折流式旋轉(zhuǎn)床靜圈對(duì)其性能的影響

周振江，王廣全，郭成峰，計(jì)建炳

（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院，浙江 杭州 310014）

研究開發(fā)

折流式旋轉(zhuǎn)床靜圈對(duì)其性能的影響

周振江，王廣全，郭成峰，計(jì)建炳

（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院，浙江 杭州 310014）

折流式旋轉(zhuǎn)床是一種新型的超重力旋轉(zhuǎn)床，其核心部件是動(dòng)、靜結(jié)合的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子由安裝了動(dòng)圈的動(dòng)盤和安裝了靜圈的靜盤上下相互嵌套而成。本實(shí)驗(yàn)中使用了一個(gè)常規(guī)的折流式轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子Ⅰ）和一個(gè)具有較短靜圈的折流式轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子Ⅱ），在常壓下分別以乙醇-水體系和空氣-水體系對(duì)兩個(gè)折流式轉(zhuǎn)子進(jìn)行了傳質(zhì)性能與流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，考察了靜圈對(duì)折流式旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)、壓降和功耗的影響。結(jié)果表明，靜圈能明顯強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程，與轉(zhuǎn)子Ⅰ相比，轉(zhuǎn)子Ⅱ理論塔板數(shù)大約降低了的50%；轉(zhuǎn)子Ⅰ的傳質(zhì)效率隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min增加到1200 r/min，轉(zhuǎn)子Ⅰ的傳質(zhì)效率增大了約40%，而轉(zhuǎn)子Ⅱ的理論塔板數(shù)變化不明顯；靜圈使折流式轉(zhuǎn)子具有較大的壓降和功耗，轉(zhuǎn)子Ⅱ的壓降為轉(zhuǎn)子Ⅰ的20%～50%，軸功率為轉(zhuǎn)子Ⅰ的60%～80%。

折流式旋轉(zhuǎn)床；靜圈；傳質(zhì)；壓降；功耗

自20世紀(jì)70年代末超重力技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)[1]，世界上許多國(guó)家都對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了研究。超重力技術(shù)的研究涉及了許多領(lǐng)域，目前在一些領(lǐng)域中已經(jīng)從研究階段轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[2-6]。超重力旋轉(zhuǎn)床是一種基于超重力技術(shù)的高效氣液傳質(zhì)設(shè)備。目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)設(shè)計(jì)了許多不同結(jié)構(gòu)的超重力旋轉(zhuǎn)床。本文作者課題組[7]設(shè)計(jì)開發(fā)的折流式旋轉(zhuǎn)床[8-10]，采用動(dòng)靜結(jié)合的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，省掉了轉(zhuǎn)子與氣相出口之間的動(dòng)密封，同時(shí)也易于實(shí)現(xiàn)徑向上中間進(jìn)料和多層轉(zhuǎn)子同軸串聯(lián)在一個(gè)殼體內(nèi)。目前折流式旋轉(zhuǎn)床在精餾、脫吸和吸收等多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)成功地應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)[11]。鮑鐵虎[12]把上下兩盤同時(shí)旋轉(zhuǎn)的折流式旋轉(zhuǎn)床與上盤靜止、下盤旋轉(zhuǎn)的折流式旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜結(jié)合的折流式旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)效率大約是上、下盤同時(shí)旋轉(zhuǎn)的折流式旋轉(zhuǎn)床的兩倍。郭成峰等[13]開發(fā)了新型折流式旋轉(zhuǎn)床，把同心圈上分成3個(gè)區(qū)域：無(wú)孔區(qū)、液孔區(qū)、氣孔區(qū)，省去了靜圈，但傳質(zhì)效率要低于傳統(tǒng)的折流式旋轉(zhuǎn)床。為了增加對(duì)折流式旋轉(zhuǎn)床性能的理解，更好地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文作者針對(duì)靜圈對(duì)折流式旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)、壓降和功耗的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 結(jié)構(gòu)與傳質(zhì)機(jī)理

折流式旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。折流式轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)床的核心部件，由動(dòng)、靜部件組成。動(dòng)部件為動(dòng)盤和動(dòng)圈，由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)；靜部件為靜盤和靜圈，與殼體固定連接，動(dòng)、靜部件之間的縫隙，提供了氣液流動(dòng)的折流式通道。氣相由氣體進(jìn)口進(jìn)入殼體，在壓差作用下，從轉(zhuǎn)子外緣沿著動(dòng)、靜部件之間的折流式通道向轉(zhuǎn)子中心逐圈流動(dòng)，最后經(jīng)氣體出口離開旋轉(zhuǎn)床；液相由進(jìn)液管進(jìn)入并被引流至動(dòng)盤的中心，隨后被一系列高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)圈通過(guò)小孔分散成極細(xì)的液滴并甩向靜圈，液滴在重力作用下從靜圈上落到動(dòng)盤上，液相在其間經(jīng)歷了多次分散-聚集的過(guò)程，最后在殼體內(nèi)收集并經(jīng)液體出口流出。

折流式旋轉(zhuǎn)床的氣液傳質(zhì)機(jī)理如圖2所示。根據(jù)傳質(zhì)效率的大小，折流式旋轉(zhuǎn)床在空間上可以分成兩部分：傳質(zhì)區(qū)和非傳質(zhì)區(qū)。在非傳質(zhì)區(qū)內(nèi)，由于氣液接觸面積很小，其傳質(zhì)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳質(zhì)區(qū)，可以認(rèn)為不發(fā)生傳質(zhì)。在傳質(zhì)區(qū)內(nèi)，氣液接觸傳質(zhì)的過(guò)程可以分為三步[11]：第一步，氣液傳質(zhì)發(fā)生在動(dòng)圈和靜圈的環(huán)隙中（區(qū)域1），上升氣體與由動(dòng)圈甩向靜圈的小液滴錯(cuò)流接觸傳質(zhì)；第二步，氣液傳質(zhì)發(fā)生在靜圈的內(nèi)緣（區(qū)域2），靜圈上的液體在重力作用下，沿著靜圈流下，與上升氣體逆流接觸傳質(zhì)；第三步，氣液傳質(zhì)發(fā)生在靜圈與動(dòng)盤的縫隙中（區(qū)域3），液體從靜圈上落下，在下落到動(dòng)盤上的過(guò)程中，與氣體錯(cuò)流接觸傳質(zhì)。

圖1 折流式旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 折流式旋轉(zhuǎn)床的氣液傳質(zhì)機(jī)理

2 實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)中使用了兩個(gè)折流式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子Ⅰ和轉(zhuǎn)子Ⅱ。轉(zhuǎn)子Ⅰ的內(nèi)徑為118 mm，外徑為285 mm，軸向高度為50 mm。轉(zhuǎn)子的靜盤上焊接了9個(gè)靜圈，其直徑分別為132 mm、157 mm、179 mm、200 mm、218 mm、236 mm、252 mm、268 mm、285 mm，高度為37 mm；動(dòng)盤上焊接了9個(gè)動(dòng)圈，其直徑分別為118 mm、145 mm、169 mm、189 mm、208 mm、227 mm、244 mm、260 mm、276 mm，高度為42 mm，上端開孔，開孔部分的高度為28 mm。轉(zhuǎn)子Ⅱ的靜圈高度為30 mm，其余的尺寸與轉(zhuǎn)子Ⅰ相同。兩個(gè)折流式轉(zhuǎn)子內(nèi)氣液流動(dòng)示意如圖3所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

在折流式旋轉(zhuǎn)床中使用乙醇-水溶液進(jìn)行常壓、全回流條件下的精餾實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中回流量QL為0～120 L/h，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n為400～1200 r/min。再沸器以導(dǎo)熱油作為加熱劑，通過(guò)加熱量控制回流量的大小，回流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由調(diào)頻電動(dòng)機(jī)、SZG441A型手持式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x調(diào)節(jié)和測(cè)量。旋轉(zhuǎn)床的氣相進(jìn)出口的壓差通過(guò)差壓變送器由組態(tài)王數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集，取得樣品濃度使用SP-6800型氣相色譜儀進(jìn)行分析。

圖3 轉(zhuǎn)子Ⅰ和轉(zhuǎn)子Ⅱ中氣液流動(dòng)示意

圖4 折流式旋轉(zhuǎn)床精餾實(shí)驗(yàn)流程圖

圖5 折流式旋轉(zhuǎn)床功耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)流程圖

實(shí)驗(yàn)使用水-空氣體系對(duì)兩個(gè)轉(zhuǎn)子的電功率消耗特性進(jìn)行研究，其實(shí)驗(yàn)流程如圖5所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試范圍的氣體體積流量QV為0～200 m3/h，液體體積流量QL為0～1200 L/h，轉(zhuǎn)速n為400～1200 r/min。離心鼓風(fēng)機(jī)輸送的空氣經(jīng)孔板流量計(jì)測(cè)量，水由高位槽進(jìn)入旋轉(zhuǎn)床中心，其流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，電機(jī)的軸功率由秒表和三相功率表測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 傳質(zhì)性能

實(shí)驗(yàn)考察了氣相動(dòng)能因子（F因子）和轉(zhuǎn)速對(duì)兩個(gè)折流式轉(zhuǎn)子的傳質(zhì)效率的影響。傳質(zhì)效率用總理論板數(shù)表示，并利用逐板計(jì)算法求得。為了降低氣體壓降，折流式轉(zhuǎn)子采用相鄰動(dòng)、靜圈之間的環(huán)隙面積相等的方式設(shè)計(jì)，并且動(dòng)、靜圈之間的環(huán)隙空間是氣液接觸的主要場(chǎng)所，所以把氣相在環(huán)隙的F因子作為整個(gè)旋轉(zhuǎn)床的F因子。F因子用公式（1）計(jì)算，QG為氣體流量，可由公式（2）計(jì)算。

圖6 氣相動(dòng)能因子對(duì)傳質(zhì)效率的影響

折流式轉(zhuǎn)子Ⅰ和轉(zhuǎn)子Ⅱ的傳質(zhì)效率隨F因子的變化趨勢(shì)如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著F因子的增大，兩轉(zhuǎn)子的傳質(zhì)效率先降低后升高，但變化不大。其原因可能是一方面F因子的增加，液滴的數(shù)量增加，使氣液的接觸面積增大，強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程；另一方面F因子的增加，氣液的相對(duì)速度加大，氣液的接觸時(shí)間減小了，削弱了傳質(zhì)過(guò)程。另外，轉(zhuǎn)子Ⅱ的理論塔板數(shù)大約是轉(zhuǎn)子Ⅰ的50%，說(shuō)明靜圈的內(nèi)緣（區(qū)域2）是氣液傳質(zhì)的主要場(chǎng)所，對(duì)整體傳質(zhì)效果起關(guān)鍵作用。其原因是一方面液體與靜圈的相對(duì)速度最大且碰撞最為劇烈，液體被分散為微小的液滴而形成了巨大的氣液接觸表面，從而大大提高了傳質(zhì)效率；另一方面液體以極其細(xì)微的液滴甩離動(dòng)圈，高速運(yùn)動(dòng)的液滴在靜圈上被碰撞、剪切和飛濺，在靜圈上形成了一層液膜，沿壁面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液體和被不斷甩出來(lái)的液體碰撞擠壓，使得表面更新極快，具有極高的傳質(zhì)速率，類似于經(jīng)過(guò)一系列液體表面更新極快的濕壁塔[14]。

折流式轉(zhuǎn)子Ⅰ和轉(zhuǎn)子Ⅱ的傳質(zhì)效率隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)如圖7所示。從圖7中可以看出，轉(zhuǎn)子Ⅱ的理論塔板數(shù)是轉(zhuǎn)子Ⅰ的44%～63%。當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min增加到1200 r/min，轉(zhuǎn)子Ⅰ的傳質(zhì)效率增大了約40%，而轉(zhuǎn)子Ⅱ的理論塔板數(shù)變化不明顯。這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速增大，液體流速增大，液體與靜圈的碰撞更加劇烈，被粉碎成了更小的液滴，氣液接觸面積增大，從而提高了傳質(zhì)效率。此外，由于轉(zhuǎn)子Ⅱ中大部分液體沒有與靜圈碰撞，故隨著轉(zhuǎn)速增加，傳質(zhì)效率增大不明顯。

陪伴式服務(wù)應(yīng)包含定期服務(wù)和不定期指導(dǎo)2種模式。其中，定期服務(wù)主要指在陪伴式服務(wù)期內(nèi)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)要按照合同約定，每月（季）固定時(shí)間到村指導(dǎo)項(xiàng)目建設(shè)，把控項(xiàng)目總體成效；不定期指導(dǎo)主要指設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)結(jié)合項(xiàng)目推進(jìn)情況，在項(xiàng)目實(shí)施關(guān)鍵環(huán)節(jié)、重要節(jié)點(diǎn)或出現(xiàn)疑難狀況時(shí)到場(chǎng)進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，確保項(xiàng)目細(xì)節(jié)精準(zhǔn)。

圖7 轉(zhuǎn)速對(duì)傳質(zhì)效率的影響

3.2 流體力學(xué)性能

氣相流經(jīng)轉(zhuǎn)子的壓降主要包括離心壓降和摩擦壓降[15]。離心壓降隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加而增大，摩擦壓降與氣體的流速和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)有關(guān)。折流式轉(zhuǎn)子Ⅰ和轉(zhuǎn)子Ⅱ的壓降隨F因子的變化如圖8所示。從圖8中可以看出，折流式旋轉(zhuǎn)床的壓降隨F因子的增大而增大，且在較大F因子時(shí)，兩個(gè)轉(zhuǎn)子的壓降差距較大，轉(zhuǎn)子Ⅱ的壓降為轉(zhuǎn)子Ⅰ的20%～50%。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子Ⅱ的靜圈比轉(zhuǎn)子Ⅰ的短，氣體通過(guò)轉(zhuǎn)子的流通面積較大，氣體流速較慢，摩擦壓降較低，故總壓降小于轉(zhuǎn)子Ⅰ。折流式轉(zhuǎn)子Ⅰ和轉(zhuǎn)子Ⅱ的壓降隨轉(zhuǎn)速的變化如圖9所示。從圖9中可以看出，轉(zhuǎn)子Ⅱ的壓降為轉(zhuǎn)子Ⅰ的44%～80%，折流式旋轉(zhuǎn)床的壓降隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，但相比F因子對(duì)壓降的影響而言，轉(zhuǎn)速的影響較小。因此，轉(zhuǎn)子Ⅱ可以應(yīng)用于大通量、對(duì)傳質(zhì)要求不太高的場(chǎng)所。

圖8 氣相動(dòng)能因子對(duì)壓降的影響

圖9 轉(zhuǎn)速對(duì)壓降的影響

3.3 電功率消耗特性

圖10 液體回流量對(duì)軸功率的影響

轉(zhuǎn)子Ⅰ和轉(zhuǎn)子Ⅱ的軸功率隨液體流量的變化如圖10所示。從圖10中可以看出，在相同轉(zhuǎn)速和F因子的條件下，轉(zhuǎn)子Ⅱ的功耗為轉(zhuǎn)子Ⅰ的60%～80%。其原因可能是一方面在轉(zhuǎn)子Ⅰ中，液體流經(jīng)轉(zhuǎn)子時(shí)經(jīng)過(guò)了數(shù)次加速-靜止過(guò)程，而在轉(zhuǎn)子Ⅱ中，大部分液體沒有與靜圈碰撞，直接飛向下一個(gè)動(dòng)圈，減少了一部分動(dòng)能損失；另一方面在轉(zhuǎn)子Ⅱ中，由于大部分液體沒有與靜圈相碰撞后落在動(dòng)盤上，所以持液量會(huì)減小，軸承和動(dòng)盤上密封材料間摩擦損耗的功率也會(huì)減少。轉(zhuǎn)子Ⅰ和轉(zhuǎn)子Ⅱ的軸功率隨轉(zhuǎn)速的變化如圖11所示。從圖11中可以看出，折流式旋轉(zhuǎn)床的軸功率隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，轉(zhuǎn)子Ⅱ的軸功率為轉(zhuǎn)子Ⅰ的65%～90%。其原因是隨著旋轉(zhuǎn)床的轉(zhuǎn)速增大，液體獲得的切向速度越大，則液體通過(guò)旋轉(zhuǎn)床消耗的功率也就越大。

圖11 轉(zhuǎn)速對(duì)軸功率的影響

4 結(jié) 論

折流式旋轉(zhuǎn)床的靜圈內(nèi)緣處是氣液傳質(zhì)的主要場(chǎng)所，靜圈有粉碎液滴的作用，增大了氣液接觸面積，使折流式旋轉(zhuǎn)床具有很高傳質(zhì)效率；在折流式旋轉(zhuǎn)床內(nèi)，靜圈的設(shè)置產(chǎn)生了較大的局部阻力，靜圈長(zhǎng)短決定壓降大小；液體流過(guò)折流式旋轉(zhuǎn)床時(shí)與靜圈發(fā)生了碰撞，經(jīng)過(guò)了數(shù)次加速-靜止過(guò)程，造成了較大的動(dòng)能損失。

符 號(hào) 說(shuō) 明

F —— 氣相動(dòng)能因子，kg0.5·m-0.5·s-1

N —— 轉(zhuǎn)速，r/min

NT—— 理論板數(shù)

P —— 軸功率，W

ΔP —— 壓降，Pa

QG—— 氣體流量，m3/h

QL—— 回流量，L/h

R ——半徑，mm

S ——流通面積，m2

ρG——?dú)怏w密度，kg/m3

ρL——液體密度，kg/m3

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Effect of stationary baffle on the performance of rotating zigzag bed

ZHOU Zhenjiang，WANG Guangquan，GUO Chengfeng，JI Jianbing
（College of Chemical Engineering and Materials Science，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

Rotating zigzag bed (RZB) is a new kind of contactor using HIGEE technology and is characterized by a rotor consisting of a stationary disc fixed with stationary baffles and a rotating disc fixed with rotating baffles. A conventional rotor (RotorⅠ) and a rotor equipped with shorter stationary baffle (RotorⅡ) of RZB were used in the experiments，and the mass transfer performance and hydraulics of the proposed device were studied using ethanol-water and air-water systems at atmospheric pressure. The effects of stationary baffle on the mass transfer，pressure drop，and power consumption in the RZB were investigated. The experimental results indicated that stationary baffle can significantly intensify the mass transfer process，and the theoretical plate number of Rotor Ⅱ was about 50% lower in comparison with RotorⅠ. The mass transfer efficiency of RotorⅠ increased as rotational speed increased，and it was enhanced by 40% when rotational speed increased from 400 r/min to 1200 r/min. The mass transfer efficiency of RotorⅡ was not significantly affected by increasing rotational speed. Stationary baffle made the rotor of RZB have a higher pressure drop，and power consumption. The pressure drop and shaft power in RotorⅡ was 20%—50%，60%—80% that of RotorⅠ，respectively.

rotating zigzag bed；stationary baffle；mass transfer；pressure drop；power consumption

TQ 021.4

A

1000-6613（2014）01-0025-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.01.005

2013-07-10；修改稿日期：2013-09-23。

周振江（1987—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：王廣全，博士，副教授，研究方向?yàn)閭髻|(zhì)與分離技術(shù)。E-mail wanggq@zjut.edu.cn。