超重力旋转填充床氧解吸过程的数值模拟

起重力旎转填充床氧解吸过程的数值模拟向阳;刘良;初广文;邹海魁;陈建峰【摘要】Amathematicalmodelforgas-liquidinterphasemasstransferwasestablishedbasedonthevisualstudyoffluidflowinarotatingpackedbed(RPB).TheeffectsofmodelparametersonliquidmasstransfercoefficientkL,aswellastheeffectofoperationparametersonoverallvolumetricmasstransfercoefficientKLaingas-liquidmasstransferprocessofwaterdeoxygenationbyanitrogenstreamwerestudiedvianumericalsimulationswiththemathematicalmodel.SimulationresultsindicatedthatkLincreasedwithdecreasingliquidresidencetimeandincreasingliquidmoleculardiffusivity.KLaincreasedwithincreasinghigee(highgravity)factor,temperatureandliquidflowratebutinfluencedhardlybypressure,anddecreasedslightlywithincreasinggasflowrate.Additionally,themasstransfercontributionofcavityzonediminishedwithincreasinghigeefactor,aswellasdecreasingcavityzonevolume.Accordingtonumericalsimulationresults,thenatureofprocessintensificationforgas-liquidmasstransferprocessinRPBlayintransientliquidresidencetime.DeoxygenationefficiencyEcalculatedfromthismodelagreedwellwithexperimentalEextractedfromliteratureswithdeviationswithin±16%,whichverifiedthemasstransfermodel.%基于旋转填充床流体流动的可视化结果，建立了超重力旋转填充床气液传质过程的数学模型，模拟氮气解吸水中溶解氧的传质过程。模拟结果表明，缩短液相停留时间、提高液相扩散系数都能增大液相传质分系数kL；总体积传质系数KLa随超重力因子的增加而增大、随温度的上升而增大、随气相流率的增加略有下降、随液相流率的增加明显增大；空腔区传质贡献率随空腔区的增大而增大，随超重力因子的增大而减小；且短暂的停留时间是超重力旋转填充床对传质过程强化的本质原因。模型较好地符合文献的实验数据，误差在±16%以内。【期刊名称】《化工学报》【年(勤期】2014(000)007【总页数】8页(P2785-2792)【关键词】旋转填充床;模型;数值模拟;传质系数;氧解吸【作者】向阳;刘良;初广文;邹海魁;陈建峰【作者单位】北京化工大学教育部超重力工程研究中心，北京100029;北京化工大学教育部超重力工程研究中心，北京100029;北京化工大学教育部超重力工程研究中心，北京100029;北京化工大学教育部超重力工程研究中心，北京100029;北京化工大学教育部超重力工程研究中心，北京100029;北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室，北京100029【正文语种】中文【中图分类】TQ028.820世纪70年代发展起来的超重力技术，由于在强化混合、相间传质方面具有独特优势，现已作为一种新型的过程强化技术被用于吸收［1-4］、精馏［5］、脱除［6］及纳米材料的制备［7］等化工过程。其中在多流体相的传质与分离方面，超重力技术的研究日益增多，但绝大多数为实验性、应用性研究。研究者们基于实验数据提出了诸多传质效率与体系参数、操作参数及设备参数的经验关联式［8-9］，虽然能够揭示超重力场下的气液相间传质的总体规律，但无法用于解释过程强化的机制所在。对超重力技术的基础性研究认为过程强化的机理在于传质分系数kL与有效传质比面积a的同时增加，物理过程中即表现为液相在诸如旋转填充床的超重力设备中被高度分散为微型的膜、线、滴等液体微元，同时这些微元表面被急速更新。通过建立数学模型的方法能更加准确地描述此高度分散、急速更新的过程，从而更深入地揭示超重力技术强化气液传质的机理所在。然而至今为止，针对旋转填充床内气液传质分离过程进行的模型化研究并不多［10-12］，基于传质模型进行数值模拟的研究更少。本文在旋转填充床流体流动的可视化研究基础上建立了包含空腔区传质的旋转填充床一维径向气液传质模型。利用此模型研究了氧解吸过程中的模型参数对液相传质分系数的影响规律，在此基础上数值模拟了超重力因子、温度、压力、气液两相流率及空腔区传质等操作参数对旋转填充床总传质效果的影响规律。最后，将模型计算的溶解氧的解吸率与公开文献的实验数据进行了对比验证。1.1模型假设旋转填充床流体流动的可视化研究结果表明［13-15］，在较高转速下液体在填料空间内主要以液滴的形式存在。本文假设装填丝网填料的旋转填充床填料区和空腔区中的液体全部以液滴的形式存在，所有液滴的表面积即为传质的面积。传质模型的假设如下：（1） 液滴呈球形，传质比表面积a仅是流体力学参数；（2） 忽略“端效应”现象，即忽略旋转床中可能发生的液相返混，气液两相呈平推流流动；（3） 液滴在填料层间的运动过程中不发生聚并分散，液滴每经过一层丝网，其表面被更新一次、内部被全混一次，其速度、尺寸相应改变一次；（4） 在气液相界面处，气液两相满足亨利定律。1.2模型方程逆流式旋转填充床内的气液两相流率流动以及填料之间的空间如图1所示，取旋转填充床填料层的体积微元dV为考察对象，由质量守恒可得高纯氮气解吸水中的氧不包含任何化学反应，属于纯物理扩散过程。液滴内的溶解氧在浓度梯度的作用下向气相扩散，由此建立液滴中溶解氧的扩散传质微分方程(液滴的球坐标如图2所示)对应有初值、边值条件：计算出溶解氧的浓度分布后，根据式(6)计算kL氧解吸过程的传质阻力主要集中在液相侧，本文中忽略气相传质阻力，即1.3模型参数数值模拟所需要的各参数见表1，求解模型时需要的流体力学参数见表2。1.4数值方法求解积分方程组式(1)、式(2)的基本思想是积分化差分，根据传质模型假设，选取相邻两层填料之间的空间服代替dV累和，计算过程如图3所示。求解式(3)及浓度分布所采用的是MOL(methodonline)“线上法”的思想，实现工具为Matlab求解抛物线型偏微分方程(组)函数pdepe及与之配套使用的偏微分取值函数pdeval。在得到两相的浓度终值后，由式(8)计算液相的总体积传质系数KLa2.1模型参数对kL的影响2.1.1停留时间取液滴在两层填料间的停留时间t分别为10-4、10-3、10-2、10-1s,选298K时的扩散系数及以下初值条件计算液滴内溶解氧浓度分布及kL,结果如图4、图5所示。对于氧解吸，传质过程由扩散控制，图4中表示的浓度分布曲面将随时间的延长向液滴中心靠拢，意味着液滴主体的氧浓度将一直下降，对应的界面处浓度梯度随时间的延长减小（图4中表现为浓度分布曲面越来越〃缓”），因此随停留时间的增加kL下降（图5）。计算得到的kL与停留时间t经过拟合得到以下关系2.1.2温度对于纯扩散传质过程，温度决定的液相分子扩散系数与传质系数密切相关，分别选择298K及323K下的扩散系数，选取式（11）所示的初值条件，计算液滴内溶解氧浓度分布及各温度下的kL分别如图6、图7所示。t=10-3s,d=2x10-4m,c0=2x10-4kmol-m-3,ce=0（11）温度越高，液相内溶解氧的分子运动越剧烈，扩散系数越大；时间一定时，有更多的溶解氧参与到传质过程中来，图6中表现为浓度分布曲面向液滴中心移动（即越〃缓”），界面处的浓度梯度随之减小，然而扩散系数的增大抵消了这种减小趋势。即随着温度的升高，DL增大，kL/DL减小，kL增大（图7）。2.2操作条件对总体积传质系数的影响2.2.1超重力因子超重力因子反映了旋转床的超重力水平，是超重力设备的主要特征，定义为超重力因子P能同时影响传质分系数与传质比表面积，且起促进作用，根据式（10）所示的kL与停留时间t间的关系，可知B与kL之间的关系为不同超重力因子下旋转填充床总液相体积传质系数KLa的模拟计算结果如图8所示。从图8中可看出，KLa随超重力因子的增加而增大但增大的幅度逐渐减小。许明等［18］在旋转填充床水脱氧的模型化研究中得到了同样的结论并认为当转速3高于某个值时，KLa不再随转速有明显改变。Chen等［19］在水脱氧的实验研究中发现当3一定时，减小内径（增加径向厚度，即减小B）,KLa减小，数值模拟的结果与实验结论一致。2.2.2温度、压力对于纯扩散传质过程，温度除能影响扩散系数外，还能影响体系的亨利系数；而压力只能通过影响浓度差对总传质过程产生影响。改变温度、压力时旋转填充床氧解吸的KLa的模拟计算结果如图9所示。从图9中可知，温度越高，kL越大，KLa也越大；由于氧解吸体系气相中的氧分压很小，因此压力对总传质系数的影响很小。此外，还可以推断出同样对传质推动力产生影响的亨利系数对总传质系数的影响也很小。2.2.3气、液相流率改变气液两相流率，KLa的模拟计算结果分别如图10、图11所示。从模拟计算的结果来看，对于氧解吸体系，改变气相流率，KLa有小幅度减小，说明气相流率对总的传质过程影响较小；增加液相流率，KLa明显上升，且在较高超重力因子下，液相流率的影响增大。数值模拟的结果能很好地印证〃氧解吸传质过程的阻力主要集中于液相侧”。旋转填充床内进行的氧解吸实验［20-22］，气液两相流率对总传质的影响都具有类似的规律。2.2.4空腔区传质空腔区是指旋转床内填料外缘与壳体之间的空间，若填料外缘处传质推动力仍不为0，那么空腔区也有传质过程发生。模拟空腔区传质对总传质的贡献首先按式（14）定义空腔区传质对旋转填充床总传质的贡献率n式中cout、coutc分别表示不计入空腔区和计入空腔区的出口液相内溶解氧浓度，kmol-m-3;E、Ec分别表示不计入空腔区和计入空腔区的溶解氧的解吸率。空腔区内模型假设液滴间不发生聚并分散，且液滴尺寸与从填料外缘甩出液滴尺寸—样；与填料区相比，空腔区液滴速度快、直径小，但对应的持液量也小且不受超重力场的作用。空腔传质的模拟结果如图12所示。Yang等［23］在利用化学吸收法测定旋转填充床有效传质比表面积时计入了空腔区传质对总传质的影响，发现空腔区传质贡献率随转速（本文中即为超重力因子）的增加而减小，随填料外径的增加而增大，数值模拟的结果与该实验结论一致。选择文献［24-25］中的水脱氧实验数据，将模型计算的氧解吸率值与实验的氧解吸率值进行对比，结果如图13所示，误差均在±16%以内，表明该传质模型基本能正确反映出操作条件对旋转填充床内气液传质过程的影响规律。然而模型假设液相全部以液滴形式存在并参与传质过程，实际上还有部分液相覆盖在填料表面，导致实验结果与模拟结果存在一定的误差。因此，下一步研究工作建议基于填料层内液相新的可视化研究结果，采用液滴和液膜模型相结合来模拟旋转填充床内气液传质过程。在流体流动的可视化研究结果上，本文建立了描述旋转填充床气液传质的一维径向平推流模型，对氮气解吸水中溶解氧的传质过程进行模拟计算，得到了如下结论。（1） 液相传质分系数kL随液滴在填料层间的停留时间缩短而增大、随液相扩散系数增大而增大；结果表明，液滴在填料层间短暂的停留时间是旋转填充床对传质过程强化的本质原因。（2） 总体积传质系数KLa随超重力因子的提高而增大、随温度的升高而增大、基本不受压力的影响、随气相流率的增加略有减小、随液相流率的增加显著增大；空腔区对总传质的贡献随空腔区体积的增大而增大、随超重力因子的增大而减小。（3） 用氧解吸实验数据对传质模型进行了验证，模型的误差在±16%以内。下一步工作建议在深入研究填料层内液相可视化结果的基础上，采用液滴和液膜模型相结合来模拟旋转填充床内气液传质过程。a 有效传质比表面积，m-1c 液相内溶解氧浓度，kmol・m-3cin,cout,coutc 分别为液相进口及不计、计入空腔区传质的液相出口浓度，kmol-m-3c0,ce——分别为液滴主体浓度及相界面处的平衡浓度，kmol・m-3DL——液相分子扩散系数，m2・s-1d 液滴直径，mE——溶解氧解吸率，%g 重力加速度，9.8m-s-2g0——征重力加速度，100m-s-2H 亨利系数，kPa・m3・kmol-1h——填料层轴向高度，mKG——气相传质分系数，kmol・kPa-1・m-2-s-1KL——液相传质分系数，m・s-1kL——局部液相传质分系数，m・s-1l——丝网填料层间距，mmp 总压力，kPaQG 氮气的体积流率，m3・h-1QGn 氮气的摩尔流率，mol・h-1QL——液相水的体积流率，m3・h-1qL 液相通量，qL=QL/(2nRh),m・s-1R 旋转填充床径向坐标，mr 液滴径向坐标，mr0——液滴半径，mT——温度，Kt 时间，suR 液滴的径向速度，m・s-1yin,yout 分别为气相进口浓度、出口浓度，％P——超重力因子eL 持液量n——空腔区传质贡献率，%P 液相密度，kg・m-3。 液相表面张力，N・m-13 角速度，rad・s-1下角标c——空腔区i——填料层数(迭代计算步数)—填料内缘—填料外缘—腔区外缘【相关文献】JassimMS,RochelleG,EimerD,RamshawC.Carbondioxideabsorptionanddesorptioninaqueousmonoethanolaminesolutionsinarotatingpackedbed[J].Ind.Eng.Chem.Res.,2007,46(9):2823-2833LuoYong,ChuGuangwen,ZouHaikui,WangFang,XiangYang,ShaoLei,ChenJianfeng.Masstransferstudiesinarotatingpackedbedwithnovelrotors:chemisorptionofCO2[J].Ind.Eng.Chem.Res.,2012,51:9164-9172ZhangLiangliang,WangJiexin,XiangYang,ZengXiaofei,ChenJianfeng.Absorptionofcarbondioxidewithionicliquidinarotatingpackedbedcontactor:masstransferstudy[J].Ind.Eng.Chem.Res.,2011,50:6957-6964QianZhi,XuLianbin,LiZhenhu,LiHua,GuoKai.SelectiveabsorptionofH2SfromagasmixturewithCO2byaqueousN-methyldiethanolamineinarotatingpackedbed[J].Ind.Eng.Chem.Res.,2010,49:6196-6203AgarwalL,PavaniV,RaoDP,KaisthaN.Processintensificationinhigeeabsorptionanddistillation:designprocedureandapplications[J].Ind.Eng.Chem.Res.,2010,49(20):10046-10058ChenYushao,LiuHwaishen.AbsorptionofVOCsinarotatingpackedbed[J].Ind.Eng.Chem.Res.,2002,41(6):1583-1588ChenJianfeng,ZhouMinyi,ShaoLei,WangYuyong,YunJimmy,ChewNoraYK,ChanHak-Kim.Feasibilityofpreparingnanodrugsbyhighgravityreactiveprecipitation[J].Int.J.Pharm.,2004,269(1):267-274ChenYushao,LinChiachang,LiuHwaishen.Masstransferinarotatingpackedbedwithvariousradiiofthebed[J].Ind.Eng.Chem.Res.,2005,44(20):7868-7875ChenYushao.Correlationsofmasstransfercoefficientsinarotatingpackedbed[J].Ind.Eng.Chem.Res.,2011,50(3):1778-1785YiFei,ZouHaikui,ChuGuangwen,ShaoLei,ChenJianfeng.ModelingandexperimentalstudiesonabsorptionofCO2byBenfieldsolutioninrotatingpackedbed[J].Chem.Eng.J.,2009,145:377-384QianZhi,XuLianbin,CaoHuibo,GuoKai.ModelingstudyonabsorptionofCO2byaqueoussolutionsofN-methyldiethanolamineinrotatingpackedbed[J].Ind.Eng.Chem.Res.,2009,48(20):9261-9267LiWoyuan,WuWei,ZouHaikui,ChuGuangwen,ShaoLei,ChenJianfeng.Amasstransfermodelfordevolatilizationofhighlyviscousmediainrotatingpackedbed[J].ChineseJournalofChemicalEngineering,2010,18(2):194-201BurnsJR,RamshawC.Processintensification:visualstudyofliquidmaldistributioninrotatingpackedbeds[J].Chem.Eng.Sci.,1996,51(8):1347-1352GuoKai,GuoFen,FengYuanding.SynchronousvisualandRTDstudyonliquidflowinrotatingpacked-bedcontactor[J].Chem.Eng.Sci.,2000,55(9):1699-1706YangKuang(杨旷).Micromixngandgas-liquidmasstransfercharacteristicinrotatingpackedbed[D].Beijing:BeijingUniversityofChemicalTechnology,2010BurnsJR,JamilJN,RamshawC.Processintensification:operatingcharacteristicsofrotatingpackedbeds-determinationofliquidhold-upforahigh-voidagestructuredpacking[J].Chem.Eng.Sci.,2000,55(13):2401-2415GuoFen,ZhengChong,GuoKai,FengYuanding.Hydrodynamicsandmasstransferincross-flowrotatingpackedbed[J].Chem.Eng.Sci.,1997,52(21):3853-3859XuMing(许明),ZhangJianwen(张建文),ChenJianfeng(陈建峰),ZhaoJin(赵瑾)，ShenZhigang(沈志刚).Modelingofwaterdeoxygenationinarotatingpackedbed[J].JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversities(高校化学工程学报)，2005,19(3):309-314ChenYushao,LinChiachang,LiuHwaishen.Masstransferinarotatingpackedbedwi