【文章內容簡介】 可強化氣液傳熱、傳質過程，達到氣相高效凈化的良好效果。該技術在冶金、建材和化工等行業(yè)已得到廣泛應用。因此，采用動力波技術凈化車間內丙酮具有很大意義。 本實驗針對工廠生產實際情況，在指導教師的指導下，通過研究，一方面，為實際生產設備的設計提供有價值的參數(shù)，即找出設備的負荷性能范圍，最佳液 氣比范圍，表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉及丙酮穩(wěn)定劑聚乙烯醇對吸收效果的影響，以及驗證其高效吸收效果，并明確重點解決的問題，使設計工作會更切近實際，為以后工作奠定良好基礎。同時，再經過論證、修改、提高，能使研究、設計成果在實際生產中得以應用。另一方面理論與實際相結合，鍛煉自己解決實際問題的研究能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。 第二章 動力波模型理論及實驗數(shù)值計算 丙酮吸收過程傳質模型 傳質模型的形成過程 因為動力波洗滌器的新型、高效性，其在工業(yè)上的應用具有極為廣泛的前景。但出于技術保密的原因，在動力波洗 滌技術基礎理論研究方面國外的報道還比較少，主要是一些工業(yè)應用情況的報道近年來我國在動力波洗滌器壓降特性、吸收效率等領域的研究取得了較大進展。 錢智等人 [32]采用 CO2— MDEA 氣液吸收體系，對旋轉填充床中伴有可逆反應的氣液傳質過程進行了模型研究，建立了旋轉床中此體系的擴散反應傳質模型。朱春英 9 等人 [33]對不同液相流速下單乙醇胺水溶液化學吸收 CO2 的過程，進行了實驗研究，并測定了達到穩(wěn)態(tài)時的傳質系數(shù)。王偉之等人 [34]利用填料吸收塔，測定并計算了堿溶液吸收煙氣中低濃度 SO2的體積總傳質系數(shù)；李娜等人 [35]利用 液幕式吸收塔對脫硫性能進行了實驗研究，并建立了液幕式吸收塔的傳質模型；駱培成等人利用填料塔測定了NaOH 水溶液吸收空氣中少量 CO2的體積總傳質系數(shù)。 水吸收丙酮氣體作為一種物理吸收方式，是工業(yè)生產中的方法之一。國內一些動力波技術研究者對丙酮吸收過程傳質機理進行了研究，其中，上?；ぱ芯吭旱恼纪?，李秋萍，邵國興等人通過利用動力波洗滌器研究堿液吸收低濃 CO2的傳質特性，總結出了動力波的傳質模型。 動力波洗滌器的總傳質系數(shù) KG及氣 — 液有效接觸相界面積 a 是衡量傳質過程的重要參數(shù)，由于氣液對沖過程流動的 復雜性，單獨測量 KG 和 a極為困難。因此，體積總傳質系數(shù) KGa也可用于動力波洗滌器的設備設計計算。 吸收傳質模型的推導計算 上?；ぱ芯吭旱难芯空呃脛恿Σㄏ礈炱?，進行了 NaOH 溶液吸收混合氣體中微量 CO2的實驗，首先通過實驗測定氣液對沖形成的泡沫層厚度值，再近似的計算動力波洗滌器泡沫區(qū)內的氣液體積總傳質系數(shù) KGa，從而初步確定泡沫區(qū)內的氣液傳質性能，建立傳質模型 [36]，為動力波洗滌器的工業(yè)放大及操作提供了參考 [3740]。 同理，利用動力波洗滌器，采用水吸收丙酮氣體也可參考并利用其傳質機理 。 其傳質模型以分壓為推動力的吸收速率表達式為 NA=KG(pAp*A)=KGp(ΨAΨA*) (1) 式中： KG 為氣相總傳質系數(shù)， kmol／ (m2 h kPa)； pA 為溶質在氣相主體中的分壓， kPa； p*A 為與液相主體組成濃度成平衡的氣相分壓， kPa。 在動力波洗滌管內取高度為 dh 的泡沫層來進行研究，如圖 21 所示。 由圖 21 可知，對此微元內溶質組分丙酮氣體作質量衡算可得 NAa（ πD2/4） dh=qGdΨ (2) 圖 21 液體噴射高度與氣速的關系 10 式中： NA 為丙酮氣體的吸收速率， kmol/(m2 h)； a 為單位體積泡沫層中所能提供的有效接觸面積， m2/m3； D 為動力波洗滌管直徑， m； qG 為通過洗滌管的氣體流量， kmol/h。 將式 (1)代入式 (2)中，并積分，積分邊界條件是： h=0， Ψ=Ψ2； h=H， Ψ=Ψl。 在低分壓下， ΨA≈ΨA/(1ΨA)，溶質組分進入液相后立即反應被消耗掉， ΨA*≈0，同時氣體流量 qG 可認為是一常數(shù)。 可得到體積 總傳質系數(shù)計算式 KGa=4qG/（ πD2Hp） lnΨl/Ψ2 (3) 式中： KGa 為動力波洗滌器體積總傳質系數(shù)， kmol/(m3 h kPa)； Ψl、 Ψ2 分別為進、出洗滌管的氣相中溶質組分的體積分數(shù)； p 為氣相總壓力， kPa； H 為洗滌液噴射高度， m。 丙酮氣體的吸收率被定義為 η=（ Ψl Ψ2） /Ψl (4) 液體噴射高度的推導計算 液體噴射高度的確定是設計動力波濕式洗滌器裝置高度的主要依據(jù)。動力波濕式洗滌器的液體噴射方式是屬于垂直向上且非淹沒射流。文獻 [41]提出了液體 (水 )從圓形噴嘴垂直向上射人大氣時的噴射高度的經驗計算式為 He=H／ (1+Ψ H) (1) 設射流在噴嘴出口處的總水頭為 H，射出后所能達到的噴射高度為 He，如圖 22所示。有一部分水頭損失 △ H，是射流克服氣流的阻力。參考管流水頭損失的公式，可寫出 △ H=HHe=K(He/d0)(V2/2g) (2) 由于本文的噴射液體不是直接射人大氣中，而是與氣體作高速逆向對撞，因此上式中的 V應為 V=Vl+Vg (3) 因為 Vl2/2g=H，代人 式 (2)可得到 Vl2/2g=He+K(He/d0)(V2/2g) 整理后得 He=Vl2/（ 2g+KV2d0） =Vl2/（ 2g+ΨV2） (4) 式中： Ψ=K/d0，為由實驗確定的一系數(shù)，也可按經驗式進行計算。文獻 [40]中提出的經驗公式如下 Ψ=K/d0=（ d0+1000d03） (5) 11 由實驗將上式修正 Ψ= （ d0+1000d03） (6) 式 (4)和式 (6)為動力波濕式洗滌器液體噴射高度 的計算式。由式 (4)可以看出，液體的噴射高度與氣相速度、液體噴射速度及噴射口直徑等參數(shù)有關。從表 1 可以看出，當噴射口直徑和氣相速度保持不變時，液體噴射高度隨液體噴射速度的增加而增大。由表 2 可以看出，當噴射口直徑和液體噴射速度保持不變時，液體的噴射高度隨氣相速度的增加而減小。由表 3 可以看出，當液體噴射速度和氣相速度均保持 不變時，液體的噴射高度隨噴射口直徑增加而增大 [10]。 表 21 液體噴射高度與氣體速度的關系 表 22 液體噴射高度與液體噴射速度的關系 表面活性劑傳質效率分析 [4244] 丙酮作為一種廣泛應用的有機溶劑，其回收具有重要的經濟與環(huán)境意義。傳統(tǒng)的活炭吸附 解析 精餾回收工藝，具有工藝耗能高、工藝安全性與穩(wěn)定性差的缺點，所以新型的水吸收 精餾回收丙酮工藝近年得到關注。但 丙酮 水吸收過程的吸收用水的水質對吸收效果有很大影響，會對后續(xù)精餾工藝有重要影響。為此，華南理工大學與某公司的廉磊、高前進，江燕斌等人研究了在用水吸收丙酮過程中，He 計算 （ m） He 計算 （ m） He 計算 （ m） He 計算 （ m） He 計算 （ m） Vg （ m/s） d0（ m） Vl（ m/s） He 實測 （ m） He 計算 （ m） 圖 22 液體逆向噴射高度模型 圖 23 十二 烷基苯磺酸鈉對 Nt 的影響 12 加入表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉，考察表面活性劑對丙酮水吸收效果的影響。 研究了在尾氣中丙酮體積分數(shù)、吸收液的丙酮質量分數(shù)分析結果基礎上，將吸收試驗的吸收效果折算成為等效傳質單元數(shù) Nt 表示，并以 Nt 為統(tǒng)一標準進行比較。 在丙酮 水體系中加入表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉，考察其對吸收效果的影響。 由圖 23 可知，十二烷基苯磺酸鈉對氣 液相的傳質過程有著不 同程度的抑制作用。在質量傳遞過程中，由于表面活性劑的加入，使傳質阻力的增加，這一阻力稱為界面阻力；在溶解、吸收、液 液萃取等傳質過程中都存在著界面阻力的現(xiàn)象，結合圖 24，可更容易地理解界面阻力對氣液傳質過程的影響。 因為表面活性劑分子在界面上的結構重排是界面阻力的主要來源，同時，障礙理論分子在二相之間的擴散。在不加表面活性劑存在時，丙酮從氣相向水相傳遞的過程可通過傳質驅動力來表示，方式如下： NA=kL(cicL) (1) 式中： NA 為單位時間單位接觸面積下從氣相中傳遞到液相中質量的量； kL 為氣液傳質系數(shù)； ci 為氣液界面達到平衡時的液膜中溶質的濃度； cL為液相中溶質的濃度。而當表面活性劑存在時，丙酮從氣相向水相傳質過程的驅動力可表示為： NA=kL(cicL) (2) 其中， kL 通?？杀硎緸椋? 1/kL=1/kL+1/kS (3) 式中： 1/kL 為未加入表面活性劑時的傳質阻力，而 1/ks 為加表面活性劑時所帶來額外的傳質阻力。結合公式（ 2）和公式（ 3）可看出，當在水中加入少量表面活性劑時，引入額外的傳質阻力，因此會使氣液相總傳質阻力增加，導致氣液傳質系數(shù) kL 比未加表面活性劑時的氣液傳質系數(shù) kL小，所以溶質在水中的溶解度會有所減低。 聚乙烯醇傳質效率分析 在動力波清洗空氣中丙酮過程中，由于空氣氣速極快，溶于水中的丙酮在氣液高速對沖中又 有部分氣化，降低清洗效果，尤其空氣中丙酮含量較高或用含丙酮水循環(huán)處理空氣中丙酮時，數(shù)據(jù)更明顯。若 在丙酮 水體系中加入丙酮穩(wěn)定劑聚乙烯醇， 研究發(fā)現(xiàn)，聚乙烯醇可明顯降低丙酮的蒸汽分壓， 具有使丙酮水溶液穩(wěn)定的效果。 圖 24 界面阻力模型 13 在體系中加入聚乙烯醇，可以提高丙酮在液相中的傳質速率，即可提高丙酮在氣液傳質過程的穩(wěn)定性從而增加傳質的效率，減小傳質阻力，從而促進氣液相之間的質量傳遞，強化吸收效果。 實驗數(shù)據(jù)計算 已知：洗滌管直徑 D=29mm，噴頭直徑 d0=， g=， P 大氣 =98kPa, Vm= ρ 水 =1000kg/m3，ρ 空氣 =，ρ 轉子 =7800kg/m3，ρ 水銀 =13590kg/m3， G 實際 = G 讀數(shù) （ρ 水 （ρ 轉子 ρ 空氣 ） /ρ 空氣 （ρ 轉子 ρ 水 ） 1/2 = G讀數(shù) （ 1000（ ） /（ 78001000）1/2 = G讀數(shù) 即： ug=G 讀數(shù) /A 負荷性能圖數(shù)據(jù)列表及計算 表 23 負荷性能圖區(qū)域的數(shù)據(jù) 1）泡沫區(qū) /層流區(qū) G 讀數(shù) =165L/h， L=76L/h 時： G 實際 = G 讀數(shù) =( 165)L/h=4917L/h 液氣比： L/G 實際 =76/4917= 2）（ G 實際 ） MAX= G 讀數(shù) =(165)L/h=4917L/h 3） (L/G)MAX=62/= 壓降與氣速數(shù)據(jù)列表及計算 負荷性能圖（泡 沫區(qū) /層流區(qū)） G(L/h) 165 147 132 110 93 76 G 實際 (L/h) 4917 3278 L(L/h) 76 77 72 72 72 62 L/G 實際 G(L/h)max （ L/G） max 14 表 24 塔徑 D=29mm 的 壓降與氣速關系數(shù)據(jù)（ a） 表 24 塔徑 D=29mm 的 壓降與氣速關系數(shù)據(jù)（ b） 當 L=148L/h， G 讀數(shù) =163L/h 時： G 實際 = G 讀數(shù) =( 163)L/h= ug=G 實際 /A =4 G 實際 /（ π D2） =4103/(3600)=全塔壓差： H=H 右