2.7　错流旋转填充床的传质特性

随着旋转填充床转子直径的增加，机械强度、加工精度都会要求越来越高，所以，设备投资费用都会大幅增加。因此，减小转子直径是降低设备投资的一个重要途径，由此提出了错流旋转填充床的设想。其基本思想是液体由空心轴进入旋转填充床（见图2-68），在转子的喷淋段沿径向喷出，与轴向流动的气体错流接触后被抛到外腔，然后由设备底部排出。

从理论上讲，错流传质推动力不如逆流大，但对液相浓度较高的循环操作，液体经过一次吸收后浓度变化极小，对于这类气液过程，采用逆流、错流或并流，其传质推动力差别不大。另外，对于湿法除尘过程，由于不存在平衡分压问题，气液错流接触分离效果可能更好。因为气体横吹可将填料中的液丝吹断，液膜吹破，有利于增加气液接触机会，增强分离效果。如果在错流接触情况下的传质系数和逆流相当，而两种情况下过程的推动力没有显著差异或不是过程的主要矛盾时，则错流旋转填充床可因其以下的特点而具有吸引力：错流旋转填充床不存在逆流液泛的限制气速问题，而其出口气体中的液沫夹带可通过捕沫段设计解决，因此，错流床有可能采取远比逆流旋转填充床泛点气速高得多的操作气速，如采取类似于气体管道中的经济气速（8～16m/s），这对于处理大气量的洗涤、吸收过程具有特别有意义。

郭奋[41]对错流旋转填充床的流体力学和传质特性进行了理论分析和实验研究。分别采用氮气解吸水中的氧这一典型的液膜控制传质过程和水吸收空气中的氨这一气膜控制传质过程，对错流旋转填充床的传质过程进行了实验研究和理论计算，还利用氨法尾气SO2吸收，研究了错流旋转填充床的化学吸收过程，计算结果与实验值吻合较好。结果表明，错流旋转填充床的传质单元高度在2～5cm，与逆流旋转填充床的结果相当，用于氨法尾气SO2吸收单级吸收率可达90%以上，是一种高效的传质设备。

2.7.1　体积传质系数实验值的计算模型

由于气液错流接触，气液浓度在径向和轴向上都有变化，所以很难得到计算床层传质系数的解析式，只能将床层分为微圆环，用试差和递推的方法求取。即先给定体积传质系数Kxa，然后，从气相或液相入口端逐层递推，最后，求出气液相出口平均浓度与实验值比较。如果两者之差小于精度要求，则认为Kxa即为所求，否则，修正Kxa重新从头开始递推计算，直到满足要求。

2.7.1.1　计算假设

（1）气相平推流；

（2）液相无轴向和径向返混；

（3）液相传质系数Kxa取常数；

（4）气体径向与轴向压力一致；

（5）不考虑端效应。

2.7.1.2　计算方法

（1）对填料层沿轴向分为m等份，即分为m段；

（2）对填料层沿径向分为n等份，即分为n个同心圆筒；

（3）用两个二维数组分别记录nm个微圆环的气液相浓度。

2.7.1.3　质量平衡方程

对第i、j个微环（见图2-69）列质量平衡方程（设为气体解吸）：

式中　L、G——分别为液、气相摩尔流率，mol/s；

　R1、R2——分别为填料层的内外半径，m；

　H——填料的轴向长度，m；

　a——传质总比表面积，m2/m3；

　NA——传质通量，mol/（m2•s）。

式中　Kx——液相传质系数，mol/m2s；

　xe——液相平衡浓度，可由亨利定律求出。

式中　H e——亨利系数，mmHg；

　PA——O2的气相分压，mmHg，PA由下式计算：

式中　P——床内总压，mmHg；

　y——氧的摩尔分数。

将式（2-95）代入式（2-94），得到：

积分上式得：

变形得：

式中，

定义为第j段的径向传质单元高度，m；

定义为第j段的传质单元数。

可以看出此结果与逆流旋转填充床的结果在形式上完全一致。由式（2-103）还可看出，由于R2-R1为常数，所以NTU对每个径向层都相等。如果按轴向定义传质单元高度则：

对错流床以轴向传质单元高度表达传质特性较好为合理，所以后面的传质单元高度皆以轴向表示。

2.7.1.4　递推公式的推导

（1）对液相，由式（2-94）得：

取，代入式（2-104）得：

令A=πHKxa/L代入式（2-105）并整理，得到液相浓度的递推公式：

（2）对气相，对第i，j微环列出质量平衡方程得：

将Δz=H/m，Δy=yi，jyi，j1，Δx=xi1，jxi，j，代入式（2-107）得：

令代入式（2-108）得：

式（2-106）、式（2-109）为错流旋转填充床的递推公式，由给定的进口条件和Kxa，自填料内层向外递推，对每层（薄圆筒）自气体进口向出口推，即可得到出口气液相浓度分布。

2.7.1.5　气液出口平均浓度的计算

（1）对出口液体：

（2）对出口气体：

2.7.1.6　体积传质系数实验值的计算过程

（1）给定n，m值，输入数据；

（2）由实验测得的气液进出口浓度，用逆流床的计算公式估算Kxa初值并定出上下限；逆流床的计算Kxa公式为：

式中　x0、x2——分别为液相进出口的氧浓度；

　xe0、xe2——分别为液相进出口的氧平衡浓度。

（3）根据Kxa初值由递推公式（2-106）、式（2-109）递推求出气液相出口浓度分布，再由下式（2-110）求出液相出口的平均浓度；

（4）将液体出口浓度的测量值与计算值对比。如果计算值与实验值的误差小于控制精度，则认为这时的Kxa值即为实验值。如果误差不小于控制精度则采用二分法修正Kxa值重新计算直至满足精度要求；

（5）计算框图。计算框图如图2-70所示。

2.7.2　理论计算与试验结果的对比

实验与模拟结果的对比见图2-71。由图可看出，在整个实验范围内，模型的计算结果与实验结果吻合良好。图2-72～图2-74为HTU随G0、L0和N变化的部分实验结果。由图可看出，转速对HTU的影响最为显著。在转速为1420r/min时，HTU基本在2.5～4cm之间，逆流旋转填充床的结果也是在这一范围内，这说明错流旋转填充床的传质效果也相当好。

图2-75～图2-78是不同气量、液量与转速下体积传质系数的模型计算与实验结果对比的部分结果。由图可看出，二者虽有小的误差，但均有相同趋势，特别是转速对Kxa影响的模型计算结果与实验值吻合良好。