超重力旋轉(zhuǎn)床簡介

超重力HIGEE (high gravity) 技術(shù)是20 世紀(jì)70 年代末發(fā)展起來的一種過程強(qiáng)化的新技術(shù)，主要是通過*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速度在彎曲流道中逆向接觸，從而強(qiáng)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。

第一臺(tái)旋轉(zhuǎn)填料床（rotating packed bed，RPB）由英國帝國化學(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)為化工過程強(qiáng)化領(lǐng)域帶來了新的活力，能在很大程度上強(qiáng)化“三傳一反”過程。但在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的過程中，必須解決好設(shè)備的動(dòng)平衡問題，使得RPB 能長時(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。

總體來說，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，對未來超重力旋轉(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，中國臺(tái)灣長庚大學(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程中，為各種溶劑回收過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，未來可以著重從葉片的布置和葉片表面的填料入手對其進(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)果顯示來看，多孔波紋板錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床通過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，這為未來對這兩方面的權(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%。

目前來說，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，對于RBHC 的研究絕不應(yīng)止步于納米材料的制備，未來需要開發(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。