赵晓曦，邓先和，潘朝群，陈海辉

摘 要：超重力技术是一项新兴的强化传递过程的技术，应用在环保、化工、材料、能源等领域可以大大强化传递过程。介绍了超重力技术的作用原理、研究进展和在环保中的应用，以及应 用超重力技术的2种旋转填料床

关键词： 超重力技术；旋转填料床；脱硫；除尘

中图分类号：TQ052.7 文献标识码：A 文章编号：1006-1878(2002)03-0412-05


多相流之间的质量、热量传递与反应是化工、环保、能源等工业生产中最基本的过程之一，在这些过程中大量使用着塔器，如填料塔、板式塔等。气液逆流接触设备是在地球重力场的作用下实现气-液接触进行传质的，由于重力场较弱，液膜流动缓慢，单位体积内有效接触面积小、由液膜控制的传质过程的体积传质系数Kια低，故这类设备体积庞大，空间利用率和设备生产强度低。自从英国帝国化学工业公司（ICI）于1983年开发成功高强度气-液传质设备Higee（High Gravity Rotary Device)以来，引起了工业界的密切关注，国内外的一些研究机构竞相开 展对超重力技术（High Gravity Technology）这种新型强化传递过程技术的基础理论研究，并进行了一定的中试，在化工、环保、材料等领域进行了工业运行，取得了较好的强化效果。旋转填料床（Rotating Packed Bed,或RPB是利用高速旋转的填料床产生的强大离心力（或超重力,使气液的流速及填料的有效比表面积大大提高，液体在高分散、高混合、强湍动以及界面急速更新的情况下与气体以极大的相对速度在弯曲流道中接触，极大地强化传递过程的一种设备[1］。这种设备由于利用了超重力技术，所以又称超重机。超重力技术的理论根据是：在重力加速度g≈0时，两相接触过程的动力因素即浮力因子△ρg→0， 两相间不会因密度差而产生相间流动，此时分子间力（如表面张力）将会起主要作用，液体团聚至表面 积最小的状态而不得伸展，相间传递失去两相充分 接触的前提条件，使相间传递作用越来越弱，分离无法进行。反之，ρ越大、△ρg越大，流体相对速度也越大，巨大的切应力克服了表面张力，使得相间接触 面积增大，从而导致相间传递过程的极大加强。超重力技术正是通过高速旋转，利用离心力来增大g， 从而增大△ρg达到强化相间传递过程的效果。

1 超重力技术的理论研究

目前，对于在超重力场作用下的旋转填料床内 液体的流体力学特性、气液两相间的传质传热规律的理论研究很多，人们正在逐步掌握其作用机理。

1.1超重力场下的流体力学特性

超重力场下的液体流动形式非常复杂，且与填料结构有密切的关系。Bums J.R 与C.Ramahaw 采用不规则的金属丝网作为填料，研究发现旋转填料床中液体的流动有液膜流，但主要是间隙流与喷射流［2］。逆流旋转床液体流动可视研究（Burns and Ramshaw,1996;Guo,K.1996.
Zhong,1996）显示：在低转速下（300600r/min）液相在填料空隙中以线的形式流动（线流，Thread flow），液膜覆盖整个填料空隙（毛细孔流，Pore flow）和填料的表面（液膜流，film flow）；在高转速（600800r/min）下液相是以滴流和液膜流两种形式流动。 张军[3]等还用高速频闪摄影的办法得到了旋转床内液体在填料空间呈现的液滴、液膜和液线等形态照片，并测得了填料主体区液滴尺寸。

关于液膜厚度，Choen和Dudukovic[4］于1985年得出：重力场中液膜厚度远大于旋转床中液膜的厚度，在离心力场旋转床中随着转速的增加，填料中液膜厚度逐渐减小，达到一定转速时液膜厚度趋于恒定值的结论。

关于超重力场下的液泛问题，C.Ramshaw［2]认为，在相同的气液流量条件下离心力场中的表观流速远远大于重力场中的值，液膜很薄，使泛点增高。 由于旋转填料床涉及到气液流量、转速、填料结构等因素，定量研究远比重力场中的问题复杂。从试验来看，错流旋转填料床还没有出现过液泛[5]。

1.2 超重力场下的气液传质传热特性

对同一种填料，在旋转床中的气液接触面积比要远远大于在重力场（如填料塔）中的值。陈海辉等人用化学吸收法测定有效相界面积[6］，试验结果表明：同心环波纹碟片旋转填料床不仅可百分之百地利用填料自身的表面积，而且可产生良好的喷雾扩展相界面积的作用，使相界面积增加23.5倍。同样采用同心环波纹碟片填料，简弃非等人通过试验测 得旋转床的体积传质系数达2.5s-1[7]。

竺洁松等人[8]用氮气解吸水中氧发现：保持填料外径而扩大内径，平均体积传质系数增大；填料比表面积大小并不是传质好坏的决定因素；转子填料与壳间空腔中液滴表面的传质量对整个旋转床的传质有不可忽略的贡献。

离心力作用使传热系数大幅度提高。对于将离心力场及大流量气液两相错流传热传质结合起来,采用气体轴向流多级雾化的旋转离心喷雾床，邓先和等人[9]采用喷雾区分格计算的方法，逐格计算各区域液滴的粒径、运动速度、停留时间、传热系数、传热面积，以及气体与液体的焓变，从而获得最终传热结果。张建军[10]的计算结果表明，采用多级离心雾化旋转填料床对气液径向错流传热传质操作，其效果比传统凉水塔好得多，平均体积传质系数几乎增加了一个数量级，而且在体积、重量、操作方面同样有优势。

2 应用超重力技术的旋转填料床

超重力技术一般使用一个转子，通过电机带动转子高速旋转产生离心力，也就是超重力，转子内加入填料，这种设备通常被叫做旋转填料床。旋转填料床与传统的塔设备有较大的区别，一是液相流动由重力场条件变成了超重力场条件，流体力学特性和气液之间的传质传热规律有所不同；二是设备由传统的静止装置转化为旋转运动装置。在旋转填料床内，不同相间物料作强制性的接触运动，液相被分 散成薄膜或细小雾滴，极大地提高了相界面积；剧烈搅动速度、浓度、温度边界层，强化了传递过程。旋 转填料床正是利用高速旋转的转子产生的强大的离心力（超重力）来强化传递过程。超重力工程技术曾 经在国际上被称为High Gravity Engineering and Technology，在国内称为超重力工程技术，“超”是指 超过常规重力加速度。但现在人们认识其基本本质后，更多人把它称为旋转填料床技术或离心力场强化技术［11］。下面分别介绍2种类型的旋转填料床。

2.1 逆流型旋转填料床

逆流型旋转填料床的结构如图1所示，其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，{zh1}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，在环形旋转器的高速转动下，利用强大的离心力，使气液膜变薄，传质阻力减小，增强了设备传质速率和处理能力。据文献[11]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12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xx不具备的优点。英、美等国于20世纪80年xx始在工业中试用超重力场气液传质反应器， 在1000倍于重力场的离心力场作用下，液膜流速可 提高10倍以上，体积传质系数可增加一个数量级。

2.2 错流型旋转填料床

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2个因素造成气相流阻过大，不适于大流量的气液传热传质。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。错流型旋转填料床结构如图2所示[5］。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。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。

3 超重力技术在环保中的应用

国外对超重力技术的应用研究主要在下述方面：（1）蒸馏、精馏；（2）环保中的除尘、除雾，烟气中二氧化硫及有害气体的去除，液－液分离，液－固分离；（3）吸收，对天然气的干燥、脱碳、脱硫，对二氧化碳的吸收；（4）解吸，从受污染的地下水中吹出芳烃、化学热（吸收解吸）；（5）旋转电化学反应器及燃料电 池（快速去除气泡，降低超电压）；（6）旋转聚合反应器；（7）旋转盘换热器、蒸发器；（8）聚合物脱除挥发物；（9）生物氧化反应过程的强化，传统的生化反应在发酵罐中进行［12］。

国内对于超重力技术的应用研究起步相对较晚，但也取得了显著的成果，主要应用在油田注水脱 氧、制备纳米材料、强化除尘过程和强化生化反应过程等方面。下面介绍超重力技术在环保领域的几种应用。

3.1 气体脱硫

从烟气中脱除SO2是xx大气污染、控制SO2排放的一项重要措施。万冬梅等[13]以氨或碳铵溶液作吸收剂，利用超重机脱除硫酸厂尾气中的SO2，吸收后得到的亚硫酸铵产品可用作化肥（适用于缺硫的土壤）、药厂原料和造纸原料（亚铵代替烧碱制草浆使造成污染的黑液变为肥水是造纸厂减少污染的重要方法之一）。一组工业试验条件及结果如下：气体流量150m3/h，气相SO2的体积分数为5×10-3，气液比600800,液相NH4HCO3浓度0.244mol/L,温度28-31°C，超重机出口气体中SO2的体积分数为100×10-66(世界银行标准为SO2的体积分数小于或等于300×10-6）。设计处理脱除SO2气量为5000m3/h的工业试验超重机即将投入运行。该项工业试验如获得成功，将为电厂的烟气脱硫处理打下良好基础，取得较好的环境效益和社会效益。

陈昭琼等[14]利用超重力场强化传质的新型旋转吸收器，用于烟气脱硫可获得较好的脱硫效果，用清水吸收时的脱硫率达70%-80%；用含有催化剂Mn2+的水溶液吸收时的脱硫率达90%-95%。而在直径300mm的“旋风水膜—旋流塔板”二级脱硫设备中，用清水做脱硫试验，脱硫率为30%-36%。

邓先和等从1995年开始对波纹碟片填料旋转床的理论和应用进行研究，在应用方面目前正在与 海军合作，将超重力技术应用于潜艇内，用清水（海水）脱除闭式循环柴油机系统产生的废气中的二氧化碳。

3.2 强化除尘过程

传统的工业除尘器在除尘效率和处理量方面随着工业除尘标准的提高，已不能满足环境保护的要求。张健等［15]将超重力技术应用于除尘，取得了初步的试验结果，见表1。

从表1可以看出，利用超重力技术的旋转除尘器虽然在平均压降方面与喷淋塔和电除尘器相比处于一定的劣势，但其分离效率高达99.9%,切割粒径达到10-8的数量级。综合考虑平均压降、分离效率、切割粒径等指标，与传统的除尘设备相比，利 用超重力技术的旋转床除尘器显示出一定的优势。如果对旋转床的填料结构加以改进，研制出气体阻力低而传质性能好的填料，则可降低平均压降，从而 降低系统的风机电耗。 在采用了这种高效的气液传质装置后，不仅使系统设备的占地面积或空间体积大幅度减小，节省大量的基建投资，而且设备重量轻、维修方便，可缩短检修工期。设备费用比传统设备大大降低，有利于降低生产成本

4 结语

超重力技术是一项新兴的强化传递过程的技术，应用在环保、化工、材料、能源等领域可以大大强化传递过程。由于它具有广泛适用性和特殊性能，正日益受到各个领域科学工作者的重视，被认为是强化传递和多相反应过程的一项突破性新技术，被誉为“化学工业的晶体管”和“跨世纪的技术”。近年来，关于它的基础理论研究取得了一定的成果，但尚有待于进一步深入。但从整个工业应用来看，应用潜力还有待于进一步挖掘。


5.参考文献 略