超重力旋轉(zhuǎn)床簡(jiǎn)介

超重力HIGEE (high gravity) 技術(shù)是20 世紀(jì)70 年代末發(fā)展起來(lái)的一種過(guò)程強(qiáng)化的新技術(shù)，主要是通過(guò)*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(dòng)、高分散、強(qiáng)混合及界面更新急速的條件下與氣體以極大的相對(duì)速度在彎曲流道中逆向接觸，從而強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)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(guò)程。

第一臺(tái)旋轉(zhuǎn)填料床（rotating packed bed，RPB）由英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司的Ramshaw 教授等發(fā)明，該設(shè)備顯著強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程，獲得了比傳統(tǒng)填料塔更好的傳質(zhì)效果。在這之后，研究者們主要將精力集中在轉(zhuǎn)子內(nèi)部填料的選型上，出現(xiàn)了各種不同絲網(wǎng)填料及其組合形式的旋轉(zhuǎn)床。此外，其他填料形式還包括塑料網(wǎng)狀填料、泡沫金屬填料、玻璃微珠填料和三角形螺旋填料等。

RPB 的出現(xiàn)為化工過(guò)程強(qiáng)化領(lǐng)域帶來(lái)了新的活力，能在很大程度上強(qiáng)化“三傳一反”過(guò)程。但在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，必須解決好設(shè)備的動(dòng)平衡問(wèn)題，使得RPB 能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，這是很多生產(chǎn)企業(yè)十分重視的問(wèn)題。

華南理工大學(xué)鄧先和等于1996 年發(fā)明了同心環(huán)波紋碟片旋轉(zhuǎn)床，其基本結(jié)構(gòu)為將多塊同心圓環(huán)薄板沿軸線排布成環(huán)形體形式，如圖1所示。該旋轉(zhuǎn)床具有排液順暢、壓降小、制造、安裝和維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

簡(jiǎn)棄非等^[16]以空氣-CO2-NaOH 體系研究了鋁質(zhì)同心環(huán)波紋碟片旋轉(zhuǎn)床的干床氣相壓降和傳質(zhì)特性。在相同操作狀態(tài)下，其干床壓降為金屬絲網(wǎng)填料旋轉(zhuǎn)床的60%，等板高度為12.4～23.0mm，與傳統(tǒng)RPB 基本相當(dāng)，顯示了其良好的壓降和傳質(zhì)性能。

此外，同心環(huán)波紋碟片旋轉(zhuǎn)床還被應(yīng)用于制備粒徑范圍在20～30nm 的納米碳酸鈣^[17]。研究表明，轉(zhuǎn)速n=1100r/min、CO2 體積分?jǐn)?shù)為40%且晶型控制劑使用量約為Ca(OH)2質(zhì)量的0.5%時(shí)是反應(yīng)的最佳操作條件，此時(shí)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程得到充分的強(qiáng)化，這為納米材料的制備方法提供了又一成功范例。

總體來(lái)說(shuō)，同心環(huán)波紋碟片旋轉(zhuǎn)床的出現(xiàn)成功解決了當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)RPB 存在的問(wèn)題，降低設(shè)備壓降的同時(shí)還保持了良好的傳質(zhì)性能，對(duì)未來(lái)超重力旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化具有顯著的指導(dǎo)意義。

圖1 同心環(huán)波紋碟片旋轉(zhuǎn)床

圖2 葉片填料旋轉(zhuǎn)床

由于傳統(tǒng) RPB 在處理大蒸氣量中的揮發(fā)性有機(jī)污染物時(shí)氣相壓降較大，中國(guó)臺(tái)灣長(zhǎng)庚大學(xué)Lin 等在超重力旋轉(zhuǎn)床中采用葉片填料形式的轉(zhuǎn)子，如圖2所示。旋轉(zhuǎn)床中轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑分別為19.5mm和62.5mm，高度為29.5mm，填料比表面積299m2/m3，空隙率為0.97，由12 個(gè)葉片按30°間隔沿徑向排布，每個(gè)葉片表面均覆蓋有不銹鋼絲網(wǎng)，氣液兩相在葉片之間的通道以逆流形式接觸。在水脫氧和異丙醇吸收實(shí)驗(yàn)中研究了葉片填料旋轉(zhuǎn)床的壓降和傳質(zhì)特性，結(jié)果顯示，其氣相壓降比傳統(tǒng)RPB 低。實(shí)驗(yàn)中，葉片填料旋轉(zhuǎn)床的等板高度分別為 22～24mm 和11～33mm，傳質(zhì)性能稍遜于傳統(tǒng)RPB，但相差不大。

目前，葉片填料旋轉(zhuǎn)床已被成功應(yīng)用于揮發(fā)性有機(jī)污染物的吸收、蒸氣中脫除甲醇和正丁醇等分離過(guò)程中，為各種溶劑回收過(guò)程提供了良好的技術(shù)支持。

葉片填料旋轉(zhuǎn)床在盡可能不過(guò)多影響到傳質(zhì)性能的前提下，降低了設(shè)備壓降，但是這種降低程度十分有限，未來(lái)可以著重從葉片的布置和葉片表面的填料入手對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化。

由于逆流旋轉(zhuǎn)床存在壓降大、氣液處理量小等缺點(diǎn)，研究人員逐漸把精力轉(zhuǎn)移到錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床上，而多孔波紋板旋轉(zhuǎn)床即屬于錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床的一種，具有動(dòng)平衡性好、放大效應(yīng)不明顯等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

焦緯洲等對(duì)多孔波紋板錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行了各項(xiàng)深入研究，以空氣-水為實(shí)驗(yàn)物系，研究了兩種板間距填料的流體動(dòng)力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)操作范圍內(nèi)其濕床壓降為15～179.9Pa，不到近似操作條件下逆流旋轉(zhuǎn)床的十分之一。同時(shí)， 還以CO2-NaOH 為實(shí)驗(yàn)物系，研究了兩種板間距填料的傳質(zhì)性能。結(jié)果顯示，其液相體積傳質(zhì)系數(shù)KLae在兩種相似操作條件下分別為0.857/s 和1.087/s，僅比文獻(xiàn)中金屬絲網(wǎng)填料逆流旋轉(zhuǎn)床略小。

從結(jié)果顯示來(lái)看，多孔波紋板錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床通過(guò)氣液接觸方式的改變大大降低了設(shè)備壓降，而傳質(zhì)性能只是略微降低，這為未來(lái)對(duì)這兩方面的權(quán)衡提供了很好的以小換大的思路。

圖3 多孔波紋板錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床

圖4 螺旋通道旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意

螺旋通道型旋轉(zhuǎn)床（rotating bed with helix channels，RBHC），又稱旋轉(zhuǎn)床超重力反應(yīng)器，最初由湘潭大學(xué)周繼承等^[23]發(fā)明，主要是為了解決現(xiàn)有RPB 必須裝填填料和易堵塞等問(wèn)題。其轉(zhuǎn)子的中央進(jìn)料腔外設(shè)有1～100 條內(nèi)端與轉(zhuǎn)子進(jìn)料腔相連，且外端與殼體的內(nèi)腔相通的封閉阿基米德螺旋線型通道，如圖4所示。將RBHC 應(yīng)用于氣-液、液-液和氣-固-液等多相反應(yīng)，可極大強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。如用于石灰水懸浮液吸收CO2 進(jìn)行碳化反應(yīng)，制備粒徑在10～100nm 的納米碳酸鈣，以及石灰水懸浮液吸收煙氣中的SO2，其反應(yīng)吸收率能達(dá)到99.5%。

目前來(lái)說(shuō)，RBHC 大多被應(yīng)用于納米材料的制備，并取得了很好的效果。近期，研究人員將RBHC 與共沉淀法相結(jié)合，創(chuàng)新性地提出了RBHC超重力反應(yīng)共沉淀法，并成功制備出納米級(jí)的尖晶石錳酸鋰，平均粒徑約為60nm，進(jìn)一步深化了RBHC 在納米材料制備方面的應(yīng)用。

然而，對(duì)于RBHC 的研究絕不應(yīng)止步于納米材料的制備，未來(lái)需要開(kāi)發(fā)更多其他類型功能材料的新工藝，尤其是高分子功能材料方面，以進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍。