CN104474996B

CN104474996B - 一种多级错流旋转填料床传质与反应设备

Info

Publication number: CN104474996B
Application number: CN201410672155.XA
Authority: CN
Inventors: 袁志国; 刘有智; 焦纬洲; 祁贵生; 栗秀萍; 张巧玲; 申红艳; 罗莹; 高璟; 宋卫
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2014-11-22
Filing date: 2014-11-22
Publication date: 2017-06-27
Anticipated expiration: 2034-11-22
Also published as: CN104474996A

Abstract

本发明属于传质反应设备的技术领域，具体是一种多级错流旋转填料床传质与反应设备，解决了现有超重力设备强化气相传质作用弱、气体处理能力低等问题。其包括旋转床壳体、转轴以及两个及其两个以上可以高速旋转的填料转子和一个或一个以上静止的填料定子，填料转子与填料定子交替安装，填料转子中心都设置有液体分布器，液体分布器与进液管连接，旋转床壳体顶部连接排气管、底部连接液体出口管和气体进口管。本发明气体与液体错流接触，可以减小填料层的径向尺寸，不易产生液泛，特别适用于处理大气量的传热、传质与反应过程。

Description

一种多级错流旋转填料床传质与反应设备

技术领域

本发明属于化工、石油化工、环境保护传质反应设备的技术领域，具体涉及一种多级错流旋转填料床传质与反应设备，不仅适用于精馏、吸收等液膜控制的传质过程，更适用于气膜控制的传质过程强化。

背景技术

超重力技术是20世纪80年代发展起来的一种强化多相传递和反应过程的突破性技术，其原理是在超重力旋转填料床（也称为超重力机）中，填料转子高速旋转形成超重力环境，液体被填料剪切雾化，相间接触面积增大，表面快速更新导致了由液相控制的传质、传热和反应过程得到极大强化。目前主要用于脱硫、脱碳、除尘及纳米材料制备等方面。

超重力旋转填料床中的气液接触方式可分为逆流、并流、错流。目前常用的旋转填料床内部转子均为整体式结构，即转子内的填料由单一转轴带动旋转，首个超重力旋转床方面的专利由英国帝国化学工业公司（ICI）于1979年提出，专利号为EP0002568，随后在国内外陆续公开的专利也基本延续了这种转子结构。2001年，Sandilya等人研究发现，旋转填料床中进行的气相传质过程，其传质系数比填料塔中的还要低，原因是气体进入填料后受摩擦力作用，与填料间的相对滑移速度非常小，气相界面得不到快速更新，同时填料内液相分布不均的现象会使传质速率进一步降低。2004年，D P Rao等人的研究表明，超重力旋转床中主要强化了液相传质过程，超重力场下高比表面积填料的使用是其主要原因，而气相传质系数则与传统填料塔相当。2005年，Chandra A针对整体填料的逆流旋转填料床中气相滑移速度太小（2~3 m/s）导致离心加速度对气相传质系数几乎没有影响，首次提出了分层式填料旋转床（Rotating Packed bed with Split Packing，SP-RPB），将普通旋转填料床内的整体式转子填料分割成若干圈相互嵌套的填料环，这一改进提高了气相在旋转填料中的切向滑移速度。2006年，等人研究了SP-RPB的传质性能，结果表明该设备的气相和液相体积传质系数比普通旋转床提高了近2个数量级。Agarwal等人用SP-RPB做了一系列精馏与吸收实验，结果表明SP-RPB尤其适合于强化气相阻力控制的传质过程。但SP-RPB同样存在一些问题，如：转子中心或靠近中心的部位旋转半径小，气体难以通过填料的高速旋转获得较大的切向速度，气相湍动程度不足，且沿径向分布不均匀，填料利用率较低；填料使用泡沫金属直接固定在上下转盘上，不易更换，且工作时只依赖泡沫金属自身的机械强度，难以应用到大气量和大液量的场合。

2013年中北大学开发出一种逆向旋转填料床，专利申请号201310402589.3，名称为“一种烟气脱硫装置及工艺”，其主体包括集气室和主腔室，主腔室内设有可以独立旋转的上转盘和下转盘，上、下转盘上的填料环互相嵌套。这种超重力装置结构可增大对流体的剪应力，填料将更多的动量传递给内部流体，促进气液的边界层分离，湍动程度加剧，加快气液界面更新速率，从而达到强化气相传质的目的；提高了运转稳定性，更适用于大通量的场合；集气室有效抑制了夹带和液泛对操作平衡带来的影响。逆向旋转填料床对气液的逆向剪切作用，强化了气相传质。然而，总体来说其依然属于气液逆流接触方式，这就要求填料层的内环尺寸足够大，径向尺寸相对来讲就比较大，对于高速转动的转子部件而言，尺寸增大会给加工制造、安装调试带来诸多不便，特别是能耗和投资也会大大增加。

华南理工大学开发了一种多级雾化错流旋转床，例如文献（潘朝群，多级雾化超重力旋转填料床的特性及应用，2007），气流通过旋转床的进气口进入旋转床，吸收液从位于旋转床中央带有小孔的喷水管喷在第一级同心圆环填料层上，被强大离心力强制沿径向作雾化分散，经历第一级雾化后，液滴再洒到第二级同心圆环填料层上，再经历离心雾化，最后液体沿器壁在重力作用下落到旋转床底由排液管排出。该装置能够将液体进行多级雾化，大大增加了液相的分散程度，由于液滴内循环非常剧烈，从而使多级雾化旋转床的液滴内液膜传质系数较高，但对于气膜控制的传质过程强化作用相对较弱，2010年张燕青研究了两级雾化旋转填料床的传质性能，对于碱液吸收SO₂这一气膜控制过程，在相近条件下，其气相体积传质系数比传统的填料塔高1个数量级，但低于普通的错流旋转填料床。

发明内容

本发明为了解决现有超重力设备在气相传质方面存在的问题，进一步提高传质效率，减小设备径向尺寸，提供了一种多级错流旋转填料床传质与反应设备，气体与液体错流接触，可以减小填料层的径向尺寸，不易产生液泛，特别适用于处理大气量的传热、传质与反应过程。

本发明采用如下的技术方案实现：多级错流旋转填料床传质与反应设备，包括旋转床壳体、转轴以及两个及其两个以上可以高速旋转的填料转子和一个或一个以上静止的填料定子，填料转子与填料定子交替安装、自上而下同轴设置、以填料转子始、以填料转子终，填料转子中心都设置有液体分布器，液体分布器与各自的进液管连接，旋转床壳体顶部连接排气管、底部连接液体出口管和气体进口管。

所述的填料定子与旋转床壳体相连，填料转子与转轴相连，转轴下端装有被动皮带轮连接驱动电机。

排气管与最上层的填料转子之间留有空间，排气管上设置除雾机构。

所述的填料转子和填料定子由填料支撑组件进行支撑，填料支撑为中间开孔的不锈钢板或支撑筋，支撑筋为斜叶片或直条筋；填料转子的填料支撑与转轴焊接连为一体，填料定子的填料支撑与壳体内壁焊接连为一体。

填料转子中心的液体分布器是环形套管，套于转轴之上，每个液体分布器上对称开4列孔。

填料定子与壳体间距占壳体直径的0.5%~10%，比填料转子与壳体的间距小，静止不动的填料定子上方安装有锥形圆筒，锥形圆筒与壳体一起构成集液槽，锥形圆筒的底部连接填料定子的外缘。

液体出口管的顶部与壳体底部齐平。

气体进口管伸进壳体底部，气体进口管的顶部高出壳体底部，进气管进入壳体的一端安装有挡板，在气体进口管末端也设置有挡板，挡板之前的气体进口管上开有一组格栅孔。

转轴的上下两端与壳体连接的部分均通过轴承座进行动密封。

本发明提供的装置液体从液体进口管进入，经过液体分布器喷洒在转子填料内缘，受到填料转子高速旋转产生的离心力作用，液体被剪切撕裂成液膜、液滴、液丝，与向上的气体在转子填料层中错流接触。适用的气体速度范围宽，可以减小转子直径，且不易发生液泛。

本发明的有益效果：1.气体在进气管一端受到挡板的阻挡，通过格栅孔进入旋转填料床腔体，避免气体直吹转子填料和气体短路；2.气体进入高速旋转的转子，受到填料的高速剪切之后螺旋上升，通过中间静止的定子时再次受到其中填料的剪切，气体径向旋转的趋势被消除或者减弱，气体得到了再分布。然后，气体向上通过上一层高速旋转的转子再次受到高速剪切，以此类推。同时，3.液体从液体进口管进入液体分布器，喷洒在高速旋转的填料转子上，被剪切成液膜、液滴、液丝，与向上的气体错流接触，在每个定子的上方设置有集液槽，可防止含颗粒的液体进入定子填料引起定子阻塞，从而影响气体的分布效果。该过程相对单一转子的旋转填料床，气体受到多级填料的剪切和分布。在旋转填料床中，气体作为连续相，受到多次剪切，与离散的液体接触面积更大，加快了气液界面更新速率，从而达到强化气相传质的目的；气体和液体之间错流接触，可以减小转子直径，不易产生液泛，更适用于大通量的场合。

附图说明

图1是本发明多级错流旋转填料床设备主体示意图。

图中：1-气体出口管；2.1-液体进口管I；2.2-液体进口管II；2.3-液体进口管III；3.1-填料转子I；3.2-填料转子II；3.3-填料转子III；4.1-填料定子I；4.2-填料定子II；5-外壳；6-下轴承座；7-液体出口；8-上轴承座；9.1-液体分布器I；9.2-液体分布器II；10.1-转子填料支撑I；10.2-转子填料支撑II；10.3-转子填料支撑III；11.1-集液槽I；11.2-集液槽II；12.1-定子填料支撑I；12.2-定子填料支撑II；13-挡板；14-格栅孔；15-气体进口管；16-转轴；17-被动皮带轮。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

一种多级错流旋转填料床传质与反应设备，包括旋转床壳体5、转轴16以及两个或者两个以上可以高速旋转的填料转子和一个或者一个以上静止的填料定子，填料转子与填料定子交替安装、自上而下同轴设置、以填料转子始、以填料转子终，填料转子中心都设置有液体分布器，液体分布器与各自的进液管连接，旋转床壳体5顶部连接排气管1、底部连接液体出口管7和气体进口管15。

所述的填料定子与旋转床壳体5相连，填料转子与转轴16相连，转轴16下端装有被动皮带轮17连接驱动电机。

排气管1与最上层的填料转子之间留有空间，排气管上设置除雾机构。

填料转子和填料定子由填料支撑组件进行支撑，填料支撑为中间开孔的不锈钢板或支撑筋，支撑筋为斜叶片或直条筋；填料转子的填料支撑与转轴16焊接连为一体，填料定子的填料支撑与壳体5内壁焊接连为一体。

填料定子与壳体间距占壳体直径的0.5%~10%，比填料转子与壳体的间距小，静止不动的填料定子上方安装有锥形圆筒，锥形圆筒与壳体一起构成集液槽11，锥形圆筒的底部连接填料定子的外缘。

液体出口管7的顶部与壳体5底部齐平。

气体进口管15伸进壳体5底部，气体进口管15的顶部高出壳体底部，进气管进入壳体的一端安装有挡板，在气体进口管末端也设置有挡板，挡板之前的气体进口管上开有一组格栅孔14。

转轴16的上下两端与壳体连接的部分均通过轴承座进行动密封。

气体出口管位于多级错流旋转填料床的上端，与最上层转子之间留有一定的空间，气体出口管上可以再连接一个除雾器，也可以直接将壳体上端换成旋流板式除雾器，以消除烟气中的雾沫夹带。

以下，以三级为例，如图1所示，包括三级填料转子和两级填料定子。

填料转子和填料定子的填料分别由转子填料支撑和定子填料支撑进行支撑，填料支撑为中间开孔的不锈钢板或支撑筋，支撑筋可以为斜叶片或直条筋。三个填料转子的填料支撑与转轴16焊接连为一体，两个填料定子的填料支撑与壳体5内壁焊接连为一体。

填料转子中心的液体分布器是一种环形套管，套在转轴上，每个液体分布器上对称开开4列孔。

填料定子与壳体5间距占壳体直径的0.5%~10%，填料定子与壳体的间距比填料转子与壳体的间距小。静止不动的填料定子上方安装有锥形圆筒，锥形圆筒与壳体一起构成集液槽，锥形圆筒的底部连接填料定子的外缘，集液槽作用是收集来自上方的带有颗粒的吸收液，使浆液沿壳壁往下流，防止堵塞定子填料。

液体出口管7安装在壳体的底端，不伸进壳体内部，收集所有沿壳体内壁流下来的液体排出。

气体进口管15安装在壳体的下部，并伸进壳体一定的距离，避免液体倒灌。进气管进入壳体一端安装有挡板，在气体进口管末端也设置有挡板，挡板之前的气体进口管上开有一组格栅孔14，可实现烟气在转子下方的初次分布，避免直吹转子填料和气体短路。

转轴16的上下两端与壳体连接的部分均通过轴承座进行动密封，轴承座包括密封圈和轴封等部件。

转轴16下端装有被动皮带轮17，可连接皮带由电机带动旋转，转速可通过变频器来调节。

工作状态下，液体从两个进液管分别通过液体分布器喷洒进入高速旋转的填料，液体受到填料的高速剪切作用，成为微米级的液膜、液滴、液丝，气体从进口管受到格栅的初次分布，进入高速旋转的转子，受到高速剪切之后螺旋上升，通过中间静止的定子时再次受到其中填料的剪切，得到了气体的再分布，最后气体通过上一层高速旋转的转子第三次受到高速剪切，以此类推。最后，从转子甩出的液体被旋转床的外壳截获并沿壳壁流下，从置于下面的排液管排出，而气体则通过旋转床顶部的排气管排出。当处理气量小的时候，需要的液量也小，可以只在下方的液体进口管通入液体，上边的若干层填料可同时充当除雾器的作用。

该过程相对单一转子的旋转填料床，气体受到多级填料的剪切和分布。在旋转填料床中，气体作为连续相，受到多次剪切，与离散的液体接触面积更大，加快了气液界面更新速率，对气膜控制的传质过程很有利，从而达到强化气相传质的目的；气体和液体之间错流接触，转子直径小，气量大，床层内气速较高，不易发生液泛，更适用于大通量的场合。

与现有技术对比：

以磷酸钠缓冲溶液吸收SO₂为例，采用直径50mm，高2m，装填高度1.66m的θ环填料塔。在适宜实验条件pH=5.5~6、空塔气速0.7 m/s，液气比L/G=(4～5)L/m³、磷酸浓度(1.5~2) mol/L、下，进口气体SO₂浓度≤12g/m³时，脱硫率达99%。此时填料塔的气相体积传质系数为87.6mol/m³·s。

使用转子内径φ66mm、外径φ260mm、轴向高度20mm的逆流旋转填料床，在磷酸浓度为1.5mol/L、空床气速0.8m/s、液气比L/G为2.3L/m³、pH值为5.64、超重力因子（与转速有关）为80、进口气体SO₂浓度≤12g/m³的条件下，脱硫率达到99%左右，此时逆流旋转填料床的气相体积传质系数为1428.6 mol/m³·s，是填料塔的16.3倍。

使用本发明的三级错流旋转填料床进行同一反应，在磷酸浓度1.5mol/L、pH值为5.7、空床气速达3.5 m/s、液气比L/G=2.5 L/m³、超重力因子80~120、进口气体SO₂浓度≤12g/m³时，脱硫率达到99.2%左右，气相体积传质系数为5000~9500mol/(m³·s)，是填料塔的50~108倍，是逆流旋转填料床的4-7倍。说明多级错流旋转填料床比逆流旋转填料床更适用于大通量、受气膜传质控制的吸收过程。

具体实施例效果如下：

1. 当磷酸浓度为1.5mol/L、pH为5.5、空床气速2.6m/s、液气比L/G=2.5 L/m³、超重力因子80、进口气体SO₂浓度5700 mg/m³时，脱硫率达到99.6%。气相体积传质系数为5751.2 mol/(m³·s)。

2. 当磷酸浓度为1.5mol/L、pH为6、空床气速3.5m/s、液气比L/G=2.5 L/m³、超重力因子80、进口气体SO₂浓度5700 mg/m³时，脱硫率达到99.2%。气相体积传质系数为7997.6mol/(m³·s)。

3. 当磷酸浓度为1.5mol/L、pH为6.5、空床气速4.5m/s、液气比L/G=2.5 L/m³、超重力因子80、进口气体SO₂浓度5700 mg/m³时，脱硫率达到99.1%。气相体积传质系数为9685.1 mol/(m³·s)。

Claims

1.一种多级错流旋转填料床传质与反应设备，其特征在于包括旋转床壳体（5）、转轴（16）以及两个或者两个以上可以高速旋转的填料转子和一个或者一个以上静止的填料定子，填料转子与填料定子交替安装、自上而下同轴设置、以填料转子始、以填料转子终，填料转子中心都设置有液体分布器，液体分布器与各自的进液管连接，旋转床壳体（5）顶部连接排气管（1）、底部连接液体出口管（7）和气体进口管（15），

填料定子与壳体间距占壳体直径的0.5%~10%，比填料转子与壳体的间距小，静止不动的填料定子上方安装有锥形圆筒，锥形圆筒与壳体一起构成集液槽（11），锥形圆筒的底部连接填料定子的外缘，

气体进口管（15）伸进壳体（5）底部，气体进口管（15）的顶部高出壳体底部，进气管进入壳体的一端安装有挡板，在气体进口管末端也设置有挡板，挡板之前的气体进口管上开有一组格栅孔（14）。

2.根据权利要求1所述的多级错流旋转填料床传质与反应设备，其特征在于所述的填料定子与旋转床壳体（5）相连，填料转子与转轴（16）相连，转轴（16）下端装有被动皮带轮（17）连接驱动电机。

3.根据权利要求2所述的多级错流旋转填料床传质与反应设备，其特征在于排气管（1）与最上层的填料转子之间留有空间，排气管上设置除雾机构。

4.根据权利要求3所述的多级错流旋转填料床传质与反应设备，其特征在于所述的填料转子和填料定子由填料支撑组件进行支撑，填料支撑为中间开孔的不锈钢板或支撑筋，支撑筋为斜叶片或直条筋；填料转子的填料支撑与转轴（16）焊接连为一体，填料定子的填料支撑与壳体（5）内壁焊接连为一体。

5.根据权利要求4所述的多级错流旋转填料床传质与反应设备，其特征在于填料转子中心的液体分布器是环形套管，套于转轴之上，每个液体分布器上对称开4列孔。

6.根据权利要求5所述的多级错流旋转填料床传质与反应设备，其特征在于液体出口管（7）的顶部与壳体（5）底部齐平。

7.根据权利要求6所述的多级错流旋转填料床传质与反应设备，其特征在于转轴（16）的上下两端与壳体连接的部分均通过轴承座进行动密封。