超重力精馏技术开发现状及其应用展望.doc

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“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。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。 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。依据液流动方式，可以分为并流、错流和逆流种；依据装置的结构可以分为立式和卧式种；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。 图 　超重力精馏装置结构示意图 1气体进口2－转子 3－填料4－超重力精馏装置中心管5－液体口 6－气体出口; 7、1密封8－喷嘴9－超重力精馏装置外腔外壳11－中央分布器13－转轴14－液体出口 图2　二级逆流立式超重力精馏装置结构示意图 1液体分布器; 2测压口; 3原料液进口; 4气体出口; 5回流液进口; 6、8密封; 7第一级填料; 9第二级填料;10气体进口; 11超重力精馏装置外壳; 12超重力精馏装置外腔; 13转子; 14轴承; 15转轴; 16超重力精馏装置内腔; 17液体出口 图3单级错流、总体逆流立式超重力精馏装置结构示意图 1、12原料进口; 2液体分布器; 3取样口; 4、9回流液进口; 5气体出口; 6轴承轴; 7转轴; 8转子固定楔; 10受液盘; 11转子; 13降液管; 14介质c进口; 15液体出口; 16旋转床外壳; 17填料下支撑盘片; 18填料上支撑盘片 2.2 超重力场专用填料开发 填料是传质设备核心部件，也是相间传质场所，填料性能(材质、开孔率、孔径、空隙率和堆积密度等)直接影响传质效果。相对传统塔设备而言，超重力装置填料应具备更稳定平衡性更均匀水力负荷和更快捷整装的条件，要求填料具有较高传质效率，还需兼顾使用寿命，润湿性能、几何对称性，功耗性能等。 项目组提出了超重力场规整填料的设计思想，开发了多孔波纹板规整填料、径向辐射状波纹填料和丝网规整填料，解决了超重力场中长期运转填料变形导致水力分布不均的问题，克服了填料变形引起径向不对称，保证了传质效果，延长了使用寿命，根据转子尺寸开发整装专用填料实现了快速整装和拆卸。 项目组研发的超重力场规整填料，解决了动平衡性、使用寿命、几何对称性、功耗性能等问题，实现快速整装和拆装，方便检修，易形成规模生产，降低加工成本。超重力场规整填料具有广泛的适应性，已应用于吸收、解吸、反应、萃取、精馏、多相分离等多个领域。 3 超重力精馏过程 3.1 超重力精馏过程质量传递性能 由于超重力精馏过程中流体的流动状况比较复杂，因此，影响超重力精馏技术的较多，包括超重力强度、温度、压力、原料流量、回流比、填料特性、装置的主要结构等。下面从操作条件、填料和转子结构个方面进行。 3.1.1 操作条件对超重力精馏传质性能的影响 在常压操作条件下，原料流量、超重力因子和回流比对超重力精馏装置的传质性能的影响如图46所示。从图中可看到，超重力精馏装置总的理论塔板数分别随原料流量、超重力因子和回流比的增大而增大。 图4　原料流量对理论板数的影响 图 5 超重力因子对理论板数的影响 图6 回流比对理论板数的影响 根据图中超重力装置的理论塔板数和