旋转填料床最新研究进展

综 述
文章编号:1002-1124(2005)02-0035-03
旋转填料床最新研究进展
喻华兵,刘有智,石竞竞
(中北大学山西省超重力化工工程技术研究中心,山西太原030051)
摘　要:本文对旋转填料床的研究进展进行了评述,具体介绍了几种常见和新型的旋转填料床工作原理并进行了对比,最后对旋转填料床的发展趋势与侧重点做了简要分析。

关键词:旋转填料床;超重力;逆流;错流;折流;撞击流中图分类号:T Q02114 文献标识码:A
The latest progress of rotating p acked bed Y U Hua -bing ,LI U Y ou -zhi ,SHI Jing -jing
(N orth University of China ,Research Center for
High G ravity Chem ical Engineering and T echnology Shanxi Provincial ,T aiyuan 030051,China )
Abstract :In this paper ,the recent progress of rotating packed bed were reviewed ,the operating principle of these
familiar and new style rotating packed beds were analysed.F ollowed with the analysis of the trend and em phasis of devel 2opment of rotating packed bed.
K ey w ords :rotating packed bed ;high gravity ;reversed stream ;cross flow ;baffling stream ;im pinging stream
收稿日期:2004-12-10
作者简介:喻华兵(1980-),男,2001年本科毕业,现就读中北大学
化学工艺学科硕士研究生。

研究方向:旋转填料床体设计与开发及超重力场下精馏。

刘有智(1958-),男,山西长治人,工学博士,博生生导师,教授,长期从事化学工程与计算机应用研究以及无机膜技术研究工作,在国内外发表学术论文70余篇。

旋转填料床(R otating Packed Bed )是20世纪80
年代发展起来的一种新兴、高效气液传质设备[1,2]。

其工作原理是在填料床中环以数百至千倍重力(超重力)的离心力作用下,液相在填料表面形成液膜,液膜快速向外环流动,液膜厚度急剧减小,载体湿润面积增加,相界面积增加导致了由液相控制的传质、传热和反应过程得到极大的强化。

传质单元高度降低了1～2个数量级,并且显示出许多传统设备所完全不具备的优点。

从而使巨大的塔器变为高度不到2m 的超重机[3]。

因此,超重力技术被认为是强化传递与多相反应过程的一项突破性技术,被誉为“化学
工业的晶体管”[4]。

1　旋转填料床研究进展
70年代末至80年代初,英国帝国化学工业公司(ICI )连续提出被称之为“Higee ”
(High G ravity R o 2tary Sevice )的多项专利[5]。

自1985年售出第一套旋
转填料床以来,世界各国竞相对这一技术进行研究,
但由于其属商业机密,国外报道较少。

由于旋转填
料床具有体积小、重量轻、能耗低、易运转、易维修、安全、可靠、灵活等优点,它一旦在某个行业部门工业示范成功后,就能较快得到推广。

并且该设备还具有不怕震动,可以任意方位安装,物料在设备内停留时间短,适合于快速反应和选择性吸收等特点,因此,还可用于一些传统技术所不能胜任的场合,使这项新技术有着较传统的分离反应技术更为广阔的应用范围。

因此,吸引了各国公司和大学对其进行研究,我国在1985年才开始对旋转填料床技术及设备方面进行相关研究研制,经过20年的发展,现已取得了较大的进展。

从旋转填料床的气液进料以及转子结构来看,可分为逆流型旋转填料床、错流型旋转填料床、折流式旋转填料床、撞击流旋转填料床。

1.1　逆流型旋转填料床
逆流型旋转填料床的特征是强制气流由填料床的外圆周边进入旋转着的填料床,自外向内作强制性的流动,最后由中间流出。

而液体由位于中央的一个静止分布器射出,喷入旋转体,在离心力作用下自内向外通过填料流出,使气液之间发生高效的逆流接触,在高速转动的环形旋转器中,利用强大的离心力,使气液膜变薄,传质阻力减小,增强其设备传质速率和处理能力[6]。

其结构见图1。

Sum 113N o 12 化学工程师
Chem ical Engineer
2005年2月
11液体进口;21液体出口;31气体出口;41填料;51气体进口;
61填料内支撑;71转动轴;81液体分布;91密封
图1　逆流型旋转填料床结构示意图
据文献[7]报道,与一般情况下的蒸馏塔或吸收塔相比,在相同操作条件下,逆流型旋转填料床的传质单元高度降低了1～2个数量级,可将塔的高度缩为原来的1/10,塔的直径减为原来的1/5,并且显示出许多传统设备所完全不具备的优点。

但逆流型旋转填料床的内外环流体通道横截面积相比悬殊,气速变化过大,气体形体阻力高;气体由旋转床的外环沿径向流向内环,需克服离心阻力。

这两个因素造成气相流阻过大,不适于大流量的气液传热传质。

112　错流型旋转填料床
为在大流量的气液传热传质过程中引入离心力场强化传热传质,人们开始研究采用错流型旋转填料床[8]。

华南理工大学在国外开发的逆流型超重力旋转填料床的基础上,自主开发了错流型超重力旋转填料床[9],错流型旋转填料床中的气体流道横截面均匀,气速恒定,且气体沿旋转床轴向流动,无需克服离心阻力,故气相阻力小,适合大流量的气液两相传热传质,结构见图2。

图2　错流型旋转填料床结构示意图
逆流型旋转填料床和错流型旋转填料床都是利
用超重力场来强化气液两相间的传热传质,与常规重力条件下的传热传质相比,其强化倍数达一个数量级以上。

1.3　折流式旋转填料床
折流式旋转填料床是新近开发的一种填料床,由浙江工业大学鲍铁虎[10]等提出,并用于精馏等方
面研究[11]。

其特点是:(1)折流式旋转床动静结合,气液接触剧烈;(2)气液在折流式旋转床中作“S ”形逆向流动,气液接触时间长;(3)结构简单,易于拆装、清洗。

折流式转子结构中,气体在压力梯度作用下由外腔进入,沿着挡板走“S ”形的弯曲通道;从中间喷入的液体,由于受到强大的离心力的作用,撞击到挡板,在挡板之间被高度雾化,粉碎成微小的液滴与气体进行充分的接触后,再沿着挡板低端走到下一层,再次被高度雾化、接触,如此反复进行,总的趋势同样是“S ”型的弯曲通道。

在挡板之间被雾化的液体和挡板表面液层进行质量传递,其传质效率被极大的提高。

在设计中,上面的挡板不动,只有下面的挡板转动,液体撞击的挡板在动与不动之间更换,
雾化程度更好。

其结构见图3。

图3　折流式转子结构示意图
新型折流板旋转床每米的理论塔板数与传统填料床和旋转填料床相比,有成倍的提高。

折流式旋
转床单位压降的理论塔板数和高效填料塔相当,但气液停留时间却缩短了很多,因此,特别适合于热敏性物料的分离。

但笔者认为:折流板旋转床尚未充分挖掘出超重力的优势。

主要原因:(1)转子内的持液量较大。

该旋转填料床是立式结构,液体大量存于折流板底部,液体在折流板上的流动并不是靠离心力的作用,或已对超重力大打折扣。

大量液体将滞留于旋转填料床内。

(2)气液接触面积小。

折流板与填料相比,前者的几何比表面积远小于后者。

如果设计不好,有效比表面积会更小。

折流板相当于无孔板式塔,不同的是气体也从“降液管”通过,在空隙中,气液从上一折流板到下一折流板局部属于错流接触,在折流板上气液属于逆流接触,而且气液传热、传质过程大多在折流板的内表面进行,因此,折流板的外表面利用率较低。

(3)液膜较厚。

在旋转的折流板上液体能完全覆盖,分布比较均匀,但也存在着板上液膜厚度不匀。

而在不旋转的折流板上液体只能靠重力作用自然下流,液体分布极不均匀且液膜较厚,因此,会对气液传质效率有所影响。

(4)在折流式旋
63喻华兵等:旋转填料床最新研究进展 2005年第2期
转床中,转子内缘的流通截面最小,最易产生液泛。

因此,本人认为对折流式旋转填料床并没有真正发挥出超重力技术的优势,还需进一步开发研究。

1.4　撞击流-旋转填料床
如文献所述,撞击流(Im pinging Streams 简称IS )
的概念于1961年由E lperin 首先提出[12],至今已逾40年。

在过去40余年间,IS 领域研究已大大扩展;其中最值得注意的是研究的重点明显地由气体连续相撞击流转向液体连续相撞击流。

撞击流-旋转填料床反应器[13](Im pinging Stream -R otating Packed Bed ,简称IS -RP B 反应器)。

是在撞击流反应器和旋转填料床反应器的基础上发展起来的一种新型反应设备,由山西省超重力化工工程技术研究中心刘有智教授首次提出并自主开发[14],IS -RP B 反应器工作原理就是根据撞击流反应器,最大的优点是能够实现相间的快速混合与传质,其存在的问题是由于受边界效应所限混合或传递都不够均匀,而旋转填料床最大的优点之一就是分布均匀,通过二者的有机耦合形成的IS -RP B 可以使两相流体在高分散、高湍动、强混合及界面急速更新的情况下实现接触与传质。

结构见图4。

11出料口21进料管31喷嘴41填料51转鼓61转轴71壳体图4　IS -RP B 主体结构示意图
在IS -RP B 内,液体先在喷嘴处实现撞击,撞击后形成一扇形的雾面,在其扇形边缘处液体已实现混合且具有动能,其扇形边缘处的液体进入到了旋转填料床的内腔,在离心力的作用下填料层内进一步混合与传质。

在这样的一个流体流动的情况下,使得混合与传质过程得到了极大的强化。

因此,IS -RP B 反应器既继承了撞击流反应器的特点,同时
也继承了旋转填料床反应器的特点,是一种新型的强化“三传一反”过程的设备,具有传质强度高,通过强度高、停留时间短等优点。

2　结语
因为旋转床的主要结构是旋转盘与外面的封闭外壳,有关外壳的封闭问题,可用一般的气液密封技术解决。

所以旋转填料床的关键是旋转盘的构成以及液体进入旋转盘后如何分布以及为防止液体被气体带出(返混)而增加气液分离部分[15]。

但不管怎样,新型旋转填料床的研制仍旧利用高速旋转的转子产生远大于重力的离心力,使气液在高湍动下逆流接触、强化传质过程、提高传质效率。

对旋转填料床设备的研究现状来看,为了进一步提高传质效率,可以从改善填料表面的亲水性以提高有效比表面积,选择适当的填料尺寸以提高传质系数或降低气相总阻力等方面考虑。

参　考　文　献
[1]　M ujal S ,Duduk ovic MP ,P laghat Ram achandran.M ass -trans ferinrotating
packed beds.Developm ent of gas -liquid and liquid -s olid m ass -trans 2fercorrelations[J ].Chem.Eng.S ic.,1989,44(10):2245-2256.
[2]　M ujal S ,Duduk ovic MP ,P laghat Ram achandran.M ass -trans ferinrotating
packed beds E x perim ental results and com paris on w ith theory and gravi 2ty flow[J ].Chem.Eng.S ic.,1989,44(10):2257-2268.
[3]　王玉红,郭锴,陈建峰,郑冲.超重力技术及其应用[J ].金属矿
山,1999,(4)1
[4]　朱永坤.化学工业的“晶体管”———超重力工程技术研究及应用
[J ].化工管理,2001,(7)1
[5]　M alliohon R ,Ramshaw C.European Patent ,2568B ,19791
[6]　赵晓曦,邓先和,潘朝群,陈海辉.超重力技术及其在环保中的
应用[J ].化工环保,2002,(6)1
[7]　Ramshaw C..HigeeDistillation an Exam ple of Process Intensification
[J ].Chem.Eng.,1983,90(2):13-141
[8]　陈海辉.旋转填料床流体力学及传质传热特性研究[D].广州:
华南理工大学,19991
[9]　邓先和,黄恩铭,邓颂九.气体轴流型旋转填料床气液传热传质
实验装置[P].中国专利:l97212054.8,1997.
[10]　徐欧官,计建炳,鲍铁虎,徐之超,朱锦忠.折流式旋转床的精
馏研究[J ].浙江化工,2003,(34):31
[11]　鲍铁虎,徐之超,计建炳,王良华,孙卫峰.新型旋转床性能研
究[J ].石油化工设备,2002,(31):2.
[12]　伍沅.撞击流中连续相研究重点的转移[J ].化工进展,2003,
(10)1
[13]　欧阳朝斌,刘有智,李俊华,祁贵生.撞击流-旋转填料床反应
器[J ].安徽化工,2002,(4)1
[14]　刘有智,等.撞击流-旋转填料床装置及应用[P].中国专利:
02151624.3,20021
[15]　简弃非,邓先和,邓颂九.超重力旋转床中的传质研究[J ].化
工进展,1996,(6)1
7
32005年第2期 喻华兵等:旋转填料床最新研究进展。