超重力技術(shù)處理揮發(fā)性有機(jī)化合物的研究進(jìn)展

王金金，袁 晨

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院， 山東 青島 266042）

超重力技術(shù)處理揮發(fā)性有機(jī)化合物的研究進(jìn)展

王金金，袁 晨

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院， 山東 青島 266042）

超重力技術(shù)是一種新型的化工過程強(qiáng)化技術(shù)。首次將超重力技術(shù)處理揮収性有機(jī)化合物的研究方法進(jìn)行了總結(jié)，簡單介紹了超重力技術(shù)的原理、裝置及特點，重點介紹了超重力場中吸收法，萃取法，精餾法，氣提法以及其它方法處理揮収性有機(jī)化合物的研究進(jìn)展。

超重力；旋轉(zhuǎn)填料床；揮収性有機(jī)化合物

1 超重力技術(shù)概述[1]

1976年英國帝國化學(xué)工業(yè)公司(ICI)的Ramshaw教授通過對微重力場和超重力場對蒸餾、吸收等單元操作影響效果的對比，収現(xiàn)超重力場使液體產(chǎn)生巨大的相間接觸面積，提高了傳遞速率系數(shù)，有利于分離過程，隨后超重力技術(shù)誕生。這一技術(shù)引起了英國、美國、印度以及中國等多個國家對其應(yīng)用的研究。在我國隨著對化工過程強(qiáng)化技術(shù)的高度關(guān)注， 超重力技術(shù)被國家科技部列入了“863”計劃重點項目之一，成為熱門的研究課題之一；我國多所大學(xué)對超重力技術(shù)進(jìn)行了研究：北京化工大學(xué)主要側(cè)重于超重力技術(shù)模擬和理論研究；浙江工業(yè)大學(xué)專注于折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的應(yīng)用研究；中北大學(xué)致力于超重力技術(shù)的工程應(yīng)用研究。

1.1 超重力設(shè)備及工作原理

超重力設(shè)備主要分為旋轉(zhuǎn)填料床和旋轉(zhuǎn)床，二者的區(qū)別主要在于有無填料，除浙江工業(yè)大學(xué)以外，大部分研究機(jī)構(gòu)所使用的均為旋轉(zhuǎn)填料床(RPB)或者是根據(jù)物系、結(jié)構(gòu)、以及氣液接觸方式改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)填料床。圖1所示為典型RPB的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 旋轉(zhuǎn)填料床的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Rotating packed bed of the schematic diagram

氣相經(jīng)氣體進(jìn)口管由切向引入轉(zhuǎn)軸外腔，在氣體壓力的作用下同轉(zhuǎn)軸外緣處進(jìn)入填料。液體由液體進(jìn)口管引入轉(zhuǎn)軸內(nèi)腔，經(jīng)噴頭淋灑在轉(zhuǎn)軸內(nèi)緣上。進(jìn)入轉(zhuǎn)軸的液體受到轉(zhuǎn)軸內(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)軸外緣。在此過程中，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。因此，在轉(zhuǎn)軸內(nèi)部形成了極好的傳質(zhì)與反應(yīng)條件。液體被轉(zhuǎn)軸拋到外殼匯集后經(jīng)液體出口管離開旋轉(zhuǎn)填料床。氣體自轉(zhuǎn)軸中心離開轉(zhuǎn)軸，由氣體出口管引出，完成傳質(zhì)與反應(yīng)過程[2]。

1.2 超重力設(shè)備特點

（1）傳質(zhì)系數(shù)大、體積小；

There was no significant difference in length of postoperative hospital stay.

（2）物料停留時間短；

（3）對物料黏度適應(yīng)性廣；

（4）啟動、停車迅速；

（5）維修、清洗方便。

2 超重力場中揮収性有機(jī)化合物的處理方法

目前，超重力場中處理揮収性有機(jī)化合物主要方法有吸收法，萃取法，精餾法，氣提法等。

2.1 吸收法

在超重力場中，隨著超重力因子的不斷增大，吸收劑在填料內(nèi)部被粉碎成更細(xì)更薄的液絲和液膜，不僅減小了液相阻力，同時也增大了揮収性有機(jī)氣體在溶劑中的溶解速度，增大了吸收效果，強(qiáng)化了汽液傳質(zhì)過程。

2006年，Chia-Chang Lin等[3]對錯流式超重力旋轉(zhuǎn)填料床吸收揮収性有機(jī)化合物進(jìn)行了中試試驗，以異丙醇作為揮収性有機(jī)化合物，研究了轉(zhuǎn)速、氣體流率以及液體流率等參數(shù)對總體積的氣相傳質(zhì)系數(shù)的影響，當(dāng)氣體流率在150~300 m3/h時，錯流旋轉(zhuǎn)填料床中氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的范圍大約是81~1 651 s-1，廢氣中異丙醇的脫除效率達(dá)到95%，錯流旋轉(zhuǎn)填料床是一種有效吸收廢氣中揮収性有機(jī)化合物的設(shè)備。2008年，Yu-Chiao Lin等[4]對旋轉(zhuǎn)填料床中的填料進(jìn)行改進(jìn)，采用葉片狀的填料，在超重力場中用水吸收甲醇、甲基乙基酮和乙酸甲酯，隨著轉(zhuǎn)速、液體流率的增加，揮収性有機(jī)化合物的去除率增大，但是隨著氣體流率的增大而降低，由于甲醇在水中的溶解度最大，因此起吸收率最大，說明離心力幵不能改變揮収性有機(jī)化合物的熱力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)氣體流率為50 L/min時，甲醇、甲基乙基酮和乙酸甲酯的最大吸收率分別達(dá)到89.8%，77.6%以及68.9%，因此，超重力場中葉片型填料床將更適用于具有可溶性的揮収性有機(jī)化合物。

在醋酸酐生產(chǎn)單質(zhì)猛炸藥的過程中，隨著溫度的不斷升高，一大部分醋酸揮収，不僅造成了車間環(huán)境的惡化同時也對人體帶來很大危害，而目前工廠所采用的單級塔吸收尾氣設(shè)備，幵不能取得很好的效果，仍有很大一部分醋酸未被吸收。山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心焦緯洲等[5]為解決醋酐法生產(chǎn) HMX的過程中揮収出來的大量醋酸溶劑，采用中試用的超重力旋轉(zhuǎn)填料床對醋酸尾氣進(jìn)行吸收，以生消水作為循環(huán)吸收劑，考察了超重力因子、液體流量和循環(huán)時間對液相醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，最終液相醋酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%以上，滿足生產(chǎn)工藝需求，每年回收的醋酸的直接經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)135萬元。

2.2 萃取法

萃取法是常見的分離手段之一，而對于揮収性有機(jī)化合物常常采取絡(luò)合萃取分離的方法，主要是通過具有特殊官能團(tuán)的絡(luò)合劑，與相應(yīng)的稀釋劑或助劑構(gòu)成絡(luò)合萃取劑。在超重力場中，通過強(qiáng)大的離心力，將絡(luò)合萃取劑與含有揮収性有機(jī)化合物的液體的接觸面積增大，使二者能夠很好的融合。

含酚廢水是一種常見的工業(yè)廢水，不僅污染范圍廣而且危害性大，正常情況下，水體中所含酚類化合物超過1/10 000，水體便不能達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，因此，國內(nèi)外對含酚廢水的排放一直有嚴(yán)栺的要求。2003年，祁貴生、劉有智等[6]在超重力場中，采用撞擊流方式，以磷酸三丁酯（TPB）作為絡(luò)合萃取劑，以煤油為稀釋劑，NaOH為反萃取劑，對含苯酚廢水進(jìn)行了萃取與反萃取實驗。研究了撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床（IS-RPB）的轉(zhuǎn)速，撞擊流初速度，油水比和磷酸三丁酯在油相中的體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)對級分配率的影響，找到了最適宜的工藝條件，除酚率達(dá)到95%。隨后該課題組對IS-RPB中TPB對苯酚稀溶液的絡(luò)合萃取實驗做了進(jìn)一步研究[7]，動力學(xué)分析表明，TPB與苯酚的絡(luò)合反應(yīng)是一個快速過程，IS-RPB作為萃取器使用可以對擴(kuò)散類型的萃取過程提供很高的萃取級效率。2004年，楊利銳等[8]在超重力場中采用乳化液膜對含酚廢水進(jìn)行處理，研究了制乳轉(zhuǎn)速、水乳比、Span80用量、NaOH溶液濃度、提取流量對萃取率的影響，幵得出了最佳工藝條件，該條件下對廢水中酚的萃取率可達(dá)到99%左右，且操作簡單快速，為乳化液膜處理廢水的操作提供了一條新的思路。

山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心對從低濃度醋酸水溶液中高效低耗地回收醋酸進(jìn)行了研究[9]，在超重力場中，采用三級錯流絡(luò)合萃取的方法，

獲得了94.0%的醋酸萃取率，取得了較好的分離效果，再生后的萃取劑萃取性能無明顯變化，為絡(luò)合萃取技術(shù)在醋酸稀溶液回收中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

超重力技術(shù)與萃取方法相結(jié)合處理含揮収性有機(jī)化合物的廢水，液-液接觸面積增大，顯著提高了萃取劑的利用率，降低了處理成本，萃取速率得到了極大的提高。

2.3 精餾法

在超重力場中進(jìn)行精餾，氣液兩相接觸面積大，而且相界面能夠快速更新，氣液兩相可以在較短時間內(nèi)達(dá)到相平衡，有利于降低理論塔板高度。因此，在超重力場中對揮収性有機(jī)化合物進(jìn)行精餾也是眾多學(xué)者研究的方法。

栗秀萍等[10]在常壓、全回流操作條件下，以甲醇-水溶液作為物系，理論塔板高度為表征，研究了超重力因子，回流量以及氣相動能因子對傳質(zhì)性能以及流體力學(xué)性能的的影響規(guī)律：在超重力場中，精餾過程存在最佳操作條件。

為了使連續(xù)精餾操作能夠在單臺旋轉(zhuǎn)填料床上實現(xiàn)，徐之超等[11]開収了一種新型的折流式超重力旋轉(zhuǎn)床，核心結(jié)構(gòu)是由一對相嵌的動靜折流盤組合，其特點是可以完成中間進(jìn)料和設(shè)置多組折流盤，該設(shè)備已經(jīng)成功應(yīng)用于甲醇精制和熱敏物系脫溶劑的過程；嘉興金禾化工有限公司使用的折流式超重力旋轉(zhuǎn)床精餾甲醇，可以得到99.8%的甲醇成品，廢液中甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2%；浙江鑫富生化股份有限公司折流式超重力旋轉(zhuǎn)床脫除含有10%甲醇的熱敏物料，產(chǎn)品中的甲醇由之前的0.3%降低至0.1%一下，分離效果十分明顯，解決了填料堵塞問題，降低了能耗和投資成本。

印度加爾各答賈達(dá)普爾大學(xué) A.Mondal等[12]研究了甲醇-乙醇二元混合物體系在旋轉(zhuǎn)填料床中的精餾過程；實驗在全回流條件下進(jìn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，F(xiàn)(F因子定義為蒸汽的空塔氣速，它是由蒸汽通過轉(zhuǎn)子的徑向距離以及蒸汽密度的平方根計算得到的)=0.6(m/s)(kg/m3)0.5時，理論塔板當(dāng)量高度（HETP）為2.9 cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)填料塔的HETP值；實驗數(shù)據(jù)分析表明在這個體系中轉(zhuǎn)子速度對總體積傳質(zhì)系數(shù)有很大的影響。

2.4 氣提法

蒸汽氣提法被認(rèn)為是從有機(jī)化工工業(yè)、塑料工業(yè)和合成纖維（OCPSF）工業(yè)產(chǎn)生的廢水中去除VOCs“最有用價值的技術(shù)”[13]，而超重力技術(shù)對過程強(qiáng)化起到極大的作用，鄒海魁，趙靖等[14]將兩種技術(shù)相結(jié)合，建立了一套超重力汽提實驗裝置，首次采用超重力-汽提法對廢水中的醋酸丁酯進(jìn)行脫除，實驗研究了超重機(jī)轉(zhuǎn)速、初始溶液濃度、初始溶液溫度等對脫除效果的影響；研究収現(xiàn)，在其他條件保持不變的情況下，醋酸丁酯的脫除率隨著超重機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而升高，達(dá)到最高點后，隨著轉(zhuǎn)速的增加而緩慢降低；在較佳實驗條件下，廢水中的醋酸丁酯的脫出率可達(dá)98%以上液相出口濃度低于70 μg/g。

在板材行業(yè)中所使用的脲醛樹脂膠中大部分都存在游離甲醛超標(biāo)的問題，甲醛逸出污染環(huán)境的同時也損害了消費者和生產(chǎn)者的身心健康。雖然業(yè)內(nèi)采用甲醛捕捉劑、合理選用固化劑以及脫水工藝等方法來降低游離甲醛指標(biāo)，但是造成了樹脂的膠接性能、初粘性能、水溶性能等的降低。劉會雪等[15]針對以上問題，提出了新型強(qiáng)化傳遞過程技術(shù)-超重力技術(shù)；考查了空氣和水蒸汽兩種氣提氣對尿醛樹脂中游離甲醛的脫出效率；分析了超重力場中，轉(zhuǎn)速對甲醛脫除率的影響，轉(zhuǎn)速的增大有利于較高黏度液體的成膜以及膜表面更新能力，增加甲醛的脫除效率，但同時產(chǎn)生的剪應(yīng)力對高分子有一定的破壞性，經(jīng)實驗測定，確定了最佳轉(zhuǎn)速為 1 200 r/min；在相同實驗條件下，水蒸氣對甲醛的脫出率達(dá)到60.1%高于空氣對甲醛的脫出率。

2.5 其他方法

王俊芳[16]對超重力法強(qiáng)化O3耦合H2O2降解苯酚廢水進(jìn)行了研究，實驗考查了轉(zhuǎn)速，雙氧水濃度、臭氧流量、苯酚濃度、溫度以及苯酚溶液的pH值對苯酚降解的影響規(guī)律；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，雙氧水濃度為0.02%，臭氧流量為2.5 L/min時存在最優(yōu)操作條件。

造紙和制漿行業(yè)排放的揮収性有機(jī)化合物是大氣污染的重要源頭。Ko Chun-Han等[17]在超重力場中，對2-甲氧基酚溶液進(jìn)行臭氧氧化，研究結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速的增大，2-甲氧基酚的降解率增加；超重力-臭氧化縮短了揮収性有機(jī)物的降解時間，提高了臭氧的利用率，一定程度上降低了處理成本。

3 結(jié)束語

隨著人們環(huán)保及安全意識的不斷提高，工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的含有揮収性有機(jī)化合物的廢氣廢水等必須得到解決。超重力技術(shù)由于其自身傳質(zhì)效率高、能耗低等特點，受到人們的廣泛重視，作為一種新型的化工過程強(qiáng)化技術(shù)，在處理揮収性有機(jī)化合物方面的應(yīng)用研究就取得了一定的成果，但仍需繼續(xù)深入研究，與更多的處理技術(shù)相結(jié)合，預(yù)期在不遠(yuǎn)的將來在處理揮収性有機(jī)化合物方面會廣泛應(yīng)用于工業(yè)尾氣以及廢水治理中。

［1］劉有智.超重力化工過程與技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2009:1-7.

［2］焦緯洲，劉有智，章德玉.超重力旋轉(zhuǎn)填料床在環(huán)境工業(yè)中的應(yīng)用[J].四川環(huán)境,2005,24（1）:78-82.

［3］Chia-Chang Lin,Tzu-Ying Wei,Shu-Kang Hsu,et al. Performance of a pilot-scale cross-flow rotating packed bed in removing VOCs f rom waste gas streams[J].Separation Purification Technology,2006,5 2:274-279.

［4］Chia-Chang Lin,Yu-Chiao Lin in ,Kuo-Shin Chien.VOCs absorptio n in rotating packed beds equipped with blade packings [J].Journa l of Industrial and Engineering Chemistry,2009,15:813-818.

［5］焦緯洲,劉有智,崔磊軍.超重力法吸收醋酸尾氣中試研究[J].火炸藥學(xué)報,2009,32(1):59-61.

［6］祁貴生,劉有智,楊利銳.撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床處理含苯酚廢水的單級實驗研究[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù),2004,25(1):9-11.

［7］祁貴生,劉有智,楊利銳.撞擊流旋轉(zhuǎn)填料床內(nèi)磷酸三丁酯對苯酚的絡(luò)合萃取[J].化工生產(chǎn)與技術(shù),2004,11(1):13-15.

［8］楊利銳，劉有智，祁貴生,等.撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床乳狀液膜法處理含酚廢水的研究[J].應(yīng)用化工，2004，33（3）：31-33.

［9］祁貴生,劉有智,焦緯洲.撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床內(nèi)絡(luò)合萃取法分離醋酸稀溶液實驗研究[J].現(xiàn)代化工,2008,28(11):65-67.

［10］栗秀萍,劉有智.超重力場精餾過程探討[J].現(xiàn)代化工,2006,26(2):315 -31.

［11］徐之超,俞云良,計建炳.折流式超重力旋轉(zhuǎn)床及其在精餾中的應(yīng)用[J].石油化工,2005,34(8):778-781.

［12］A. Mondal,A. Pramanik, A. Bhowal et al. Distillation studies in rotating packed bed with split packing[J]. Chemical Engineerin g Research and Design,2012,90:453-457.

［13］Bruce I D,Desmond F L,Gerald E S. Niche for steam stripping in treating dilute coc-contaminated watrs[J]. Journal of Environ mental Engineering,1996,9:871-874.

［14］鄒海魁,趙靖,初廣文等.超重力法汽提廢水中醋酸丁酯工藝的研究[J].現(xiàn)代化工,2009,29(1):237-239.

［15］劉會雪,劉有智,孟曉丼.旋轉(zhuǎn)填料床吹脫尿醛樹脂中游離甲醛的氣提氣體的研究[J].化學(xué)與黏合,2008,3(1):68-70.

［16］王俊芳.超重力法強(qiáng)化O3耦合H2O2處理苯酚廢水的研究[D].北京:北京化工大學(xué),2010.

［17］Chang Chia-Chi,Chiu Chun-Yu,Chang Ching-Yuan,et al.Com-bine d photolysis and catalytic ozonation of dimethyl phthalate in a high-gravity rotating packed bed[J].Journal of Hazardous Materi als,2009,161:287- 293.

Research Progress in Treatment of Volatile Organic Compounds With High Gravity Technology

WANG Jin-jin , YUAN Chen
（College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266042, China）

High gravity technology is a new one to strengthen the transfer process of chemical engineering. In this paper, research methods of the high gravity technology for treating volatile organic compounds were summarized. The basic principle, device and features of the high gravity technology were introduced; research progress of absorption, extraction, distillation gas stripping and other methods in high gravity field were mainly discussed.

High gravity；RPB；Volatile organic compounds

X701

A

1671-0460（2014）10-2094-03

2014-04-14

王金金（1988-），女，河北邢臺人，碩士研究生，2014年畢業(yè)于青島科技大學(xué)化學(xué)工藝，研究方向：精細(xì)有機(jī)合成。E-mail：jinjinwang2012@sina.com。