劉懷勝臺灣大學：化學工程學研究所陳敬銘Chen, Ching-MingChing-MingChen2007-11-262018-06-282007-11-262018-06-282006http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/52051本研究的對象為錯流式旋轉填充床。因為該系統是以氣、液交錯流動的方式進行質傳，故不易發生溢流現象，可操作的氣、液流量範圍則更廣，處理量也更大，符合工業上的要求。 研究中，藉由吸收百分比與總括氣膜體積質傳係數(Kga)探討錯流式旋轉填充床的質傳特性，由實驗結果得知，轉速、液體流量的增加，可使吸收百分比上升，而氣體流量的增加則使得吸收百分比呈現下降現象；至於操作變數對質傳係數的影響，不論轉速、液體流量或是氣體流量的增加都有助於質傳效果提升，若將分佈均勻狀態所得的質傳係數進行廻歸與探討，結果顯示在低轉速(500 rpm)及低液體流量(0.2 L/min)情況，會產生分佈不均勻的現象，導致液體無法利用整個填充床進行質傳，而低估質傳係數，所以在此情況下，氣、液體在填充床內的有效體積利用情形顯得更為重要，因此我們從實驗中，廻歸分析得到有效體積利用率經驗式，藉以描述此現象。This research is to investigate the characteristics of a cross-flow rotating packed bed. The system has less tendency of flooding due to the flow patern of gas and liquid. As a result, the system can be operated at a higher gas/liquid ratio and is expected more practical for industrial applications. Firstly, we discussed the characteristics of the cross-flow rotating packed bed based on absorption percentage and overall mass transfer coefficient (Kga). According to the experimental results, the absorption percentage increased with both rotational speed and liquid rate, but the increase of gas rate caused the absorption percentage decrease. As to the effects of operation factors on mass transfer coefficients, increase of rotational speed, liquid flow rate and gas flow rate would enhance the efficiency and raise the mass transfer coefficients. The relation between mass transfer coefficients and distribution of liquid in the bed was also discussed. The experimental results showed that at low rotational speed (500 rpm) and low liquid flow rate (0.2 L/min), mal-distribution of liquid might occur. The liquid perhaps only flow through the lower part of the bed, and thus the mass transfer coefficient decreased. An empirical correlation for efficiency of bed usage was obtained.目 錄 摘 要 I 英 文 摘 要 II 目 錄 III 圖 目 錄 VI 表 目 錄 XII 第一章 緒論 1 1-1 序言 1 1-2 研究目的 2 第二章 文獻回顧 3 2-1 超重力旋轉填充床之簡介 3 2-2 超重力旋轉填充床起源與構造 3 2-3 旋轉填充床之特性 6 2-3-1 壓降 6 2-3-2 液體流態 7 2-3-3 有效質傳界面積 8 2-3-4 氣膜質傳係數 9 2-4 旋轉填充床發展情況 12 2-5 旋轉填充床的優點與應用 14 2-6 錯流式旋轉填充床文獻回顧 18 第三章 實驗裝置、藥品與研究方法 23 3-1 實驗裝置 23 3-2 實驗流程 24 3-3 氣膜質傳係數分析 27 第四章 結果與討論 30 4-1 吸收百分比對質傳效果的影響 30 4-1-1 轉速與吸收百分比的關係 30 4-1-2 氣體流量與吸收百分比的關係 31 4-1-3液體流量與吸收百分比的關係 31 4-1-4 物質的物理特性對質傳行為的影響 32 4-2 錯流式旋轉填充床的特性對質傳影響 39 4-2-1 轉速對質傳的影響 39 4-2-2 氣體流量對質傳的影響 40 4-2-3 液體流量對質傳的影響 41 4-3 錯流式旋轉填充床內部分佈情形對質傳的影響 48 4-4 探討氣膜質傳係數之經驗式 50 4-5 有效體積利用率對質傳的影響 59 4-6 有效體積利用率之分析 62 4-6-1 計算方法 63 4-6-2 探討修正過的質傳係數 64 4-7 有效體積利用率經驗式分析 68 4-8 廻歸式分析 70 第五章 結論 74 參考文獻 76 符號說明 84 附錄A 87 附錄B 濃度與層析面積之校正曲線 88 附錄C 揮發性有機物質的實驗數據 90 附錄D Matlab程式求總括氣膜體積質傳係數(Kga) 105 圖 目 錄 圖2-2-1 逆流式旋轉填充床構造圖 (Liu et al. 1996)4 4 圖2-2-2 錯流式旋轉填充床構造圖 (Guo et al. 1997)5 5 圖2-3-1 旋轉填充床內壓降與不同操作狀態的關係 (Keyvani and Gardner 1989)6 10 圖2-3-2 壓降與氣體流速關係圖 (Rao et al. 2004)8 11 圖2-3-3 液膜流(film flow)、液滴流(drop flow)、孔隙流(pore flow)之流動示意圖 (Burns and Ramshaw 1996)10 11 圖2-4-1 旋轉填充床構造圖 (Ramshaw and Mallinson 1983) 15 圖2-6-1錯流式旋轉噴霧床構造圖 (張建軍 1998)39 21 圖(2-6-2) 錯流式旋轉填充床的構造圖 (許宜群 2004)1 22 圖3-2 水吸收揮發性有機物質實驗流程圖 26 圖3-3 旋轉填充床內部簡圖 28 圖4-1-1A 氣體流量36.5 L/min (A)乙醇、(B)丁酮、(C)醋酸甲酯，初濃度為1600 ppmV，不同液量下，轉速對吸收百分比的影響 33 圖4-1-1B 液體流量0.8 L/min (A)乙醇、(B)丁酮、(C)醋酸甲酯，初濃度為1600 ppmV，不同氣量下，轉速對吸收百分比的影響 34 圖4-1-2A 液體流量0.7 L/min (A)乙醇、(B)丁酮、(C)醋酸甲酯，初濃度為1600 ppmV，不同轉速下，氣體流量對吸收百分比的影響 35 圖4-1-3A 氣體流量51.5 L/min (A)乙醇、(B)丁酮、(C)醋酸甲酯，初濃度為1600 ppmV，不同轉速下，液體流量對吸收百分比的影響 36 圖4-1-4A 乙醇、丁酮、醋酸甲酯在氣體流量(26.7 L/min)， 液體流量(0.4 L/min)下，轉速與吸收百分比的關係 37 圖4-1-4B 乙醇、丁酮、醋酸甲酯在氣體流量(36.5 L/min)， 液體流量(0.7 L/min)下，轉速與吸收百分比的關係 37 圖4-1-4C 乙醇、丁酮、醋酸甲酯在氣體流量(51.5 L/min)， 液體流量(0.8 L/min)下，轉速與吸收百分比的關係 38 圖4-2-1A 氣體流量26.7 L/min (A)醋酸甲酯、(B)丁酮、(C)異丙醇，初濃度為1600 ppmV，不同液量下，轉速對質傳係數的影響 42 圖4-2-1B 氣體流量51.5 L/min (A)醋酸甲酯、(B)丁酮，初濃度為1600 ppmV，不同液量下，轉速對質傳係數的影響 43 圖4-2-1C 氣體流量53.07 L/min，異丙醇在初濃度為1600 ppmV，不同液量下，轉速對質傳係數的影響 43 圖4-2-1D 液體流量0.6 L/min (A)醋酸甲酯、(B)丁酮、(C)異丙醇，初濃度為1600 ppmV，不同氣量下，轉速對質傳係數的影響 44 圖4-2-2A 液體流量0.8 L/min (A)醋酸甲酯、(B)丁酮、(C)異丙醇，初濃度為1600 ppmV，不同轉速下，氣體流量對質傳係數的影響 45 圖4-2-2B 液體流量0.4 L/min (A)醋酸甲酯、(B)丁酮，初濃度為1600 ppmV，不同氣量下，轉速對質傳係數的影響 46 圖4-2-2C 液體流量0.4 L/min，異丙醇在初濃度為1600 ppmV，不同氣量下，轉速對質傳係數的影響 46 圖4-2-3A 氣體流量36.5 L/min (A)醋酸甲酯、(B)丁酮、(C)異丙醇，初濃度為1600 ppmV，不同轉速下，液體流量對質傳係數的影響 47 圖4-4A 質傳係數實驗值與式4-4-1所得質傳係數計算值之比較 51 圖4-4B 丁酮的初濃度為1600 ppmV，氣體流量51.5 L/min，不同液體流量下，誤差值與轉速的關係 53 圖4-4C 氣體流量53.07 L/min (A)醋酸乙酯、(B)異丙醇，初濃度為1600 ppmV，不同液量下，誤差值與轉速的關係 53 圖4-4D 醋酸甲酯的初濃度為1600 ppmV，氣體流量26.7 L/min，不同液體流量下，誤差值與轉速的關係 54 圖4-4E 丙酮的初濃度為1600 ppmV，氣體流量26.7 L/min，不同液體流量下，誤差值與轉速的關係 54 圖4-4F 氣體流量26.7 L/min (A)丁酮、(B)丙酮，初濃度為1600 ppmV，不同轉速下，誤差值與液體流量的關係 55 圖4-4G 異丙醇的初濃度為1600 ppmV，氣體流量26.7 L/min，不同轉速下，誤差值與液體流量的關係 55 圖4-4H 醋酸甲酯的初濃度為1600 ppmV，氣體流量36.5 L/min，不同轉速下，誤差值與液體流量的關係 56 圖4-4I 醋酸乙酯的初濃度為1600 ppmV，氣體流量37.5 L/min，不同轉速下，誤差值與液體流量的關係 56 圖4-4J 液體流量0.7 L/min (A)醋酸甲酯、(B)醋酸乙酯，初濃度為1600 ppmV，不同轉速下，誤差值與氣體流量的關係 57 圖4-4K 異丙醇的初濃度為1600 ppmV，液體流量0.7 L/min，不同轉速下，誤差值與氣體流量的關係 57 圖4-4L 丁酮的初濃度為1600 ppmV，液體流量0.2 L/min，不同轉速下，誤差值與氣體流量的關係 58 圖4-4M 丙酮的初濃度為1600 ppmV，液體流量0.2 L/min，不同轉速下，誤差值與氣體流量的關係 58 圖4-5A 以數值方法了解丁酮於初濃度1600 ppmV、轉速500 rpm、氣體流量為26.7 L/min及固定半徑(r=0.03375 m)下，填充床高度變化對質傳係數計算的影響 60 圖4-5B以數值方法分析丁酮於初濃度1600 ppmV、轉速500 rpm、氣體流量為26.7 L/min及固定半徑(r=0.03375 m)下，不同液體流量，填充床體內部氣體濃度的軸向高度變化情形 61 圖4-5C以數值方法分析丁酮於初濃度1600 ppmV、轉速500 rpm、氣體流量為26.7 L/min及固定高度(分別為z1=0.052 m與z2=0.0364 m)下，填充床體內部氣體濃度的徑向長度變化情形 61 圖4-6A 質傳係數實驗值與式4-6-1所得質傳係數計算值之比較 63 圖4-6-2A 氣體流量26.7 L/min (A)異丙醇、(B)丁酮、(C)醋酸甲酯，初濃度1600 ppmV，不同液體量下，轉速與修正後的質傳係數關係 65 圖4-6-2B 氣體流量26.7 L/min (A)丙酮、(B)醋酸乙酯，初濃度1600 ppmV，不同液體量下，轉速與修正後的質傳係數關係 66 圖4-6-2C 氣體流量37.5 L/min (A)丙酮、(B)醋酸乙酯，初濃度1600 ppmV，不同轉速下，液體流量與修正後的質傳係數關係 66 圖4-6-2D 氣體流量37.5 L/min (A)丁酮、(B)醋酸甲酯、(C)異丙醇，初濃度1600 ppmV，不同轉速下，液體流量與修正後的質傳係數關係 67 圖4-7A 經驗式4-7-1求得的EF計算值與實驗中(包含(許宜群 2004)1、(Lin et al. 2004)43及本實驗)獲得的EF實驗值之比較 69 圖4-8A質傳係數實驗值與式4-8-1所得質傳係數計算值之比較 73 圖A-1孔隙度與球型度之關係圖(Brown 1950)43 87 圖B-1 乙醇濃度與層析面積之校正曲線(Perkin Elmer) 88 圖B-2 丁酮濃度與層析面積之校正曲線(Perkin Elmer) 88 圖B-3 醋酸甲酯濃度與層析面積之校正曲線(Perkin Elmer) 89 圖B-4 異丙醇濃度與層析面積之校正曲線(Perkin Elmer) 89 表 目 錄 表2-5-1 旋轉填充床相關文獻整理 16 表2-5-1 旋轉填充床相關文獻整理(續) 17 表3-1 錯流式旋轉填充床規格列表 25 表4-1 揮發性有機物質的物理特性列表 38 表4-2 氣體與液體在填充床內的分佈情形 49 表4-3 經驗式4-4-1中所使用的亨利常數及擴散係數 515094747 bytesapplication/pdfen-US錯流式分佈情形Cross-FlowDistributionthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/52051/1/ntu-95-R93524049-1.pdf