超重力技术应用研究进展

吕文利，陈明功

（安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南232001）

近年来，超重力技术因其极大的强化传质过程、高效的处理效率、设备体积小、开停车方便、操作安全可靠、低能耗、低污染等优点被广泛地应用于化工分离、新材料制备、环境保护等领域。本文介绍了超重力技术的发展、基本原理以及在各领域中的应用状况。

1 超重力技术

1.1 超重力技术的发展

超重力是指在加速度比地球重力加速度大得多的环境下，物质所受到的力。目前模拟超重力环境是通过高速旋转产生离心力，这种模拟设备称为旋转填料床。1976年，基于美国太空署实验，英国的Ramshaw教授等对比了在微重力和超重力场中进行化工分离单元操作——吸收、蒸馏实验的不同现象[1]。实验表明，在微重力场中加速度g约等于0，控制多相流体动力学行为的浮力因子Δρg趋近于0，不能产生相间流动，液相聚集，物质间的表面张力极大，使相间相对运动减弱，传质效率大大受限，组分基本上得不到分离。而在超重力场的环境下，液体的表面张力变得微不足道，超重力把液体拉伸成微米至纳米级的液膜、液滴、液丝等维元形式，组分间产生巨大的、快速更新的相界面，相间传质速率比传统的塔器提高1～3个数量级，传质过程得到极大的强化[2]。两年后，英国的ICI公司在此研究基础上，生产了第一台旋转填充床示范装置，超重力技术（High Gravity，HiGee）应运而生。

1.2 超重力技术的原理

超重力技术不仅适用于传质和传热过程，还可应用于复相反应过程，根据需要，可以处理气液两相、液液两相或气液固三相。超重力技术的核心是内含多孔填料结构的转子，用于装载填料。在驱动设备的带动下，填料转子高速旋转，液相从转子内缘进入，受到离心力的作用被快速地甩到填料层的边缘，进而被撕裂成液滴、液膜、液丝等微小单元，形成了极大的快速更新的比表面积。而气相从转子外缘进入，在压力差的作用下进入填料层，气液充分接触。之后，液体在外壳汇集排出，气体由气体出口引出，完成整个传质或反应过程。

2 超重力技术的应用

2.1 化工分离

超重力的发展起源于化工分离的单元操作，如今，超重力技术日益成熟，广泛应用于汽提、萃取、精馏等化工分离过程中。

赵靖[3]进行了超重力法汽提废水中醋酸丁酯的试验研究，采用安装了FFAP极性柱和FID检测器的气相色谱仪测定醋酸丁酯。实验结果表明，进口液相流量小于140 L·h-1，转速900 rpm时，液相出口醋酸丁酯浓度可达到70 mg/m3以下，脱除率可达98%以上。潘虹霞等[4]将研发的一种撞击流反应器和旋转填料床有机耦合所形成的撞击流旋转填料床应用于以饱和碳酸钠溶液-正丁醇为体系进行萃取结晶回收碳酸钠的实验中，实验结果表明，超重力因子为98.80，撞击初速度为8.85 m/s时，碳酸钠溶液与正丁醇体积流量比为1∶1，碳酸钠的收率最高达到72.08%。栗秀萍[5]以乙醇／水为物系，多级旋转填料床为主要设备，在常压操作条件下，进行超重力精馏实验研究。实验操作条件在超重力因子为31～196，原料流量为15～30 L/h，原料摩尔分数为0.089 1～0.283 1，回流比为1.0～2.5时，超重力装置的理论塔板高度为12.7～152 mm，比传统精馏塔低1个数量级。史琴等[6]设计了一种新型旋转填料床，将一种固体酸催化剂制成旋转床填料，超重力旋转填料床取代之前的催化精馏塔，以乙酸和正丁醇为原料催化合成乙酸正丁酯为研究体系，考查旋转床转速对催化精馏的影响，并与传统催化精馏进行对比实验，考查超重力环境对实验的影响。结果表明，最佳条件下，传统催化精馏的实验中乙酸转化率为 60%，而超重力环境下转速为700～800 rpm时乙酸转化率可达88%以上。

2.2 制备新材料

纳米材料因其优异的性能被广泛应用于化工、电子、医药、国防、航天等领域，其制备方法是近年来研究的热点。相比于传统的水热法、沉淀法、溶胶-凝胶法等纳米材料制备方法，超重力技术因其混合快、反应强、低能耗等优点应用于纳米粉体、纳米盐、纳米阻燃等纳米材料的制备中。

北京化工大学李亚玲等[7]应用超重力技术，以硝酸锌和硫化氢为原料，首次成功制备了分散性较好、粒径分布较窄的球形闪锌矿纳米硫化锌粒子，转化率高达97.5%，平均粒径30 nm。段绍君等[8]利用环形转盘的超重力旋转填料床制备超细碳酸锂粉体，并与传统的夹套反应器进行对比。结果表明，超重力旋转填料床制备出的产品形貌较好，无杂相，产出的粉体粒径更加均一。申红艳等[9]采用液-液反应机制即撞击流-旋转填料床反应器制备纳米氢氧化镁阻燃剂，研究表明：镁离子初始浓度为0.70 mol/L，镁离子和氢氧根离子摩尔浓度比为 1/2，转速为 900 rpm，液体流量为 40 L/h，反应温度为70℃时，可得到粒径为60～80 nm的六方片状氢氧化镁，解决了传统沉淀法存在的制备产品粒径分布不均匀、粒径大、沉降性能差等问题。

2.3 气体净化与分离

2.3.1 酸性气体处理

向良玉等[10]采用超重力技术处理高浓度SO2模拟烟气，以Na2SO3+NaOH／K2SO3+KOH为吸收剂，进行脱硫实验研究，结果表明，在超重力环境下SO2脱除率随吸收剂的pH值、超重力转速以及液气比的增加而增大。当吸收剂pH值在7及以上时，SO2脱除率便可以达到99%以上，实现了SO2的深度脱除，是烟气脱硫的理想选择。浙江巨化股份有限公司硫酸厂进行技术改造，用泡沫塔-超重力机两级氨法脱硫工艺取代原泡沫塔-复喷复挡装置两级氨法脱硫工艺处理酸性尾气，技术改造后72 h性能考核表明，新脱硫系统排放尾气ρ(SO2)最高429 mg/m3，最低 74 mg/m3，ρ(H2SO4)最高 31.9 mg/m3，最低 8.5 mg/m3，ρ(NH3)最高 27.9 mg/m3，最低 11.7 mg/m3。硫酸厂每年可节省SO2排污费约28.35万元，增产亚硫酸铵/亚硫酸氢铵产品产值约71.5万元/a，经济效益和环境效益可观[11]。赵晨希等[12]采用甘氨酸钠溶液为吸收剂，在超重力反应器中进行了CO2吸收实验。结果表明：CO2的吸收率随着转速的增加而上升，当转速达到1 000 rpm后，吸收率基本趋于稳定；CO2的吸收率随着吸收液温度的升高而升高，在90℃时可以达到83%以上。师小杰等[13]针对传统方法吸收过程复杂，设备密封要求较高且不稳定等问题提出了超重力法对室内低浓度的过量CO2气体进行处理，结果表明，在适宜的实验脱除条件下，超重力法对室内不同浓度CO2，气体的单次吸收率均达到26%以上且反应时间在0.1 s以内，经过8次循环CO2气体脱除率达到90%以上。

2.3.2 脱除VOCs

谷丽芬等[14]以三苯(苯、甲苯、二甲苯)为污染物，自制复配吸收液，对比了传统填料塔和超重力旋转填料床对苯系污染物的净化作用，研究结果表明，进气体积流量为0.50 m3/h，吸收液体积流量为0.08 m3/h，进气质量浓度为1.0～2.5 g/m3时，传统填料塔中苯、甲苯、二甲苯的脱除率最高依次为20%，11%，11%；在其他条件相同的情况下，超重力因子为22.23时，超重力旋转填料床中苯、甲苯、二甲苯的脱除率依次可高达50%，75%，77%，且随着三苯的进气质量浓度增加，超重力旋转填料床中三苯的脱除率逐渐提高。张自督[15]利用表面活性剂增大甲苯在吸收剂中的表观溶解度，同时采用旋转填料床作为吸收设备，建立超重力吸收法治理甲苯废气的工艺。采用吸收效果最优的复配吸收剂，考查了超重力因子、液气比等参数对甲苯吸收率的影响。通过实验得出在超重力因子为33.42，液气比为5～6.67 L/m3，气体流量为6 m3/h，入口甲苯浓度为500 mg/m3时，吸收率可达到74.2%左右。

2.3.3 强化除尘

传统的除尘设备存在处理效率低，设备体积大，难以处理超细粉尘等缺点。随着工业除尘标准的提高，已不能满足环境保护的要求。超重力技术因其能敏锐地捕捉超细粉尘而广泛地应用于除尘领域。超重机与其他工业除尘装置的对比见表1。

宋梓华[16]成功地将臭氧氧化技术-还原吸收技术与超重力除尘技术结合，应用于某催化厂除NOX的项目中。经超重力除尘后的气体由臭氧再次氧化，输送至经风机加压后的吸收塔进行二次除尘。项目除尘率高于90%，脱硝效率高于91%。李毅等[17]针对电石渣库顶的粉尘净化，开发了一种旋转超重力场高效除尘技术，并进行了工业化应用。除尘结果表明，电石渣库顶风量为20 000 m3/h时，设备阻力在300～800 Pa，除尘效率大于99%，解决了传统除尘设备在处理高粘度、高湿度、易结块气体时易发生堵塞的问题。

表1 超重机与其他除尘设备对比

2.4 海洋工程中的应用

海上油气工程开采时，需要向地下注入足够的水以维持地表压力。在将水注入地下的过程中，需要对注入的水进行脱氧处理，以免腐蚀管道以及防止微生物滋生。而伴随原油开发产生的天然气，难免会含有二氧化碳、硫化氢等酸性气体以及一定含量的水，需要进行天然气脱硫及脱水处理。随着超重力技术的不断深入研究，目前，已将超重力技术成功应用于海洋油气工程，对注入水脱氧、天然气脱硫及脱水。沈君芳等[18]研制的FL160型超重力设备用于注入水脱氧处理，通过天然气和海水气液两相的逆流接触，实现气液两相的传质，将海水中氧气溶入天然气中，使海水中的氧含量降至规定的指标。两台装置在胜利油田埕岛二号平台两年的运转表明，与传统的塔器脱氧装置相比，FL160型超重力设备体积小、脱氧效果好、质量轻、流程简单、运行成本低。北京化工大学团队[19]创新了超重力机的内部结构，如叶片层间隔排列多环式、结构化整体填料式等结构，应用于天然气脱硫处理中。经超重力机处理后的天然气中硫化氢含量可从53 000 mg·m-3左右降低至8 mg·m-3以下，且占地仅60 m2。张重德等[20]对比了几种海上油气田天然气脱水方法，针对甘醇脱水存在的设施占地面积大、处理量小等问题，提出采用超重力技术对天然气进行脱水。超重力技术的应用提高了甘醇的传质系数，增大了甘醇脱水处理量，同时超重力机占地面积小，作业更方便。超重力机不仅处理效率高，且运行稳定，移动方便，适用于海洋油田工程的异常情况中。刘杰等[21]针对某平台液化气脱硫塔和天然气脱硫塔进口H2S质量分数分别升高到600 μg/g和1 100 μg/g的异常情况，将超重力技术应用于海上平台现场脱硫实验。实验结果表明，超重力技术协同脱硫药剂技术可高效、经济地将油气水三相中的H2S质量分数降至15 μg/g以下，满足在异常情况下进行高效脱硫，保证混输海管的安全。

2.5 废水处理

废水处理的传统反应器存在传质效率低等问题，可将超重力技术与氧化工艺、生物处理工艺等传统废水处理工艺相结合以提高处理效率。童仁可等[22]以催化裂化汽油脱臭过程和液化气脱硫醇过程排放的混合废碱液为原料，将超重力技术与氧化技术结合，在旋转填料床中将废碱液中的硫化物氧化，超重力因子为96，废碱液处理量100 L/h，空气／废碱液的体积比为60，常压，氧化温度60℃时，脱硫率可达81%。秦月娇[23]用超重力技术强化O3／Fe(Ⅱ)工艺深度氧化降解苯胺废水，采用液相色谱-质谱联用仪分析苯胺废水降解的中间产物，探讨了苯胺降解过程的机理。实验结果表明，超重力因子的提高有利于苯胺的深度降解。实验最佳操作条件在超重力因子为 100，Fe(Ⅱ)浓度为 0.8 mmol·L-1，O3浓度为36 mg·L-1，pH值为3，苯胺初始浓度为200 mg·L-1时，12 min后苯胺去除率可达100%(检测不到)，60 min时TOC去除率可达73%。

2.6 其他应用

超重力技术可应用于生物工程的某些领域。何士敏等[24]探讨了超重处理对茎瘤芥种子生长发育的影响机理。研究表明，超重处理后茎瘤芥幼苗叶绿素含量和过氧化物酶活性都有不同程度的增加，而可溶性蛋白含量有不同程度的降低。同时，超重处理可增强茎瘤芥幼苗的抗倒伏能力、抗有害物的能力和合成有机物的能力。超重力技术因离心力作用使得机内物料残留量少，适于处理有毒物料或昂贵物料。超重力技术在金属熔体提纯、冶金领域也有应用。麦培林等[25]利用超重力场辅助的两步燃烧合成技术成功制备了致密的、具有良好抗氧化性能的Fe3Al合金。

3 结束语

超重力技术符合当今社会节能环保、低能耗的要求，同时传质效率高，广泛应用于化工分离、新材料制备、气体净化处理、海洋工程等领域。今后，以超重力技术复合其他传统方法，或用超重力技术进行预处理，同时完善超重力机内部结构，改善超重力设备的功能是超重力技术的突破点，以期超重力技术更广泛地应用于新领域中。