超重与力在精馏中的应用.doc

传统精馏的取代者——超重力精馏 闪俊杰 刘润静 杜振雷 马建兵 崔文豪 摘要：对超重力技术在化工中应用的现状,尤其是在精馏领域的应用作了较全面的总结。介绍了超重力技术的基本原理和特点及超重力精馏的基本流程图,并对其在精馏领域的优越性进行了较为详细的叙述。 Abstract: A comprehensive review on the recent advances of HIGEE applied in chemical industry and especially in distillation is given in this paper. The basal principium and characteristic of HIGEE are presented.And the basic flowsheet of distillation in the high-gravity condition is also given.At the same time ,the superiority of HIGEE in the field of distillation is described in detail. 关键词：超重力 精馏 相间传质 分离 在化学工业中，高达百分之八十的投资用于化工产品的净化和提纯，而精馏无疑是其中最重要的操作单元之一，精馏技术的发展直接关系到产品的质量、生产的效率及能耗的高低。因此，现有精馏技术的提高将会大大促进化学工业发展并显著提高其经济效益，超重力精馏就是一种较前沿的分离技术。目前超重力技术已经凭借其独特的优点成功应用于化学工业的多个领域，如包括超细粉体制备、油田注水脱氧、脱硫、除尘、精馏以及吸收等。本文将重点介绍超重力技术在精馏方面的应用。 1.超重力技术的基本原理 超重力是在比地球重力大的多的环境下物质所受到的力。在超重力的环境下，不同大小分子间的分子扩散与相间传递过程均比常规重力场下的要快得多，气－液、液－液及液－固两相在比地球重力场大数百倍至数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，使得相间传质速率比传统的塔器中的提高1～3个数量级，极大强化了微观混合和传质过程，从而有效的促进了许多化学反应过程[1]。 在地球上，实现超重力环境的方法是通过旋转产生离心力，这种经过特殊设计的旋转设备称为超重力机，又称为旋转填充床。它也因为其突破性的优点而被誉为“化学工业的晶体管”。 2.超重力机的特点 由于超重力环境的特殊作用，使得超重力机具有以下特点：(1)极大地强化了传递过程(传质单元高度仅1～3cm); (2)极大地缩小了设备尺寸与重量(不仅降低了投资,也增加了对环境地改善); (3)物料在设备内的停留时间极短(10～100ms);(4)气体通过设备的压降与传统设备相近;(5)易于操作,易于开停车。由启动到进入定态运转时间极短(1min内);(6)运转维护与检修方便的程度可与离心机或离心风机相比;(7)可垂直、水平或任意方向安装,不怕振动与颠簸。可安装于运动物体如舰船、飞行器、及海上平台; (8)快速而均匀的微观混合。 基于以上特点，超重力技术可以应用在以下特殊过程：热敏性物料的处理（利用停留时间短）；昂贵物料或者有毒物料的处理（利用机内残留量少）；选择性吸收分离；高质量纳米材料的生产；聚合物脱除单体等[2]～[4]。 3.超重力在精馏中的应用 3.1超重力精馏的原理 相间传质过程是化学工业中最基本的过程，是精馏操作这一过程的实质。因此，强化相间传质过程对提高精馏效率有着根本性的意义。对于传统的传质设备如填料塔、板式塔等，由于在重力场的作用下，其相间传质速率不可避免的受到重力场的影响，因此，要想强化传质过程，缩小设备体积，就必须突破重力场的影响[5]。超重力传质技术就是在此背景下诞生的一种前沿技术，它利用强大的离心力场代替了重力场，从而实现了传质过程的强化。从理论上讲,在超重力场中,精馏过程中的汽液两相由于接触面积大且相界面又能快速更新,使得汽液两相在较短的时间内能达到相平衡,从而达到降低理论塔板高度的目的。因此，利用超重力环境下高度强化的传质过程和微观混合过程特性，可以将往往高达几十米的巨大的精馏塔用不到两米的超重力机代替，这无疑将会大大降低生产成本并极大的提高其分离效率。 3.2超重力精馏典型工艺流程 超重力精馏的实验流程如图1所示，由再沸器1出来的蒸汽从气体进口管16进入旋转床外腔15,在气体压力的作用下自外向内作强制性流动通过填料层2,最后汇集于填料床的中心管13,然后从气体出口11进入冷凝器9。经冷凝器9冷凝后,回流液体通过转子流量计8计量,然后进入位于中央的一个液