旋转填料床用3D打印新型规整填料的研发及性能研究

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随着超重力技术的不断发展,不同结构的超重力旋转填料床根据各种功能的需求应运而生。超重力填料作为核心部件,对其气液传质效果和流体力学性能具有决定性的作用,液体被高速旋转的填料多次剪切和聚并成细小的液滴、液丝、液膜,湍动程度增加,相际接触面积和表面更新速率得到大幅度提升,有效的降低了液膜厚度和液相传质阻力,从而强化传质过程,但是由于原有技术的限制,无法对填料的精细结构进行构建和实现。本文通过分析现有超重力填料的强化机制,结合丝网填料和低压降式填料的优势,利用三维建模和3D打印技术,构建精细的填料结构。在充分发挥丝网填料对液体分散效果好、空隙率高、比表面积大的优势同时,通过构建大量规整的气、液相通道,使得所开发的新填料不仅具有气、液通道均匀分布、有效比较表面积大和良好的动平衡性,更具有传质效率高、气相压降小、通量大、安装维修方便等优势。首先以空气-水为体系,对3D打印新型填料床、丝网填料床、塑料花环填料床进行了气相压降性能对比实验,考察了超重力因子β(1486)、空床气速u(0.82 m/s)、喷淋密度q(2.68 m3·m-2·h-1)对其气相压降性能的影响规律。通过比较三种旋转填料床的干、湿床压降,3D打印新型填料床表现出最优的压降性能,3D打印新型填料干湿床压降相对于丝网填料最大可下降47.5%,相对于塑料花环填料最大可下降44.8%。并与文献对比,3D打印新型填料的气相压降明显低于塑料鲍尔环填料,表明3D打印新型填料规则的气相通道能够有效地导流气体,降低气相压降。以SO2-NaOH这一典型的气膜控制体系,对比了3D打印新型填料床、丝网填料床、塑料花环填料床的传质性能,测定了3D打印新型填料的气相体积传质系数kyae。考察了超重力因子β(1486)、空床气速u(0.82 m/s)、喷淋密度q(2.68 m3·m-2·h-1)对3D打印新型填料床传质性能的影响。通过比较3D打印新型填料床、塑料花环填料床、丝网填料床三种旋转填料床的气相体积传质系数kyae,3D打印新型填料的kyae相对于塑料花环填料最大可提升26.1%,相对于丝网填料最小仅下降2.5%,3D打印新型填料床表现出较好的传质性能,且β、u和q对3D打印新型填料的气相体积传质系数kyae的影响规律与丝网填料相近,表明3D打印新型填料的气相扰动结构能够有效地扰动气体,同时丝网结构能够充分雾化液体,增大气液接触面积,使得3D打印新型填料在大气量、大液量时依然表现出良好传质性能。与文献的对比发现,传质效果与CAS-RPB相当,但本设备具有气相压降小、处理能力大及操作气速不受液泛条件的影响等优点;因此,3D打印新型填料床在强化气膜控制方面具有较大的应用潜能,且设备处理量大,压降小。通过比较3D打印新型填料床、塑料花环填料床、丝网填料床的压降性能和传质性能研究以及与文献对比,发现3D打印新型填料能够在显著地降低压降同时取得良好的传质效果,单位压降取得的传质效率最高,新型填料具有处理量大,压降小,能耗低等优点。本文的研究结果将进一步为填料开发工作起到指导作用,利用三维建模和3D打印技术构建超重力填料为超重力填料的设计和技术升级提供了新的手段,提出的新的填料结构为以后结构改进奠定了基础,以期充分发挥超重力技术强化传质过程的潜能,最终取得良好经济效益。
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