超重力技术的研究及应用

郭浩　牛杰

超重力技术的研究及应用

郭浩*牛杰

（中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司）

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。

超重力过程强化吸收蒸馏传质过程

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。

1　超重力技术原理

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。

图1　超重力装置结构

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。在此过程中，液体被填料分散、破碎，使得液体界面急速更新，与气体以极大的相对速度逆向接触，从而完成传质及反应。液体被甩至外壳，收集后由下部排液口排出［6］。

2　超重力技术的应用

2.1在化工尾气处理中的应用

化工尾气是最大的环境污染源，尾气中的有害气体有硫化氢、二氧化硫、氨、氮氧化物等。这些气体多具有腐蚀性，或形成酸雨，或形成雾霾，严重危害环境和人体健康。节能减排，消除污染，净化这些有毒有害气体，是当前急待解决的问题。

李振虎等［7］利用超重力机对硫酸厂含SO2尾气进行处理，气液比为900～1000，进口尾气SO2的密度ρ（SO2）为14 286 mg/m3，处理后尾气ρ（SO2）可小于286 mg/m3。王俊等［8］以亚硫酸钠溶液为吸收剂，采用并流操作方式在超重力旋转床中进行模拟烟气脱硫的实验。结果显示：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，旋转床转速900 r/min，气液比为1140，二氧化硫的脱除率可高达91.5%。张芳芳等［9］考察了超重力因子、液气体积比、进气量等因素对烟气中SO2的脱除率的影响，得出如下结论：SO2的脱除率随超重力因子、液气体积比的增加而增加，随进气量的增加而降低；气相传质系数随超重力因子、液气体积比、进气量的增加而增加，脱硫率和溶液pH值随循环次数的增加呈下降趋势。最佳脱除条件为：初始pH=12.7，超重力因子67，进气量55 m3/h，液气体积比（1.1～1.3）×10-3。在此条件下脱硫率可达98.7%，出口尾气中SO2量低于100 mg/m3。袁志国等［10］以磷酸钠溶液为吸收剂，采用并流旋转填料床进行了模拟烟气脱硫实验，脱硫率达99%以上，SO2出口质量浓度低于100 mg/m3。

潘红霞等［11］用超重力设备作为脱硫实验的主体吸收设备，利用碱液对CO2和H2S的吸收速率的差异，考察焦炉煤气中硫化氢的脱除。实验时原料气中H2S浓度为3 g/m3，CO2浓度为7～14 g/m3，进气速度为1～6 m3/h，超重力因子为25.82～75.91，进液速度为60～180 L/h，脱硫率基本可以达到95%以上。

Zhi Qian等［12］研究了混有CO2和H2S的N-甲基二乙醇胺溶液中H2S的脱除率，结果表明在超重力旋转床中H2S的去除率可达99.76%。

2.2在精馏中的应用

精馏是应用最为广泛的化工分离技术，精馏性能直接影响产品的质量。超重力技术应用于精馏过程可极大地强化传质性能，提高分离纯度，同时也可降低投资费用。国内外科研人员在超重力精馏的理论研究和工业应用方面做了大量的工作，例如超重力下液泛气速的确定［13］、超重力状态下压降和转速的关系［14-15］、转子结构对压降的影响［16］以及流体动力学［17］和传质性能［18］等方面的研究。

史琴等［19］以超重力旋转床代替反应精馏塔合成乙酸正丁酯，乙酸转化率可达88%，远高于原先设备60%的转化率。中北大学谷德银等［20］对超重力气相传质特性进行了研究，得到了较好的有效传质比表面积与气相体积传质系数和气相传质系数的关联式。J.V.S.Nascimento等［21］研究了超重力旋转床中的传质过程，发现超重力状态下传质效率高于传统状态下15倍，且随液体速率和旋转速度的增加而增加。其中，离心力是超重力状态下高效传质效率和分离效果的重要参数指标。在相同的分离效果下，超重力设备体积是传统设备的约1/5。

宋子彬等［22］应用超重力精馏分离回收果胶沉淀溶剂中的乙醇，乙醇回收率为91.28%，回收乙醇产品的成本为0.644元/L，充分表现出超重力精馏工艺工业化应用的优势。陈建等［23］研究了甲醇水混合液的超重力精馏试验，并建立了传质模型。嘉兴金禾化工有限公司采用超重力场旋转床作为甲醇精馏装置，壳体外径为830 mm、高度为800 mm，成品甲醇产量为500 kg/h，产品中甲醇的质量分数为99.8%，废液中甲醇的质量分数小于0.2%。若采用常规填料塔，则塔高约需10 m［24］。美国DOW化学公司与北京化工大学合作，将直径3 m、高3 m的超重力设备成功替代了直径6 m、高30 m的分离塔，将次氯酸的产率由80%提高到90%以上，并节省了70%的设备投资［5］。

2.3纳米材料

纳米材料在化工、航天、电子、信息、医药、国防等领域中有着广阔的应用前景，如推进剂中的纳米储氢材料［25］、生物医学中含银微纳米材料［26］、光催化反应中的石墨烯纳米复合材料［27］、化工产品改性［28］等。目前，超重力技术已经应用于纳米粉体材料、纳米阻燃材料、纳米盐等生产工艺中。

北京化工大学研究人员采用超重力水热法得到一种超细纳米级氢氧化铝阻燃剂，起始分解温度超过了350℃［29］。采用超重力结晶法合成碳酸钙时，反应所需要的碳化时间约为文献值的1/18［30］。李亚玲等［31］在超重力旋转床中首次制备出晶型完整、粒度窄、分散性好的纳米硫化锌，平均粒径30 nm，转化率为97.5%。

超重力技术是一项很有发展前景的高新技术，在制备纳米材料方面具有粒度小、时间短、粒度分布窄及易于放大生产等优点，可进一步深入研究并推广至制备其他纳米材料。

2.4催化剂制备

黄伟莉等［32］利用超重力共沉淀法制备CuO/ ZnO/Al2O3催化剂，测试结果显示所制备催化剂各项指标均达到技术要求，且优于现有醛加氢催化剂。杨小俊等［33］提出了超重力环境下氧化锰八面体分子筛纳米棒的生长机理，活性测试表明其具有更好的催化活性。

2.5消除粉尘

黄德斌等［34］研究了超重力旋转床的除尘特性，在气量600 m3/h、液量大于0.6 m3/h和气量800 m3/h、液量大于1.0 m3/h条件下，除尘效率均可达97%。

3　结语

超重力技术具有优异的微观混合和过程强化性能，既提高了生产效率又降低了投资成本，在治理化工尾气污染等领域表现尤为突出。研究者们在传质性能、流体力学性质、参数（压降和转速等）的关联性、模型构建和内部元件构造等基础性理论方面做了大量研究并取得了一定成果，其中一些成果在工业上已经有成功应用的范例。但关于超重力的广泛工业应用及基础性推广报道并不多见。超重力技术及其相关设备还有很多内容需要深入了解，如流体形态、可视化研究、转子结构、模型构建、液体分布器等。加大对超重力技术研究的投入力度，结合实际应用，超重力技术有望成为工业领域的主要技术支撑。

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Application and Research of HIGEE

Guo HaoNiu Jie

The HIGEE（high gravity）is a kind of process intensification technology，which reinforces the mass transfer process by centrifugal force.This technology has been applied to absorption，distillation，stripping，extraction and other separation processes.Therefore，it has extensive application in chemical engineering，environmental protection and other relative areas.The characteristics and basic principle of HIGEE were summarized.In this article，the industrial applications of HIGEE in terms of chemical tail gas treatment，rectification，preparation of nanometer sized materials，catalyst preparation，dust suppression，and so on，were emphasized.In addition，the potential applications and future research of HIGEE were prospected.

High gravity；Process intensification；Absorption；Distillation；Mass transfer process

TQ 051.8

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.10.016

2016-02-27）

*郭浩，男，1987年生，助理工程师。银川市，750000。