超重力分离技术
超重力技术的研究及应用
超重力技术的研究及应用郭浩;牛杰【摘要】超重力技术是一种过程强化技术,通过离心力实现传质过程的强化.超重力技术广泛应用于吸收、蒸馏、汽提、萃取等分离过程,在化工、环保等领域也有广阔的应用前景.论述了超重力技术的基本原理及特点,重点介绍了超重力技术在化工尾气处理、精馏、纳米材料、催化剂制备及消除粉尘等方面的应用,并对超重力技术的研究方向和应用前景做了展望.【期刊名称】《化工装备技术》【年(卷),期】2016(037)005【总页数】4页(P61-64)【关键词】超重力;过程强化;吸收;蒸馏;传质过程【作者】郭浩;牛杰【作者单位】中国石化长城能源化工(宁夏)有限公司;中国石化长城能源化工(宁夏)有限公司【正文语种】中文【中图分类】TQ051.8超重力HIGEE（high gravity）技术是一种过程强化的新技术，主要是通过强大的离心力——超重力，使气-液流速及填料的比表面积大大提高，液体在高湍动、高分散、强混合及界面更新急速的条件下与气体以极大的相对速度在弯曲流道中逆向接触，从而强化传质过程。
超重力技术广泛应用于吸收、蒸馏、汽提、萃取等分离过程［1］。
与传统技术相比，超重力技术在实际应用中主要有以下特点［1-5］：（1）传递效率显著提高，传递系数可提高1～3个数量级，极大地减小了设备的体积，降低了设备投资。
（2）物料在设备内的停留时间极短（0.1～1.0 s），适用于某些特殊的反应及处理过程。
（3）易于操作及开停车，维护检修方便。
（4）填料不易堵塞。
（5）气相压降小，动力能耗小，适用于大气量、高气速的场合。
超重力设备结构如图1所示，主要由外壳、转轴、转子、填料及液体分布器等组成。
该设备核心部分是转子，其主要作用是装载和固定填料，在动力驱动下带动填料旋转，以实现良好的气液接触。
在压力作用下，气相由进气口进入外腔，在转轴外缘处进入填料，最后从排气口排出；液体由喷水管进入，经喷头洒在转轴内缘，在离心力的作用下进入转轴外缘。
超重力技术进展——从实验室到工业化
第57卷第8期化工学报VOl.57NO.82006年8月JOur nal Of Che mical Industr y and En g i neeri n g Chi na Au g ust 2006综述与专论超重力技术进展!!!从实验室到工业化邹海魁!邵磊!陈建峰北京化工大学教育部超重力工程研究中心 北京100029摘要 超重力 旋转床 技术是一种能够极大强化传递和分子混合过程的突破性过程强化新技术 本文对超重力技术的基础研究 在反应与分离过程强化 纳米材料制备方面的应用研究以及工业化应用的最新进展情况进行了综述 重点介绍了本中心的研究成果.关键词"超重力旋转床技术 过程强化 反应 分离中图分类号"TK 124文献标识码"A文章编号"0438-1157 2006 08-1810-07Pr o 9r ess o f hi 9ee t echn o I o 9y !f r o m I abor at or yt o co mmer c i aI i zati onZOU Hai kui #SHAO Le i #CHEN Ji anf en 9Researc h C enter f or ~i g h G raUit $En g ineerin g and T ec hnolo g$ M inist r $o f Educ ation Bei j in gUniUersit $o f Che m ic al T ec hnolo g$ Bei j in g 100029 ChinaAbstr act ~i g ee t echnOl O gy carri ed Out i n a r Ot ati n g p acked bed i s a nOvel t echnOl O gy f Or p r Ocess i nt ensifi cati On Whi ch can tre m endOusl y i nt ensif y m ass and heat transf er and m i cr O m i xi n g p r Ocesses .Thi s p a p er revi e Ws t he st at e-Of-t he-art hi g ee t echnOl O gy i n f unda m ent al research a pp li cati Ons i n reacti On and se p arati On en g i neeri n g nanO-m at eri al s s y nt heses as Well as its cO mm erci ali zati On .The WOr k i n t he Research Cent er f Or ~i g h G ravit y En g i neeri n g and T echnOl O gy i s hi g hli g ht ed .Ke y Wor ds "hi g ee t echnOl O gy p r Ocess i nt ensifi cati On reacti On se p arati On2006-02-22收到初稿 2006-05-08收到修改稿.联系人"陈建峰.第一作者"邹海魁 1973 男 博士 副研究员.基金项目"国家自然科学杰出青年基金项目 20325621国家自然科学基金重点项目 20236020 国家重点基础研究发展计划项目 2004CB217804 .引言自1995年举行首次化工过程强化的国际会议以来 以节能 降耗 环保 集约化为目标的化工过程强化就受到研究者的广泛关注 化工过程强化已经被列为当前化学工程优先发展的领域之一.超重力技术则是过程强化技术中最先受到人们关注的几项关键技术之一 1-2.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 包括引力或排斥力 .在地球上 实现超重力环境的最简便方法是通过旋转产生离心力而实现 即通过旋转床实现.在超重Rece i ved dat e "2006-02-22.Corr es P ondi n 9aut hor "Pr Of .C~EN Ji anf en g .E -mai I "chen f ＠m Foundati on i t em "su pp Ort ed b y t he Nati Onal Nat ural S ci enceFundati On f Or Outst andi n g YOun g S ci enti sts Of Chi na 20325621 t he Nati Onal Nat ural S ci ence FOundati On Of Chi na 20236020 andt he Nati Onal Basi c Research Pr O g ra m Of Chi na 2004CB217804 .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 液固两相在比地球重力场大上百倍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 巨大的剪切力和快速更新的相界面使相间传质速率比传统的塔器中的提高1～3个数量级微观混合和传质过程得到极大强化3.超重力技术开发研究始于20世纪70年代末. 1976年美国太空署征求微重力场实验项目英国I C I公司帝国化学工业公司的Ra m sha W教授等做了化工分离单元操作蒸馏吸收等过程中微重力场和超重力场影响效应的研究发现超重力使液体表面张力的作用相对变得微不足道液体在巨大的剪切力作用下被拉伸成微小的液膜液丝和液滴产生出巨大的相间接触面积因此极大地提高了传递速率系数而且还使气液逆流操作的泛点速率提高大大增加了设备生产能力这些都对分离过程有利.这一研究成果促成了超重力分离技术的诞生随后引起了美英中俄等国大规模的工业化应用技术研究和开发热潮4.国外从事超重力技术研究的公司和科研机构包括Du POnt公司DO W化学公司G litsch公司NOrt On公司F l Our公司I C I公司Ne Wcatstl e 大学Case W est er n Reser ve大学W ashi n g t On大学T axas Austi n州立大学等重点研究的技术有超重力精馏分离技术甲醇乙醇的分离等超重力吸收分离技术天然气脱硫分离CO2等超重力解吸分离技术水脱氧聚合物脱单体地下污水脱苯甲苯等等.近几年在几个化工能源过程中实现了工业化运行如1999年美国DO W 化学公司成功地将超重力技术应用于次氯酸的工业生产展现出广阔的应用前景和重大的经济效益3.北京化工大学教育部超重力工程研究中心从1988年开始与Case W est er n Reser ve大学合作进行了超重力技术的开发研究.10多年来本中心已经在超重力技术的基础和应用研究方面取得了具有国际领先和先进水平的研究成果5并成功主办了第一届和第三届国际超重力工程技术研讨会确立了我国在国际超重力技术领域的重要地位.本文全面综述了超重力技术的基础研究在反应与分离方面的应用研究及超重力技术在纳米材料制备油田注水脱氧纳米药物制备超重力反应分离耦合法生产化工产品等工业化开发方面的研究进展情况注文中的研究成果除特别标明研究者姓名单位外其他均为本中心的研究成果.1超重力旋转床技术的基础研究1.1超重力旋转床内流体流动现象及描述对流体在超重力旋转床填料中流动状态的了解是建立超重力环境下传递和混合理论的物理基础.电视摄像和高速频闪照像的实验研究结果表明在超重力水平相对较低的情况下约小于60g填料内的液体主要是以填料丝上的单面膜与连接填料丝网间隙的双面膜两种状态存在而在超重力水平较高的情况下大于100g液体主要是以填料丝上的膜与空间的液滴两种形态存在另外还有少量的液丝将电导探头固定于旋转的转子上测得了不同情况下液体在转子填料内的停留时间约为0.1～1.0s通过图像分析得到了不同条件下的液膜厚度在0.1～0.3mm并拟合了丝网填料上平均液膜厚度与液体黏度流量及超重力水平之间的关系36.另外在超重力技术基础理论的研究方面本中心还取得了以下研究成果实验测得填料层中液滴的直径在0.1～0.3mm拟合出液体在填料中的平均径向速率与液体流量超重力水平之间的函数关系用电导的方法对填料层中持液量的研究得出了持液量与平均径向速度之间的函数关系逆流旋转床的液泛线要比填料塔中的整砌拉西环的液泛线高40%左右气相压降不高于传质效果与之相当的塔用五孔探针测试出旋转床内腔的速度和压力场是轴对称的并发现流道突变区对气相压降的影响很大3逆流旋转床中的传质主要发生在填料层内从液体分布器到填料空腔内的传质约占整个旋转床内传质的10%以下7填料内支撑布置在填料端效应区时会极大地强化传质在10%～100%的开孔率范围内内支撑的加入有利于传质而在2.5%～10%的开孔率范围内内支撑的加入不利于传质8.1.2旋转填充床内传递过程的研究Ra m sha W等用水吸收氨测定了逆流旋转床填料层的平均气膜传质系数用比表面积为1650的不锈钢丝网填料在760g下得到气膜传质系数为10.8>10-8s m-1朱慧铭等也利用水吸收氨测定了填料层的平均气膜传质系数得到加速度与平均体积传质系数及传质单元高度的关系沈浩等用空气解吸废水中的氨得到传质单元高度为3～10c m3.1181第8期邹海魁等超重力技术进展从实验室到工业化本中心的研究人员对用氮气解吸水中氧的液膜传质过程及对以黄原胶水溶液为对象的拟塑性非牛顿流体在逆流旋转床中的气液传质过程进行了研究结果表明超重力旋转床能大大强化液相的传质过程;逆流旋转床的转子中填料内缘的传质系数很大气液传质过程在填料层中主要发生在靠近转子填料内径的区域存在传质端效应3];对用水吸收空气中SO2这个气液两相对传质阻力均有影响的吸收过程的研究结果表明逆流时在旋转床的填料层内外缘处分别存在液相端效应区和气相端效应区而并流时气液两相端效应区都集中在填料层内缘处9].采用基于颗粒轨道模型的欧拉-拉格朗日法对超重力旋转床中的气液两相流动与传质进行了数值模拟研究将模拟计算得到的液相传质系数用于氮气解吸水中溶解氧的计算其计算值与实验结果符合良好.计算分析表明对超重力旋转床在一定的转速下液体和气体流量以及填料内径的变化对体积传质系数有重要影响10].旋转床填料内的径向温度分布与转子的转速和液体流量有关但气体流量的变化对温度分布的影响很小.研究中还发现了传热端效应的存在11]. 1.3旋转填充床内的微观混合特性研究微观混合对快速化学反应过程有着重要的影响.工业上受微观混合影响的快速反应过程包括燃烧~聚合~反应~结晶等过程.一些复杂有机合成反应如氧化~中和~卤化~硝化及偶氮等也都属于快速反应微观混合直接影响反应产物的分布3].采用1-萘酚与对氨基苯磺酸重氮盐偶合竞争串联反应体系对旋转填充床内的微观混合进行了实验研究证实旋转填充床中微观混合能被极大地强化12];建立了旋转填充床内微元流动的物理模型模拟计算了液体微元经过实验条件下50层丝网填料最终流出填料空间的浓度分布由浓度分布得到的微观混合特征指数与实验值进行了对比吻合良好13-14];采用沿程分子探头实验方法从实验上证实了旋转填充床内存在分子混合端效应区计算得到旋转填充床中的分子混合时间在100卜s量级说明旋转填充床反应器是目前分子混合速率最快的设备之一可用于各类快速反应或快速混合过程的调控15].1.4超重力旋转床的设计及工程放大技术的研究经过十几年的研究本中心已经在超重力旋转床的设计和工程化放大方面积累了较丰富的经验能够根据不同的生产规模和工艺条件设计不同结构和规格的超重力旋转床提出了超重力旋转床中介质进出口管径~喷淋管的形式及尺寸~填充床层的尺寸的计算方法及功率的计算~配套电机的选择及转子用转鼓的结构设计及强度的计算方法等3]为超重力旋转床的工业化应用提供了基础.2超重力旋转床技术的应用研究进展本中心在超重力技术的应用方面进行了一系列的研究和开发并取得了诸多创新性成果.2.1超重力技术在传递和分子混合控制的反应过程的应用(1>超重力技术在纳米材料合成中的应用纳米颗粒(材料>的制备方法与技术是当今世界高技术竞争的热点之一.这其中反应沉淀法由于具有成本低~生产能力大~易于工业化~化学组成达分子原子尺度均匀化等优点受到研究者和工业界的青睐.但传统的反应沉淀法一般在搅拌釜或塔中实现存在粒径分布不均且难控~批次间重复性差及工业放大困难等缺点.理论分析表明在传统反应器中成核过程是在非均匀微观环境中进行的微观混合状态严重影响成核过程这就是目前传统沉淀法制备颗粒过程中粒度分布不均和批次重现性差的理论根源.相反在超重力条件下混合传质得到了极大强化分子混合时间在100卜s量级这可使成核过程在微观均匀的环境中进行从而使成核过程可控粒度分布窄化.这就是超重力法合成纳米颗粒技术的思想来源和理论依据315-17].本中心于1995年在国际上率先发明了超重力反应沉淀法(简称为超重力法>合成纳米颗粒新方法在国家高技术研究发展计划等的资助下探索了气液~液液及气液固超重力法合成纳米颗粒的新工艺相继开发出系列纳米颗粒实验室小试合成技术并在纳米颗粒工业化制备技术及理论研究方面取得突破性进展3].例如气液固超重力法用于合成纳米Ca CO3可以制备出立方形~链锁状~纺锤形~针状~片状等不同形态的纳米Ca CO3.在不添加任何晶体生长抑制剂的情况下可以制备出平均粒度为15～40n m~分布很窄的纳米立方形Ca CO3颗粒;在添加特定晶习控制剂的条件下可以制备2181化工学报第57卷出轴比大于10 单个颗粒平均粒度小于10n m 分布均匀的链锁状Ca CO 3 18等.采用气液相超重力法制备的纳米材料有纳米氢氧化铝 纤维状 粒径为1～5n m 长度为100～300n m 纳米二氧化硅 球形 平均粒径约为30n m 3 纳米氧化锌 球形 粒度约为30n m 19纳米二氧化钛 球形 粒径20～30n m 20纳米硫化锌 球形 粒径约40n m 21 等.采用液液相超重力法制备的纳米材料有纳米碳酸锶 平均粒径约30n m 纳米碳酸钡 比表面积约20m 2 g -1纳米氢氧化镁 六方形片状物 平均粒径为70n m 3纳米钛酸钡 球形 粒径50～70n m 22等.在实验室及中试规模的研究基础上 本中心提出并突破了系列关键技术 创制了超重力法制备无机纳米粉体的成套技术 成功进行了超重力法生产纳米碳酸钙的工业放大 生产出平均粒度15～40n m 粒度和形貌可调控的纳米碳酸钙产品 粒度指标优于美国等国际同类产品 具有碳化时间缩短 粒度分布窄 生产成本低 生产质量稳定易控等突出优点.目前利用该技术建成了5条纳米碳酸钙工业生产线 总产能达3.6万吨 年 产品已出口欧美 东南亚等地区.另外 1000t 年超重力法纳米氢氧化镁工业生产线于2004年7月在天津汉沽建成投产.可见 采用超重力技术能够制备出多种纳米材料 具有很强的通用性 是一项平台性的高新技术 可望进一步推广至其他纳米材料的制备中.2 超重力法原位合成纳米功能复合材料无机有机纳米复合材料是一类非常重要的纳米复合材料 其制备及应用的技术关键是如何实现纳米无机颗粒在有机基体中以纳米级分散.本中心提出了采用超重力法原位合成纳米功能复合材料的新方法 通过气液固反应结晶和原位相转移耦合方法 在超重力反应器中成功合成出高碱值石油磺酸钙润滑油清净剂纳米复合材料 产品的碱值大于300m g KO~ g -1 电镜照片如图1所示 纳米碳酸钙胶粒的粒径小于30n m 分布均匀.目前 本中心已经与中国石油天然气股份有限公司合作 开发建立了超重力法制备高碱值石油磺酸钙润滑油清净剂纳米复合材料20t 年中试生产线.3 超重力结晶法制备纳米药物口服难溶性药物的溶出过程是限制其吸收及生物利用度的关键F i g .1TE M p hOt O g ra p hs Of Ca CO 3p articl es f r O m RPB -p re p ared Oil based dis p ersi On因素 一般来说 药物的溶出速率与药物颗粒的粒度呈反比关系 所以通过减小难溶性药物颗粒的粒度可以大大提高其溶出速度 对气雾剂而言 颗粒大小同样是决定药物能否到达作用部位的关键因素 23-25.在成功实现超重力法合成无机纳米材料的基础上 在国家高技术研究发展计划等的资助下 本中心发明了超重力结晶法制备纳米药物的新方法 采用超重力结晶法得到了平均粒度为1.5卜m 的解热镇痛消炎药 布洛芬重结晶产品 23-24制得了粒度小于500n m 的治疗哮喘病的药物 硫酸沙丁胺醇颗粒 25制备了超细头孢拉定抗生素药物粒子 通针性 混悬效果 溶出速率及溶解度要明显优于常规法产品 26-27 .此外还探索了用超重力法制备其他纳米药物粉体 如抗哮喘药物 抗生素类药物和药物辅料等.在实验室研究的基础上 本中心研究了该技术的放大规律 并与华北制药集团倍达有限公司合作 成功实现了40t 年超重力法制备无定形头孢呋辛酯纳米药物的工业化生产 图2为产品头孢呋辛酯的扫描电镜照片 得到的头孢呋辛酯是无定形的 粒径小于500n m.产品的溶解速率和溶解度较市售产品都有明显的提高 更易溶解 吸收 生物利用度也高于市售微米级药物产品.鉴于超重力技术在药物微粉化方面的独特优势 Abhi it 等 28发表综述评论认为 超重力结晶法代表了疏水药物纳米化的第二代战略性方法 由于其简单 易于放大和纳米效应 有可能3181 第8期邹海魁等 超重力技术进展 从实验室到工业化F i g.2SE M p hOt O g ra p hs Of nanOsizedCef ur Oxi m e Axetile成为一种未来的技术.4超重力技术在多相快速反应中的应用利用烷基化反应以异丁烷为原料在强酸等催化剂的作用下与C3～C5烯烃反应生成烷基化油.烷基化油是一种理想的汽油调和组分烷基化生产装置的全球生产能力为8000万吨年以上.烷基化反应涉及液液快速反应过程现工业上采用~F和浓~2SO4催化反应传统工艺存在腐蚀性强环境污染严重等问题.本中心将超重力反应器作为烷基化反应器应用于离子液体催化的烷基化反应合成烷基化油.该液液反应过程中微观传递和分子混合是关键实验结果表明烷基化油辛烷值可达97以上反应器体积可缩小至原先的110～16优于传统~F和浓~2SO4法工艺而且无污染物排放可实现高效低能耗清洁生产的目的为替代污染严重的~F和浓~2SO4法生产烷基化油提供了一种洁净生产新技术.最近本中心将超重力旋转床作为气液反应器用于环己烷空气氧化制备环己酮反应过程初步研究结果表明在环己烷转化率与现有工艺相当的情况下过氧化物的含量约降低70%左右可以大幅度减少后续由于过氧化物分解产生的废碱液可望开发出一种绿色环保新工艺.5超重力技术在生化反应中的应用大多数的生化反应都是好氧反应过程.由于好氧微生物的呼吸基质的氧化所需要的氧是液相中溶解的氧因此在好氧发酵过程中氧的气液传质十分重要氧溶解速度成为好氧发酵过程的限制因素.根据生化反应的特点本中心将超重力旋转床和内循环反应器的优点结合起来成功开发了内循环超重力生化反应器实验表明拟塑性流体在超重力旋转床中的氧传递速率较鼓泡搅拌釜中快6～20倍.在此反应器中进行了超氧化物歧化酶SOD的发酵实验发酵液中酵母的最大湿重为66g L-1超过气升式反应器中得到的51g L-1的优化结果采用此反应器时透明质酸的产量为6.5～7.2g L-1而操作条件基本相同的搅拌釜的产量只能达到4～5g L-1表明内循环超重力生化反应器可作为一种新型高效的发酵设备3.2.2超重力技术在强化分离过程的应用1超重力水脱氧技术的研究超重力技术的第一个工业化应用实例是油田注水脱氧.油田注水的国家标准是水中的氧含量小于50卜g L-1.1993年本中心为胜利油田研制了一台50t h-1的超重力脱氧机进行了用天然气对水进行氧解吸的实验出口氧含量全部达到低于50卜g L-1的注水要求最低低于20卜g L-1与现有的真空脱氧技术相比无论在脱氧指标上还是在动力消耗上都有较大的优越性3.1995年本中心开发研制了国际上第一台最大的工业化超重力样机300t h-1水脱氧超重力装置并于1998年在胜利油田投入实验应用之后两台250t h-1的工业装置也在胜利油田海上石油平台上投入了生产3.此外采用超重力法还进行了锅炉用水脱氧的研究使用0.03～0.2MPa表压的蒸汽在103～133时就可以将水中的含氧量减少至7卜g L-1以下而且不需添加任何化学药剂.与热力法相比超重力法可以在较低的温度压力下达到很好的脱氧指标能较好地解决锅炉的氧腐蚀问题在锅炉行业中具有广阔的推广应用前景3.2超重力技术在废水处理中的应用本中心与原中国天然气总公司下属大型合成氨企业合作开发建立了一套处理水量为5t h-1的超重力尿素水解工业侧线在220～230 2.4～2.6MPa条件下将尿素解吸废水中尿素含量由100m g L-1左右降至5m g L-1以下可以满足中压锅炉用水的要求.本中心采用超重力气提技术及设备处理合成氨厂铜洗车间存在的含氨量20000～30000m g L-1的废水成功地将废水中的氨含量降至100m gL-1以下满足环保要求的同时还得到可以利用的4181化工学报第57卷15%～20%的浓氨水解决了困扰企业的一个难题3.<3>超重力技术在废气治理中的应用工业及生活所排放的二氧化硫是空气的主要污染源新型脱硫技术及设备的研究与开发成为当前迫切需要加强的环保科研课题之一.本中心与国内硫酸厂合作采用亚胺吸收法进行了超重力脱硫的工业侧线实验经过超重力设备吸收后尾气中二氧化硫含量降至100m g L-1<世界银行标准为300m gL-1>.若将单级超重力脱硫与喷射脱硫器相结合可在设备投资动力消耗气相压降等方面较原有技术有较大优势35.除尘是由作为单元操作之一的气固相分离操作发展起来的是现代工业生产中一项不可缺少的环节.采用超重力旋转床对发电厂燃煤飞灰的捕集效率达99%以上切割粒径范围为0.02～0.3卜m 压降不大于3000Pa与电除尘相当但设备占地面积价格及能耗方面远优于电除尘法是一种极有推广前景的除尘技术及设备329.2.3超重力反应分离耦合法在化工产品生产中的应用1999年美国DO W化学公司与本中心合作成功地将超重力技术应用于反应分离耦合过程在次氯酸的生产中将直径6m高30m的钛材塔式反应分离设备用直径3m高3m的超重力装置进行了成功替代在一台超重力设备中同时完成反应和分离两种操作次氯酸的产率由原先的80%提高到90%以上生产效率大大提高并节省了设备投资70%和操作费用.这一技术的开发成功为超重力技术的应用提供了一个极好的工业化范例3.3结束语已有的理论研究和应用研究的结果表明超重力技术是一种高效的过程强化的新技术在众多领域具有广阔的应用前景.由于它广泛的适用性可生产出传统设备所难以生产出的更小更精更安全更高质量的产品以及具有更能适应环境和对环境友好等特殊性能可望成为21世纪过程工业过程强化的主导技术之一.致谢本文的研究成果包括了郑冲冯元鼎周绪美艾大刚等中心退休教师及郭锴郭奋王玉红张鹏远刘晓林宋云华陈建铭沈志刚毋伟初广文等中心教师及张军刘骥竺洁松李振虎钟杰杨海健等毕业和在读博士研究生张海峰廖颖万冬梅王刚李文博李树华赵永华崔建华梁继国刘方涛张春光张新军马静续京周敏毅徐春艳李亚玲许明王东光等毕业和在读硕士研究生的研究成果.同时超重力技术的研究得到了国家自然科学基金国家自然科学基金重点项目国家自然科学杰出青年基金国家科委八五九五和十五攻关项目及国家重点基础研究发展计划教育部和北京市等科技计划的资助在此一并表示感谢！Re f er ences1Ra m sha W C.The i ncenti ve f Or p r Ocess i nt ensifi cati On//1stI nt er nati Onal COnf erence On Pr Ocess I nt ensifi cati On f Or t heChe m i cal I ndustr y.LOndOn19952Fei W ei y an g<费维扬>.The p r O g ress Of p r Ocessi nt ensifi cati On.W orl d Sci T ec h R SD<世界科技研究与发展>2004 2 <5>1-43Chen Ji anf en g<陈建峰>.~i g h G ravit y T echnOl O gy andA pp li cati On A Ne W G enerati On Of Reacti On and S e p arati 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hua<赵永华>Cui Ji anhua <崔建华>Chen Ji anf en g<陈建峰>GuO Kai<郭锴>Zhen g ChOn g<郑冲>.E ff ects Of i nner su pp Orts On li c ui d-fil m cOntr Oll ed m ass transf er i n r Ot ati n g p acked bed.J ournal o f Nort h China I nstit ute o f T ec hnol o g$<华北工学院学报>200122<6>420-4249L i Zhenhu<李振虎>GuO Kai<郭锴>Yan W ei m i n<燕为民>Zhen g ChOn g<郑冲>.The cO m p ari sOn Of t he g as5181第8期邹海魁等超重力技术进展从实验室到工业化。
超重力床——精选推荐
一种高效精馏设备——折流式超重力床引言在中小型农药、医药、精细化工等工业生产中，有机物的分离操作（如精馏、气提或吸收等）大量使用填料塔和板式塔等塔设备，液相在重力场的作用下与逆流的气相进行接触传质，达到分离提纯的目的。
在地球的重力场下，塔设备中的液膜流动较慢，汽液接触比表面积较小，传质效率相对较低，所以设备体积庞大、空间利用率低、占地面积较大。
超重力技术是上世纪80年代发展起来的强化气液传质的新型技术，其工作原理是利用高速旋转产生的数百至千倍重力的离心力场（简称超重力场）来代替常规的重力场，在超重力场下，液体分散飞行时所呈现的是非常细小的液滴、液丝状态，因此汽液接触的比表面积非常大，其极佳的微观混合以及极快的相界面更新特征，使其可以极大地强化气液传质过程，将传质单元高度降低1个数量级。
从而使巨大的塔设备变为高度不到2米的超重机，达到增加效率、缩小体积以及在有些场合可大幅降低能耗的目的。
目前国内外已将此类技术成功地应用到化工过程的吸收、解吸和反应操作过程，已报道的填充式或碟片式等几种类型的超重力床至今都未能在单台设备中实现工业生产中的连续精馏过程。
浙江工业大学发明、与杭州科力化工设备有限公司联合开发的折流式超重力床，已成功地应用于工业生产中的连续精馏过程，展示了很好的应用前景。
1 折流式超重力床的基本结构、工作原理和特点折流式超重力床是一种新型的超重力床，其结构主要由圆形外壳和折流式转子组成。
折流式转子是旋转床的核心部件，见图1。
其工作原理是：具有特定结构的转子在壳体内高速旋转，气相由进气口进入壳体，从转子外缘进入转子内，液相由进液口进入转子中心，气液两相在转子内形成比表面积极大而又不断更新的气液界面，具有极高的传质速率。
最后气相经出气口离开床体；液相在壳体内收集后由出液口引出。
折流式超重力床的特点：传质效率高，设备体积小，停留时间短，持液量小，抗堵能力强，操作维护方便，安全可靠，适用于贵重物料、热敏物料、高粘度物料或者有毒物料的处理，可以在高度、大小受限制的场合使用。
超重力精馏技术
填料式内部结构图
填料中逆流接触进行传质传热。
3
超重力精馏设备
气液通量可得到极大 提高 , 气体、液体通量可 相应增大到很大而不产生
持液量比较小 , 液体在转
子内的停留时间很短 , 适合处
理一些热敏性、昂贵或者有毒 的物料。
液泛。
填料式 特点
1
在相同的操作条件下 , 与常用的板式塔、填料 塔相比 , 传质单元高度可 降低1~2个数量级,体积传 质系数可提高 1~3 个数量 级 , 设备的体积可缩小 10 倍以上。
存在, 基本的气液传质单元是液膜与液滴 , 这也
是超重力精馏过程与传统精馏过程的本质区别。
与传统 精馏的 区别
3
超重力精馏设备
填料式
它是由转子、液体分布器和外壳组成的。机器
的核心部分是转子, 其主要作用是固定和带动填料 旋转, 实现良好的流体接触和微观混合。精馏过程 中 , 流体在超重力精馏设备中的流动形式为 : 蒸汽 从超重力精馏设备气体入口进入设备的外腔 , 在压 力的作用下自填料的外侧穿过旋转的填料进入设备 的内腔 , 然后从位于设备顶部的气体出口流出 ; 液 体由位于中央的一个静止分布器射出后 , 进入旋转 填料的内侧, 受离心力与摩擦力的双重作用向外甩 出填料 , 经外壳收集后 , 从液体出口排出 ; 气液在
质速率相比较传统塔器设备提高 1~3 个数量级，极大得强化了微观混合和传质过程。
2
超重力精馏原理
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超重力精馏原理
从本质上讲 , 超重力精馏过程与传统精馏过
程不同的是 : 在传统精馏过程中最基本的气液传
质单元是气泡 ; 而在超重力精馏过程中 , 填料内 只有液膜、液滴与流满填料空间的气相 , 无气泡
超重力反应器工作原理
超重力反应器工作原理
超重力反应器是一种基于重力增强的核聚变技术。
它利用高速旋转的环形结构产生极高的离心力，通过在离心力场中控制聚变等离子体的运动，使聚变反应能够更加稳定和高效地进行。
以下是超重力反应器的工作原理：
1. 离心力产生：超重力反应器的关键是通过高速旋转的环形结构产生极高的离心力。
这是通过电磁力或机械方式实现的，使得等离子体被极强的离心力挤压到环形反应室的周围，从而形成高压、高温、高密度条件下的等离子体环。
2. 等离子体环稳定：离心力作用下，等离子体环处于旋转状态，从而产生具有内外不同加速度的离心力场，这对于聚变反应的稳定性非常重要。
等离子体环的外部受到较高的离心力作用，可以有效抵消聚变过程中的内部热膨胀力，防止等离子体环的不稳定性。
3. 聚变反应：在离心力场中，通过供应高能粒子（通常是中性粒子束）和靶粒子（如氘氚等）进入等离子体环，使它们发生聚变反应。
离心力场可以帮助压缩等离子体环，增加粒子碰撞的频率和能量，从而提高聚变反应的效率和产能。
聚变反应会释放出大量的能量。
4. 离子出口与能量回收：经过聚变反应后，产生的高能离子将被分离出来，进入能量回收系统。
这些离子可以通过多级加速器或其它装置进行加速，以产生高能粒子束，并将能量转化为电能或其他可利用的形式。
超重力反应器的工作原理是通过增强离心力来稳定并提高聚变反应的效率。
由于其较高的稳定性和高效性，超重力反应器被认为是一种潜力巨大的新能源技术。
超重力精馏技术开发现状及其应用展望
----中北大学副校长、山西省超重力化工工程技术中心主任刘有智教授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。
超重力床精馏设备运行机制解析
超重力床精馏设备运行机制解析1. 超重力床精馏设备概述超重力床精馏设备是一种用于分离和提纯混合物的装置，常用于化工、石油和制药等行业。
它利用与常规精馏不同的运行机制，能够有效地处理具有高粘度、高沸点和高含固体浓度的复杂混合物。
本文将对超重力床精馏设备的运行机制进行解析和分析，以帮助读者更全面地理解这一技术。
2. 超重力床精馏设备的原理超重力床精馏设备利用高速旋转的离心力和物料在重力场中的作用力，实现混合物的分离。
在设备中，混合物通过喷嘴进入转盘状床层，床层在高速旋转的离心力的作用下迅速展开成薄层。
不同的组分在离心力和重力的共同作用下，按照其相对密度和粘度的大小在床层中分层，从而实现分离。
3. 超重力床精馏设备的运行机制3.1 床层展开在超重力床精馏设备中，床层的展开是非常关键的一步。
在高速旋转的离心力作用下，床层迅速展开成薄层，扩大了相对于常规精馏设备的有效分离面积。
这样一来，床层内的混合物接触面积增大，分离效果也随之提高。
3.2 组分分层床层内的复杂混合物在高速旋转的情况下，不同的组分会按照其相对密度和粘度的大小在床层中发生分层。
重组分会向外侧移动，轻组分则会向内侧移动。
这种分层现象是超重力床精馏设备运行的核心机制，也是实现混合物分离的关键。
3.3 产物收集经过床层分离后，轻组分和重组分分别沿着不同的管道收集出来。
通过精心设计和控制，可以实现对不同组分的有效分离和提纯。
这个过程需要根据混合物的特性和要求进行仔细调整，以获得最佳的分离效果。
4. 对超重力床精馏设备的观点和理解超重力床精馏设备是一种创新的分离技术，具有高效、节能、节材等优点。
相比于传统的精馏设备，它能够在更短的时间内完成分离，处理更复杂的混合物，并且可以更好地保留组分的活性和品质。
然而，超重力床精馏设备在实际运行中也面临一些挑战，如转速的控制、床层的稳定性等。
总结与回顾超重力床精馏设备的运行机制是基于高速旋转的离心力和物料在重力场中的作用力，实现混合物的分离。
超重螺道式分离器计算说明书
5超重罗道式分离器摘要：气液水分离器是石油天然气行业常用的设备,分离器的分离效果对于气田处理工艺有着非常重要的影响,传统的分离器分离原理单一,分离效果不很理想。
低倍数超重力油气水三相分离器，应用于油田高含水采出液的油气水三相分离过程中。
特征是：在罐体的内部油气预分离器的下部连接有低倍数超重力发生器，油气预分离器分离后的液相通过分流阔进入低倍数超重力发生器中进行油水预分离，通过低倍数超重力分离后的液体通过高效油水聚集分离填料，在重力的作用下进一步分离。
通过油水界面调节器控制油水的相对停留时间。
效果是：油田采出液首先通过了油气预分离器和低倍数超重力发生器分离过程，缩短了罐体内重力三相分离时间，提高了分离效率。
而对于气体的分离，过去天然气中水液（固）的分离国内外通常采用的分离设备有重力式分离器，旋风分离器，扩散式分离器等，根据实际情况，罗道分离器，完全适用天然气的分离，具有高效和价廉的特点。
而超重罗道式分离器结合了两者的各自优点，大大的提高了油气水的分离效率关键词：油气水三相液；超重力发生器；气液分离；分离设备；罗道式分离器Overweight luo tao separatorAbstract：Liquid-vapor separator is the petrol and natural gas industry commonly used equipment, separator the separation efficiency of treatment technology for gas field has a very important influence, the traditional separator separation principle of a single, separation effect is not ideal. This paper designs the structure of the strong suction separator, test results, and the application. Strong suction separator is separation equipment that adopting the new separation principle , using a spiral channels, making the gas from up to down from the first form or an orderly forced vortex movement, in centrifugal function, adsorption effect, coalescence effect and gravity, contentious liquid effectively separated. In natural gas transportation process, the purity of the natural gas demand is very high, but the general in natural gas condensate liquids, etc all contain various impurities, including liquid condensate fluid pretreated or often accumulate in pipe low-lying areas, reduce the gas transmission pipeline ability to increase power consumption. And strong suction separator is a more effective separation of the impurities in natural gas a separator, make the separation results can achieve 99% above, make natural gas transportation and operation more safety and reliable, and has set up a file in the domestic promoted use.Key words:Gas-water three-phase fluid; high gravity generator; gas-liquid separator; separation equipment; Luo Tao separator目录1 绪论 (1)1.1 超重罗道式分离器研究的目的和背景 (1)1.2 国内外研究状况和相关领域中已有的研究成果 (1)1.3 课题的意义 (2)1.4 毕业设计（论文）构成及主要内容 (3)2 结构及技术特点 (4)2.1 结构 (4)2.2技术特点 (5)2.3 分离器的工作过程 (7)3设备总体尺寸的确定 (8)3.1 设计参数 (8)3.2 结构计算 (8)3.2.1 储罐筒体公称直径、长度的确定及封头结构形式、尺寸的确定。
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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 ,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。
2.干燥过程 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 对片状和块状土豆、胡萝卜和苹果等在超重力(离 oberts等应用超重力流化床对制作方 便快餐米饭进行了研究;德国学者Alstet-ter用超重 力(离心)流化床干燥密度小、湿含量高的小颗粒物 料。
离心力场(超重力场) 被用于相间分离,无论在日常生活还是 在工业应用上,都已有相当长的历史。但为一项特定的手段 用于传质过程的强化,引起工业界的重视是70 年代末出现的 “Higee”, 这是英国帝国化学公司的ColinRamshaw 教授领 导的新科学小组提出的专利技术。它的诞生最初是由设想 用精馏分离去应征美国太空署关于微重力条件下太空实验 项目引起的。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”的多项专利。利用旋转填 料床中产生的强大离心力———超重力,使气、液的流速及 填料的比表面积大大提高而不液泛。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极大的相 对速度在弯曲孔道中逆向接触,极大地强化了传质过程。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“化学工业的晶体管”和“跨世纪的技术”
a. 在超重力传质反应器中 ，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。
桂红光，陶俊宇，顾超凡
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,强化相与相之间的相对 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。
超重力分离技术是强化多相流传递及反应过程的新 技术，上个超重力机世纪问世以来，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。但目前超重力技 术还主要处于应用开发阶段，集中体现在超重力气 -固流态化技术和超重力气-液传质技术两个方面
气相经气体进口管由切向引入转子外腔,在气体压 力的作用下由转子外缘处进入填料。液体由液体进 口管引入转子内腔,经喷头淋洒在转子内缘上。进 入转子的液体受到转子内填料的作用,周向速度增 加,所产生的离心力将其推向转子外缘。在此过程 中,液体被填料分散、破碎形成极大的、不断更新 的表面积,曲折的流道加剧了液体表面的更新。这 样,在转子内部形成了极好的传质与反应条件。液 体被转子抛到外壳汇集后经液体出口管离开超重机。 气体自转子中心离开转子,由气体出口管引出,完成 传质与反应过程。
传统重力流化床
超重力流化床
1.海水淡化
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。