2.6　填料内支撑对逆流旋转填充床传质过程的影响

在实践中，填料可极大地强化传质，而松散的填料必须用内支撑来定位，以防止填料变形、移位，但内支撑的加入必然会影响旋转填充床传质过程。为此，北京化工大学教育部超重力研究中心系统地研究了填料内支撑对旋转填充床传质的影响[40]。

2.6.1　填料内支撑对液膜控制传质过程的影响

采用氮气解吸水中的氧这一典型的液膜控制传质体系，研究了填料内支撑对液膜控制传质过程的影响规律。结果表明，内支撑的板厚度、开孔形状对传质无明显影响；内支撑布置在填料端效应区会明显地强化传质；在10%～100%的开孔率范围内，内支撑的加入有利于传质，而在2.5%～10%的开孔率范围内，内支撑的加入不利于传质。

2.6.1.1　填料内支撑的结构

实验中采用正方形和圆孔两种结构内支撑，轴向宽度0.1m，详细情况如表2-5所示。

2.6.1.2　无内支撑时液量、转速对传质的影响

无内支撑时液量对传质影响的结果如图2-59所示。在其他条件不变的条件下，在低转速区（0～200r/min），随着液量的增加，NTU值几乎不变；但当转速大于200r/min后，随着液量的增加，NTU值反而降低。对于液量对传质的影响，有两方面因素：一方面，随液量的增加，液体停留时间变短，不利于传质；同时，液量增加，液滴变大、液膜变厚，这也不利于传质。另一方面，液量增加，气液相间相对速度提高，有利于传质过程。实验结果表明，在低转速时，湍动程度不大，此时液量增加，气液相间相对速度提高，有利于传质过程占优；但在高转速区，旋转填充床旋转产生的湍动程度极大，使得液量增加所导致的气液相间相对速度提高，有利于传质过程的影响作用变小。综合正反两方面的作用，在高转速区，液量增加反而不利于传质。

无内支撑时转速对传质影响的实验结果如图2-60所示。在其他条件不变的条件下，在0～800r/min转速范围内，随着转速的增加，NTU值迅速增加，但当转速大于800r/min后，NTU的增加幅度变得越来越小。之所以产生上述结果，对于转速而言，有两方面原因：一方面，增加转速，迅速提高离心加速度[a=r（2πn）2]，有利于传质；同时，增加转速导致填料线速度增加，其结果是填料与液体的碰撞频率加大，这会导致产生大量的液滴、液雾、液丝，表面大量更新，大大强化传质；另一方面，增加转速使液体停留时间迅速减少，气液接触时间迅速变短，不利于总体传质。在0～800r/min间，增加转速对传质有利的方面占优；在800r/min后，增加转速对传质有利的方面与不利的方面彼此相当，相互抵消，使得增加转速对传质影响不显著。

2.6.1.3　内支撑的开孔形状和板厚度对传质的影响

从图2-61可以看出，在其他条件不变的情况下，开孔形状（正方形孔与圆形孔的支撑板）对传质的影响不明显区别。而从图2-62可以看出，在其他条件相同的情况下，内支撑板的厚度对传质的影响也不明显。

2.6.1.4　内支撑开孔率、内支撑的安置位置对传质的影响

图2-63给出了内支撑的布置位置对传质影响的实验结果。由图可知，在实验条件范围内，内支撑的布置在填料内缘一层时传质效果最好。之所以产生上述结果，有两点原因：首先，内支撑的加入相当于一层特殊的填料，有利于传质；但是，内支撑的加入也产生负面影响，支撑体的未开孔部分对气、液体的遮挡会导致气、液分布不均匀，减少了气液接触界面，不利于传质。在液膜控制传质体系中，端效应区在填料内缘一层（约距离内缘3mm），且端效应区的传质强度几倍于填料主体，此处内支撑的加入强化了端效应区的传质，而内支撑的加入导致气液分布不均，不利于传质的影响占次要地位。因此，当内支撑布置在填料内缘一层时，传质效果最好。

图2-64给出了内支撑的开孔率ε对传质的影响。这里ΔNTU=NTU（有内支撑）-NTU（无内支撑），实验结果表明，在10%～100%的开孔率范围内，内支撑的加入有利于传质；而在2.5%～10%的开孔率范围内，内支撑的加入不利于传质。如上所述，在开孔率大时，内支撑作为一层特殊的填料有利于传质的方面占主导；相反，在开孔率小时，内支撑的加入导致气液分布不均不利于传质的影响占主导。

2.6.2　填料内支撑对气膜控制传质过程的影响

采用氨-水气膜控制传质体系，研究了旋转填充床中填料内支撑对气膜控制传质过程的影响。与无内支撑相比，有内支撑时的传质效果变差。在40%～100%开孔率范围内，随着开孔率的增加，传质系数值缓慢升高，而内支撑在填料中安置位置对传质无明显影响。

2.6.2.1　填料内支撑的结构尺寸

实验采用四种内支撑，均为正方形孔筛板，内支撑结构尺寸见表2-6。

2.6.2.2　内支撑对传质的影响

无内支撑时，液量、转速对传质影响如图2-65（a）所示。在低转速区（0～400r/min），随着转速增加，Kya值迅速增加，但当转速大于400r/min后，Kya的增加幅度变小；随液量增加，Kya变小。有内支撑时传质规律与无内支撑时相同，如图2-65（b）所示。转速增加，离心加速度增加，填料线速度增加，填料与液体的碰撞频率加大，导致产生大量的液滴、液雾、液丝，表面更新速率提高，有利于传质强化；另一方面，增加转速使液体停留时间减少，气液接触时间变短，不利于总体传质。在低于400r/min时，增加转速对传质有利占优；高于400r/min时，增加转速对传质有利与不利影响相互抵消，导致转速对传质影响不显著。

2.6.2.3　内支撑结构及布置位置对传质的影响

内支撑开孔率及有、无内支撑对传质的影响如图2-66所示。开孔率为40%～100%的范围内，随着开孔率的增大，传质系数值缓慢变大，如图2-66（a）所示。以有、无内支撑两种情况下传质系数差，即ΔKya=Kya（有支撑）-Kya（无支撑）来表征内支撑的影响，如图2-66（b）所示。内支撑相当于一层特殊填料，有利于传质；但内支撑的未开孔部分对气、液的遮挡会导致气、液分布不均匀，减少了气液接触界面，不利于传质。对比研究表明，后者的影响较大，内支撑的加入使传质效果变差。随开孔率增加，传质效果缓慢改善。

图2-67为在不同转速度下内支撑的位置对传质的影响。由图可知，在实验条件范围内，内支撑的布置位置对传质影响不明显。