物理场强化气液传质的研究进展

金付强，张晓东，许海朋，华栋梁，张杰

（山东省科学院能源研究所山东省生物质气化技术重点实验室，山东 济南 250014）

气液传质在化工过程中广泛存在，并且是某些单元操作（如精馏、吸收等）中的控制步骤，而强化气液传质能够提高单位体积设备的传质通量，简化工艺流程，提高生产效率。国内外关于强化气液传质过程的研究主要集中在3个方面[1-4]：①改进设备结构，从而改善两相流动和接触；②加入质量分离剂，如催化剂、反应组分、吸附剂、有机活性组分、无机电解质等，提出各种耦合或复合型分离技术；③引入第二能量分离剂，如磁场、电场、超声场、超重力场等物理场，利用外场能量与体系内各个组分相互作用实现或强化目标组分的分离。其中采用物理场强化化工过程可有效地提高过程效率，缩短操作时间，且具有不向体系中引入添加物、不造成后续分离困难的显著特点，是环境友好的新技术，因此引起了许多研究者的重视和研究[1，5]。本文针对近年来国内外分别以磁场、电场、电磁场、超声场和超重力场5种物理场强化蒸发、精馏和气体吸收中的气液传质的研究进行讨论，并介绍了物理场强化气液传质的热力学研究进展。

1 磁场强化气液传质

磁场不仅能够改变分子的微观状态和结构，而且能够对物质分子间力产生影响，从而影响物系的宏观性质。对于气液传质过程，磁场可以改变溶液的表面张力（即单位面积自由能）、黏度、饱和蒸汽压和各组分间的相对挥发度，以及气体的溶解度、扩散系数等物理性质，从而影响气液传质过程[6-9]。

1.1 磁场强化蒸发与蒸馏

目前磁场强化气液传质还处于研究和探索阶段，一些研究者从实验和理论两方面对磁场强化蒸发与蒸馏进行了研究。天津大学吴松海等[6]研究了磁场对蒸馏水蒸发过程的影响，结果发现施加磁场后的水蒸发速度约是无磁场的1.1倍，蒸发速度随施加磁场磁强度增大而加大，并提出了氢键磁化共振理论假说，认为磁场对水分子的热运动提供了能量，导致部分氢键被破坏；在磁场作用下正负电荷将受洛仑兹力的作用，阴阳离子按磁场方向被推向相反的方向，使偶极的取向发生变化、氢健将发生畸变而更容易被破坏。氢键被破坏后，水分子团变小，使水分子容易从液体中逸出。华南理工大学马伟等[7]研究了磁场强化溶液蒸发过程的效果，实验表明磁场降低了溶液的表面张力，加速了蒸发过程；理论分析认为磁场起到了磁致“表面效应”的作用，促使气泡核化势垒和临界半径降低以及电位下降，从而微小的气泡得以汽化，促进了气液传质过程，提高了蒸发效率。Guo等[8]在超导磁体产生的大梯度磁场中研究了磁场对水蒸发的影响，结果表明在磁场中水的蒸发速度比不在磁场中的快，并发现水的蒸发量与样品在磁场中所处的位置有关。

天津大学张敏卿等[9]通过研究磁场对乙醇-水、丙醇-水、乙酸-水物系汽液平衡的影响，结果发现影响汽液平衡的机理在于各组分从磁场吸收能量用以降低气化潜热，若轻组分的磁化率大于重组分的磁化率，则轻组分在气相中变大；反之，若轻组分的磁化率小于重组分的磁化率，则轻组分在气相中变小，因此可利用磁场对物系分子间力的影响，提高待分离物中各组分间的相对挥发度。Jia等[10-11]先后对乙醇-水、正丙醇-水、正丁醇-水、乙酸-水物系进行磁场处理，测得的气相平衡组成均有不同程度的提高，从全回流下的精馏分离效果看，磁场作用均显示出正效应，但磁化效果与磁感应强度不成比例，存在一个最佳值；分析认为磁场使溶液中的氢键发生共振，引起氢键畸变或断裂，从而影响体系的汽液平衡。从以上研究表明，磁场能否影响物系中的分子间力是影响相对挥发度，继而影响汽液平衡的关键。

1.2 磁场强化气体吸收

磁场能够通过降低吸收剂的表面张力来减小液膜对气体扩散的阻力，使气体分子更容易穿过液相薄膜至液相主体；由于表面束缚力的降低，喷淋下的吸收剂溶液更容易分散成小颗粒，使吸收系数增大，从而强化气体吸收过程[12]。东南大学牛晓峰等[13-14]研究了磁场对氨水降膜吸收过程的影响，结果显示在磁场条件下冷却水出吸收主体段时温度、传热降膜管壁温度和吸收完毕后溶液浓度均比无磁场时有所升高，表明磁场对氨水降膜吸收过程产生了一定的强化作用。他们还研究了磁场方向对氨水降膜吸收过程的影响，结果发现当磁场方向与降膜方向相同时可以强化吸收，而与降膜方向相反时则会减弱吸收[15]。

磁场除了通过对溶液性质的改变来影响气液传质外，还可通过宏观磁场力的作用，即向溶液中加入微小的磁性颗粒，应用外部磁场驱动促进磁性颗粒在溶液内部的扰动，强化气液传质过程[16]。例如Chen等[17]研究了磁流化床中的气液传质过程，实验表明由于气液界面面积增加，传质系数随着磁场强度的增强而增大，最高增大了70%。上海理工大学Wu等[18]利用纳米磁性流体 Fe3O4和外加磁场联合强化氨水吸收，结果表明纳米磁性流体和外部磁场的组合效应能够显著强化吸收，并且强化效果好于单一强化方式；在氨初始浓度为20%、纳米磁性流体体积分数为0.10%、磁场强度280 mT时，吸收强化因子达 1.0812±0.0001。东南大学张云峰等[19-20]把磁流化床技术应用于烟气脱硫过程，结果显示磁场和铁磁性颗粒确实对流化床中的脱硫反应有着明显的催化作用，使脱硫效率比普通喷雾干燥脱硫有大幅度提高；同时发现磁性颗粒粒径越小，脱硫效率越高，而非磁性颗粒对脱硫反应的作用不如磁性颗粒对脱硫反应的作用明显。分析认为磁流化床对脱硫反应的强化作用分铁磁颗粒强化和磁场强化两方面：铁磁颗粒强化，体现在磁场改变了铁磁颗粒表面脱硫产物的附着方式，加强了铁元素对S（Ⅳ）的催化氧化作用，提高了SO2的吸收速率；磁场强化，体现在磁场能增强Ca(OH)2的溶解度，从而增强Ca(OH)2浆滴的脱硫能力[21-22]。

以上研究表明，在适当的条件下磁场可以明显改善物系的分离性能。此外，磁场强化气液传质过程具有良好的调节和控制特性，在化工、环保等领域有着广泛的应用前景。

2 电场强化气液传质

电场（包括交变电场、直流电场、脉冲电场、静电场和非均匀电场）可以通过极化效应对物系的影响有效地控制和调节化工过程，可变参数多，易于通过计算机控制，已经成为近年来化工过程强化领域研究和开发的热点[5，16]。

2.1 电场强化蒸发与蒸馏

电场的极化效应会影响物质分子间力，从而会对蒸发与蒸馏产生影响。日本的Asakawa[23]最早将电场用于蒸馏水的蒸发试验，发现在高压电场下水的蒸发变得十分活跃，施加电场后水的蒸发速度加快，并认为电场消耗的能量很小。中国农业大学李里特等[24]研究了高压静电场对蒸馏水蒸发过程的影响，实验结果表明施加电场后的蒸发速度是不施加电场的1.4倍左右，且随施加电压的增高而增高，施加电场后的蒸发效果是不施加电场时蒸发效果与电场单独作用时蒸发效果的线性叠加。高压电场应用于浓缩和干燥过程具有设备造价低、能耗低、不升温等特点，尤其适合热敏性物料的浓缩和干燥[25]。

Tsouris等[26]研究了电场对蒸馏效率的影响，结果发现在直流电场下塔板效率和馏分流量均有提高，并将其归因于电场对传热传质的强化。对于异丙醇-水蒸馏体系，当电压为14 kV时塔板效率提高了2.2%，馏出速率提高4倍；而对于具有较低介电常数的2-丁酮/甲苯体系，在电压高达30 kV时蒸馏效率仍未能改进。天津大学唐洪波等[27]研究了电场对乙醇-水、丙醇-水、乙酸-水体系汽液平衡的影响，结果表明电场使体系中介电常数大的组分在汽相中的含量增大，介电常数小的组分在汽相中的含量则减小；介电常数相差越大，越有利于电场的极化分离。电场对所研究的3个体系的汽液平衡均有影响，但对共沸温度和共沸组成的影响有限，不能明显使共沸点漂移。

2.2 电场强化气体吸收

一般的电场强化传质过程都是以提高传质系数和增大传质面积为基础，强化效果与电场种类和强度有关。以色列的 Elperin等[28]认为对悬浮于电介质液体中的电介质气泡或液滴施加一个均匀稳定的电场时就会在界面聚积电荷，这些电荷与电场相互作用形成的切应力产生一个环流，这一环流会使气泡与周围液体之间的传质得到强化。大连理工大学刘钟阳等[29]为改善臭氧消毒过程中传质效率低的问题，进行了交流电场强化臭氧向水中传质的研究，结果表明电场能够强化臭氧向水中的传质过程，且电压越高，对于传质的加强效果越明显。当电压为8 kV时，和未电场的情况相比，总传质系数提高41%。李楠[30]利用脉冲电场强化臭氧传质，结果表明随着脉冲电压的增加，水中臭氧浓度和总传质系数均相应升高。当脉冲电压升到2 kV时，水中臭氧浓度提高了43.1%，总传质系数提高了89.11%。中南大学左恒等[31]为改善铜矿排土场氧气的传质，研究了利用直流电场强化氧气向溶浸液中传质的过程，结果表明电场对氧气传质的强化效果与电场的强弱以及溶浸液的性质有关，所加电场强度和溶浸液浓度越高，强化效果越明显。和未加电场的情况相比，在强度为80 V/mm的电场作用下的总传质系数提高28.2%。

虽然不同形式的电场作用在传质效率、能耗等方面存在差异，但本质上都是通过电场与带电物质的相互作用产生的力来实现强化传质的，目前的研究结果表明电场种类和强度是影响传质效果的重要因素，但强化传质的具体规律与机理还不是十分清楚，仍需要进行深入地研究。

3 电磁场强化气液传质

电磁场能够使极性分子从原来的随机分布状态转向依照电场的极性排列取向，而高频交变电磁场能够使这些取向按交变电磁场的频率不断变化，造成分子的运动和相互摩擦产生热量。与其他传质强化手段相比，其特点之一在于它的热效应，能使被作用的物料温度显著升高。目前关于电磁场强化传质的研究报道主要集中在微波方面，后者已在催化、合成、萃取、干燥、降解及破乳等过程中显示出了良好的强化效果与应用前景[16，32]。

3.1 微波强化蒸发与蒸馏

微波加热比传统加热升温快，且温度场均匀，被加热物料内部的温度梯度、压力梯度与水分的迁移方向均一致，从而使气液传质得到强化。Chemat等[33]报道了微波下的过热沸腾现象，即在微波加热下，液体温度迅速升高并达到一稳定值进行回流，而这一温度比常规加热条件下液体的沸点高，这使得蒸发速率增大。Yousefi等[34]比较了微波加热和常规加热两种方式对石榴汁蒸发速率的影响，分别在100 kPa、38.5 kPa和12 kPa的操作压力下将石榴汁浓缩至40°Brix，常规加热分别需要140 min、127 min和 109 min，而微波加热所需时间分别减少至118 min、95 min和75 min。利用微波蒸发速度快的特点，Maichin等[35]在采用ICP发光光谱进行微量元素分析之前、Bélanger等[36]采用气相色谱-质谱分析挥发性有机物之前均先采用微波浓缩或者干燥样品，相比于传统加热方式，可显著缩短操作时间。吴继军等[37]研究了菠萝原汁在真空微波快速浓缩前后挥发性成分的变化，结果显示菠萝汁经真空微波浓缩后损失较大的成分是D-柠檬烯、十五烷以及古巴烯等，完全消失的成分为己酸甲酯、2-甲基丁酸乙酯和罗勒烯，并认为这些容易挥发损失的香气成分可以作为鉴别鲜榨菠萝汁和浓缩菠萝汁还原果汁的特征性成分。此外，微波在干燥领域已显示出了显著的优势，关于此方面已有大量研究与综述[38]。

目前，仅有少数研究者对微波场下的蒸馏过程进行了报道。天津大学侯钧等[39]研究了微波对乙醇-苯体系间歇精馏的影响，结果表明微波能显著提高塔顶馏分的采出速度，操作时间约是常规加热条件下的一半。他们还研究了微波对二元体系汽液平衡的影响，结果显示在微波场下介电常数差异较大的乙醇-苯体系的汽液平衡发生改变，共沸温度和气相中乙醇浓度均比常规加热条件下的高，并且随微波功率的增大而升高，而介电常数相近的邻苯二甲酸二异辛酯-异辛醇体系无明显变化[40]。罗立新等[41]也进行了微波减压蒸馏二元体系的研究，结果显示微波能够改变介电常数差异较大的乙醇-环己烷体系的汽液平衡，而对介电常数较大的异丙醇-乙醇体系和介电常数较小的苯-环己烷体系均无显著影响。可见与电场一样，微波对汽液平衡的影响也与所作用体系的介电性质密切相关。

3.2 微波强化气体吸收

由于气体在溶剂中的溶解度一般随温度升高而减小，而微波又会导致溶剂温度显著升高，所以微波一般不能通过提高气体溶解度来强化吸收，而是通过影响其他因素来强化吸收。浙江大学赵德明等[42]进行了微波强化臭氧氧化降解苯酚水溶液的研究，结果表明微波对臭氧氧化存在明显的强化作用，去除苯酚的速率常数增强因子可达3.6，分析认为这是由于微波能够加快反应体系中·OH自由基的生成速度。他们还对微波辅助二氧化氯氧化降解苯酚进行了研究，结果表明微波辅助二氧化氯氧化系统相对单独微波及二氧化氯体系而言具有明显的协同效应，分析认为这是微波与二氧化氯作用更快地产生·Cl自由基强化氧化苯酚的结果，其增强因子为 1.4[43]。刘卉卉等[44]研究了微波辐照对磷矿浆吸收SO2的影响，结果表明微波辐照前后矿粉物相没有变化，但矿粉上有新增的裂缝，从而增加了矿物的有效反应面积，且辐照后矿粉中的催化剂Fe2O3更多地分布于矿粉表面，有利于增加催化剂颗粒的浓度，促进磷矿浆吸收SO2反应的进行，表现为吸收效率的有效提高。此外，西安建筑科技大学薛娟琴等[45]进行了微波解吸柠檬酸盐溶液中SO2的研究，结果显示在解吸前期微波影响非常显著，后期影响程度逐渐减弱，且延长微波作用时间可以提高SO2解吸率；随着微波功率的增大，SO2解吸率快速增大，且在540 W时解吸率达到最大值，之后随着微波功率的进一步增大解吸率缓慢下降，分析认为这与微波加热升温速率相关。

4 超声场强化气液传质

气液传质过程一般由气膜或液膜控制，超声场的介入能够大大改善液膜控制。在超声作用下液体会发生空化现象，每个空化气泡在溃灭时可产生局部高温高压环境，可产生湍动效应、微扰效应以及冲击波作用，一方面使滞流底层减薄，另一方面使滞流底层发生局部湍动，甚至出现膜层空洞，改变了此层内基本无涡流扩散只靠分子扩散的状况，从而减小扩散阻力，加速相际间的传质速率[46]。

4.1 超声强化蒸发与蒸馏

超声能够使液体在其表面产生超声喷雾和超声空化，从而大大提高液体的蒸发表面积、湍动系数、压力降。新疆大学马空军等[47]对水-乙醇以及苯-乙醇二组分溶液的超声蒸发进行了研究，结果表明声场能够促进溶液的蒸发，蒸发效率提高2%～6%，且两组分之间的体积分数越接近，蒸发速率随时间越容易表现出线性的变化关系。分析认为声场强化溶液蒸发的作用机理是声场具有“空化效应”，能够降低溶液的表面张力，从而降低了成核势垒，促进了液体内部的能量交换，使溶液蒸发过程得以强化。

张伟等[48]利用超声强化水蒸气蒸馏提取天然右旋龙脑，结果表明超声能有效强化水蒸气蒸馏效果，在超声电功率400 W、超声作用时间1 h、投料比为0.2 kg/L时，挥发油得率可达1.18%，右旋龙脑的纯度达到60.6%。Zhu等[49]研究了超声强化气隙式膜蒸馏过程，将一个压电式超声换能器固定在膜组件热侧的不锈钢板上进行超声膜蒸馏实验。结果表明超声使膜蒸馏通量增大，且通量随超声功率的增大而增大，在功率为 90 W 时膜通量约增大30%；在相同超声功率下，热侧溶液温度越低，通量增大幅度越大。分析认为超声空化、声冲流以及膜面振动改善了温度和浓度极化并清洗了膜表面，是超声提高膜蒸馏通量的主要机理。段小林等[50]也对超声强化真空膜蒸馏进行了试验研究，结果得到了相似的结论。

4.2 超声强化气体吸收

超声在难溶气体的吸收方面也能够起到很好的强化作用，如北京科技大学赵媛等[51]为改善污水臭氧消毒过程中臭氧传质效率低的缺点，采用超声来提高液相中臭氧浓度和传质效率，实验发现当超声辐射75 s时，臭氧传质系数最大；超声功率由0增加到110 W时，液相臭氧浓度和传质系数随功率升高而增大，当达到110 W后不再增长；传质系数和液相臭氧浓度随频率的增长而增大。结果表明超声对臭氧传质效果有很好的强化作用，同时可以提高液相臭氧浓度。

西安建筑科技大学薛娟琴等[52]进行了超声强化膜吸收脱除SO2的研究，结果表明超声可以增大膜吸收通量，对气液传质有促进作用，但超声的热作用可以引起吸收液温度的升高，而由于SO2在溶液中的溶解度随着温度的升高而降低，所以超声膜吸收器上还需要添加温控设备。他们还发现超声能够强化SO2的解吸过程，采用较低的超声频率可以获得较高的解吸率，在超声频率为 40 kHz、解吸温度为50 ℃、搅拌速度为300 r/min、柠檬酸盐浓度为 1.0 mol/L、初始 SO2浓度为 120 g/L、超声作用时间1 h时，解吸率可达82%[53]。浙江工业大学张元平等[54]采用氢氧化钠水溶液吸收二氧化碳的方法，考察了超声振荡对摆式反应器气液传质性能的影响，结果表明在反应器不摆动和摆频较低的条件下，超声振荡可提高反应器传质系数 3～4倍。

综上所述，超声场对气液传质具有良好的强化效果，展现出了很好的发展前景，但目前整个超声强化传质过程的发展仍处在实验研究阶段，其经济性设备的开发和规模放大是当前面临的主要挑战[46]。

5 超重力强化气液传质

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，在化工过程中常通过旋转产生离心力而模拟实现。在超重力环境下，气体的线速度也可以大幅度提高，同时液体表面张力的作用相对变得微不足道，并且强大的离心力使液体在巨大的剪切力和撞击下被拉伸成极薄的膜、细小的丝和微小的液滴，产生巨大的相间接触面积，使气液传质过程得到高度强化，单位设备体积的生产效率能够提高1～2个数量级，尤其适合生产附加值较高的产品[1，4]。

5.1 超重力强化蒸发与蒸馏

超重力强化蒸发的应用主要集中在蒸发脱挥方面，后者是聚合物生产过程中的一个重要步骤，其消耗的能量占全过程的60%～70%，且脱挥结果直接影响产品的质量和性能。北京化工大学李沃源等[55]指出聚合物脱挥技术推广的关键是开发表面更新快速的新型高效传质设备，并提出了设计新型旋转填充床用于高黏聚合物脱挥的可能性。他们通过实验证明，旋转填充床比常规脱挥设备效率高、能耗低，采用该技术对丙烯腈系聚合物进行两次循环脱挥处理，丙烯腈脱除率达到99%以上[56]。分析认为，脱挥过程中解吸的挥发分气体在第一时间离开填料层，并迅速由真空泵抽走，防止了挥发分的二次溶解。

超重力精馏技术具有设备体积小、能耗低且传质效率高等优点，已引起国内外广泛关注。利用旋转填料床进行超重力精馏过程中，气液两相在离心分离因数大于 1000的离心力场中通过填料层时可以大大强化相际的传热和传质，传质系数较常规设备提高 10～1000倍[57]。1996年 Trevour等[58]以环己烷-正庚烷为物系，对旋转填料床作了精馏实验，建立了压降和传质效率的模型。中北大学栗秀萍等[59-60]以甲醇-水溶液为物系，在全回流操作条件下研究了旋转填料床的传质和流体力学性能，结果表明旋转填料床的理论塔板数随超重力因子和气相动能因子的增大出现峰值，理论塔板高度最小为 9.5 mm；在实验基础上应用最小二乘法建立了旋转填料床的传质、压降实验关联式。他们还以乙醇-水为物系，在多级旋转填料床上进行超重力精馏实验研究，理论塔板高度为12.7～152 mm，比传统精馏塔低1个数量级；并分析了流体在超重力装置内的流动状态，认为超重力精馏过程的传质单元为液膜，超重力精馏传质过程克服了双膜理论、渗透理论与表面更新理论中的瓶颈，是超重力精馏传质过程强化的根本原因[61-62]。为解决连续精馏过程中的中间进料问题，浙江工业大学鲍铁虎等[63]开发了一种折流式旋转床，对转子直径为500 mm的折流式旋转床进行了精馏实验，获得了每米48.3块理论塔板的传质效果。折流式旋转床的特点是转子为动静组合式结构，具有无需液体初始分布器和设备内部动密封，易于实现中间进料和多个转子同轴串联等优点[64-65]。但折流式旋转床不使用填料而导致传质效果下降，为此，北京化工大学高鑫等[66-67]基于传统旋转填料床和折流式旋转床两者的优缺点，开发了一种多级逆流式超重力旋转床，以乙醇-水为研究体系，最佳操作转速为 800 r/min，理论塔板高度在19.5～31.4 mm之间；以甲醇-水为研究体系，最佳操作转速为 700～800 r/min，理论塔板高度在31.16～47.21 mm之间；与传统旋转填料床的理论塔板高度相当，与折流式旋转床相比传质效率提高且最佳转速更低。

5.2 超重力强化气体吸收

近年来，一些研究者报道了利用超重力技术来改善废水降解过程中气液传质效率低的问题[68-70]。北京化工大学 Zeng等[68]在旋转填料床上进行了铁催化臭氧降解酸性含酚废水的研究，结果发现转速对苯酚降解速率和降解程度具有显著影响，苯酚最大去除率可达70%。他们还在旋转填料床上进行了臭氧/过氧化氢降解含酚废水的研究，结果发现苯酚降解率随转速、初始pH值和温度的升高而增大，在苯酚初始浓度为 40 mg/L、H2O2浓度为 6.5 mmol/L、转速为 1200 r/min时苯酚降解率可达100%[69]。中北大学Jiao等[70]在旋转填料床上臭氧/过氧化氢降解含硝基苯废水的研究，结果表明超重力工艺提高了臭氧利用效率，化学需氧量和硝基苯含量分别降低 45.8%和 50.4%，与常规曝气搅拌混合器相比，分别提高 22.9%和 23.3%。分析认为，超重力能够将废水剪切为薄液膜和小液滴，有效地增加气液接触面积和传质效率，从而提高臭氧化效率。

超重力对气体吸收中的传质过程具有很好的强化作用，以旋转填充床吸收CO2、SO2、NOx等气体的研究结果均表明超重力能够高度强化气液传质，大幅提高吸收效率[71-75]。针对燃煤电厂烟气捕捉CO2效率低、再生能耗大以及设备体积庞大等缺点，内蒙古科技大学李洁琼等[71]采用 N-甲基二乙醇胺水溶液中加入烯胺组成的混胺为吸收剂，在旋转填料塔中吸收烟气中的CO2，结果表明旋转吸收塔可以显著提高CO2的吸收效率，增强传质效果，CO2的吸收效率达71.3%。北京化工大学谢冠伦等[72]采用一乙醇胺水溶液为吸收剂，在含有静态环形挡板的新型结构旋转床中进行了CO2吸收实验，结果表明床内的静态环形挡板的加入使得CO2的吸收率较常规旋转床提高了10%；CO2的吸收率随着超重力因子的增加而上升，当超重力因子超过125以后，CO2吸收率则趋于稳定。他们还在超重力旋转床中进行了亚硫酸钠溶液吸收烟气中SO2的实验，实验结果表明SO2脱除率随转子转速的增加而增大，随气液比的增大而减小；在吸收液中钠离子浓度为0.25 mol/L、烟气中SO2浓度为3420～3580 mg/m3、转子转速为900 r/min、气液比为1140的情况下二氧化硫的脱除率仍可达到90%，能够满足烟气排放要求[73]。中北大学Jiang等[74]在旋转填料床上进行了以柠檬酸钠缓冲溶液从SO2/空气中吸收SO2的研究，实验表明SO2脱除率和气液传质系数随超重力因子、液气比、吸收液中柠檬酸浓度和pH值的增加而增大，同时发现超重力工艺能够抑制吸收液中硫酸根的生成，而后者大量存在时会有硫酸钠结晶析出，不仅会导致吸收液效能降低，而且可能导致管路堵塞而使装置无法运行。Zhang等[75]采用旋转床气液反应器提高EDTA螯合亚铁溶液脱除氮氧化物的效率，实验发现氮氧化物的脱除率在pH值为7时出现峰值，较佳的温度范围为293～303 K，当超重力水平高于150 g时氮氧化物去除率能达到87%。旋转填充床除了应用于吸收CO2、SO2、NOx外，还可以用于吸收H2S、含乙酸尾气、含氨尾气等，已成为国内外环境保护领域的研究热点[76]。

综上，超重力技术能够使气液两相的界面更新加快，显著提高气液传质速度，使生产强度成倍提高，目前已经在一些精馏和吸收单元操作成功实现工业化，并取得了较高的经济效益。

6 物理场强化气液传质的热力学

热力学研究能够判定化学反应、相际传质的方向与限度，对科研和生产有重要的指导作用。近年来，一些学者采用热力学方法对物理场作用下的气液传质进行了研究。唐洪波等[77]对电场中的热力学模型进行了理论推导，从理论上证明了外加电场对汽液平衡的影响，结果表明对于二元物系，施加电场与未施加电场情况下某一组分的液相组成之比的对数与溶液介电常数一次方成正比，与所施加电场强度的平方成正比。周玉新等[78]通过引入磁力势的概念，推导并建立了磁场中汽液相平衡热力学模型，从理论上探讨了外加磁场对汽液相平衡的影响，提出了磁场中的相平衡条件。华南理工大学韩光泽等[79-81]认为外场作用下的化学势不仅是温度、压强和组分摩尔分数的函数，还与外场的特征参数有关，于是推广了化学势的定义，导出了外场作用下化学势的普遍化表达式；利用该普遍化表达式导出了重力场、离心力场、电场和磁场作用下的化学势；并研究了电场作用下纯物质的气液相变过程，结果证明电场作用可以使极性物质的蒸汽压略有上升，而对非极性物质没有影响。研究表明，热力学分析是一种研究物理场下气液传质方向与限度的有效方法。

7 结 语

物理场强化化工过程是实现绿色化工的重要手段，是一种环境友好的新技术，也是当前化学工程领域优先发展的技术之一。对于物理场强化气液传质过程的研究，国内外已经取得了较大进步，展现了诱人的发展前景，其中一些技术已成功实现工业化，但大多还停留在实验研究基础上。物理场强化传质涉及学科众多，问题复杂，今后的研究热点主要包括：①继续探索物理场强化传质的作用机理，例如如何利用实验或者理论分析解决微波的“热效应”与“非热效应”之争；②拓展物理场强化传质的应用领域，并对物理场强化传质过程中的瓶颈问题进行技术攻关，例如经济性超声设备的开发和规模放大；③进行不同种类物理场强化传质效果的横向比较研究，并探索多个物理场耦合，及与优化设备结构、添加质量分离剂等技术联合强化气液传质；④对物理场下多元体系进行热力学研究，确定各种物理场在强化传质领域的适用体系，发展具有普适性和预测能力较强的强化传质理论。随着研究的日趋深入，物理场必将能够更有效地改善和强化现有的传质过程，满足低耗高效和清洁生产的要求，在化工、医药、环保和节能减排等领域必将具有广泛的应用前景。

[1]孙宏伟，陈建峰. 我国化工过程强化技术理论与应用研究进展[J].化工进展，2011，30（1）：1-15.

[2]张俊，李苏巧，彭林明，等. 纳米流体强化气液传质研究进展[J]. 化工进展，2013，32（4）：732-739.

[3]成弘，周明，余国琮. 强化气液两相传质的研究进展[J]. 化学进展，2001，13（4）：315-322.

[4]Agarwal L，Pavani V，Rao D P，et al. Process intensification in HiGee absorption and distillation：Design procedure and applications[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2010，49（20）：10046-10058.

[5]马空军，贾殿赠，孙文磊，等. 物理场强化化工过程的研究进展[J]. 现代化工，2009，29（3）：27-31，33.

[6]吴松海，孙永利，贾绍义. 磁场对蒸馏水蒸发过程的影响[J]. 石油化工高等学校学报，2006，19（1）：10-12，39.

[7]马伟，马文骥，马荣骏，等. 磁场强化溶液蒸发的效果及机理[J]. 中国有色金属学报，1998，8（3）：502-506.

[8]Guo Y Z，Yin D C，Cao H L，et al. Evaporation rate of water as a function of a magnetic field and field gradient[J]. International Journal of Molecular Sciences，2012，13（12）：16916-16928.

[9]张敏卿，唐洪波，周维义. 磁场对汽液平衡的影响[J]. 化学工程，1995，23（5）：42-44.

[10]Jia S，Wu S，Li Z，et al. Influence of magnetic field on the rectification process of binary heterogeneous azeotrope[J].Transactions of Tianjin University，2005，11（4）：240-244.

[11]刘勇，崔国刚，贾亮，等. 磁场对正丁醇-水物系汽液平衡的影响[J]. 化学工业与工程，2007，24（6）：489-492.

[12]牛晓峰，杜垲. 磁场应用于吸收式制冷系统的探讨[J]. 流体机械，2007，35（11）：62-65.

[13]牛晓峰，杜垲，胡智慧，等.磁场影响氨水吸收的实验研究[J]. 工程热物理学报，2008，29（6）：919-922.

[14]Niu X，Du K，Du S. Numerical analysis of falling film absorption with ammonia-water in magnetic field[J]. Applied Thermal Engineering，2007，27（11-12）：2059-2065.

[15]Niu X，Du K，Xiao F. Experimental study on ammonia-water falling film absorption in external magnetic fields[J]. International Journal of Refrigeration，2010，33（4）：686-694.

[16]肖祖峰，陈明东，韩光泽. 电磁场作用下的强化传质研究进展[J].化工进展，2008，27（12）：1911-1916.

[17]Chen C M，Leu L P. Hydrodynamics and mass transfer in three-phase magnetic fluidized beds[J]. Powder Technology，2001，117：198-206.

[18]Wu W D，Liu G，Chen S X，et al. Nanoferrofluid addition enhances ammonia/water bubble absorption in an external magnetic field[J].Energy and Buildings，2013，57：268-277.

[19]张云峰，王之肖，马宇洁，等. 磁流化床烟气脱硫反应特性研究[J].东南大学学报：自然科学版，2005，35（1）：126-129.

[20]王之肖，张云峰，归柯庭. 磁流化床强化烟气脱硫的机理研究[J].中国电机工程学报，2005，25（14）：68-72.

[21]张琦，归柯庭. 磁流化床强化烟气脱硫反应机理研究[J]. 工程热物理学报，2007，28（4）：628-630.

[22]张琦，归柯庭，姚桂焕，等. 外加磁场对磁流化床烟气脱硫过程的影响[J]. 动力工程，2008，28（6）：940-944.

[23]Asakawa Y. Promotion and retardation of heat transfer by electric fields[J]. Nature，1976，261：220-221.

[24]李里特，李法德，辰巳英三. 高压静电场对蒸馏水蒸发的影响[J].农业工程学报，2001，17（2）：12-15.

[25]白亚乡，梁运章，丁昌江，等. 高压电场在热敏性物料干燥应用中的研究进展[J]. 高电压技术，2008，34（6）：1225-1229.

[26]Tsouris C，Blankenship K D，Dong J，et al. Enhancement of distillation efficiency by application of an electric field[J]. Industrial& Engineering Chemistry Research，2001，40（17）：3843-3847.

[27]唐洪波，张敏卿，卢学英. 电场对汽液平衡的影响[J]. 化学工程，2001，29（4）：39-42.

[28]Elperin T，Fominykh A，Orenbakh Z. Heat and mass transfer during bubble growth in an alternating electric field[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2004，31：1047-1056.

[29]刘钟阳，吴彦，王宁会. 电场强化臭氧向水中传质的试验研究[J].化学工程，2004，32（1）：52-55.

[30]李楠. 电场强化臭氧传质效果的研究[J]. 安徽农业科学，2010，38（26）：14262-14264，14276.

[31]左恒，王贻明，张杰. 电场强化铜矿排土场氧气传质[J]. 化工学报，2007，58（12）：3001-3005.

[32]王笃政，孙永杰，孙彬峰，等. 微波强化化工过程技术进展[J]. 精细与专用化学品，2012，20（12）：38-41.

[33]Chemat F，Esveld E. Microwave super-heated boiling of organic liquids：Origin，effect and application[J]. Chemical Engineering &Technology，2001，24（7）：735-744.

[34]Yousefi S，Emam-Djomeh Z，Mousavi S M A，et al. Comparing the effects of microwave and conventional heating methods on the evaporation rate and quality attributes of pomegranate（Punica granatum L.）juice concentrate[J]. Food and Bioprocess Technology，2012，5（4）：1328-1339.

[35]Maichin B，Kettisch P，Knapp G. Investigation of microwave assisted drying of samples and evaporation of aqueous solutions in trace element analysis[J]. Fresenius’ Journal of Analytical Chemistry，2000，366（1）：26-29.

[36]Bélanger J M，Paré J R， Turpin R，et al. Evaluation of Microwave-Assisted Process technology for HAPSITE's headspace analysis of volatile organic compounds（VOCs）[J]. Journal of Hazardous Materials，2007，145（1-2）：336-338.

[37]吴继军，徐玉娟，肖更生，等. 菠萝原汁真空微波浓缩前后挥发性成分变化研究[J]. 北京工商大学学报：自然科学版，2012，30（6）：35-39.

[38]Sagar V R，Kumar P S. Recent advances in drying and dehydration of fruits and vegetables：A review[J]. Journal of Food Science and Technology，2010，47（1）：15-26.

[39]侯钧，徐世民，丁辉，等. 微波对乙醇-苯体系汽液平衡和间歇精馏的影响[J]. 中国科技论文在线，2013，6（7）：684-689.

[40]Gao X，Li X，Zhang J，et al. Influence of a microwave irradiation field on vapor-liquid equilibrium[J]. Chemical Engineering Science，2013，90：213-220.

[41]罗立新，姚国军，阳卉. 微波减压蒸馏分离效果研究[DB/OL]. 中国科技论文在线[2009-05-31]. http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/200905-814.

[42]赵德明，李敏，张建庭，等. 微波强化臭氧氧化降解苯酚水溶液[J].化工学报，2009，60（12）：3137-3141.

[43]赵德明，张谭，张建庭，等. 微波辅助二氧化氯氧化降解苯酚[J]. 化工学报，2011，62（7）：2020-2025.

[44]刘卉卉，宁平. 微波辐照对磷矿浆吸收SO2的影响[J]. 中国工程科学，2005，7（s1）：425-429.

[45]薛娟琴，王克亮，白光辉，等. 微波解吸柠檬酸盐溶液中 SO2实验研究[J]. 环境污染治理技术与设备，2006，7（8）：32-35.

[46]马空军，贾殿赠，包文忠，等. 超声场作用下的强化传质研究进展[J]. 化工进展，2010，29（1）：11-16，33.

[47]马空军，黄玉代，蔺何. 声场强化溶液蒸发的效果及机理[J]. 声学技术，2008，27（3）：375-380.

[48]张伟，丘泰球. 超声强化水蒸气蒸馏法提取天然右旋龙脑[J]. 现代食品科技，2010，26（8）：834-836，846.

[49]Zhu C，Liu G L. Modeling of ultrasonic enhancement on membrane distillation[J]. Journal of Membrane Science，2000，176：31-41.

[50]段小林，陈冰冰. 超声波强化真空膜蒸馏的试验研究[J]. 化学工程师，2005，118（7）：15-16.

[51]赵媛，李子富，张扬，等. 超声波对臭氧消毒过程中传质效率影响研究[J]. 水处理技术，2012，38（12）：108-110，114.

[52]薛娟琴，兰新哲，王召启，等. 烟气膜吸收法脱除 SO2的超声波强化处理[J]. 化工学报，2007，58（3）：750-754.

[53]Xue J Q，Li J X，Lu X，et al. Absorption of sulfur dioxide using membrane and enhancement of desorption with ultrasound[J]. Trans.Nonferrous. Met. Soc. China，2010，20（5）：930-934.

[54]张元平，陈冰冰，张玮. 机械振荡和超声波对摆式反应器气液传质性能的影响[J]. 化学反应工程与工艺，2009，25（6）：496-500.

[55]李沃源，毋伟，邹海魁，等. 超重力旋转填充床用于高黏聚合物脱挥的研究进展[J]. 化工进展，2010，29（2）：211-216，232.

[56]Li W Y，Wu W，Zou H K，et al. Process intensification of VOC removal from high viscous media by rotating packed bed[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering，2009，17（3）：389-393.

[57]Zhao H，Shao L，Chen J F. High-gravity process intensification technology and application[J]. Chemical Engineering Journal，2010，156（3）：588-593.

[58]Trevour K，James R F. Distillation studies in a high-gravity contactor[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research，1996，35（12）：4646-4655.

[59]栗秀萍，刘有智，杨明. 蒸馏过程中旋转填料床的传质和流体力学特性[J]. 过程工程学报，2005，5（4）：375-378.

[60]栗秀萍，刘有智，刘连杰. 精馏过程中转子对旋转填料床传质性能的影响[J]. 化工进展，2005，24（3）：303-306.

[61]Li X，Liu Y，Li Z，et al. Continuous distillation experiment with rotating packed bed[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering，2008，16（4）：656-662.

[62]栗秀萍，刘有智，张振翀. 超重力精馏传质过程强化理论分析[J].化学工程，2010，38（12）：8-11.

[63]鲍铁虎，徐之超，计建炳，等. 新型旋转床性能研究[J]. 石油化工设备，2002，31（2）：16-18.

[64]王广全，徐之超，俞云良，等. 超重力精馏技术及其产业化应用[J].现代化工，2010，30（s1）：55-59.

[65]徐之超，俞云良，计建炳. 折流式超重力场旋转床及其在精馏中的应用[J]. 石油化工，2005，34（8）：778-781.

[66]高鑫，初广文，邹海魁，等. 新型多级逆流式超重力旋转床精馏性能研究[J]. 北京化工大学学报：自然科学版，2010，37（4）：1-5.

[67]Chu G W，Gao X，Luo Y，et al. Distillation studies in a two-stage counter-current rotating packed bed[J]. Separation and Purification Technology，2013，102：62-66.

[68]Zeng Z，Zou H，Li X，et al. Ozonation of acidic phenol wastewater with O3/Fe（II）in a rotating packed bed reactor：Optimization by response surface methodology[J]. Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2012，60：1-8.

[69]Zeng Z Q，Wang J F，Li Z H，et al. The advanced oxidation process of phenol solution by O3/H2O2in a rotating packed bed[J]. The Journal of the International Ozone Association，2013，35（2）：101-108.

[70]Jiao W，Liu Y，Liu W，et al. Degradation of nitrobenzene-containing wastewater with O3and H2O2by high gravity technology[J]. China Petroleum Processing and Petrochemical Technology，2013，15（1）：85-94.

[71]李洁琼，陈立峰，倪艳玲，等. 新型高效捕集 CO2的旋转吸收填料装置的试验研究[J]. 科技创新导报，2011，29：9-10.

[72]谢冠伦，邹海魁，初广文，等. 新型结构旋转床吸收混合气中CO2的实验研究[J]. 高校化学工程学报，2011，125（2）：199-204.

[73]王俊，邹海魁，初广文，等. 超重力烟气脱硫的实验研究[J]. 高校化学工程学报，2011，25（1）：168-171.

[74]Jiang X，Liu Y，Gu M. Absorption of sulphur dioxide with sodium citrate buffer solution in a rotating packed bed[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering，2011，19（4）：687-692.

[75]Zhang L L，Wang J X，Sun Q，et al. Removal of nitric oxide in rotating packed bed by ferrous chelate solution[J]. Chemical Engineering Journal，2012，181-182：624-629.

[76]渠丽丽，刘有智，楚素珍，等. 超重力技术在气体净化中的应用[J].天然气化工，2011，36（2）：55-59.

[77]唐洪波，张敏卿. 电场中相平衡热力学模型的研究[J]. 沈阳工业大学学报，2001，23（6）：538-540.

[78]周玉新，胡晖. 磁场中汽液相平衡热力学模型的研究[J]. 武汉化工学院学报，2004，26（2）：15-17.

[79]韩光泽. 电（磁）场作用下的平衡态热力学[J]. 华北电力大学学报，2010，37（2）：104-108.

[80]王慧娟，韩光泽. 化学势的普遍化表达式及其应用[J]. 华北电力大学学报，2012，39（1）：109-112.

[81]Han G，Wang H. Generalized expression of chemical potential with influence of external fields and its applications：Effect of charged particles on droplet condensation[J]. Fluid Phase Equilibria，2013，338：269-273.