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1、TiO2浆液中气体的吸收强化第26卷第1期2007年2月天津工业大学JOURNALOFTIANJINPOLYTECHNICUNIVERSITYV01.26No.1February2007TiO2浆液中气体的吸收强化卢素敏,马友光,沈树华(1?天津工业大学材料科学与化学工程学院,天津300160;2.天津大学化工研究所,天津300072)摘要:讨论在CO:/H:0吸收体系中加入TiO:微细颗粒所产生的效果及其吸收强化机理.研究表明,随TjO,在液体中含量增加,增强因子不断增加,但颗粒浓度达一定值后,增强因子不再继续提高.TiO:含量对搅拌转速及颗粒直径的影响表现出了与原结论不一致的现象:在很低转
2、速下,TiO:对吸收几乎没有强化作用,而2m的TiO2颗粒所体现出来的增强因子反倒小于20m的颗粒增强作用.这些现象表明,不同的颗粒所引起的强化作用不仅要考虑颗粒的吸附作用,还要考虑颗粒的动力学效应,仅凭shutfle机理不能给出合理的解释.关键词:吸收强化;吸收机理;强化因子中图分类号:TQ021文献标识码:A文章编号:1671024X(2007)01004204EnhancementofgasabsorptioninslurriesofTiO2inwaterLUSu-rain,MAYou.guang,SHENShu.hua(1.SchoolofMaterialScienceandChemi
3、calEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300160,China;2ChemicalEngineeringResearchCenter,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:TheeffectandabsorptionmechanismsarediscussedbyputtingTiO2particlesintoCo2/H2Osystem.Theresultsshowthattheenhancementfactorsincreasewithanincreaseinthesoli
4、dloadingandappeartoleveloffathishersolidloading.Adifferencefrompreviousresearchwasshown.NoenhancementWasfoundatlowerstirringintensityandtheenhancementfactorscausedby2mTiO2particlesisinterestinglysmallcomparedwith20mTiO2particles.ThesephenomenaCantbeinterpretedonlybyshuttlemechanism.Thehydrodynamicef
5、fectscausedbysolidparticlesshouldalsobetakenintoaccount.Keywords:absorptionenhancement;absorptionmechanisms;enhancementfactors在气液吸收体系中,尤其是对于一些难溶的气体吸收,液侧的传质往往会成为过程的控制步骤.经研究发现,在液相中加入某种微细的固体颗粒可以大大提高吸收速率,这引起了人们的极大兴趣.1979年,Kars等_】发现,在丙烷一水吸收体系中加入微细的活性炭颗粒,吸收速率可以提高2倍;随后,Alper等在对0的吸收实验中发现了同样的现象,活性炭的加入可以使0的吸收
6、速率提高4倍,而且当搅拌速度提高时,强化因子会明显减小.同时他们指出,采用双膜理论及Whiteman提出的渗透模型不能用来解释颗粒的强化吸收现象.近年来,为了解释这种强化吸收现象,人们进行了大量的研究,并提出了各种机理/模型,目前文献中出现的机理主要有:边界层混合机理,grazing或shuttle效应,气泡阻凝机理加,边界层反应机理.由于在强化机理上存在着众多不同的观点,本文以CO在水中的吸收为研究体系,在体系中加入TiO微细固体颗粒,在不同的实验条件下研究其强化效果,所得结论与文献11存在差异,基于此对吸收强化机理进行了进一步的讨论.1实验部分1.1实验装置实验是在一不锈钢反应器中进行,如
7、见图1所示,搅拌为双层搅拌,分别对气相和液相进行搅拌.以压力传感器和温度传感器记录体系的温度和压强,采用压差变送器记录吸收过程中压力的变化.压差变送器与计算机相连,自动记录,收集数据,并对数据进行处理.收稿日期:20060417作者简介:卢素敏(1967一),女,讲师,E?mail:lusumin0720163.corn第1期卢素敏,等:TiO:浆液中气体的吸收强化压差变送器测量精度10Pa(型号:SCB3111,测压范围:020kPa),典型的压差随时间的变化曲线如图2所示.气图1吸收实验装置Fig.1Schematicdiagramofexperimentalequipment图2压差随时
8、间的变化曲线Fig.2Relationshipbetweenpressuredifferenceandtime1.2实验操作条件每次实验均在恒温下操作,实验操作条件如表1所示.表1实验操作条件Tab.1Experimentalconditions操作温度初始压力浆液体积搅拌速度颗粒均径/kPa/mL/(r?min)/m12101.334OO602402,2O,6O实验所采用的TiO:颗粒经仔细研磨筛分,CO:气体纯度>99.5%.1.3数据处理采用动态气体吸收法测定气体的吸收速率.实验时先向反应器中加入一定量的浆液,然后打开真空阀以除去体系中的空气,达到一定的真空度后,关闭真空阀,打开充
9、气阀,充人CO:气体至指定压强,并立刻开始记录过程中压差随时间的变化.采用这种方法,吸收速率可以用过程中压差的变化速率表示:dAdPAVGd(PA0一PA)口一一而丽-一VGd(PA)d式中,为吸收速率(kmol/(m.?s);口为传质面积(m);为溶质的摩尔数(kmo1);t为时间(s);VG为气体体积(m);T为温度(K);P为溶质的气相分压(Pa);P.为溶质的初始分压(Pa);PA为吸收过程压强变化(Pa).在同样的流体力学条件下,颗粒的增强因子定义E为:E一力固题卮签逵奎无颗粒纯溶液中气体的初始吸收速率2结果与讨论2.1颗粒浓度的影响图3所示为直径2m颗粒的实验结果与文献11的对比情
10、况.固体颗粒浓度/(kg?m)(a)本实验结果(b)文献11的图示图3强化因子与颗粒加入量的关系Fig.3RelationshipbetweenenhancementflactOrsandsolidloading天津工业大学第26卷由图3可以观察到如下几点:(1)当转速为2r/s及4r/s时,随着TiO,颗粒浓度的增加,增强因子会随之增大,并增加至一最大值,此后再增加颗粒含量,增强因子不再增加.在转速2r/s时,还观察到此时增强因子随固相浓度的继续增加而下降.这一现象可以用shuttle机理进行解释,按照此机理,传质区颗粒对吸收强化起着主导作用,也就是说,当颗粒存在于气液界面时,由于颗粒对气体
11、的强烈吸附作用而使得界面处气相溶质浓度大大降低,从而传质推动力得以大大提高.当颗粒在界面上停留一定时间后,在搅拌等作用下进入到液相主体中并释放溶质,颗粒又得以再生.TiO颗粒对很多气体(如H,CO,CO,NH,等)均有吸附作用,因而当TiO处于气液界面时即会吸附界面处溶解的CO,气体.随着颗粒浓度的增加,界面处颗粒浓度也会增加,很容易理解吸收会得到强化,强化因子随之增加,但当液相中颗粒浓度提高到一定程度后,一方面气液固三相的传质阻力也会随固相浓度的增加而加大,另一方面颗粒在气液界面的浓度也会存在一个极大值,因此增强因子不会再随浓度增加而增加,相反,吸收强化作用甚至会减弱(如转速为2r/s时).
12、(2)转速为1r/s时,颗粒的加入对CO的吸收几乎没有什么影响,同时还可以发现,转速为2r/s时达到最大增强因子时的固相浓度较转速为4r/s时最大增强因子对应的固相浓度要高.这一点与文献11的研究结果不同.根据文献11,随着固相浓度的提高,增强因子能够迅速达到最大值,而且在所讨论的浓度范围内,文献11中增强因子没有表现出下降的趋势.产生这一差异的原因可能是由于:所采用的反应器尺寸及搅拌尺寸的差异.文献11的实验结果表明,反应器及搅拌尺寸对吸收也存在很大影响;所用的浓度范围不同,本文的浓度范围比文献11大;所采用的转速范围不同,文献11所用的转速较高(在3.3r/s以上),而在较高转速下的现象与
13、本文的实验结果(如转速为4r/s时)是一致的.此外文献11并没有对低转速时TiO浓度的影响进行讨论,因此也就无从进行比较.2.2粒径的影响根据shuttle效应,要想使颗粒有较强的强化效果,颗粒直径应足够小(小于边界层厚度),因此很多文献的模型研究结果表明,随着粒径的增大,强化因子会逐渐减小.但本实验的结果却没有服从这样的规律,如图4所示.由图4可见,粒径2tzm的小颗粒强化因子反倒小于20tzm的颗粒的强化效果.这种现象仅凭shuttle机理无法得到合理的解释.笔者认为,吸收的强化不仅要从颗粒吸附的角度考虑,而且还必须考虑到颗粒的存在所引起的流体力学效应.在搅拌作用下,颗粒会对界面边界层产生
14、碰撞作用,使边界层变薄,大的颗粒对边界层的碰撞作用也就更为强烈,使界面处产生局部涡流.局部涡流的存在同时也加快了界面处液体的表面更新速度,对液侧的传质产生了强化作用,因而增强因子起始时会出现随粒径增加而提高的现象;但随着粒径的进一步加大,颗粒能够存在于界面上的几率减小,尽管颗粒对界面的碰撞作用进一步加强,但shuttle效应减弱,而且,大颗粒同时也会阻止界面涡流的存在,两方面的影响使得随粒径进一步增加,强化因子又会下降.图4强化因子与粒径的关系Fig.4Relationshipbetweenenhancementfactorsandparticlediameter2.3转速的影响文献11对Ti
15、O微细颗粒的研究以及人们对活性炭的研究结果均表明,随着转速增加,吸收强化作用减弱.但本文的实验结果出现了与文献11不一致的现象,如图5所示.图5强化因子与转速的关系Fig.5Relationshipbetweenenhancementfactorsandstirringrate第1期卢素敏,等:TiO浆液中气体的吸收强化由图5可见,在搅拌速度很低时(如1r/s时),颗粒对吸收几乎没有强化作用,随搅拌转速提高,颗粒对吸收的影响才逐渐显露出来.产生这种现象主要是由于TiO:是一种极性氧化物,具有亲水性(而活性炭是一种疏水性吸附剂),而且TiO:的密度要比水大得多,颗粒不会像活性炭那样能够自发地附着
16、于气液界面上,在搅拌速度很低的情况下,颗粒在反应器中的分布很不均匀,在重力作用下,颗粒会产生下沉趋势,气液界面上固体颗粒浓度很小,shuttle效应以及颗粒在气液界面上的动力学效应均未能体现出来.随着搅拌速度增加,密度较大的TiO颗粒对界面产生的碰撞作用加剧,界面湍动程度加剧,而且在搅拌作用下,液相中颗粒浓度趋于均匀化,界面上颗粒浓度增加,shuttle效应也开始发挥作用,两方面的作用使吸收得到强化;但若继续增大搅拌速度,尽管颗粒在界面上的动力学作用加剧,但颗粒在界面上的停留时间会减小,这种影响又使得转速的影响变得更为复杂.与文献11相比,文献11所采用的转速均比较高(在3.3r/s以上),低
17、转速时颗粒的影响并未进行测定.当转速很高时(如为9.2r/s时),由于颗粒在气液界面上的停留时间很短,shuttle效应不能发挥作用,这时的增强因子反而会减小.3结论本文主要讨论了TiO:微细颗粒对CO:在水溶液中物理吸收的影响,探讨了不同实验条件下吸收强化因子的变化趋势,实验结果表明:(1)随颗粒浓度的增加,增强因子随之增加,但浓度达到一定程度后,增强因子不再增大;(2)转速对增强因子的影响较为复杂,转速很低时(如1r/s时),颗粒对吸收几乎不产生影响;搅拌强度加大,颗粒的影响随之增加,但这种影响呈现出的规律颇为复杂;(3)与shuttle机理不同,颗粒直径为2m的颗粒增强因子反而小于直径2
18、0m的颗粒所引起的增强因子.这些现象表明,仅采用shuttle机理对颗粒的影响进行解释是不够的,应该从颗粒本身的性质,吸附作用以及所产生的动力学效应等各方面进行分析.参考文献:1KARSRL,BESTRJ,DRINKONBURGAAH.TheabsorptionofpropaneinslurriesofactivecarboninwaterJ.ChemEngJ,1979,17:201210.2ALPERE,WICHTENDAHLB,DECKWERWD.Gasab.sorptionmechanismincatalyticslurryreactorsJ.ChemEngSci,1980,35:217
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