超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

孫永利，張宇，肖曉明，3

（1天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2天津大學(xué)精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心，天津 300072；3北洋國(guó)家精餾 技術(shù)工程發(fā)展有限公司，天津 300072）

超重力技術(shù)是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型技術(shù)[1]，基本原理是利用多相流體系在超重力場(chǎng)中的獨(dú)特流動(dòng)行為，強(qiáng)化相間的相對(duì)速度和接觸程度，其本質(zhì)就是為了強(qiáng)化“三傳一反”過(guò)程。目前來(lái)說(shuō)，超重力場(chǎng)主要是通過(guò)設(shè)備整機(jī)或部件的旋轉(zhuǎn)獲得，因此其實(shí)質(zhì)上就是比常規(guī)重力場(chǎng)大得多的離心力場(chǎng)，可以用特征參數(shù)——超重力因子來(lái)描述。相比常規(guī)填料塔和板式塔，超重力旋轉(zhuǎn)床在傳質(zhì)單元高度方面減小了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，顯著強(qiáng)化了氣液傳質(zhì)過(guò)程，縮小了設(shè)備體積，在至今三十多年時(shí)間里已被成功應(yīng)用于精餾[2]、吸收[3]、有機(jī)化合物脫揮[4]、納米材料制備[5]和磺化反應(yīng)[6]等相關(guān)領(lǐng)域。

超重力旋轉(zhuǎn)床的核心部件是內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，隨著其結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，超重力旋轉(zhuǎn)床能處理的物系越來(lái)越多，不僅構(gòu)成轉(zhuǎn)子的填料在不斷變化，轉(zhuǎn)子的構(gòu)成也不再只是拘泥于填料形式，出現(xiàn)了諸如旋轉(zhuǎn)板式床（rotating trayed bed，RTB）等新型超重力旋轉(zhuǎn)床，從最開(kāi)始的一體化轉(zhuǎn)子衍生出了后來(lái)的分區(qū)轉(zhuǎn)子?，F(xiàn)階段，超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)演變主要是從流體力學(xué)、傳質(zhì)性能和能耗方面進(jìn)行不斷權(quán)衡與優(yōu)化，以滿(mǎn)足不同分離過(guò)程的需求，本文主要從這方面入手介紹一些頗具代表性的超重力旋轉(zhuǎn)床的基本結(jié)構(gòu)和研究近況。

1 一體化轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床

一體化轉(zhuǎn)子是指在超重力旋轉(zhuǎn)床中，整個(gè)轉(zhuǎn)子各個(gè)部分按相同方向和相同角速度共同旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成一個(gè)整體性的轉(zhuǎn)子。旋轉(zhuǎn)填料床（rotating packed bed，RPB）作為第一臺(tái)超重力設(shè)備，采用的便是一體化轉(zhuǎn)子，至今仍廣泛地應(yīng)用于各種化工分離過(guò) 程中。

1.1 傳統(tǒng)填料旋轉(zhuǎn)床

世界上第一臺(tái)RPB由英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司的Ramshaw教授等[7]發(fā)明，該設(shè)備顯著強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程，獲得了比傳統(tǒng)填料塔更好的傳質(zhì)效果。在這之后，研究者們主要將精力集中在轉(zhuǎn)子內(nèi)部填料的選型上，出現(xiàn)了各種不同絲網(wǎng)填料及其組合形式的旋轉(zhuǎn)床[8-12]。此外，其他填料形式還包括塑料網(wǎng)狀填料[13]、泡沫金屬填料[14-15]、玻璃微珠填料[16]和三角形螺旋填料[17-21]等。

李振虎等[22]以空氣-H2O-SO2實(shí)驗(yàn)物系研究對(duì)比了兩種裝有不同絲網(wǎng)填料旋轉(zhuǎn)床的壓降特性。結(jié)果顯示，與普通絲網(wǎng)填料旋轉(zhuǎn)床相比，RS鋼波紋絲網(wǎng)填料旋轉(zhuǎn)床壓降減小約23%，這充分說(shuō)明超重力旋轉(zhuǎn)床的流體動(dòng)力學(xué)性能受轉(zhuǎn)子填料形式影響較大，在填料的選型方面還具有很大的上升空間。栗秀萍等[23]選用乙醇-水為實(shí)驗(yàn)物系，在一臺(tái)內(nèi)外徑分別為60mm和180mm、高度為40mm的波紋絲網(wǎng)填料旋轉(zhuǎn)床中進(jìn)行了精餾實(shí)驗(yàn)，測(cè)得其理論塔板高度約為10.9～17.6mm，而在傳統(tǒng)填料塔中，這一數(shù)值往往在數(shù)百毫米以上[24]。

RPB的出現(xiàn)為化工過(guò)程強(qiáng)化領(lǐng)域帶來(lái)了新的活力，能在很大程度上強(qiáng)化“三傳一反”過(guò)程。但在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，必須解決好設(shè)備的動(dòng)平衡問(wèn)題，使得RPB能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，這是很多生產(chǎn)企業(yè)十分重視的問(wèn)題。

1.2 同心環(huán)波紋碟片旋轉(zhuǎn)床

20世紀(jì)90年代，由于內(nèi)外壓力梯度過(guò)大，常用的RPB流道一般都較短，不利于多相傳質(zhì)反應(yīng)，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，不利于制造、安裝和維護(hù)。因此，如何設(shè)計(jì)一種壓降低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的新型旋轉(zhuǎn)床成為當(dāng)時(shí)的技術(shù)難題。

針對(duì)上述問(wèn)題，華南理工大學(xué)鄧先和等[25]于1996年發(fā)明了同心環(huán)波紋碟片旋轉(zhuǎn)床，其基本結(jié)構(gòu)為將多塊同心圓環(huán)薄板沿軸線(xiàn)排布成環(huán)形體形式，如圖1(a)所示。該旋轉(zhuǎn)床具有排液順暢、壓降小、制造、安裝和維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

簡(jiǎn)棄非等[26]以空氣-CO2-NaOH體系研究了鋁質(zhì)同心環(huán)波紋碟片旋轉(zhuǎn)床的干床氣相壓降和傳質(zhì)特性。在相同操作狀態(tài)下，其干床壓降為金屬絲網(wǎng)填料旋轉(zhuǎn)床的60%，等板高度為12.4～23.0mm，與傳統(tǒng)RPB基本相當(dāng)，顯示了其良好的壓降和傳質(zhì)性能。

此外，同心環(huán)波紋碟片旋轉(zhuǎn)床還被應(yīng)用于制備粒徑范圍在20～30nm的納米碳酸鈣[27]。研究表明，轉(zhuǎn)速n=1100r/min、CO2體積分?jǐn)?shù)為40%且晶型控制劑使用量約為Ca(OH)2質(zhì)量的0.5%時(shí)是反應(yīng)的最佳操作條件，此時(shí)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程得到充分的強(qiáng)化，這為納米材料的制備方法提供了又一成功范例。

總體來(lái)說(shuō)，同心環(huán)波紋碟片旋轉(zhuǎn)床的出現(xiàn)成功解決了當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)RPB存在的問(wèn)題，降低設(shè)備壓降的同時(shí)還保持了良好的傳質(zhì)性能，對(duì)未來(lái)超重力旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化具有顯著的指導(dǎo)意義。

1.3 葉片填料旋轉(zhuǎn)床

由于傳統(tǒng)RPB在處理大蒸氣量中的揮發(fā)性有機(jī)污染物時(shí)氣相壓降較大，臺(tái)灣長(zhǎng)庚大學(xué)Lin等[28]首次在超重力旋轉(zhuǎn)床中采用葉片填料形式的轉(zhuǎn)子，如圖1(b)所示。旋轉(zhuǎn)床中轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑分別為19.5mm和62.5mm，高度為29.5mm，填料比表面積為299m2/m3，空隙率為0.97，由12個(gè)葉片按30°間隔沿徑向排布，每個(gè)葉片表面均覆蓋有不銹鋼絲網(wǎng)，氣液兩相在葉片之間的通道以逆流形式接觸。在水脫氧和異丙醇吸收實(shí)驗(yàn)中研究了葉片填料旋轉(zhuǎn)床的壓降和傳質(zhì)特性，結(jié)果顯示，其氣相壓降比傳統(tǒng)RPB低。實(shí)驗(yàn)中，葉片填料旋轉(zhuǎn)床的等板高度分別為22～24mm和11～33mm，傳質(zhì)性能稍遜于傳統(tǒng)RPB，但相差不大。

目前，葉片填料旋轉(zhuǎn)床已被成功應(yīng)用于揮發(fā)性有機(jī)污染物的吸收、蒸氣中脫除甲醇和正丁醇等分離過(guò)程中[29-30]，為各種溶劑回收過(guò)程提供了良好的技術(shù)支持。

葉片填料旋轉(zhuǎn)床在盡可能不過(guò)多影響到傳質(zhì)性能的前提下，降低了設(shè)備壓降，但是這種降低程度十分有限，未來(lái)可以著重從葉片的布置和葉片表面的填料入手對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化。

1.4 翅片導(dǎo)流板旋轉(zhuǎn)填料床

翅片導(dǎo)流板填料旋轉(zhuǎn)床是為了保持設(shè)備動(dòng)平衡、延長(zhǎng)氣液接觸時(shí)間和解決液沫夾帶等問(wèn)題而發(fā)明的，氣相和液相在翅片導(dǎo)流板填料中逆流接觸，其結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示。

中北大學(xué)栗秀萍等[31-32]分別以乙醇-水、甲醇-水為介質(zhì)，在常壓下以多級(jí)翅片導(dǎo)流板旋轉(zhuǎn)填料床進(jìn)行了連續(xù)精餾實(shí)驗(yàn)，探究了超重力因子、原料液流量和回流比對(duì)傳質(zhì)的影響，并進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)。顯著性由高到低依次是回流比、超重力因子和原料液流量，證明在超重力設(shè)備中的精餾過(guò)程仍然受回流比影響最為嚴(yán)重。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，多級(jí)翅片導(dǎo)流板旋轉(zhuǎn)床的等板高度達(dá)到了4.8～11.9mm，傳質(zhì)性能已優(yōu)于大部分傳統(tǒng)RPB，傳質(zhì)效果得到很大提升。

翅片導(dǎo)流板填料有效利用了填料層的軸向和徑向空間，其空間利用率得到極大提升，同時(shí)還延長(zhǎng)了氣液兩相在填料床中的接觸時(shí)間和距離。但將多級(jí)翅片導(dǎo)流板旋轉(zhuǎn)填料床應(yīng)用于工業(yè)中時(shí)，與實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比存在一定的放大效應(yīng)。因此多級(jí)翅片導(dǎo)流板旋轉(zhuǎn)填料床在工業(yè)應(yīng)用方面仍具有較大的技術(shù)難度，在設(shè)備放大后應(yīng)更加注重其動(dòng)平衡性。

1.5 多孔波紋板錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床

由于逆流旋轉(zhuǎn)床存在壓降大、氣液處理量小等缺點(diǎn)，研究人員逐漸把精力轉(zhuǎn)移到錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床上，而多孔波紋板旋轉(zhuǎn)床即屬于錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床的一種，具有動(dòng)平衡性好、放大效應(yīng)不明顯等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示。

圖1 一體化轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)示意

焦緯洲等[33-35]對(duì)多孔波紋板錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行了各項(xiàng)深入研究，以空氣-水為實(shí)驗(yàn)物系，研究了兩種板間距填料的流體動(dòng)力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)操作范圍內(nèi)其濕床壓降為15～179.9Pa，不到近似操作條件下逆流旋轉(zhuǎn)床[36-37]的十分之一。同時(shí)，還以CO2-NaOH為實(shí)驗(yàn)物系，研究了兩種板間距填料的傳質(zhì)性能。結(jié)果顯示，其液相體積傳質(zhì)系數(shù)KLae在兩種相似操作條件下分別為0.857/s和1.087/s，僅比文獻(xiàn)[8]中金屬絲網(wǎng)填料逆流旋轉(zhuǎn)床略小。

從結(jié)果顯示來(lái)看，多孔波紋板錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床通過(guò)氣液接觸方式的改變大大降低了設(shè)備壓降，而傳質(zhì)性能只是略微降低，這為未來(lái)對(duì)這兩方面的權(quán)衡提供了很好的以小換大的思路。

1.6 螺旋通道型旋轉(zhuǎn)床

螺旋通道型旋轉(zhuǎn)床（rotating bed with helix channels，RBHC），又稱(chēng)旋轉(zhuǎn)床超重力反應(yīng)器，最初由湘潭大學(xué)周繼承等[38]發(fā)明，主要是為了解決現(xiàn)有RPB必須裝填填料和易堵塞等問(wèn)題。其轉(zhuǎn)子的中央進(jìn)料腔外設(shè)有1～100條內(nèi)端與轉(zhuǎn)子進(jìn)料腔相連，且外端與殼體的內(nèi)腔相通的封閉阿基米德螺旋線(xiàn)型通道，如圖2所示。將RBHC應(yīng)用于氣-液、液-液和氣-固-液等多相反應(yīng)，可極大強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。如用于石灰水懸浮液吸收CO2進(jìn)行碳化反應(yīng)，制備粒徑在10～100nm的納米碳酸鈣，以及石灰水懸浮液吸收煙氣中的SO2，其反應(yīng)吸收率能達(dá)到99.5%。

圖2 螺旋通道型旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意

目前來(lái)說(shuō)，RBHC大多被應(yīng)用于納米材料的制備[39-40]，并取得了很好的效果。近期，研究人員將RBHC與共沉淀法相結(jié)合，創(chuàng)新性地提出了RBHC超重力反應(yīng)共沉淀法，并成功制備出納米級(jí)的尖晶石錳酸鋰，平均粒徑約為60nm[41]，進(jìn)一步深化了RBHC在納米材料制備方面的應(yīng)用。

然而，對(duì)于RBHC的研究絕不應(yīng)止步于納米材料的制備，未來(lái)需要開(kāi)發(fā)更多其他類(lèi)型功能材料的新工藝，尤其是高分子功能材料方面，以進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍。

1.7 逆流型同心圈超重力旋轉(zhuǎn)床

圖3 逆流型同心圈超重力旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)示意

為了克服現(xiàn)有超重力設(shè)備壓降大和轉(zhuǎn)子持液量大的缺點(diǎn)，浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)建炳等[42]發(fā)明了一種使用效果更好的逆流型同心圈超重力旋轉(zhuǎn)床。 該設(shè)備轉(zhuǎn)子中的氣液接觸元件由折流板式超重力旋轉(zhuǎn)床（rotating zigzag bed，RZB）的動(dòng)靜折流板更換成了同心篩孔動(dòng)圈，取消了靜折流板的設(shè)置，但保留了RZB原有的動(dòng)靜盤(pán)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，這也使得該轉(zhuǎn)子具有同RZB一樣能輕易實(shí)現(xiàn)中間進(jìn)料和安裝多層轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)靜折流板的取消還極大地減小了氣相壓降和功耗，并具有較大的通量且不易液泛。以乙醇-水為實(shí)驗(yàn)物系在常壓下進(jìn)行了精餾實(shí)驗(yàn)，研究了該設(shè)備的傳質(zhì)性能，發(fā)現(xiàn)其在精餾過(guò)程中存在明顯的端效應(yīng)，并給出了考慮內(nèi)外端效應(yīng)的精餾關(guān)聯(lián)式。精餾實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其傳質(zhì)效率不如RZB，但氣相壓降比RZB減小了5～6倍，氣液通量是RZB的5倍以上，且在實(shí)驗(yàn)操作范圍內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)液泛現(xiàn)象。

靜折流板的取消確實(shí)會(huì)顯著降低功耗和壓降，但是這也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部流道變得過(guò)于簡(jiǎn)單，減小了氣液擾動(dòng)，傳質(zhì)性能的降低也就不足為奇。由于該設(shè)備的端效應(yīng)十分明顯，可以考慮增大端效應(yīng)范圍以提升其傳質(zhì)效率，充分發(fā)揮在精餾過(guò)程中的積極作用。

1.8 錯(cuò)流型同心圈超重力旋轉(zhuǎn)床

傳質(zhì)設(shè)備內(nèi)的氣液接觸方式在很大程度上影響了設(shè)備的壓降和傳質(zhì)性能，一般來(lái)說(shuō)，氣液逆流接觸是傳質(zhì)過(guò)程的最佳接觸方式，但這會(huì)顯著增大設(shè)備內(nèi)的流體阻力。因此，如何權(quán)衡這兩方面是學(xué)者們應(yīng)重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

由浙江工業(yè)大學(xué)王廣全、計(jì)建炳等[43]設(shè)計(jì)的錯(cuò)流型同心圈旋轉(zhuǎn)床（crossflow concentric-baffle rotating bed，CRB）的基本結(jié)構(gòu)與逆流型同心圈旋轉(zhuǎn)床大致相同，只是同心圈開(kāi)孔方式不同使得氣液接觸方式由逆流變?yōu)殄e(cuò)流。在殼體直徑為300mm、轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑分別為100mm和242mm，轉(zhuǎn)子高度為80mm的CRB中，以乙醇-水為實(shí)驗(yàn)物系進(jìn)行了精餾實(shí)驗(yàn)，在不同操作條件下考察了壓降、軸功率和傳質(zhì)特性。在實(shí)驗(yàn)操作條件下，CRB的壓降范圍在100～600Pa之間，軸功耗在100～250W之間，理論板效率約為10%～15%。與RZB相比，CRB每一接觸級(jí)的壓降和軸功率更小，返混程度也得到有效降低，但是傳質(zhì)效率僅是RZB的三分之一。

針對(duì)CRB傳質(zhì)效率不高的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)者們[44]又從液體分布器、密封、流體接觸方式3個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。經(jīng)過(guò)各個(gè)方面的對(duì)比選擇，最終優(yōu)化方案為無(wú)液體分布器，密封采取汽封形式，保留氣液間錯(cuò)流接觸。優(yōu)化后的CRB板效率達(dá)到了RZB的60%，相比優(yōu)化前其傳質(zhì)效率幾乎提升了一倍，適當(dāng)彌補(bǔ)了氣液接觸方式改變所造成的傳質(zhì)性能的損失。

一種新型設(shè)備的出現(xiàn)，不能因?yàn)槟骋环矫嫘阅艿牡土泳头穸ㄆ浯嬖诘囊饬x，考慮各方面因素進(jìn)行更深層次的優(yōu)化，往往也能取得意想不到的效果。但對(duì)于CRB來(lái)說(shuō)，畢竟還是存在傳質(zhì)效率較低這一短板，因此在實(shí)際應(yīng)用中要盡量揚(yáng)長(zhǎng)避短，考慮將其應(yīng)用于一些對(duì)傳質(zhì)要求不高而流體阻力較大的場(chǎng)合，以充分發(fā)揮CRB的優(yōu)點(diǎn)。

1.9 網(wǎng)板填料復(fù)合旋轉(zhuǎn)床

進(jìn)入21世紀(jì)以后，超重力旋轉(zhuǎn)床的發(fā)展開(kāi)始傾向于一種復(fù)合型旋轉(zhuǎn)床，其結(jié)構(gòu)特征介于RPB和RZB之間。這樣，兩種類(lèi)型旋轉(zhuǎn)床的優(yōu)點(diǎn)都能有所兼顧，適用性更強(qiáng)。

浙江工業(yè)大學(xué)姚文、計(jì)建炳等[45-46]在總結(jié)RPB和RZB優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，成功開(kāi)發(fā)出一種通量大、壓降小的新型高效的網(wǎng)板填料復(fù)合旋轉(zhuǎn)床（rotating compound bed，RCB）。該旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子由上下兩塊旋轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)和固定在其中的同心環(huán)網(wǎng)板組成，形成一個(gè)整體一起轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4所示。在相鄰?fù)沫h(huán)網(wǎng)板間有填料填充，轉(zhuǎn)子中心安裝有旋轉(zhuǎn)液體分布器，分布器外壁開(kāi)設(shè)了16個(gè)噴液小孔，氣相與液相在其中進(jìn)行逆流接觸。同時(shí)，在RCB轉(zhuǎn)子中填充不銹鋼鮑爾環(huán)，以空氣-水、乙醇-水物系在RCB中進(jìn)行了流體力學(xué)與傳質(zhì)性能實(shí)驗(yàn)，考察了氣液流量和轉(zhuǎn)速對(duì)RCB壓降和傳質(zhì)性能的影響。隨后，又選擇乙醇-水物系，以精餾實(shí)驗(yàn)研究了RCB中無(wú)填料填充、同心環(huán)網(wǎng)板間徑向填充鮑爾環(huán)、軸向填充鮑爾環(huán)及周向填充鮑爾環(huán)這4種轉(zhuǎn)子的傳質(zhì)性能。結(jié)果顯示RCB的等板高度最低能達(dá)到28mm，傳質(zhì)性能介于RZB和傳統(tǒng)RPB之間。不同填充方式的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)由大到小依次為：周向填充、軸向填充、 徑向填充和無(wú)填充，獲得了最佳的結(jié)構(gòu)形式。

圖4 網(wǎng)板填料復(fù)合旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)示意

目前，將其他填料填充入RCB中的研究并沒(méi)有公開(kāi)報(bào)道，可以橫向比較填充各種填料類(lèi)型RCB的各方面性能和適用性，以彌補(bǔ)這方面的的不足。

2 分區(qū)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床

分區(qū)轉(zhuǎn)子最大的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子本身不作為一個(gè)整體統(tǒng)一旋轉(zhuǎn)，而是被劃分為幾個(gè)獨(dú)立的部分。分區(qū)轉(zhuǎn)子主要有兩種形式：一種是一部分旋轉(zhuǎn)而另一部分靜止；另一種則是兩部分分別按不同方向或相同方向旋轉(zhuǎn)。

2.1 折流板式超重力旋轉(zhuǎn)床

傳統(tǒng)RPB轉(zhuǎn)子內(nèi)氣液接觸時(shí)間過(guò)短，液體分布不均勻，需設(shè)置兩處動(dòng)密封導(dǎo)致制作加工復(fù)雜，且單一旋轉(zhuǎn)床難以實(shí)現(xiàn)中間進(jìn)料。20世紀(jì)雖然已經(jīng)出現(xiàn)了RTB，但是整個(gè)轉(zhuǎn)子仍然只包含“動(dòng)”的概念。

21世紀(jì)初，由浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)建炳等[47]設(shè)計(jì)并發(fā)明的RZB屬于最典型的動(dòng)靜結(jié)合形式。如圖5(a)所示，RZB的整個(gè)轉(zhuǎn)子由上下動(dòng)靜盤(pán)和動(dòng)靜折流板組合而成，動(dòng)盤(pán)連接在旋轉(zhuǎn)軸上隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，靜盤(pán)則靜止固定在殼體上。安裝在動(dòng)靜盤(pán)上的動(dòng)靜折流板相互嵌套形成供氣液流通的折流式通道，動(dòng)折流板上部一般開(kāi)有小孔。氣相在壓力差的作用下從氣相入口流入，以螺旋上升和下降的方式從轉(zhuǎn)子外部沿徑向到達(dá)轉(zhuǎn)子內(nèi)部，最后從氣相出口排出。液相則在離心力的作用下沿徑向向轉(zhuǎn)子外部甩出，不斷重復(fù)破碎-聚集的過(guò)程，并與氣相密切接觸（錯(cuò)流與逆流接觸并存），最后由殼體收集并從液相出口 排出。

隨后，計(jì)建炳等[48]又發(fā)明了多層折流板式超重力旋轉(zhuǎn)床，即在RZB殼體內(nèi)安裝由上往下呈多級(jí)式排列的3層轉(zhuǎn)子，如圖5(b)所示。這種結(jié)構(gòu)能使RZB的傳質(zhì)性能大幅提高，但是很顯然，其功耗必定也是急劇增加的。

圖5 折流式超重力旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)示意

自RZB問(wèn)世以來(lái)，各種研究工作相繼得到開(kāi) 展。王廣全等[49]分別以空氣-水、乙醇-水體系對(duì)RZB的流體動(dòng)力學(xué)和傳質(zhì)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探究了氣體流量、回流液量和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)其壓降和理論板數(shù)的影響，且實(shí)驗(yàn)測(cè)得RZB的理論塔板高度約為50 mm，傳質(zhì)效果不如傳統(tǒng)RPB[50]。李育敏等[51-52]論述了RZB功耗的組成部分，建立了可以預(yù)測(cè)零氣速時(shí)理想液體功耗的數(shù)學(xué)模型。研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)條件下RPB的液相功耗為200～600W，而RZB則為400～1500W，幾乎是RPB的2.5倍，因此如何有效降低RZB的功耗仍是一個(gè)值得深入研究的課題。計(jì)建炳等[53]不僅基于經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式給出了RZB的壓降模型，還從氣體切向速度的角度建立了氣相壓降模型，給出了超重力旋轉(zhuǎn)床濕床壓降小于干床壓降的原因。結(jié)果顯示，基于氣體切向速度的壓降模型偏差小于基于經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的壓降模型，且該模型同樣適用于傳統(tǒng)RPB。

目前來(lái)說(shuō)，因?yàn)槟茌p易實(shí)現(xiàn)中間進(jìn)料的優(yōu)點(diǎn)，RZB一般是應(yīng)用于各種連續(xù)精餾過(guò)程[54]，如常規(guī)精餾和萃取精餾等，其他單元操作則有待進(jìn)一步拓展。

動(dòng)靜結(jié)合是RZB最大的特征，這一創(chuàng)新性思路為超重力設(shè)備帶來(lái)了許多巨大的好處，但是靜折流板的引入必定會(huì)增加相當(dāng)大的液相功耗，這對(duì)于功耗本就巨大的超重力旋轉(zhuǎn)床來(lái)說(shuō)無(wú)疑是雪上加霜。此外，多層轉(zhuǎn)子的安裝則又進(jìn)一步增加了功耗需求，并且要求各層轉(zhuǎn)子仍能保持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定連續(xù)旋轉(zhuǎn)也是一個(gè)不小的考驗(yàn)。因此，RZB本身仍具有很大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間，如更加合理地布置轉(zhuǎn)子內(nèi)部的折流式通道能有效減小流體流動(dòng)的阻力，降低RZB的功耗。而RZB傳質(zhì)效果較差是由其內(nèi)部氣液擾動(dòng)不夠強(qiáng)烈和氣液接觸面積小所致，可以設(shè)計(jì)新型的異型折流板代替原有的規(guī)則折流板彌補(bǔ)這一缺陷。

2.2 定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器

現(xiàn)有傳統(tǒng)RPB的轉(zhuǎn)子為填料層結(jié)構(gòu)，用于高黏度物系和結(jié)晶沉淀體系時(shí)容易發(fā)生堵塞，因此必須定期清洗，日常維護(hù)較為麻煩。

陳建峰等[55]發(fā)明了一種可應(yīng)用于多相體系的定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器，可應(yīng)用于多相反應(yīng)、萃取、吸收和解吸等化工過(guò)程。定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖6所示，殼體一側(cè)與端蓋相連，端蓋上安裝有噴嘴，另一側(cè)與電動(dòng)機(jī)相連，殼體上還安裝有出料口。反應(yīng)器的定子由端蓋和多層同心環(huán)或者柱銷(xiāo)組成，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子座和多層同心環(huán)或柱銷(xiāo)組成，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到3000r/min。定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器應(yīng)用于液-液體系制取粉體Mg(OH)2，能得到平均粒徑在70～90nm的產(chǎn)品，而應(yīng)用于氣-液-固反應(yīng)體系，也能成功得到平均粒徑為15～40nm的納米碳酸鈣。此外，對(duì)于水脫氧體系，該反應(yīng)器同樣能取得良好效果，如含氧量為10 000mg/m3的水經(jīng)過(guò)定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器處理脫氧后，水中含氧量?jī)H為30mg/m3。

圖6 定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意

定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器對(duì)很多化工工藝過(guò)程均具有很強(qiáng)的適用性，流體在定-轉(zhuǎn)子之間受到高剪切力的作 用處于高度湍流狀態(tài)，因而具有較好的自清洗作用。且用于氣-液兩相反應(yīng)時(shí)，該設(shè)備不存在氣體短路問(wèn)題，不必設(shè)置內(nèi)密封，使得結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，設(shè)備組裝與拆卸也更加便利，應(yīng)用前景十分良好。

2.3 同心填料環(huán)超重力旋轉(zhuǎn)床

傳統(tǒng)RPB允許轉(zhuǎn)子中的填料具有較大的表面面積，且能夠提高液相傳質(zhì)系數(shù)，但是由于氣體和填料間的切向滑移速度很小，和傳統(tǒng)填料塔相比，其氣相傳質(zhì)系數(shù)并沒(méi)有得到有效提高。

印度理工學(xué)院Rao等[56]將轉(zhuǎn)子填料撕裂成同心環(huán)形式，一部分固定于底盤(pán)，而另一部分固定于頂盤(pán)，如圖7所示，使得相鄰?fù)奶盍檄h(huán)按不同的方向旋轉(zhuǎn)，將切向滑移速度增大至5～30m/s，由此提高氣相傳質(zhì)系數(shù)，這種形式的旋轉(zhuǎn)床被稱(chēng)為同心填料環(huán)旋轉(zhuǎn)床。研究發(fā)現(xiàn)一個(gè)意想不到的事實(shí)，即同心環(huán)逆向旋轉(zhuǎn)時(shí)的總壓降比按相同方向旋轉(zhuǎn)時(shí)要低，其原因還有待進(jìn)一步解釋。

隨后，該學(xué)院的學(xué)者在水的蒸發(fā)冷凝實(shí)驗(yàn)中[57]驗(yàn)證了將同心填料環(huán)旋轉(zhuǎn)床作為冷卻塔的適用性，并通過(guò)吸收和精餾實(shí)驗(yàn)[58-60]相繼研究了其傳質(zhì)性能和液泛特性，發(fā)現(xiàn)其傳質(zhì)系數(shù)比傳統(tǒng)填料塔高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)轉(zhuǎn)速n=1100r/min，氣相動(dòng)能因子F=0.6(m/s)(kg/m3)0.5時(shí)，等板高度為29mm，液泛范圍基本與傳統(tǒng)RPB相當(dāng)。

利用物理學(xué)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，兩部分轉(zhuǎn)子逆向旋轉(zhuǎn)的同心填料環(huán)旋轉(zhuǎn)床成功增大了氣體和轉(zhuǎn)子之間的切向滑移速度，能進(jìn)一步強(qiáng)化動(dòng)量傳遞和傳質(zhì)過(guò)程。同時(shí)，考慮到現(xiàn)實(shí)中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高是有一定限度的，因此，將對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子提速的重?fù)?dān)分?jǐn)偟絻刹糠稚先ィ瑹o(wú)疑是一個(gè)很好的思路。不過(guò)，如何協(xié)調(diào)好這兩部分的正常穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)也是值得注意的問(wèn)題，需要從機(jī)械和材料的角度進(jìn)一步進(jìn)行深入 研究。

2.4 新型多級(jí)逆流式超重力旋轉(zhuǎn)床

圖7 同心填料環(huán)超重力旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)示意

自RZB被發(fā)明以來(lái)，其在連續(xù)精餾方面的應(yīng) 用已得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可。但是由于折流式轉(zhuǎn)子內(nèi)氣液接觸面積不如RPB，限制了其傳質(zhì)效率的提高。

北京化工大學(xué)陳建峰等[61]基于RPB和RZB各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了一種新型多級(jí)逆流式超重力旋轉(zhuǎn)床（multi-stage counter-current rotating packed bed，MSCC-RPB）。該裝置在旋轉(zhuǎn)軸上串聯(lián)兩個(gè)或兩個(gè)以上轉(zhuǎn)子，由靜盤(pán)和動(dòng)盤(pán)嵌套形成。具有環(huán)壁開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的靜環(huán)安裝在靜盤(pán)上并與殼體固定相連，動(dòng)盤(pán)上則設(shè)置有同心分層填料動(dòng)環(huán)且與旋轉(zhuǎn)軸連接并隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。該設(shè)備不僅可以像RZB一樣能解決中間進(jìn)料問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備連續(xù)精餾過(guò)程，還如RPB一樣具有較大的氣液接觸面積，從而提升了氣液傳質(zhì)效率。常壓下以乙醇-水體系研究了MSCC-RPB的精餾性能，在實(shí)驗(yàn)操作范圍內(nèi)，MSCC-RPB理論塔板高度為19.5～31.4mm，與兩臺(tái)串聯(lián)RPB理論塔板高度相當(dāng)，其傳質(zhì)效率比RZB提高近一倍且最佳轉(zhuǎn)速更低。

圖8 新型多級(jí)逆流式超重力旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)示意

羅勇等[62]以空氣-水、空氣-甘油體系研究了裝填有不銹鋼金屬絲網(wǎng)填料的二級(jí)逆流式旋轉(zhuǎn)床（two-stage counter-current rotating packed bed，TSCC-RPB）的氣相壓降和液泛特性，與一般超重力旋轉(zhuǎn)床基本一致；同時(shí)在常壓下，以丙酮-水體系對(duì)TSCC-RPB進(jìn)行了精餾實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，填料層厚度為200mm時(shí)，其理論板數(shù)為4.94～11.57，優(yōu)于相應(yīng)RZB的精餾性能。

這種新型旋轉(zhuǎn)床的出現(xiàn)充分體現(xiàn)了儒家“中庸”的思想，同時(shí)也是糅合各家所長(zhǎng)的生動(dòng)表現(xiàn)，使得超重力旋轉(zhuǎn)床對(duì)于各種化工單元操作的適用性更強(qiáng)，為未來(lái)超重力旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)拓了視野，提供了更廣闊的思路。

3 結(jié) 語(yǔ)

自第一臺(tái)超重力設(shè)備出現(xiàn)到現(xiàn)在，已經(jīng)過(guò)去了三十余年，經(jīng)過(guò)眾多研究者們的設(shè)計(jì)與不斷改良，超重力旋轉(zhuǎn)床的類(lèi)型越來(lái)越豐富，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。但是，超重力旋轉(zhuǎn)床在化工過(guò)程強(qiáng)化方面的優(yōu)勢(shì)，仍然難以彌補(bǔ)其機(jī)械結(jié)構(gòu)所原有的劣勢(shì)，設(shè)備放大后超重力旋轉(zhuǎn)床連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)平衡問(wèn)題依舊存在，這是所有高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)必須要重視的最實(shí)際的問(wèn)題。同時(shí)，關(guān)于壓降、傳質(zhì)和能耗三方面的權(quán)衡也是未來(lái)所有設(shè)計(jì)者們?nèi)匀恍枰J(rèn)真思考的問(wèn)題，應(yīng)從基本原理的角度出發(fā)對(duì)超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以滿(mǎn)足更多化工單元操作過(guò)程的工業(yè)化應(yīng)用。

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