超重力技術(shù)的研究及應(yīng)用

郭浩　牛杰

超重力技術(shù)的研究及應(yīng)用

郭浩*牛杰

（中國石化長城能源化工（寧夏）有限公司）

超重力技術(shù)是一種過程強化技術(shù)，通過離心力實現(xiàn)傳質(zhì)過程的強化。超重力技術(shù)廣泛應(yīng)用于吸收、蒸餾、汽提、萃取等分離過程，在化工、環(huán)保等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。論述了超重力技術(shù)的基本原理及特點，重點介紹了超重力技術(shù)在化工尾氣處理、精餾、納米材料、催化劑制備及消除粉塵等方面的應(yīng)用，并對超重力技術(shù)的研究方向和應(yīng)用前景做了展望。

超重力過程強化吸收蒸餾傳質(zhì)過程

超重力HIGEE（high gravity）技術(shù)是一種過程強化的新技術(shù)，主要是通過強大的離心力——超重力，使氣-液流速及填料的比表面積大大提高，液體在高湍動、高分散、強混合及界面更新急速的條件下與氣體以極大的相對速度在彎曲流道中逆向接觸，從而強化傳質(zhì)過程。超重力技術(shù)廣泛應(yīng)用于吸收、蒸餾、汽提、萃取等分離過程［1］。

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，超重力技術(shù)在實際應(yīng)用中主要有以下特點［1-5］：

（1）傳遞效率顯著提高，傳遞系數(shù)可提高1～3個數(shù)量級，極大地減小了設(shè)備的體積，降低了設(shè)備投資。

（2）物料在設(shè)備內(nèi)的停留時間極短（0.1～1.0 s），適用于某些特殊的反應(yīng)及處理過程。

（3）易于操作及開停車，維護檢修方便。

（4）填料不易堵塞。

（5）氣相壓降小，動力能耗小，適用于大氣量、高氣速的場合。

1　超重力技術(shù)原理

超重力設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由外殼、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子、填料及液體分布器等組成。

圖1　超重力裝置結(jié)構(gòu)

該設(shè)備核心部分是轉(zhuǎn)子，其主要作用是裝載和固定填料，在動力驅(qū)動下帶動填料旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)良好的氣液接觸。在壓力作用下，氣相由進(jìn)氣口進(jìn)入外腔，在轉(zhuǎn)軸外緣處進(jìn)入填料，最后從排氣口排出；液體由噴水管進(jìn)入，經(jīng)噴頭灑在轉(zhuǎn)軸內(nèi)緣，在離心力的作用下進(jìn)入轉(zhuǎn)軸外緣。在此過程中，液體被填料分散、破碎，使得液體界面急速更新，與氣體以極大的相對速度逆向接觸，從而完成傳質(zhì)及反應(yīng)。液體被甩至外殼，收集后由下部排液口排出［6］。

2　超重力技術(shù)的應(yīng)用

2.1在化工尾氣處理中的應(yīng)用

化工尾氣是最大的環(huán)境污染源，尾氣中的有害氣體有硫化氫、二氧化硫、氨、氮氧化物等。這些氣體多具有腐蝕性，或形成酸雨，或形成霧霾，嚴(yán)重危害環(huán)境和人體健康。節(jié)能減排，消除污染，凈化這些有毒有害氣體，是當(dāng)前急待解決的問題。

李振虎等［7］利用超重力機對硫酸廠含SO2尾氣進(jìn)行處理，氣液比為900～1000，進(jìn)口尾氣SO2的密度ρ（SO2）為14 286 mg/m3，處理后尾氣ρ（SO2）可小于286 mg/m3。王俊等［8］以亞硫酸鈉溶液為吸收劑，采用并流操作方式在超重力旋轉(zhuǎn)床中進(jìn)行模擬煙氣脫硫的實驗。結(jié)果顯示：吸收液中鈉離子濃度為0.25 mol/L，煙氣中SO2濃度為3420～3580 mg/m3，旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速900 r/min，氣液比為1140，二氧化硫的脫除率可高達(dá)91.5%。張芳芳等［9］考察了超重力因子、液氣體積比、進(jìn)氣量等因素對煙氣中SO2的脫除率的影響，得出如下結(jié)論：SO2的脫除率隨超重力因子、液氣體積比的增加而增加，隨進(jìn)氣量的增加而降低；氣相傳質(zhì)系數(shù)隨超重力因子、液氣體積比、進(jìn)氣量的增加而增加，脫硫率和溶液pH值隨循環(huán)次數(shù)的增加呈下降趨勢。最佳脫除條件為：初始pH=12.7，超重力因子67，進(jìn)氣量55 m3/h，液氣體積比（1.1～1.3）×10-3。在此條件下脫硫率可達(dá)98.7%，出口尾氣中SO2量低于100 mg/m3。袁志國等［10］以磷酸鈉溶液為吸收劑，采用并流旋轉(zhuǎn)填料床進(jìn)行了模擬煙氣脫硫?qū)嶒灒摿蚵蔬_(dá)99%以上，SO2出口質(zhì)量濃度低于100 mg/m3。

潘紅霞等［11］用超重力設(shè)備作為脫硫?qū)嶒灥闹黧w吸收設(shè)備，利用堿液對CO2和H2S的吸收速率的差異，考察焦?fàn)t煤氣中硫化氫的脫除。實驗時原料氣中H2S濃度為3 g/m3，CO2濃度為7～14 g/m3，進(jìn)氣速度為1～6 m3/h，超重力因子為25.82～75.91，進(jìn)液速度為60～180 L/h，脫硫率基本可以達(dá)到95%以上。

Zhi Qian等［12］研究了混有CO2和H2S的N-甲基二乙醇胺溶液中H2S的脫除率，結(jié)果表明在超重力旋轉(zhuǎn)床中H2S的去除率可達(dá)99.76%。

2.2在精餾中的應(yīng)用

精餾是應(yīng)用最為廣泛的化工分離技術(shù)，精餾性能直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。超重力技術(shù)應(yīng)用于精餾過程可極大地強化傳質(zhì)性能，提高分離純度，同時也可降低投資費用。國內(nèi)外科研人員在超重力精餾的理論研究和工業(yè)應(yīng)用方面做了大量的工作，例如超重力下液泛氣速的確定［13］、超重力狀態(tài)下壓降和轉(zhuǎn)速的關(guān)系［14-15］、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對壓降的影響［16］以及流體動力學(xué)［17］和傳質(zhì)性能［18］等方面的研究。

史琴等［19］以超重力旋轉(zhuǎn)床代替反應(yīng)精餾塔合成乙酸正丁酯，乙酸轉(zhuǎn)化率可達(dá)88%，遠(yuǎn)高于原先設(shè)備60%的轉(zhuǎn)化率。中北大學(xué)谷德銀等［20］對超重力氣相傳質(zhì)特性進(jìn)行了研究，得到了較好的有效傳質(zhì)比表面積與氣相體積傳質(zhì)系數(shù)和氣相傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。J.V.S.Nascimento等［21］研究了超重力旋轉(zhuǎn)床中的傳質(zhì)過程，發(fā)現(xiàn)超重力狀態(tài)下傳質(zhì)效率高于傳統(tǒng)狀態(tài)下15倍，且隨液體速率和旋轉(zhuǎn)速度的增加而增加。其中，離心力是超重力狀態(tài)下高效傳質(zhì)效率和分離效果的重要參數(shù)指標(biāo)。在相同的分離效果下，超重力設(shè)備體積是傳統(tǒng)設(shè)備的約1/5。

宋子彬等［22］應(yīng)用超重力精餾分離回收果膠沉淀溶劑中的乙醇，乙醇回收率為91.28%，回收乙醇產(chǎn)品的成本為0.644元/L，充分表現(xiàn)出超重力精餾工藝工業(yè)化應(yīng)用的優(yōu)勢。陳建等［23］研究了甲醇水混合液的超重力精餾試驗，并建立了傳質(zhì)模型。嘉興金禾化工有限公司采用超重力場旋轉(zhuǎn)床作為甲醇精餾裝置，殼體外徑為830 mm、高度為800 mm，成品甲醇產(chǎn)量為500 kg/h，產(chǎn)品中甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.8%，廢液中甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2%。若采用常規(guī)填料塔，則塔高約需10 m［24］。美國DOW化學(xué)公司與北京化工大學(xué)合作，將直徑3 m、高3 m的超重力設(shè)備成功替代了直徑6 m、高30 m的分離塔，將次氯酸的產(chǎn)率由80%提高到90%以上，并節(jié)省了70%的設(shè)備投資［5］。

2.3納米材料

納米材料在化工、航天、電子、信息、醫(yī)藥、國防等領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景，如推進(jìn)劑中的納米儲氫材料［25］、生物醫(yī)學(xué)中含銀微納米材料［26］、光催化反應(yīng)中的石墨烯納米復(fù)合材料［27］、化工產(chǎn)品改性［28］等。目前，超重力技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于納米粉體材料、納米阻燃材料、納米鹽等生產(chǎn)工藝中。

北京化工大學(xué)研究人員采用超重力水熱法得到一種超細(xì)納米級氫氧化鋁阻燃劑，起始分解溫度超過了350℃［29］。采用超重力結(jié)晶法合成碳酸鈣時，反應(yīng)所需要的碳化時間約為文獻(xiàn)值的1/18［30］。李亞玲等［31］在超重力旋轉(zhuǎn)床中首次制備出晶型完整、粒度窄、分散性好的納米硫化鋅，平均粒徑30 nm，轉(zhuǎn)化率為97.5%。

超重力技術(shù)是一項很有發(fā)展前景的高新技術(shù)，在制備納米材料方面具有粒度小、時間短、粒度分布窄及易于放大生產(chǎn)等優(yōu)點，可進(jìn)一步深入研究并推廣至制備其他納米材料。

2.4催化劑制備

黃偉莉等［32］利用超重力共沉淀法制備CuO/ ZnO/Al2O3催化劑，測試結(jié)果顯示所制備催化劑各項指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)要求，且優(yōu)于現(xiàn)有醛加氫催化劑。楊小俊等［33］提出了超重力環(huán)境下氧化錳八面體分子篩納米棒的生長機理，活性測試表明其具有更好的催化活性。

2.5消除粉塵

黃德斌等［34］研究了超重力旋轉(zhuǎn)床的除塵特性，在氣量600 m3/h、液量大于0.6 m3/h和氣量800 m3/h、液量大于1.0 m3/h條件下，除塵效率均可達(dá)97%。

3　結(jié)語

超重力技術(shù)具有優(yōu)異的微觀混合和過程強化性能，既提高了生產(chǎn)效率又降低了投資成本，在治理化工尾氣污染等領(lǐng)域表現(xiàn)尤為突出。研究者們在傳質(zhì)性能、流體力學(xué)性質(zhì)、參數(shù)（壓降和轉(zhuǎn)速等）的關(guān)聯(lián)性、模型構(gòu)建和內(nèi)部元件構(gòu)造等基礎(chǔ)性理論方面做了大量研究并取得了一定成果，其中一些成果在工業(yè)上已經(jīng)有成功應(yīng)用的范例。但關(guān)于超重力的廣泛工業(yè)應(yīng)用及基礎(chǔ)性推廣報道并不多見。超重力技術(shù)及其相關(guān)設(shè)備還有很多內(nèi)容需要深入了解，如流體形態(tài)、可視化研究、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、模型構(gòu)建、液體分布器等。加大對超重力技術(shù)研究的投入力度，結(jié)合實際應(yīng)用，超重力技術(shù)有望成為工業(yè)領(lǐng)域的主要技術(shù)支撐。

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Application and Research of HIGEE

Guo HaoNiu Jie

The HIGEE（high gravity）is a kind of process intensification technology，which reinforces the mass transfer process by centrifugal force.This technology has been applied to absorption，distillation，stripping，extraction and other separation processes.Therefore，it has extensive application in chemical engineering，environmental protection and other relative areas.The characteristics and basic principle of HIGEE were summarized.In this article，the industrial applications of HIGEE in terms of chemical tail gas treatment，rectification，preparation of nanometer sized materials，catalyst preparation，dust suppression，and so on，were emphasized.In addition，the potential applications and future research of HIGEE were prospected.

High gravity；Process intensification；Absorption；Distillation；Mass transfer process

TQ 051.8

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.10.016

2016-02-27）

*郭浩，男，1987年生，助理工程師。銀川市，750000。