6-刘有智-超重力精馏技术开发现状及其应用展望

超重力精馏技术开发现状及其应用展望
刘有智
中北大学副校长、山西省超重力化工工程技术中心主任
1 超重力技术简介
所谓超重力场是指远大于地球重力加速度g的环境。

物质在超重力场下所受的力称为超重力。

利用超重力科学原理而产生的应用技术称为超重力技术。

在超重力环境下，不同大小分子间的分子扩散和相间传质过程均比常规重力场下的要快得多，气-液、液-液、气-液-固体系在比地球重力场大数百至千倍的超重力环境下的多孔介质或孔道中产生流动接触，巨大的剪切力将液体撕裂成微米至纳米级的液膜、液丝和液滴，产生巨大的和快速更新的相界面，使相间传质速率比传统的传质设备提高1～3个数量级，微观混合和传质过程得到极大强化。

同时，在超重力场下，不仅是整个反应过程的加快，而且气体的线速度也得到大幅度提高，这使设备单位体积生产效率得到1～2个数量级的提高。

因此，超重力技术被认为是强化传递和多相反应过程的一项突破性技术，被誉为跨世纪的技术，超重力机也被誉为“化学工业的晶体管”。

2 超重力技术基础研究
为了拓展超重力过程强化应用领域，将超重力强化气-液传质过程拓展至强化液-液过程，和解决超重力工程放大共性关键问题，消除超重力场下化工单元操作(吸收、解吸、反应、萃取、精馏及非均相分离)工程化进程中的“瓶颈”，推进超重力过程强化技术在化工、环保、能源、军工等多个行业中的广泛应用，达到过程装备集约化、生产高效率、资源化、环保节能目的。

项目组对超重力装置结构及工作原理进行了创新，具体体现在：超重力装置结构优化设计、新型超重力场专用填料的开发、超重力装置流体力学性能研究和微观混合性能研究等。

2.1超重力精馏装置结构优化
超重力精馏装置与流程可以依据气液流动形式、装置结构、填料设置情况、操作条件、流程结构等进行分类。

依据气液流动方式，可以分为并流、错流和逆流3种；依据装置的结构可以分为立式和卧式2种；依据填料的设置情况，超重力精馏装置可以分为一级超重力精馏装置、两级超重力精馏装置或多级超重力精馏装置等。

1－气体进口; 2－转子; 3－填料; 4－超重力精馏装置中心管; 5－液体进口; 6－气体出口; 7、12－密封;8－喷嘴; 9－超重力精馏装置外腔; 10－外壳; 11－中央分布器; 13－转轴; 14－液体出口
图1一级逆流立式超重力精馏装置结构示意图
1－液体分布器; 2－测压口; 3－原料液进口; 4－气体出口; 5－回流液进口; 6、8－密封; 7－第一级填料; 9－第二级填料;10－气体进口; 11－超重力精馏装置外壳; 12－超重力精馏装置外腔; 13－转子;
14－轴承; 15－转轴; 16－超重力精馏装置内腔; 17－液体出口
图2二级逆流立式超重力精馏装置结构示意图
1，12－原料进口; 2－液体分布器; 3－取样口; 4、9－回流液进口; 5－气体出口; 6－轴承轴; 7－转轴; 8－转子固定楔; 10－受液盘; 11－转子; 13－降液管; 14－介质c进口; 15－液体出口; 16－旋转床外壳; 17－填料下支撑盘片; 18－填料上支撑盘片
图3单级错流、总体逆流立式超重力精馏装置结构示意图
2.2 超重力场专用填料开发
填料是传质设备核心部件，也是相间传质场所，填料性能(材质、开孔率、孔径、空隙率和堆积密度等)直接影响传质效果。

相对传统塔设备而言，超重力装置填料应具备更稳定平衡性、更均匀水力负荷和更快捷整装的条件，要求填料具有较高传质效率，还需兼顾使用寿命，润湿性能、几何对称性，功耗性能等。

项目组提出了超重力场规整填料的设计思想，开发了多孔波纹板规整填料、径向辐射状波纹填料和丝网规整填料，解决了超重力场中长期运转填料变形导致水力分布不均的问题，克服了填料变形引起径向不对称，保证了传质效果，延长了使用寿命，根据转子尺寸开发整装专用填料实现了快速整装和拆卸。

项目组研发的超重力场规整填料，解决了动平衡性、使用寿命、几何对称性、功耗性能等问题，实现快速整装和拆装，方便检修，易形成规模生产，降低加工成本。

超重力场规整填料具有广泛的
适应性，已应用于吸收、解吸、反应、萃取、精馏、多相分离等多个领域。

3 超重力精馏过程
3.1 超重力精馏过程质量传递性能
由于超重力精馏过程中流体的流动状况比较复杂，因此，影响超重力精馏技术的因素较多，包括超重力强度、温度、压力、原料流量、回流比、填料特性、装置的主要结构等。

下面从操作条件、填料和转子结构3个方面进行介绍。

3.1.1 操作条件对超重力精馏传质性能的影响
在常压操作条件下，原料流量、超重力因子和回流比对超重力精馏装置的传质性能的影响如图4～6所示。

从图中可看到，超重力精馏装置总的理论塔板数分别随原料流量、超重力因子和回流比的增大而增大。

理论板数 N
原料流量 F/ L ·h
-1
图4 原料流量对理论板数的影响
理论塔板数N
超重力因子β
图 5 超重力因子对理论板数的影响
理论板数 N
回流比 R
图6 回流比对理论板数的影响
根据图中超重力装置的理论塔板数和填料的径向厚度（25mm ），可得到超重力装置的理论塔板高度在5.46～28.6mm 。

与传统的精馏塔相比，理论塔板高度降低了1个数量级，表明超重力精馏装置的传质效率比普通填料床的传质效率高1个数量级，预示超重力精馏装置将使得精馏设备呈数十倍的比例减小，设备体积大幅度减小。

3.1.2 不同填料对超重力精馏传质性能的影响
超重力装置内所用填料与传统精馏塔所用填料不同，传质性能亦不同。

下面是波纹盘片填料（填料Ⅰ）、不锈钢正交网状填料（填料Ⅱ）和不锈钢波纹丝网填料（填料Ⅲ）的传质性能情况。

3种填料的物性参数如表1所示。

表1 填料物性参数
填 料
直径/mm
堆积密度/kg·m -3
几何比表面积/m 2·m -3
孔隙率 材 料 填料Ⅰ（波纹碟片） 950 400 0.82 不锈钢 填料Ⅱ（正交网状） Φ0.285 1100 1750 0.86 不锈钢 填料Ⅲ（波纹丝网）
Φ0.285
400
1100
0.95
不锈钢
在常压操作条件下，不同填料理论塔板高度与回流比的变化关系如图7所示，填料Ⅰ的理论塔板高度在18.7~25.4mm ，填料Ⅱ的理论塔板高度在15.2~25.0mm ，填料Ⅲ的理论塔板高度在11.8~23.6mm 。

实验结果说明，超重力精馏过程的传质性能是与填料的结构和特性密切相关。

理论塔板高度 H E T P /m m
原料流量/L·h
-1
图7 不同填料逆流旋转床原料流量对理论塔板高度的影响
综上所述，填料对逆流旋转床的传质性能影响显著，波纹丝网填料的传质性能最好；新型高效的超重力精馏填料仍需进一步研究开发。

3.1.3不同转子对超重力精馏传质性能的影响
气液在超重力精馏装置中的流动状况十分复杂，在气液逆流接触的旋转填料床中，气体从转子外缘向转子内缘流动过程中，气体在填料中通过的通道横截面积不断减小，在填料的外沿最大，到内腔边沿处最小。

气体流速是随通道截面积的逐渐减少而增大；而液体从转子内缘向转子外缘流动过程中，通道的截面积逐渐扩大，液相流体的流速并没有因为通道截面积逐渐扩大而减小，恰恰相反，液相流体的流速是逐渐增大，液膜变薄。

实际上，在填料中气体流速最大的区域是液体流速最小的区域，反之亦然。

因此，转子的结构设计非常重要，否则会出现液体在填料中分布不均匀和不利于传质的情况。

下面是3种不同结构的转子(如表2所示)的传质性能情况。

研究以不锈钢波纹丝网为填料（填
料Ⅲ），操作条件为常压、全回流。

表2 不同转子结构参数
名称 外径/mm 内径/mm 高/mm 厚/mm 孔隙率 材料
转子Ⅰ Φ180 Φ60 40 2 0.65 不锈钢 转子Ⅱ Φ180 Φ80 40 2 0.65 转子Ⅲ
Φ140
Φ80
40
2
0.65
图8为3种转子的等板高度与超重力因子的变化关系。

不同转子的等板高度随超重力因子的变化规律几乎相同。

但当操作条件不变时，不同转子的理论塔板高度不同，转子Ⅰ的传质单元高度为10.9～14mm ，转子Ⅱ的传质单元高度为9.42～10.55mm ，转子Ⅲ的传质单元高度为10～11.5mm 。

说明超重力精馏装置的传质性能与转子的结构密切相关，工程化时应作为主要影响因素考虑。

理论塔板高度 H
E T P /m m 超重力因子 β
图8 理论塔板高度随超重力因子的变化关系
3.2 超重力精馏过程动量传递性能
在气液传质设备中，气体通过设备的压降是衡量设备性能的一个重要指标。

表3是超重力精馏装置在不同操作条件下的单板压降情况。

在实验操作条件下，超重力精馏装置的单板压降在14.84～88.75 Pa 范围内。

比传统精馏塔的单板压降低了1倍。

表明超重力精馏装置的能耗比传统精馏塔的能耗低。

表3 超重力精馏装置每层理论塔板压降 D p （Pa ）
β
F /kg 0.5⋅ (m 0.5⋅s)-1
0.22 0.46 0.67 0.91 54.06 24.16 18.60
27.37 55.47 62.64 42.95 22.5 31.18 56.03 64.75 67.11 29.21 37.41 57.91 72.32 96.65 38.99 48.16 68.51 74.21 131.55 45.14 59.48 74.56 83.07 171.8
66.25
68.70
82.77
88.75
4 超重力技术相关成果
近年来，山西省超重力化工工程技术研究中心主持完成重大科研项目30多项，获省部科技进步奖5项，授权专利5项，发表学术论文300余篇，工程化和工程示范化项目共计20余项。

（1）科技奖励
★旋转填料床多相反应制备超细憎水氢氧化铝技术研究，2005年，山西省科技进步一等奖；★超重力法选择性脱除二氧化碳尾气中硫化氢应用研究，2007年，山西省科技进步二等奖；★超重力法吹脱氨氮废水技术研究，2002年，山西省科技进步二等奖；
★超重力烟气脱硫除尘技术研究，2003年，山西省科技进步二等奖；
★撞击流-旋转填料床萃取器及应用研究，2006年，山西省科技进步三等奖。

（2）专利
★超重力油烟净化装置, 授权号ZL 2006 2 0023473.4；
★含高浓度氮氧化物废气的净化设备,授权号ZL 2006 2 0023556.3；
★脱除工业气体中硫化氢的设备,授权号ZL 2006 2 0023555.9；
★脱除脲醛树脂中游离甲醛的设备,授权号ZL 2006 2 0023474.9；
★一种臭氧氧化技术处理难降解有机废水的设备, 授权号ZL 2006 2 0023551.0。

（3）工程化
★超重力法尾烟气脱除二氧化硫技术；
★超重力法煤气脱硫技术；
★超重力法选择性脱除二氧化碳体系硫化氢技术；
★超重力法吹脱氨氮废水；
★超重力法烟气脱硫除尘技术；
★超重力法净化硝烟尾气；
★超重力法制备纳米氢氧化铝技术；
★超重力法制备纳米氧化锌技术；
★超重力法制备纳米硫酸钡技术；
★超重力场中纳米粒子表面无机改性技术；
★超重力场中急冷技术；
★超重力（IS-RPB）液-液萃取技术；
★超重力（IS-RPB）液膜分离技术；
★超重力场脱除脲醛树脂中甲醛技术；
★超重力技术净化醋酸尾气中醋酸技术；
★超重力技术回收丙酮乙酸乙酯；
★超重力法脱氨除湿技术；
★超重力法煤气脱焦油技术；
★ NHD－脱碳液净化处理技术；
★超重力臭氧法处理TNT红水技术；
★超重力法净化密闭舱室气体；
★超重力法尾气中粉尘回收技术；
★超重力法制备纳米燃烧催化剂技术；
★超重力法脱除浓硝酸中氮氧化物技术；
★超重力场下净化油烟技术。

图9 超重力法选择性脱硫工程 图10 超重力烟气除尘工程
图11 超重力煤气脱硫工程 图12 超重力法制备纳米氢氧化铝 5 技术交流
（1）山西省超重力化工工程技术研究中心能够提供超重力过程强化技术专业咨询服务，根据企业实际情况，提供超重力过程强化可行性实验论证，出具可行性论证报告，为企业领导和政府决策部门提供依据和参考。

（2）山西省超重力化工工程技术研究中心接收企业委托，进行生产现场超重力过程强化中试实验，解决超重力过程强化的工程化放大的关键共性问题，获取可靠数据，降低企业技术和投资风险。

（3）山西省超重力化工工程技术研究中心承办专业的行业学术会议，建立化工、环保、能源、军工各领域超重力过程强化应用数据库及交流网络，进行超重力过程强化信息定期交流平台。