采用带挡板转子的旋转填料床脱硫时螯合铁的再生增强与抗堵塞性能

《Separation and Purification Technology》：Regeneration enhancement and anti-clogging performance ofchelated iron in desulfurization using a rotating packed bed with baffle rotors

　　

摘要 旋转填充床（RPB）作为HiGee技术的标志性设备，是一种强化气液传质的高效装置，因而对螯合铁脱硫的氧化再生步骤极具吸引力。然而在实践中，这一强化优势反而被削弱，因为富液中夹带的单质硫颗粒会逐渐堵塞传统金属泡沫和丝网转子，严重阻碍其工业应用。本研究因此旨在开发一种转子结构，在保留RPB高氧传质性能的同时消除硫致堵塞。本研究首先以工业含硫溶液（5 wt%硫，D?? ≈ 28.3 μm）在PPI-20金属泡沫转子上进行了50小时连续堵塞实验，系统表征其堵塞行为：转子压降上涨约70%，性能严重衰减（再生效率η由0.68降至0.30）。针对这一瓶颈，提出了一种新型桨叶-挡板转子：旋转桨叶产生强剪切以强化界面更新，同心多孔挡板环拦截径向液流以延长气液接触时间；6 mm × 6 mm的开口从几何上排除硫聚集体（D?? ≈ 28.3 μm）的孔喉桥堵。基于欧拉双流体方程建立的三维CFD模型用于模拟转子区域内的氧溶解过程；预测的溶解氧浓度（6.2–7.29 mg/L）与实验值（6.74–7.42 mg/L）偏差在2.02%–15.0%之间，证明模型可靠。在基准条件下，比较了三种转子构型：纯桨叶转子、0°桨叶-挡板转子（Rotor-1）和?45°桨叶-挡板转子（Rotor-2）。Rotor-1在湍流耗散与液相持液量之间实现最优的空间协同，体积传质系数最高（kLa = 0.0726 s?1）。采用0.06 mol/L Fe(II)-EDTA溶液进行的再生实验证实，在600–1600 rpm范围内Rotor-1始终优于金属泡沫转子。并行50小时堵塞实验中，桨叶-挡板转子压降仅上升约28%，性能衰减甚微（η：0.74–0.70），且经清水冲洗可完全恢复；而金属泡沫转子发生不可逆堵塞，冲洗后压降仍高达421 Pa。基于响应面法（RSM）对42组实验数据点建立的三次回归模型（R2 = 0.9958），预测的最优条件（n = 1276 rpm，Q = 5.0 m3/h，L = 45 L/h，η = 82%）经实验验证为78%（相对误差4.88%）。总体而言，结果表明桨叶-挡板转子同时实现氧传质强化与可逆防堵运行，为RPB中稳定的长期螯合铁脱硫提供了实用的转子设计方案。

引言 螯合铁湿法氧化脱硫技术以其高脱硫容量、快速反应动力学、高精度和环保性，已成为工业H?S脱除的主流工艺之一[1], [2]。然而，该过程的循环效率本质上受限于再生步骤——即以氧化剂将还原态Fe2?重新氧化为活性Fe3?态。传统再生塔或再生罐通过鼓泡或喷淋方式直接通入空气[3]，其传质瓶颈源于两方面。其一，塔内液膜流速慢、表面更新频率低，体积传质系数偏低；其二，O?在亚铁螯合溶液中的物理溶解度极差（亨利常数H为10?? kmol/(m3·kPa)量级[4]），比常规气液系统低一至两个数量级。整体传质阻力主要集中在液膜侧[5]，使其成为典型的液膜控制过程[6]。在此约束下，宏观再生速率不由本征氧化动力学控制，而受O?从气相主体向液相的扩散通量控制。固有的低传质效率导致再生停留时间延长，而螯合剂在氧化环境中长期暴露又加剧其降解失活[7], [8], [9]。因此传统再生装置在传质效率、停留时间与螯合剂稳定性三者之间存在不可调和的矛盾，表现为设备体积庞大、再生周期长以及吸收剂严重损失。旋转填充床（RPB）通过高速旋转产生高重力场，其中的强剪切力将液相破碎为细丝、液滴和薄膜，从而大幅提高气液界面面积并减小液膜厚度。因此，气液传质过程通过界面面积显著增大和表面更新加速得到实质性强化[10], [11], [12], [13], [14]。近年来，RPB技术被逐步引入螯合铁溶液的再生过程：Yu等[15]研究了交叉流RPB的再生性能，证实高重力场下氧传质的显著增强；Zhang等[16]系统研究了逆流RPB的再生效率并获得了最优操作参数；Chen[17]进一步在放大尺度上验证了RPB用于螯合铁再生的技术可行性并突出其工业应用潜力。这些先期研究清楚地表明，高重力技术为突破螯合铁脱硫再生效率瓶颈提供了一条有效途径。然而在脱硫过程中，不可避免地会产生单质硫颗粒，并随富液进入再生系统。尽管RPB的传质优势已被证实[10], [11], [12], [13], [14]，金属泡沫或丝网中的微米级孔隙容易捕获这些细小硫颗粒，导致颗粒逐步沉积和孔喉桥堵，最终引发严重的通道堵塞。硫污染因此成为制约RPB用于螯合铁再生长期工业部署的主要障碍，迫切需要对兼具高传质效率与稳健防堵性能的新型转子结构进行研究。针对这一瓶颈，本研究提出桨叶-挡板转子。该设计基于对文献中已记录的HiGee转子架构的系统调查。Cortes Garcia等[18]对用于精馏的旋转填充床设计进行了综述，将其分为填料型转子（如金属泡沫、丝网）、挡板型转子（如旋转之字床、定-转子反应器）和混合构型。该设计建立在两条独立验证过的强化策略之上。一方面，同心环形/挡板结构在交叉流和逆流RPB中表现出良好的传质性能与低压降[19], [20], [21]，其开放式几何结构天然可缓解致密填料带来的堵塞风险。另一方面，桨叶填料已证明能显著强化微混合和气液传质[23], [22]，并已成功拓展到CO?吸收[24]、VOC脱除[25]以及多种纳米颗粒制备，包括ZnO[26]、CuO[28], [27]和Fe?O?[29]；关键的是，桨叶与静态挡板的组合可协同提高角滑移速度并降低离心压降[30]。基于这些发现，本工作将旋转桨叶与同心挡板环集成：旋转桨叶产生强剪切和液相破碎，促进液滴碰撞与界面更新以强化传质；同心挡板环提供径向阻滞以延长气液接触时间并抑制液相旁路，而开放环形间隙比硫颗粒聚集体（D?? ≈ 28.3 μm）大两个数量级以上，使含硫浆液能够顺利通过，从而从根本上防止孔喉堵塞。这一"几何防堵+传质强化"的双重设计原则，为含固体系的HiGee再生提供了新的结构解决方案。为系统筛选在传质强化与防堵稳健性之间取得平衡的转子几何构型，本研究考察了三种进化构型。金属泡沫转子（基准）。受旋转床应用中金属泡沫和分体填料具有的高比表面积与良好传质性能启发[31], [32]，选用传统PPI 20泡沫（97%孔隙率，500 m2/m3）作为参照转子。在清洁条件下其可提供足够的再生速率；但50小时连续运行于含硫溶液后引发严重孔隙堵塞，压降上涨70%，再生能力完全丧失（4.2节）。这种剧烈的堵塞敏感性暴露出连续多孔填料的致命缺陷。桨叶转子（中间方案）。鉴于桨叶填料具有本质上抗内部堵塞的开放通道几何结构，这在旋转床研究中已被大量证实[21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29]，纯桨叶转子被作为无堵塞的替代方案进行研究。随后建立了三维CFD模型[33], [34], [35], [36], [37]，系统分析了纯桨叶转子的流场与氧传质特性，揭示其固有缺陷在于液体快速向外排出且核心区域持液量可忽略。CFD模拟（3.2节）显示，离心力将液体快速甩向壳体壁，使核心区被气体主导、持液量极小。因此桨叶转子的kLa显著偏低，暴露出无阻塞设计在液体保留方面的瓶颈。桨叶-挡板转子（最终方案）。受同心环旋转床[18], [19], [20]和桨叶填料角度优化研究[38], [39]启发，采用了两种桨叶构型：直桨叶（0°）和相对转子旋转方向倾斜?45°的桨叶。两种构型均进行了研究，最终基于CFD和实验结果确定0°构型（桨叶-挡板转子-1）为最优设计。这些环实现两个功能：(i) 拦截径向液流，迫使液膜铺展并延长停留时间，从而弥补桨叶转子的低持液问题；(ii) 打孔远大于硫聚集体（D?? ≈ 28.3 μm），保持防堵几何结构。所得结构实现与金属泡沫相当的kLa，同时保持防堵性能。

章节片段 脱硫工艺与反应网络 螯合铁脱硫技术是一种以碱性螯合铁溶液为吸收剂的湿法氧化过程。完整的脱硫与氧化再生机制由式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)所表示的反应组成：
H?S(g) + H?O → H?S(l) + H?O
H?S(l) → H? + HS?
HS? + 2[FeIII(EDTA)]? → S?↓ + 2[FeII(EDTA)]2? + H?
O?(g) + H?O → O?(l) + H?O
4[FeII(EDTA)]2? + O?(l) + 2H?O → 4[FeIII(EDTA)]? + 4OH?
反应(1)至(3)代表H?S的吸收与氧化过程。气相H?S溶解于液相，并

网格无关性与模型验证 在Q = 4 m3/h、L = 40 L/h、1200 rpm的操作条件下，通过比较六个不同密度网格（单元数从1.0·10?到4.0·10?）的出口溶解氧浓度建立网格无关性，见Fig. 8(a)。预测的溶解氧浓度在约0.0073 kg/m3处趋于平台，表明在200万单元时溶液已实现网格无关。此分辨率随后被采用为计算标准，以兼顾精度与

再生反应性能分析 再生效率η用于表征脱硫富液的再生效果，其定义见式8：为系统评估新型挡板转子的性能并为后续响应面法（RSM）优化提供依据，开展了一系列单因素实验。所有测试均在环境温度（20 °C）与常压下进行，以空气（21 vol% O?）为氧化剂，0.06 mol/L [Fe(EDTA)]2?

结论 本研究利用桨叶-挡板转子开展了HiGee强化螯合铁再生的研究，重点关注氧传质优化与防堵性能评估。主要结论如下：
(1) 基于欧拉双流体框架构建了三维CFD模型，模拟RPB转子区域在清洁水-氧条件下的氧吸收过程。预测的溶解氧浓度与实验值的偏差在2.02%–15.0%之间。

资助 本工作由国家重点研发计划（SQ2022YFB4000241和2021YFB4000604）、安徽省杰出青年科学基金项目（2022AH020013）以及辽宁省教育厅高校基本科研项目（LJ212411258004）资助。

利益冲突声明 作者声明无已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

Zihao Liu | Xuewu Liu | Zezhang Jiang | Feng Gao
大连理工大学化工学院，中国大连 116023