CN105148685B

CN105148685B - 恒定通道式旋转填料床传质与反应设备

Info

Publication number: CN105148685B
Application number: CN201510610452.6A
Authority: CN
Inventors: 焦纬洲; 刘有智; 袁志国; 祁贵生; 张巧玲; 栗秀萍; 申红艳; 高璟; 罗莹; 俸志荣
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2015-09-23
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2017-12-08
Anticipated expiration: 2035-09-23
Also published as: CN105148685A

Abstract

本发明属超重力场中反应、传质技术领域，为解决现有超重力反应与传质设备填料利用率低；影响传质性能；填料用量大，运行转动惯量大，不利于设备的放大与维护等问题，提供一种恒定通道式旋转填料床传质与反应设备。填料为由填料A部分和填料B部分交替组成的同心圆环体；填料A部分为气液流通通道，由若干六面立方体组成，在径向方向内表面与外表面由金属丝网缠绕，其余四个平面由金属平板组成，内部填充散装填料；填料B部分为扇形体的结构支持件，五个平面均由金属平板组成。气液分布明显改善，气液相传质系数均有提高；减小了超重力设备的成本，转动惯量减小显著，传动轴磨损情况得到改善，强化气膜控制过程，能用于低浓度气体的吸收过程。

Description

恒定通道式旋转填料床传质与反应设备

技术领域

本发明属于超重力场中反应、传质技术领域，具体涉及一种恒定通道式旋转填料床传质与反应设备。

背景技术

旋转填料床是一种利用超重力技术的新型传质与反应设备，具有传质效率高、液泛低、能耗低、设备集约化等优点的新技术。超重力条件下，重力加速度g很大，两相接触的动力因素即浮力因子Δ(ρg) 很大，流体相对滑移速度大，巨大的剪切应力克服了表面张力，使相界面快速更新，液体伸展出巨大的相际接触表面，从而极大地强化传质过程。在油田注水脱氧(石油化工, 1994, 23: 807-812)、废气中SO₂和H₂S的脱除(CN 101037630)、纳米材料的制备(CN 1636944)、除尘过程(CN 2650859)和生化反应过程的强化(生物化学工程, 1991, 122-128)等方面已经得到广泛研究和应用。

大量的公开资料表明，旋转填料床中存在气液分布不均的现象，如图1所示。这主要是因为现有的旋转填料床气液流通截面是变化的（CN 1059105，CN 1156639，CN1116125，CN 101125263，CN 101254355，CN1415396, CN 1686591, CN 101229502, CN101229503, CN 101234261，CN 101254356，CN 101254357, CN 101890250A，CN101898047A），以气液逆流式传统旋转填料床( CN 1020036)为例，气体的流通截面积是一个缩小的过程，而液体的截面积是一个扩大的过程，这种变化造成了填料内部流体分布不均。这会造成以下影响：（1）填料利用率低，多数填料上未发生气液交互传质、反应；（2）部分气体从液体分布不均形成的空隙中溢出，影响传质性能，仅能强化液相传质系数；（3）填料用量大，运行转动惯量大，不利于设备的放大与维护。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足，提供了一种恒定通道式旋转填料床传质与反应设备。解决了现有超重力反应与传质设备存在的以下技术难题：（1）填料利用率低，多数填料上未发生气液传质、反应；（2）部分气体从液体分布不均形成的空隙中溢出，影响传质性能，仅能强化液相传质系数；（3）填料用量大，运行转动惯量大，不利于设备的放大与维护。

本发明由如下技术方案实现：一种恒定通道式旋转填料床传质与反应设备，包括壳体上布设气体进口、气体出口、液体进口、液体出口，液体进口下端连接液体分布器；壳体底部安设电机，电机转轴与壳体相连处设置静密封，电机转轴端部连接填料，填料顶部与壳体之间设动密封；所述填料为由填料A部分和填料B部分交替组成的同心圆环体；填料A部分为气液流通通道，由若干六面立方体组成，填料A部分在径向方向内表面与外表面由金属丝网缠绕，其余四个平面由金属平板组成，内部填充散装填料；填料B部分为扇形体的结构支持件，五个平面均由金属平板组成。

所述散装填料为鲍尔环、拉西环、弧鞍填料、矩鞍填料、金属环矩鞍中的任意一种。所述填料A部分的横截面由内外两条圆弧与两条平行直线连结组成，内圆弧两端点连线与相邻的直线形成的夹角θ为45º-90º。

与现有技术相比，本发明有如下特点：

（1）气液分布明显改善，气液相传质系数均有提高。具体气液反应、传质过程主要包括以下步骤（以逆流式说明）：首先，液体进入旋转的填料后，被强大的离心力迅速分散成小液体。然后，被填料捕获的液滴，具有一定的切向速度，其小于v=2πrR(r表示填料半径，R表示转速)。由于液体通道流通（填料A部分）截面积无变化，液体撞向其侧面的金属挡板，一部分液体直接反溅雾化，被填充在填料A部分中的散装填料捕获，进一步分散；另一部分聚集在填料A部分金属挡板上被甩出，然后被填充在填料A部分中的散装填料捕获、分散。随后，液体与另一侧的金属挡板相撞，并一直重复此过程。液体经过多次壁面碰撞雾化，以及填料剪切分散，增大了气液之间的接触面积，液相传质系数得到了增强，并且气体与液体沿着截面积恒定通道（填料A部分）穿过填料，液体经过多次壁面碰撞雾化，以及填料剪切分散，增大了气液之间的接触面积，液相传质系数得到了增强，并且气体与液体沿着截面积恒定的通道（填料A部分）穿过填料，气体无法从液体形成的空隙中溢出，气液间的交互作用增强，气相湍动增强，增大了气相传质系数。与已公开的旋转填料床（CN 1059105，CN1156639，CN 1116125，CN 101125263，CN 101254355，CN 1415396, CN 1686591, CN101229502, CN 101229503, CN 101234261，CN 101254356，CN 101254357, CN101890250A，CN 101898047A）在相同操作条件下相比，液相传质系数最低提高10%左右，气相传质系数最低提高了26%左右；而大量的文献表明传统旋转填料床无法提高气相传质系数。

（2）散装填料用量仅为已公开旋转填料床的二分之一左右。减小了超重力设备的成本，并且转动惯量减小显著，传动轴磨损情况得到改善，中试运行实验显示，运行寿命延长60%。装置重量减小45%左右，电能消耗减小30%。

（3）本发明设备可以强化气膜控制过程，可以用于低浓度气体的吸收过程。

附图说明

图1为现有旋转填料床中气液分布示意图；图2为本发明的气液并流恒定通道式旋转填料床结构示意图；图3为本发明的气液逆流恒定通道式旋转填料床结构示意图；图4为本发明填料结构的主视图；图5为发明填料结构的俯视图；图6为本发明所述填料中气液分布示意图。

图中：1-气体分布位置；2-液体分布位置；3-壳体；4-气体进口；5-气体出口；6-液体进口；7-液体出口；8-液体分布器；9-电机；9.1-电机转轴；10-静密封；11-填料；11.1-填料A部分；11.2-填料B部分；12-动密封；13-碰撞反溅区1；14-碰撞反溅区2；15-碰撞反溅区3；16-碰撞反溅区4。

具体实施方式

一种恒定通道式旋转填料床传质与反应设备，包括壳体3上布设的气体进口4、气体出口5、液体进口6、液体出口7，液体进口6下端连接液体分布器8；壳体3底部安设电机9，电机转轴（9.1）与壳体3相连处设置静密封10，电机转轴9.1端部连接填料11，填料11顶部与壳体3之间设动密封12；所述填料为由填料A部分11.1和填料B部分11.2交替组成的同心圆环体；填料A部分11.1为气液流通通道，由若干六面立方体组成，填料A部分11.1在径向方向内表面与外表面由金属丝网缠绕，其余四个平面由金属平板组成，内部填充散装填料；填料B部分11.2为扇形体的结构支持件，五个平面均由金属平板组成。

所述散装填料为鲍尔环、拉西环、弧鞍填料、矩鞍填料、金属环矩鞍的一种或组合；优选鲍尔环。所述填料A部分的横截面由两条圆弧与两条平行直线连结组成，内圆弧两端点连线与相邻的直线形成的夹角θ为45º-90º。

实施例1：图2所示，一种气液并流恒定通道式旋转填料床，其气体进口与液体进口均设于壳体顶部，气体出口设于壳体侧壁，液体出口设于壳体底部，气液在填料中以并流方式流通。其传质、反应具体过程为：气体从气体进口进入，进入旋转的填料中；液体从液体进口进入，进过液体分布器，喷洒在旋转的填料上；由于液体通道流通（填料A部分）截面积不变，液体撞向其侧面的金属挡板，一部分液体直接反溅雾化，被填充在填料A部分中的散装填料捕获，进一步分散；另一部分聚集在填料A部分金属挡板上被甩出，然后被填充在填料A部分中的散装填料捕获、分散。随后，液体与另一侧的金属挡板相撞，并一直重复此过程。液体经过多次壁面碰撞雾化，以及填料剪切分散，增大了气液之间的接触面积，液相传质系数得到了增强，并且气体与液体沿着截面积恒定通道（填料A部分）穿过填料，气体无法从液体形成的空隙中溢出，气液间的交互作用增强，气相湍动增强，增大了气相传质系数。最后，液体从液体出口流出，气体从气体出口流出，完成传质、反应过程。

实施例2：图3所示，一种气液逆流恒定通道式旋转填料床，其气体进口设于壳体侧壁，液体进口和气体出口设于壳体顶部，液体出口设于壳体底部，气液在填料中以逆流方式流通。其传质、反应具体过程为：气体从气体进口进入，进入旋转的填料中；液体从液体进口进入，进过液体分布器，喷洒在旋转的填料上；由于液体通道流通（填料A部分）截面积无变化，液体撞向其侧面的金属挡板，一部分液体直接反溅雾化，被填充在填料A部分中的散装填料捕获，进一步分散；另一部分聚集在填料A部分金属挡板上被甩出，然后被填充在填料A部分中的散装填料捕获、分散。随后，液体与另一侧的金属挡板相撞，并一直重复此过程。液体经过多次壁面碰撞雾化，以及填料剪切分散，增大了气液之间的接触面积，液相传质系数得到了增强，并且气体与液体沿着截面积恒定通道（填料A部分）穿过填料，气体无法从液体形成的空隙中溢出，气液间的交互作用增强，气相湍动增强，增大了气相传质系数。最后，液体从液体出口流出，气体从气体出口流出，完成传质、反应过程。:

实验例1：采用图2结构的设备进行H₂S气体的脱除，H₂S浓度为2000mg/m³左右，在体系温度为(32±2)℃、液气比10L/m³、转速为1000r/min、纯碱为12g/L设备的θ值为90°的情况下，硫化氢单级脱除率为99.4%。

实验例2：本发明设备可以强化气膜控制过程，因而可以用于低浓度气体的吸收过程。本实验例采用图2、图3和文献（《超重力环境下选择性脱除气体中的硫化氢的工艺研究》天然气化工, 2011, 36(1): 30-33）公开的设备进行低浓度 H₂S气体的脱除，H₂S浓度为6mg/m³左右，在体系温度为(32±2)℃、液气比10L/m³、转速为800 r/min、纯碱为10 g/L设备的θ值为75°的情况下，硫化氢单次脱除率见表1。

表1：

设备	图2设备	图3设备	文献
				硫化氢脱除率	97.3%	98.5%	85%

实验例3：本发明图2、图3所示设备与文献(《超重力法处理高浓度氮氧化物废气中试研究》，化工进展, 2007, 26(7): 1058-1061)应用于18000-20000 mg/m³高浓度氮氧化物的废气的中试研究。在进气量100 m³·h^-1、液气比20 L·m^-3、超重力因子90和尿素浓度20%的条件下，θ值为45°的情况下，运行30天，平均氮氧化物单级脱除率见表2。

表2：

设备	图2设备	图3设备	文献
				氮氧化物平均单级脱除率	92.3%	95.5%	86%

实验例4：本发明图2、图3所示设备与文献(《超重力法处理高浓度氮氧化物废气中试研究》，化工进展, 2007, 26(7): 1058-1061)应用于400 mg/m³低浓度氮氧化物的废气的中试研究。在进气量100 m³·h^-1、液气比20 L·m^-3、超重力因子90和尿素浓度20%的条件下，θ值为60°的情况下，运行30天，平均氮氧化物平均单级脱除率见表3。

表3：

设备	图2设备	图3设备	文献
				平均氮氧化物单级脱除率	90.6%	93.4%	72%

Claims

1.一种恒定通道式旋转填料床传质与反应设备，包括壳体（3）上布设的气体进口（4）、气体出口（5）、液体进口（6）、液体出口（7），液体进口（6）下端连接液体分布器（8）；壳体（3）底部安设电机（9），电机转轴（9.1）与壳体（3）相连处设置静密封（10），电机转轴（9.1）端部连接填料（11），填料（11）顶部与壳体（3）之间设动密封（12）；其特征在于：所述填料为由填料A部分（11.1）和填料B部分（11.2）交替组成的同心圆环体；填料A部分（11.1）为气液流通通道，由若干六面立方体组成，填料A部分（11.1）在径向方向内表面与外表面由金属丝网缠绕，其余四个平面由金属平板组成，内部填充散装填料；填料B部分（11.2）为扇形体的结构支持件，五个平面均由金属平板组成。

2.根据权利要求1所述的一种恒定通道式旋转填料床传质与反应设备，其特征在于：所述散装填料为鲍尔环、拉西环、弧鞍填料、矩鞍填料、金属环矩鞍中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种恒定通道式旋转填料床传质与反应设备，其特征在于：所述填料A部分（11.1）的横截面由内外两条圆弧与两条平行直线连结组成，内圆弧两端点连线与相邻的直线形成的夹角θ为45º-90º。