超重力技术及其应用

超重力技术及其应用
所谓超重力指的是在比地球重力加速度大得多的环境下，物质所受到的力。

在地球上，实现超重力场的最简便方法是通过旋转产生离心力而实现。

在超重力场中，气-液、液-液、液-固两相传质比在地球重力场中大上百倍至万倍，相间的巨大剪切力和快速更新的相界面，使传质速率比在地球重力场中高出1～3个数量级，微观传质和分离过程得到极大强化。

超重力技术是强化多相流传递及反应过程的新技术，在国内外受到广泛的重视，由于它的广泛适用性以及具有传统设备所不具有的体积小、重量轻、能耗低、易运转、易维修、安全、可靠、灵活以及更能适应环境等优点,使得超重力技术在环保和材料生物化工等工业领域中有广阔
的商业化应用前景。

1超重力技术原理
超重力工程技术的基本原理是利用超重力条件下多相流体系的独特流动行为，强化相与之间的相对速度和相互接触，从而实现高效的传质传热过程和化学反应过程。

获取超重力的方式主要是通过转动设备整体或部件形成离心力场，涉及的多相流体系主要包括气-固体系和气-液体系。

1.1超重力场气-固接触技术的特点
众所周知，传统重力场条件下，实现气-固体系加工过程的典型设备是各种重力流化床(图1) 。

然而，由于重力场的限制，传统流化床同时也表现出许多固有缺陷，如:大颗粒的腾涌、小颗粒的夹带、粘结、大气泡的存在造成气体短路从而导致气固分布不均大大降低了系统内的传质传热和化学反应速率等。

为此，前苏联学者首先提出了超重力(离心)流化床概念[1] (图1) 。

图1 传统重力流化床(鼓泡床)和超重力(离心)流化床
相对于传统重力场,超重力气-固接触技术的突出特点主要表现在以下3个方面:
a. 在超重力流化床中，由于重力场强度和流化速度均可调节,因此可将流化速度控制在鼓泡速度之下操作，从而获得良好的流化质量。

b. 在超重力条件下,由于颗粒有效重力增加，因而流化时气固之间的相互作用(相对速度)大大增强，从而使其传质传热速率远高于传统流化床。

c. 近年来，随着超细粉体技术的发展，Gel-dart C类颗粒或超细颗粒的流态化加工过程成为科技界和工业界的关注热点[ 2 ] ,但这类颗粒由于粘附性强,流化时易形成稳定沟流,因而难以流态化。

但在超重力条件下,气固之间的剪切力大为增强，有可能克服颗粒之间的团聚力,从而促进聚式流态化向散式化的转变,从而改善超细颗粒的流化质量。

此外,超重力流化床还有操作气速范围宽、不怕振动、空间布置灵活并能够在重力场外(太空) 操作等优点。

1. 2超重力场气-液接触技术的特点
在传统重力场中,实现多相流质量传递与反应过程的典型设备是塔器。

由于重力场的限制,传统塔器中气-液体系传质反应效率的提高受到了液泛点低、气-液之间的相对速度低、单位体积气-液接触面积小等因素的制约。

多年来，塔器内件尤其是填料虽不断有所改进,但过程的强化并未获得突破性进展。

为此，人们提出了超重力气-液传质强化技术,其优势主要表现在以下两个方面:
a. 在超重力传质反应器中(图2) ，液体受到的有效重力将是传统重力场中的数十倍甚至上百倍，液泛点大大提高，使得通过提高气速来增强气-液之间的相对速度成为现实，从而极大地强化气-液体系的传质反应效率。

b. 在超重力场中，气液两相流体相对滑动速度很大,巨大的剪切应力克服了液体表面张力，使液体伸展出巨大的相际接触界面,液膜变薄，几乎没有持液现象，液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下与气体以较大的相对速度在填料的弯曲孔道中接触，从而极大地强化了传质过程。

此外，超重传质反应器还具有物料停留时间短(10～100 ms) 、设备简单、易于操作和开停车、安装方向不受限制、不怕振动与颠簸等特点。

图2 超重力反应器结构示意图
2超重力技术应用研究进展
超重力分离技术由于在离心力场下操作, 极大地强化了传质系数, 因而可适用于一切由扩散控制的传质及反应过程, 尤其适用于气液固多相流反应体系。

其主要特点归纳起来有以下几个方面①传质系数大、体积小②物料停留时间短③摆脱了重力场的影响④启动、停车迅速⑤维修、清洗方便⑥对物料粘度适应性广。

鉴于以上特点, 超重力分离技术可应用于以下方面[3]：
a.可代替传统塔器, 缩小其体积，尤其适宜于代替贵重金属制作的传统设备及加压设备。

可进行热敏性物料的处理, 减少分解损失。

b.进行热敏性物料的处理, 减少分解损失可进行传质控制的化学沉淀反应, 制备超细粉
失可进行传质控制的化学沉淀反应, 制备超细粉体。

c.可适用振动较大的环境, 如海上平台,激烈的振动会使塔器倾斜造成重力偏流而使分离失效, 而超重机因不受重力影响而保持优良的分离性能。

d.适应于小批量、多品种产品的生产。

f.可适用于处理传统设备无法处理的粘度大的体系，如高分子物质脱除单体等。

综上所述, 超重力分离技术具有设备体积小、效率高、能耗低并且停留时间短和适应性广的特点，可被广泛地应用于具有扩散控制的传质及反应体系中。

从已有的研究表明, 它在精馏、吸收、解析、电化学反应、聚合反应以及聚合物脱单体、生化反应等方面均具有广阔的应用前景。

可以预见，该项技术的应用可大大缩小传统工厂的规模，使其向微型化、室内化的方向发展，并会带来更多工业领域的革命性变化。

但任何一种技术均有其应用优势及局
限, 如何将该技术应用到其最适宜场合中，并采用最合理的设备结构及操作优化的工艺，是目前该技术应研究的方向。

本论文就超重力在未来化工、食品方面的应用提出自己的设想。

2.1 超重力技术在海水淡化当中的应用
海水淡化方法按分离过程可分为蒸馏法、膜法、结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等。

其中蒸馏法又有多级闪蒸（MSF）、多效蒸发（ME）和压汽蒸馏（VC）之分，膜法海水淡化技术则包含了反渗透法（RO）和电渗析法（ED），结晶法则由冷冻法和水合物法构成。

虽然淡化方法有许多种，但多年的实践表明，真正实用的海水淡化只有MSF、ME、VC、ED 和RO 等方法[4]。

我国海水淡化采用台数最多的是电渗析技术，其次是反渗透技术。

我国电渗析海水淡化技术已经接近世界先进水平，能够国产化；反渗透技术还不过关，性能优异的关键部件还需要外购。

我国在多级闪蒸和低温多效海水淡化方面还处于开发研究阶段，不具备独立的技术和设备制造能力[5]。

我们所关注的蒸馏法又有多级闪蒸（MSF）、多效蒸发（ME）和压汽蒸馏（VC）之分。

工作原理如图3所示：
图3 多级多级闪蒸工作原理图
含盐水进入第一级蒸发器后被来自热源的蒸汽（一级蒸汽）加热汽化，汽化产生的二次蒸汽被引入第二级蒸发器，加热来自第一级蒸发器的浓缩盐水，同时又被冷凝成蒸馏水。

第二级与第三级蒸发器之间的汽、水流程与上段情况相似，如此类推。

蒸馏法的优点是工艺简单易于实现，并不受水中含盐量的限制，适用于余废热可利用的项目，设备容量大，所产淡水水质纯度较高，产品水含盐量为2～10mg/L，装置进水可不经预处理直接由海水提供。

故该装置多用于沿海的火力发电厂、核电站。

其缺点是能耗多、设备费用高，存在设备、管路结垢与腐蚀问题。

关于超重力在海水淡化中的应用还没有相关报道。

因为利用超重力条件下多相流体系的独特流动行为，强化相与之间的相对速度和相互接触，从而实现高效的传质传热过程和化学
反应过程。

其在单元操作的应用只有精馏塔，考虑到海水淡化当中的问题能耗多、设备费用高，存在设备、管路结垢与腐蚀问题，如果我们可以将超重力设备运用到多级闪蒸过程中势必能够增大气液两相流体相对滑动速度，巨大的剪切应力克服了液体表面张力，使液体伸展出巨大的相际接触界面，液膜变薄，增大海水的蒸发量，节约设备，克服海水对设备的强烈腐蚀性。

2.2 超重力技术在干燥过程当中的应用
在超重力流化床内,流化过程中气固之间的相互作用远高于传统重力流化床,因此表现出很高的传质传热速率。

目前超重力气-固流化床技术研究较多集中于不同物料干燥过程的应用,包括不同物料初始流化行为和干燥过程中传质传热速率的研究。

如Farkas Lazar等[6, 7]还对片状和块状土豆、胡萝卜和苹果等在超重力(离心)流化床中的干燥进行了研究,取得了良好的流化和加工效果; Roberts等[8]应用超重力(离心)流化床对制作方便快餐米饭进行了研究;德国学者Alstet-ter[14]用超重力(离心)流化床干燥密度小、湿含量高的小颗粒物料。

在初始流化行为研究中,重点是不同物性和形状物料的临界流化速度及其床层压降的测试,以获得相应的设计关联式;在传热传质研究中,重点是通过测定床温和进出口气流的温度与湿度, 获得传热N u 数和传质Sh 数的关联式[9～13] 。

所有这些应用研究表明了超重力气-固流化床中具有高强度的传热传质过程,而且涉及的物料广泛,包括在化工、制药、食品、环保和材料制备等领域的广阔应用前景。

但在超重力工业干燥装置开发方面,目前国内还处于空白。

在国外离心流化床干燥器的定型产品已问世,如德国Krauss-Maffei公司曾报道[14],其研制的超重力流化床干燥器成功用于塑料、洗涤剂、药品和食品的细粒结晶等产品干燥,干燥时间一般为15～20 s,生产能力高达20 t/ ( h.m2 ) ,干燥强度比传统流化床干燥器高30～40倍,表明超重力流化床干燥器装备开发有很好的市场前景。

2.3 超重力技术在科学研究当中的应用
为了获得对重力敏感的一些胶体合成当中机理，超重力技术作为研究工具得到了应用。

在普通重力场区域我们不会观测到沉淀因为对流的作用。

相反在超重力的作用下溶胶的形成是由于热产生的。

在聚合体的合成中超重力技术可以使我们建立多相区域产生的过程同时明确各个重力敏感的机制在热力学的聚合过程中。

Korolev Str等[15]工作者研究了通过超重力技术研究了聚丙烯酰胺的合成工程，结果证实了他们的假设聚合物小球的沉淀和聚合网络的变形是重力因素在聚合物合成中的主要机理在超重力条件下。

他们的重要发现还有在离心力场下正面溶胶的形成。

2.4 超重力技术微型化-抽油烟机
超重力技术的应用可大大缩小传统工厂的规模，使其向微型化、室内化的方向发展，并
会带来更多工业领域的革命性变化。

超重力场中填料对液体的切应力使液体被分割成极薄的液膜和细小的液滴，油烟气体的通道因填料旋转而不断改变方向，油烟通过旋转填料层经过弯曲狭窄的孔道时，吸收液对油烟气体中固体、油滴组分进行浸润、包裹、聚积、捕获作用、填料对油烟气体产生过滤作用，为油烟中的气-液-固分离提供了良好场所。

超重力场中油烟净化过程集惯性碰撞、过滤分离、离心分离、洗涤吸收等机理于一体，实现高效率净化油烟的目的。

超重力设备净化油烟实验流程如图4所示，油烟气体在压差作用下，由设备底部沿轴向进入填料层，循环槽中的液体由离心泵送入设备后，通过液体分布器均匀地沿径向喷洒在填料层内缘上，在离心力的作用下液体甩向设备内壁，在设备的填料中气液实现错流接触并吸收，气体被净化后从设备的顶部气体出口排出，液体和脱出下来的污染物在重力作用下由液体出口排出，流入循环槽[16]。

图4 超重力设备净化油烟实验流程
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