化学工业的晶体管 — 超重力技术简介

   

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化学工业的晶体管 — 超重力技术简介

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1979年,美国人在进行太空试验时,发现超重力环境下气液传质比传统模式强化1至3个数量级,而同时相应设备的体积和重量仅仅是传统设备的百分之几,由此提出了超重力工程技术。

所谓超重力指的是在比地球重力加速度( 9.8m/s

)大得多的环境下物质所受到的力。在地球上,实现超重力环境的简便方法是通过旋转产生离心力而模拟实现。这样旋转设备被称为超重力机,又称为旋转填充床。当超重力机用于气液多相过程时,气相为连续相的气液逆流接触,又称逆流旋转填充床。

超重力技术是强化多相流传递及反应过程的新技术,自从超重力机问世以来,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,因此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。目前超重力技术主要应用在超重力气-固流态化技术和超重力气-液传质技术两个方面。

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。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。

超重力设备基本结构图

虽然超重力技术是通过离心力场的作用而达到模拟超重力环境的目的,但该技术与传统的利用离心力进行复相分离或密度差分离有着本质的区别。其技术核心在于对于传递过程和微观混合过程的极大强化,因而它应用于需要对相间传递过程进行强化的多相过程和需要相内或拟均相内微观混合强化的混合与反应过程。超重力机所处理的物料可以是气液、液液两相,或气液固三相;气液可以并流、逆流或错流。无论采用何种形式,超重力机总是以气液、液液两相或气液固三相在模拟的超重力环境中进行传递、混合及反应为主要特征。超重力机具有如下特点:设备尺寸与质量大幅缩小;分子混合与传递过程高度强化;物料在设备内的停留时间极短(0.1~1.0s);易于操作,开停车、维护与检修方便等。基于以上特点,超重力技术可应用于以下工业过程:热敏性物料的处理、昂贵物料或有毒物料的处理,选择性吸收分离,高质量纳米材料的生产,快速反应过程,聚合物脱除单体等。

自20世纪70年代末以来,随着超重力技术的研究发展,该技术已被广泛应用。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、生物氧化反应过程强化。

国内对于超重力技术的应用研究虽然起步相对较晚,但也取得了显著的成果,主要应用在制备纳米材料、强化除尘过程和强化生化反应过程、油田注水脱氧等方面。

超重力工程技术突破性地强化了化工生产中的“三传一反”过程,这项技术设备还具有不怕震动,可以任意方位安装,物料在设备内停留时间短,适合于快速反应和选择性吸收等特点,因此还可用于一些传统术所不能胜任的场合,使这项新技术有着较传统的分离反应技术更为广阔的应用范围,因此被誉为化学工业中的“晶体管”。目前超重力技术及其相关设备还有很多内容(如转子结构、可视化研究和液体分布器等)需要深入开发和研究。

近几十年的开发和应用成果业已证明,超重力技术是一个极富前景和有活力的过程强化技术,具有微型化、高效、产品高质量和易于放大等显著特征,顺应了当代化工的发展潮流。可以预期,超重力技术在未来将会成为众多工业领域中普遍使用并带来巨大经济和社会效益的技术。

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