超重力精餾技術開發(fā)現狀及其應用展望

1、超重力精餾技術開發(fā)現狀及其應用展望-中北大學副校長、山西省超重力化工工程技術中心主任 劉有智 教授1 超重力技術簡介所謂超重力場是指遠大于地球重力加速度g的環(huán)境。物質在超重力場下所受的力稱為超重力。利用超重力科學原理而產生的應用技術稱為超重力技術。在超重力環(huán)境下，不同大小分子間的分子擴散和相間傳質過程均比常規(guī)重力場下的要快得多，氣-液、液-液、氣-液-固體系在比地球重力場大數百至千倍的超重力環(huán)境下的多孔介質或孔道中產生流動接觸，巨大的剪切力將液體撕裂成微米至納米級的液膜、液絲和液滴，產生巨大的和快速更新的相界面，使相間傳質速率比傳統(tǒng)的傳質設備提高13個數量級，微觀混合和傳質過程得到極大強化。同

2、時，在超重力場下，不僅是整個反應過程的加快，而且氣體的線速度也得到大幅度提高，這使設備單位體積生產效率得到12個數量級的提高。因此，超重力技術被認為是強化傳遞和多相反應過程的一項突破性技術，被譽為跨世紀的技術，超重力機也被譽為“化學工業(yè)的晶體管”。2 超重力技術基礎研究為了拓展超重力過程強化應用領域，將超重力強化氣-液傳質過程拓展至強化液-液過程，和解決超重力工程放大共性關鍵問題，消除超重力場下化工單元操作(吸收、解吸、反應、萃取、精餾及非均相分離)工程化進程中的“瓶頸”，推進超重力過程強化技術在化工、環(huán)保、能源、軍工等多個行業(yè)中的廣泛應用，達到過程裝備集約化、生產高效率、資源化、環(huán)保節(jié)能目的

3、。項目組對超重力裝置結構及工作原理進行了創(chuàng)新，具體體現在：超重力裝置結構優(yōu)化設計、新型超重力場專用填料的開發(fā)、超重力裝置流體力學性能研究和微觀混合性能研究等。2.1 超重力精餾裝置結構優(yōu)化超重力精餾裝置與流程可以依據氣液流動形式、裝置結構、填料設置情況、操作條件、流程結構等進行分類。依據氣液流動方式，可以分為并流、錯流和逆流3種；依據裝置的結構可以分為立式和臥式2種；依據填料的設置情況，超重力精餾裝置可以分為一級超重力精餾裝置、兩級超重力精餾裝置或多級超重力精餾裝置等。圖 1一級逆流立式超重力精餾裝置結構示意圖1氣體進口; 2轉子; 3填料; 4超重力精餾裝置中心管; 5液體進口; 6氣體出口

4、; 7、12密封;8噴嘴; 9超重力精餾裝置外腔; 10外殼; 11中央分布器; 13轉軸; 14液體出口圖2二級逆流立式超重力精餾裝置結構示意圖1液體分布器; 2測壓口; 3原料液進口; 4氣體出口; 5回流液進口; 6、8密封; 7第一級填料; 9第二級填料;10氣體進口; 11超重力精餾裝置外殼; 12超重力精餾裝置外腔; 13轉子; 14軸承; 15轉軸; 16超重力精餾裝置內腔; 17液體出口 圖3單級錯流、總體逆流立式超重力精餾裝置結構示意圖1、12原料進口; 2液體分布器; 3取樣口; 4、9回流液進口; 5氣體出口; 6軸承軸; 7轉軸; 8轉子固定楔; 10受液盤; 11轉子

5、; 13降液管; 14介質c進口; 15液體出口; 16旋轉床外殼; 17填料下支撐盤片; 18填料上支撐盤片2.2 超重力場專用填料開發(fā)填料是傳質設備核心部件，也是相間傳質場所，填料性能(材質、開孔率、孔徑、空隙率和堆積密度等)直接影響傳質效果。相對傳統(tǒng)塔設備而言，超重力裝置填料應具備更穩(wěn)定平衡性、更均勻水力負荷和更快捷整裝的條件，要求填料具有較高傳質效率，還需兼顧使用壽命，潤濕性能、幾何對稱性，功耗性能等。項目組提出了超重力場規(guī)整填料的設計思想，開發(fā)了多孔波紋板規(guī)整填料、徑向輻射狀波紋填料和絲網規(guī)整填料，解決了超重力場中長期運轉填料變形導致水力分布不均的問題，克服了填料變形引起徑向不對稱，

6、保證了傳質效果，延長了使用壽命，根據轉子尺寸開發(fā)整裝專用填料實現了快速整裝和拆卸。項目組研發(fā)的超重力場規(guī)整填料，解決了動平衡性、使用壽命、幾何對稱性、功耗性能等問題，實現快速整裝和拆裝，方便檢修，易形成規(guī)模生產，降低加工成本。超重力場規(guī)整填料具有廣泛的適應性，已應用于吸收、解吸、反應、萃取、精餾、多相分離等多個領域。3 超重力精餾過程3.1 超重力精餾過程質量傳遞性能由于超重力精餾過程中流體的流動狀況比較復雜，因此，影響超重力精餾技術的因素較多，包括超重力強度、溫度、壓力、原料流量、回流比、填料特性、裝置的主要結構等。下面從操作條件、填料和轉子結構3個方面進行介紹。3.1.1 操作條件對超重力

7、精餾傳質性能的影響在常壓操作條件下，原料流量、超重力因子和回流比對超重力精餾裝置的傳質性能的影響如圖46所示。從圖中可看到，超重力精餾裝置總的理論塔板數分別隨原料流量、超重力因子和回流比的增大而增大。圖4原料流量對理論板數的影響圖 5 超重力因子對理論板數的影響 圖6 回流比對理論板數的影響 根據圖中超重力裝置的理論塔板數和填料的徑向厚度（25mm），可得到超重力裝置的理論塔板高度在5.4628.6mm。與傳統(tǒng)的精餾塔相比，理論塔板高度降低了1個數量級，表明超重力精餾裝置的傳質效率比普通填料床的傳質效率高1個數量級，預示超重力精餾裝置將使得精餾設備呈數十倍的比例減小，設備體積大幅度減小。3.1

8、.2 不同填料對超重力精餾傳質性能的影響超重力裝置內所用填料與傳統(tǒng)精餾塔所用填料不同，傳質性能亦不同。下面是波紋盤片填料（填料）、不銹鋼正交網狀填料（填料）和不銹鋼波紋絲網填料（填料）的傳質性能情況。3種填料的物性參數如表1所示。表1填料物性參數填料直徑/mm堆積密度/kgm-3幾何比表面積/m2m-3孔隙率材 料填料（波紋碟片）9504000.82不銹鋼填料（正交網狀）0.285110017500.86不銹鋼填料（波紋絲網）0.28540011000.95不銹鋼在常壓操作條件下，不同填料理論塔板高度與回流比的變化關系如圖7所示，填料的理論塔板高度在18.725.4mm，填料的理論塔板高度在1

9、5.225.0mm，填料的理論塔板高度在11.823.6mm。實驗結果說明，超重力精餾過程的傳質性能是與填料的結構和特性密切相關。圖7 不同填料逆流旋轉床原料流量對理論塔板高度的影響綜上所述，填料對逆流旋轉床的傳質性能影響顯著，波紋絲網填料的傳質性能最好；新型高效的超重力精餾填料仍需進一步研究開發(fā)。3.1.3不同轉子對超重力精餾傳質性能的影響氣液在超重力精餾裝置中的流動狀況十分復雜，在氣液逆流接觸的旋轉填料床中，氣體從轉子外緣向轉子內緣流動過程中，氣體在填料中通過的通道橫截面積不斷減小，在填料的外沿最大，到內腔邊沿處最小。氣體流速是隨通道截面積的逐漸減少而增大；而液體從轉子內緣向轉子外緣流動過

10、程中，通道的截面積逐漸擴大，液相流體的流速并沒有因為通道截面積逐漸擴大而減小，恰恰相反，液相流體的流速是逐漸增大，液膜變薄。實際上，在填料中氣體流速最大的區(qū)域是液體流速最小的區(qū)域，反之亦然。因此，轉子的結構設計非常重要，否則會出現液體在填料中分布不均勻和不利于傳質的情況。下面是3種不同結構的轉子(如表2所示)的傳質性能情況。研究以不銹鋼波紋絲網為填料（填料），操作條件為常壓、全回流。表2 不同轉子結構參數名稱外徑/mm內徑/mm高/mm厚/mm孔隙率材料轉子180604020.65不銹鋼轉子180804020.65轉子140804020.65圖8為3種轉子的等板高度與超重力因子的變化關系。不同

11、轉子的等板高度隨超重力因子的變化規(guī)律幾乎相同。但當操作條件不變時，不同轉子的理論塔板高度不同，轉子的傳質單元高度為10.914mm，轉子的傳質單元高度為9.4210.55mm，轉子的傳質單元高度為1011.5mm。 說明超重力精餾裝置的傳質性能與轉子的結構密切相關，工程化時應作為主要影響因素考慮。圖8 理論塔板高度隨超重力因子的變化關系 3.2 超重力精餾過程動量傳遞性能在氣液傳質設備中，氣體通過設備的壓降是衡量設備性能的一個重要指標。表3是超重力精餾裝置在不同操作條件下的單板壓降情況。在實驗操作條件下，超重力精餾裝置的單板壓降在14.8488.75 pa范圍內。比傳統(tǒng)精餾塔的單板壓降低了1倍

12、。表明超重力精餾裝置的能耗比傳統(tǒng)精餾塔的能耗低。表3 超重力精餾裝置每層理論塔板壓降dp（pa）bf/kg0.5 (m0.5s)-10.220.460.670.9110.7414.8424.7846.7454.0624.1618.6027.3755.4762.6442.9522.531.1856.0364.7567.1129.2137.4157.9172.3296.6538.9948.1668.5174.21131.5545.1459.4874.5683.07171.866.2568.7082.7788.754 超重力技術相關成果近年來，山西省超重力化工工程技術研究中心主持完成重大科研項目30

13、多項，獲省部科技進步獎5項，授權專利5項，發(fā)表學術論文300余篇，工程化和工程示范化項目共計20余項。（1）科技獎勵 旋轉填料床多相反應制備超細憎水氫氧化鋁技術研究，2005年，山西省科技進步一等獎； 超重力法選擇性脫除二氧化碳尾氣中硫化氫應用研究，2007年，山西省科技進步二等獎； 超重力法吹脫氨氮廢水技術研究，2002年，山西省科技進步二等獎； 超重力煙氣脫硫除塵技術研究，2003年，山西省科技進步二等獎； 撞擊流-旋轉填料床萃取器及應用研究，2006年，山西省科技進步三等獎。（2）專利 超重力油煙凈化裝置, 授權號zl 2006 2 0023473.4； 含高濃度氮氧化物廢氣的凈化設備,

14、授權號zl 2006 2 0023556.3； 脫除工業(yè)氣體中硫化氫的設備,授權號zl 2006 2 0023555.9； 脫除脲醛樹脂中游離甲醛的設備,授權號zl 2006 2 0023474.9； 一種臭氧氧化技術處理難降解有機廢水的設備, 授權號zl 2006 2 0023551.0。（3）工程化 超重力法尾煙氣脫除二氧化硫技術； 超重力法煤氣脫硫技術； 超重力法選擇性脫除二氧化碳體系硫化氫技術； 超重力法吹脫氨氮廢水； 超重力法煙氣脫硫除塵技術； 超重力法凈化硝煙尾氣； 超重力法制備納米氫氧化鋁技術； 超重力法制備納米氧化鋅技術； 超重力法制備納米硫酸鋇技術； 超重力場中納米粒子表面無

15、機改性技術； 超重力場中急冷技術； 超重力（is-rpb）液-液萃取技術； 超重力（is-rpb）液膜分離技術； 超重力場脫除脲醛樹脂中甲醛技術； 超重力技術凈化醋酸尾氣中醋酸技術； 超重力技術回收丙酮乙酸乙酯； 超重力法脫氨除濕技術； 超重力法煤氣脫焦油技術； nhd脫碳液凈化處理技術； 超重力臭氧法處理tnt紅水技術； 超重力法凈化密閉艙室氣體； 超重力法尾氣中粉塵回收技術； 超重力法制備納米燃燒催化劑技術； 超重力法脫除濃硝酸中氮氧化物技術； 超重力場下凈化油煙技術。 圖9 超重力法選擇性脫硫工程 圖10 超重力煙氣除塵工程 圖11 超重力煤氣脫硫工程 圖12 超重力法制備納米氫氧化鋁5 技術交流（1）山西省超重力化工工程技術研究中心能夠提供超重力過程強化技術專業(yè)咨詢服務，根據企業(yè)實際情況，提供超重力過程強化可行性實驗論證，出具可行性論證報告，為企業(yè)領