.3.2 气相压降与各工况间的经验模型基于前文对旋转填充床气相压降影响因素的分析,可确定转速㊁液体流量及固含率这3个工艺参数对压降的影响最为显著㊂因此利用试验数据进行回归拟合得到经验公式,根据该公式并通过各工艺参数推算得到气相压降,可以较准确掌握气相压降与各工艺参数间的耦合关系㊂设压降为z ,转速为x 1,液体流量为x 2,固含率为x 3,经过回归拟合推导出工艺参数与压降的关系如下㊂ z =a 1+a 2x 1x 2+a 3sin a 4x 3-a 5x 2(12)式中,a 1=-4.9392×103;a 2=0.0215;a 3=1.9516×103;a 4=4.9235×105;a 5=-22.7869㊂计算拟合得到的经验公式的拟合系数R 2为0.9928㊂旋转填充床压降实验值与拟合值对比如图8所示,可以看出实验值与拟合值拟合程度良好,误差较小㊂根据模拟仿真建立的工艺参数与压降之间的耦合关系式,可通过对转速㊁流量以及固含率的控制来调整反应器内压力,从而保证反应器的连续操作以及长周期稳定运行㊂图8 旋转填充床气相压降实验值与拟合值对比Fig.8 Comparison of experimental values and fittingvalues of the gas phase pressure drop in the rotating packed bed以上通过多因素变量模拟得到旋转填充床相关试验数据,经数据拟合后得到经验模型,虽然旋转填充床数据的实验值与该经验模型的拟合值吻合较好,但可能存在拟合过度的风险㊂若需要预测得更加精确,可以综合3个以上的参数来构建耦合模型,但也可能会带来过拟合的问题㊂4 结论(1)本文构建了旋转填充床运行过程填料持液量和气相压降两个重要参数的预警调控模型,通过正交试验计算多参数对持液量和气相压降的影响效应程度,确定了影响持液量和气相压降的关键参数为转速㊁液体流量以及固含率㊂(2)选取转速㊁液体流量和固含率3个工艺参数拟合建立了基于关键参数耦合的持液量和气相压降预警调控模型,实验值与拟合值的吻合度较好,可认为所建立模型正确可信㊂基于该预警调控模型,结合实际生产需求,通过调整工艺参数可以提高设备的传质效率和产品质量,保证反应器的连续操作和长周期稳定运行㊂后续将搭建旋转填充床实验台进行实验,结合CFD 模拟结果和实验数据验证基于关键参数耦合的持液量和气相压降预警调控模型,并在保证模型可靠性的基础上进行工艺参数的调整和分析㊂预警数值需要结合实际工程设计要求㊁反应条件工况和预警调控模型去设定,当工艺参数㊁反应过程和反应条件不同时,持液量和压降的具体预警数值也不同,后续将通过实验等方式确定与优化数值,此外也将参照超重力场条件下合成纳米碳酸钙的过程,更换新的物质开展研究㊂㊃98㊃第3期 赵 倩等:旋转填充床运行过程重要参数预警调控模型参考文献:[1] 李沃源,毋伟,邹海魁,等.超重力旋转填充床用于高黏聚合物脱挥的研究进展[J].化工进展,2010,29(2):211-216,232.LI W Y,WU W,ZOU H K,et al.Devolatilization ofhigh viscous polymer via high gravity rotating packed bed[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2010,29(2):211-216,232.(in Chinese)[2] 郭正东,苏梦军,刘含笑,等.旋转填充床基础研究及工业应用进展[J].化工进展,2018,37(4):1335-1346.GUO Z D,SU M J,LIU H X,et al.States⁃of⁃the⁃arts pro⁃gress on fundamental research and industrial applications ofrotating packed bed[J].Chemical Industry and 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第27卷第3期2000年北京化工大学学报JOURNAL OF BEI J IN G UN IV ERSIT Y OF CHEMICAL TECHNOLO GYVol.27,No.32000旋转填充床中两种填料压降特性与传质特性的对比李振虎 郭 锴 翁南梅 冯元鼎 郑 冲(北京化工大学超重力工程技术研究中心,北京 100029)摘 要:利用空气2水2SO 2系统研究了逆流旋转床的气相压降及传质特性。
结果表明,填料A (普通丝网)比填料B(RS 钢波纹丝网)的气相压降大30%左右,体积传质系数小15%左右,即填料B 比填料A 的流体力学性能和传质性能好。
关键词:逆流;旋转床;压降;传质;填料中图分类号:TQ 051.82收稿日期:1999210218第一作者:男,1964年生,博士生引 言旋转床(RPB 即Rotating Packed Bed )能利用离心力极大地强化传递过程。
在相同的操作条件下,与重力场的设备相比,旋转床的体积可以大大地缩小,操作弹性明显地提高,体积传质系数可提高1～2个数量级[1],可广泛地应用于传质过程以及受传质控制的反应过程。
目前,旋转床的理论与应用研究已有了很大的发展,但尚未完善。
从文献[2～5]来看,旋转床所用填料基本上是金属丝网、泡沫金属、碟片、玻璃珠和螺旋型填料。
其中金属丝网填料比表面积大(约为200～5000m 2/m 3),孔隙率高(90%～97%),气相阻力小,且体积传质系数高,因此在旋转床的工业应用中广泛采用。
在研究中发现,金属丝网填料的结构对旋转床的传质性能和流体力学性能有非常大的影响。
这方面目前尚无文献报道。
本文研究两种结构不同的金属丝网填料,对逆流旋转床的压降特性和传质特性的影响。
这将对旋转床的设计和填料的选型有非常重要的意义。
1 实 验实验采用空气2水系统对逆流旋转床的气体压降特性进行研究。
利用空气2水2SO 2体系研究逆流旋转床的传质特性。
111 主要设备结构旋转床结构见文献[6]中的图1。
超重力旋转填充床脱除co2体积传质系数的研究近年来，全球变暖和空气污染问题日益突出，人类社会正处于重大的环境危机之中，因此，减少温室气体排放至关重要。
研究表明，二氧化碳（CO2）是主要的温室气体之一，占温室气体排放总量的约70％。
为了减少CO2的排放，研究人员发展了针对CO2的净化技术，其中超重力旋转填充床是一种有效的净化技术。
超重力旋转填充床的原理是将气体通过旋转的填充物把气体拉得比密集，并且利用填充物的摩擦及当前力等机械力，使气体的粒子与填充物粒子碰撞，凝结和吸附于填充物上，从而将气体净化。
与传统脱除技术相比，超重力旋转填充床具有空间小、换热强度高、净化效率高、消耗低等优点。
因此，超重力旋转填充床在CO2的净化方面具有巨大的潜力。
然而，超重力旋转填充床的CO2净化效率依赖于一个重要参数，即CO2体积传质系数，该参数定量衡量CO2填充物和支架之间的体积传递效率。
研究表明，CO2体积传质系数对于CO2净化效率具有至关重要的影响，而这个参数尚未得到较好的估计，对其研究尚有巨大的潜力。
为了更好地研究超重力旋转填充床脱除CO2体积传质系数，本研究采用建模的方法，建立了一个数值模型，用于求解CO2体积传质系数的值。
该数值模型基于填充物的粒径、填充物对流和渗流作用等参数进行建模，并利用计算流体力学（CFD）软件对数值模型进行仿真，具体过程如下：第一步，根据超重力旋转填充床的结构和工作原理，建立CO2数值模型；第二步，设定相关的边界条件，如流量、温度等；第三步，用计算流体力学（CFD）软件对建立的数值模型进行仿真，探究CO2的体积传质系数在不同参数下的变化；第四步，基于仿真结果，得出CO2体积传质系数的估计值；本研究通过建立一个数值模型，利用计算流体力学（CFD）软件对该模型进行仿真，优化了超重力旋转填充床的设计参数，提高了CO2的体积传质系数的准确度，为CO2的净化技术提供了科学的参考和技术支持。
总之，本研究可以为超重力旋转填充床脱除CO2体积传质系数提供参考，从而实现CO2的有效净化。
