锅炉循环用水中的溶氧会腐蚀金属管线并降低锅炉的传热性能，增加能耗[1]；在原油二次开采过程中，油田注水中的溶氧会导致原油的采收率降低[2]。此外，在酿酒工业中，水中的溶氧能够影响啤酒的贮存期、口感和色泽[3]。因此，水脱氧工艺是很多工业过程中必不可少的一个工序。
超重力技术能够增加气液两相传质面积，减小传质阻力，从而高度强化传质过程[4]，在水脱氧工艺中取得了良好的应用效果。周绪美等[5]通过超重力旋转填料床脱除油田注水中的溶氧，结果表明旋转填料床在水脱氧工艺中具有运行稳定、脱氧效果好、能耗低、操作简便的优势。本课题组采用超重力旋转填料床建立了锅炉给水脱氧的中试侧线装置[6]，该套装置克服了常规物理脱氧传质性能不足的缺陷。
为进一步提升超重力设备性能，本课题组设计了一种新型的超重力设备——定-转子反应器[7]。定-转子反应器采用多层转子与定子交错排列的结构代替了旋转填料床的填料结构。定-转子反应器内的转子通过转动起到剪切作用，定子则起扰流作用，液体每经一层定/转子都会被重新分布，使得反应器内液体分布更均匀。Li等[8]对比研究了定-转子反应器与填料塔在油包水微乳液吸收氨气体系的传质性能，结果显示定-转子反应器的传质性能明显好于填料塔。本课题组探讨了不同定-转子结构的传质性能[9]，研究表明圆盘上开孔结构的转子的传质性能要优于直槽和后弯槽结构的转子。此外，定-转子反应器已经应用于纳米材料制备[10-11]以及有机废水处理中[12-14]，并取得了良好的效果。
本文提出以定-转子反应器为水脱氧设备，分别使用N2、CO2作为解吸气脱除水中的溶氧，考察了转子转速、液体体积流量和气体体积流量对水脱氧效果和传质性能的影响，并比较了两种水脱氧方法的效果。
1 实验部分 1.1 实验装置如图 1所示，本文所使用的定-转子反应器的内部结构是由6层固定在转盘上圆周上开孔的转子和5层固定在端盖上的圆柱形定子所构成。定子与转子在径向上交错排列，定子与定子之间的空隙和转子上的圆孔构成了定-转子反应器内的液体流动通道[15]。定-转子反应器的具体参数见表 1。
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图 1 定-转子结构示意图 Fig.1 Structure of the rotor-stator reactor |
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下载CSV 表 1 定-转子反应器的具体参数 Table 1 Specifications of the rotor-stator reactor |
图 2为解吸气-水脱氧的工艺流程图，储液槽内的自来水在离心泵的作用下，依次通过进液调节阀、液体转子流量计后，经液体进口进入定-转子反应器；解吸气(分别为N2和CO2)从气体钢瓶出来后，依次经过进气调节阀、气体转子流量计后，通过气体进口进入定-转子反应器；定-转子反应器内的自来水在离心力的作用下由内及外运动，解吸气在压降的作用下由外及内运动，气液两相逆流接触，水中的溶氧不断被解吸出来并被带走；最后，脱氧后的水从定-转子反应器的液体出口排出到储液槽内，并在出口管线设置溶氧检测仪，实时检测水中氧含量；解吸气通过气体出口直接排放。
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1—进液储液槽; 2—离心泵; 3—进液调节阀; 4—液体流量计; 5—出液储液槽; 6—溶氧检测仪; 7—定-转子反应器; 8—气体钢瓶; 9—进气调节阀; 10—气体流量计。 图 2 解吸气-水脱氧工艺流程 Fig.2 Experimental flow chart |
以液相体积传质系数Kxa和脱氧率η作为目标函数，计算公式如下：
| $ {{K}_{x}}a=\frac{L\text{lg}\left[\frac{\left( 1-\frac{L}{Gm} \right){{x}_{\text{in}}}+\frac{L}{Gm}{{x}_{\text{out}}}}{{{x}_{\text{out}}}} \right]}{H\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{R}^{2}}\left( 1-\frac{L}{Gm} \right)} $ | (1) |
| $ \eta =\frac{{{c}_{\text{in}}}-{{c}_{\text{out}}}}{{{c}_{\text{in}}}}\times 100\text{%} $ | (2) |
其中，H为定-转子反应器轴向长度，m；L为液体体积流量，m3/h；R为定-转子反应器半径，m；G为气体体积流量，m3/h；m为亨利系数；xin为定-转子反应器进口水中溶氧的分率，%；xout为定-转子反应器出口水中溶氧的分率，%；cin为定-转子反应器进口水中溶氧的浓度，mol/L；cout为定-转子反应器出口水中溶氧的浓度，mol/L。
2 结果与讨论 2.1 操作条件对脱氧率的影响 2.1.1 转子转速图 3和图 4分别为在液体体积流量为0.4 m3/h、气体体积流量为4 m3/h的实验条件下的N2-水脱氧和CO2-水脱氧体系的脱氧率和传质系数随转子转速的变化。由图可知，脱氧率和传质系数均随转子转速的加快而升高。这是因为随着转子转速的加快，定-转子反应器内的离心力场加强，液体被切割成直径更小的液滴，大大增加了传质面积，从而提高了传质效率，反应器出口水中溶氧量降低。因此，增加转子转速有利于传质和脱氧过程。
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图 3 转子转速对脱氧率的影响 Fig.3 Effect of rotation speed on deoxygenation percentage |
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图 4 转子转速对传质系数的影响 Fig.4 Effect of rotation speed on Kxa |
图 5和图 6分别为在转子转速为600 r/min、气体体积流量为4 m3/h的实验条件下的N2-水脱氧和CO2-水脱氧体系脱氧率和传质系数随液体体积流量的变化。两个体系的脱氧率均随液体体积流量的增加而降低，传质系数均随液体体积流量的增大而升高。这是因为随着液体体积流量的增大，定-转子反应器内需要脱除的溶氧量升高，同时液体在反应器内的停留时间变短，在两者共同作用下，脱氧率降低。此外，随着液体体积流量的增加，定-转子反应器内的气液两相相对湍流程度增大，表面更新速率变快，有利于传质过程。
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图 5 液体体积流量对脱氧率的影响 Fig.5 Effect of liquid volumetric flow rate on deoxygenation percentage |
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图 6 液体体积流量对传质系数的影响 Fig.6 Effect of liquid volumetric flow rate on Kxa |
图 7和图 8分别为在转子转速为600 r/min、液体体积流量为0.4 m3/h的实验条件下的N2-水脱氧和CO2-水脱氧体系的脱氧率和传质系数随气体体积流量的变化。由图 7和图 8可知，两个水脱氧体系的脱氧率和传质系数均随气体体积流量的增加而升高。随着气体体积流量的增加，定-转子反应器内的氧气分压降低，气液两相传质阻力降低，有利于水脱氧和传质过程。
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图 7 气体体积流量对脱氧率的影响 Fig.7 Effect of gas volumetric flow rate on deoxygenation percentage |
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图 8 气体体积流量对传质系数的影响 Fig.8 Effect of gas volumetric flow rate on Kxa |
从图 3~8可以看出，N2-水脱氧体系的脱氧效果和传质性能明显好于CO2-水脱氧体系，这是因为水中溶有的CO2提升了O2在水中的溶解度[16]；同时，CO2在水中的溶解度要远远大于N2，部分CO2溶于水中，这导致了CO2-水脱氧体系中氧分压要高于N2-水脱氧体系；在两者的共同作用下，N2-水脱氧体系的脱氧率和传质系数均高于CO2-水脱氧体系。但是，由图 9可以看出，定-转子反应器中CO2-水脱氧体系不仅可以脱除水中的溶氧，还能够大幅提高水中CO2的含量。因此，定-转子反应器内CO2-水脱氧体系提供了将碳酸饮料和啤酒行业中的脱氧、补充CO2两个工序耦合一次完成的应用可能性。
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图 9 气体体积流量对水中CO2的影响 Fig.9 Effect of gas volumetric flow rate on dissolved CO2 |
本文在定-转子反应器内采用N2-水脱氧和CO2-水脱氧两个体系脱除水中的溶氧，实验结果表明：随着转子转速和气体体积流量的增加，两个体系的脱氧率和传质系数均升高；随着液体体积流量的增加，两个体系的脱氧率降低，传质系数升高；N2-水脱氧体系的脱氧效果和传质性能优于CO2-水脱氧体系。定-转子反应器内的CO2-水脱氧体系在碳酸饮料和啤酒行业中具有潜在的应用前景。
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