超重力分離技術(shù)

1、桂紅光，陶俊宇，顧超凡超重力工程技術(shù)的基本原理是利用超重力條件下多相流體系的獨(dú)特流動(dòng)行為,強(qiáng)化相與相之間的相對(duì)速度和相互接觸,從而實(shí)現(xiàn)高效的傳質(zhì)傳熱過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。獲取超重力的方式主要是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備整體或部件形成離心力場(chǎng),涉及的多相流體系主要包括氣-固體系和氣-液體系。超重力分離技術(shù)是強(qiáng)化多相流傳遞及反應(yīng)過(guò)程的新技術(shù)，上個(gè)超重力機(jī)世紀(jì)問(wèn)世以來(lái)，在國(guó)內(nèi)外受到廣泛的重視，由于它的廣泛適用性以及具有傳統(tǒng)設(shè)備所不具有的體積小、重量輕、能耗低、易運(yùn)轉(zhuǎn)、易維修、安全、可靠、靈活以及更能適應(yīng)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，使得超重力技術(shù)在環(huán)保和材料生物化工等工業(yè)領(lǐng)域中有廣闊的商業(yè)化應(yīng)用前景。但目前超重力技術(shù)還主要處于應(yīng)用開(kāi)

2、發(fā)階段，集中體現(xiàn)在超重力氣-固流態(tài)化技術(shù)和超重力氣-液傳質(zhì)技術(shù)兩個(gè)方面離心力場(chǎng)(超重力場(chǎng)) 被用于相間分離,無(wú)論在日常生活還是在工業(yè)應(yīng)用上,都已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史。但為一項(xiàng)特定的手段用于傳質(zhì)過(guò)程的強(qiáng)化,引起工業(yè)界的重視是70 年代末出現(xiàn)的“Higee”, 這是英國(guó)帝國(guó)化學(xué)公司的ColinRamshaw 教授領(lǐng)導(dǎo)的新科學(xué)小組提出的專(zhuān)利技術(shù)。它的誕生最初是由設(shè)想用精餾分離去應(yīng)征美國(guó)太空署關(guān)于微重力條件下太空實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目引起的。70 年代末至80 年代初,英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司( ICI) 連續(xù)提出被稱(chēng)之為“Higee”的多項(xiàng)專(zhuān)利。利用旋轉(zhuǎn)填料床中產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力超重力,使氣、液的流速及填料的比表面積大大提高

3、而不液泛。液體在高分散、高湍動(dòng)、強(qiáng)混合以及界面急速更新的情況下與氣體以極大的相對(duì)速度在彎曲孔道中逆向接觸,極大地強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程。超重力技術(shù)被認(rèn)為是強(qiáng)化傳遞和多相反應(yīng)過(guò)程的一項(xiàng)突破性技術(shù),被譽(yù)為“化學(xué)工業(yè)的晶體管”和“跨世紀(jì)的技術(shù)”氣相經(jīng)氣體進(jìn)口管由切向引入轉(zhuǎn)子外腔,在氣體壓力的作用下由轉(zhuǎn)子外緣處進(jìn)入填料。液體由液體進(jìn)口管引入轉(zhuǎn)子內(nèi)腔,經(jīng)噴頭淋灑在轉(zhuǎn)子內(nèi)緣上。進(jìn)入轉(zhuǎn)子的液體受到轉(zhuǎn)子內(nèi)填料的作用,周向速度增加,所產(chǎn)生的離心力將其推向轉(zhuǎn)子外緣。在此過(guò)程中,液體被填料分散、破碎形成極大的、不斷更新的表面積,曲折的流道加劇了液體表面的更新。這樣,在轉(zhuǎn)子內(nèi)部形成了極好的傳質(zhì)與反應(yīng)條件。液體被轉(zhuǎn)子拋到外殼匯

4、集后經(jīng)液體出口管離開(kāi)超重機(jī)。氣體自轉(zhuǎn)子中心離開(kāi)轉(zhuǎn)子,由氣體出口管引出,完成傳質(zhì)與反應(yīng)過(guò)程。超重力氣-固接觸技術(shù)的突出特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:a. 在超重力流化床中，由于重力場(chǎng)強(qiáng)度和流化速度均可調(diào)節(jié),因此可將流化速度控制在鼓泡速度之下操作，從而獲得良好的流化質(zhì)量。b. 在超重力條件下,由于顆粒有效重力增加，因而流化時(shí)氣固之間的相互作用(相對(duì)速度)大大增強(qiáng)，從而使其傳質(zhì)傳熱速率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)流化床。c. 近年來(lái)，隨著超細(xì)粉體技術(shù)的發(fā)展， Gel-dart C類(lèi)顆?；虺?xì)顆粒的流態(tài)化加工過(guò)程成為科技界和工業(yè)界的關(guān)注熱點(diǎn) ,但這類(lèi)顆粒由于粘附性強(qiáng),流化時(shí)易形成穩(wěn)定溝流,因而難以流態(tài)化。但在超重力條件下

5、,氣固之間的剪切力大為增強(qiáng)，有可能克服顆粒之間的團(tuán)聚力,從而促進(jìn)聚式流態(tài)化向散式化的轉(zhuǎn)變,從而改善超細(xì)顆粒的流化質(zhì)量。a. 在超重力傳質(zhì)反應(yīng)器中 ，液體受到的有效重力將是傳統(tǒng)重力場(chǎng)中的數(shù)十倍甚至上百倍，液泛點(diǎn)大大提高，使得通過(guò)提高氣速來(lái)增強(qiáng)氣-液之間的相對(duì)速度成為現(xiàn)實(shí)，從而極大地強(qiáng)化氣-液體系的傳質(zhì)反應(yīng)效率。 b. 在超重力場(chǎng)中，氣液兩相流體相對(duì)滑動(dòng)速度很大,巨大的剪切應(yīng)力克服了液體表面張力，使液體伸展出巨大的相際接觸界面,液膜變薄，幾乎沒(méi)有持液現(xiàn)象，液體在高分散、高湍動(dòng)、強(qiáng)混合以及界面急速更新的情況下與氣體以較大的相對(duì)速度在填料的彎曲孔道中接觸，從而極大地強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程。傳統(tǒng)重力流化床傳統(tǒng)重

6、力流化床超重力流化床超重力流化床1.海水淡化a.可代替?zhèn)鹘y(tǒng)塔器, 縮小其體積，尤其適宜于代替貴重金屬制作的傳統(tǒng)設(shè)備及加壓設(shè)備?？蛇M(jìn)行熱敏性物料的處理, 減少分解損失。b.進(jìn)行熱敏性物料的處理, 減少分解損失可進(jìn)行傳質(zhì)控制的化學(xué)沉淀反應(yīng), 制備超細(xì)粉失可進(jìn)行傳質(zhì)控制的化學(xué)沉淀反應(yīng), 制備超細(xì)粉體。c.可適用振動(dòng)較大的環(huán)境, 如海上平臺(tái),激烈的振動(dòng)會(huì)使塔器傾斜造成重力偏流而使分離失效, 而超重機(jī)因不受重力影響而保持優(yōu)良的分離性能。d.適應(yīng)于小批量、多品種產(chǎn)品的生產(chǎn)。f.可適用于處理傳統(tǒng)設(shè)備無(wú)法處理的粘度大的體系，如高分子物質(zhì)脫除單體等。2.干燥過(guò)程超重力氣-固流化床技術(shù)研究較多集中于不同物料干燥過(guò)程的應(yīng)用,包括不同物料初始流化行為和干燥過(guò)程中傳質(zhì)傳熱速率的研究。如Farkas Lazar等對(duì)片狀和塊狀土豆、胡蘿卜和蘋(píng)果等在超重力(離心)流