陸佳冬,王廣全,耿康生,計(jì)建炳
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超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與性能研究進(jìn)展
陸佳冬,王廣全,耿康生,計(jì)建炳
(浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,浙江省生物燃料利用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 310014)
超重力旋轉(zhuǎn)床自問世以來(lái)受到了廣泛的關(guān)注,并已應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)之中。目前,超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主要是根據(jù)其流體力學(xué)以及傳質(zhì)性能的要求不斷地進(jìn)行優(yōu)化。本文根據(jù)超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同,將其分為填料式、板式和復(fù)合式3種類型,并據(jù)此介紹了不同類型超重力旋轉(zhuǎn)床的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀,并對(duì)其流體力學(xué)和傳質(zhì)性能進(jìn)行了總結(jié)、對(duì)比和分析,指出了不同類型超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)和可能存在的問題,對(duì)化工生產(chǎn)過程中超重力旋轉(zhuǎn)床的選型以及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的研究具有指導(dǎo)作用。最后提出了超重力旋轉(zhuǎn)床在應(yīng)用方面研究的不足,并對(duì)其未來(lái)可能的發(fā)展方向進(jìn)行展望,指出超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可以從填料和液體分布等方面進(jìn)行研究,應(yīng)用范圍可以從裝備集成方面進(jìn)行拓展。
超重力旋轉(zhuǎn)床;轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);填料床;流體力學(xué);傳質(zhì)
過程強(qiáng)化技術(shù)是指在完成生產(chǎn)目標(biāo)的前提下,大幅減小設(shè)備體積以及數(shù)量,從而提高生產(chǎn)效率,減少污染,降低成本的一種技術(shù)。隨著“三高”問題的重視,世界各國(guó)希望使用化工過程強(qiáng)化技術(shù)來(lái)改革當(dāng)代化學(xué)工業(yè)[1]。超重力技術(shù)是化工過程強(qiáng)化技術(shù)之一,起源于20世紀(jì)70年代末[2],其基本原理是利用離心力場(chǎng)取代重力場(chǎng),強(qiáng)化多相流之間的傳質(zhì)、傳熱等過程。與傳統(tǒng)的板式塔和填料塔相比,超重力旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)系數(shù)可提高1~3個(gè)數(shù)量級(jí),并且具有設(shè)備體積小、成本低、占地面積小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)[3]。目前,超重力技術(shù)已成功應(yīng)用于精 餾[4]、萃取[5]、有機(jī)化合物的脫揮[6]、吸附[7]等工業(yè)領(lǐng)域。
超重力旋轉(zhuǎn)床主要由轉(zhuǎn)子和殼體組成,其核心部件為轉(zhuǎn)子。隨著關(guān)于超重力旋轉(zhuǎn)床理論和應(yīng)用研究的不斷深入,文獻(xiàn)中已報(bào)道了許多不同類型的超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。除了最早的填料式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)之外,還出現(xiàn)了氣液接觸時(shí)間更長(zhǎng)、安裝更加方便的板式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。本文從以上方面入手,綜述了一些具有代表性的超重力旋轉(zhuǎn)床的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),對(duì)其壓降和傳質(zhì)性能進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比,并闡述了超重力旋轉(zhuǎn)床未來(lái)可能的發(fā)展方向和應(yīng)用前景。
填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床是最早出現(xiàn)的超重力旋轉(zhuǎn)床。世界上第一臺(tái)旋轉(zhuǎn)填料床(RPB)是由英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司的RAMSHAW教授等[8]發(fā)明的。研究發(fā)現(xiàn)其傳質(zhì)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的塔設(shè)備,因此填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床成為了研究熱點(diǎn)。填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床中的填料可以是散堆填料,也可以是規(guī)整填料,轉(zhuǎn)子可以是整體式結(jié)構(gòu),也可以是分割式(即分割式填料)結(jié)構(gòu)。
1.1 整體填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床
整體填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床是指轉(zhuǎn)子中的填料之間可視為一個(gè)整體,沒有明顯的間隙。
最初,研究者們主要是考察了旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子內(nèi)部的填料,使超重力旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)效果更好,壓降更低。填料形式包括金屬絲網(wǎng)填料[9]、泡沫金屬填 料[10]、三角形螺旋填料[11]、顆粒填料[12]等。這些填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床克服了傳統(tǒng)塔設(shè)備氣液傳質(zhì)性能差和設(shè)備體積大的缺點(diǎn),被應(yīng)用于石油化工、精細(xì)化工等領(lǐng)域,比如在丙烯腈聚合原液的脫揮過程中,使用RPB可使丙烯腈濃度在很低的情況下依然得到良好的脫揮效果,使其達(dá)到工業(yè)要求[13]。但是這些旋轉(zhuǎn)床存在著壓降大、易堵塞、應(yīng)用范圍受限等問題。為了解決這些問題,研究者們陸續(xù)開發(fā)出了不同類型轉(zhuǎn)子的超重力旋轉(zhuǎn)床。
焦緯洲等[14]為解決散堆填料動(dòng)平衡性差以及傳統(tǒng)RPB通量小的問題,提出了多孔波紋板錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床,其轉(zhuǎn)子由以轉(zhuǎn)軸為圓心的多孔波紋同心環(huán)板組成,如圖1(a)所示。多孔波紋板錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床具有壓降小、持液量少等優(yōu)點(diǎn),被應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)之中。由于多孔波紋板旋轉(zhuǎn)床的流體力學(xué)和傳質(zhì)性能受材料影響較大,因此可以從材料方面進(jìn)行研究,尋找出可以減小壓降、提高傳質(zhì)性能的材料[15]。
圖1 整體填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床
袁志國(guó)等[16]為解決傳統(tǒng)RPB氣液接觸效果差、處理量低等問題,提出了多級(jí)錯(cuò)流式旋轉(zhuǎn)填料床,其特點(diǎn)是殼體內(nèi)具有多個(gè)填料轉(zhuǎn)子和填料定子,并可以裝填不同種類的填料,如圖1(b)所示。多級(jí)錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床較適用于大氣量下的傳質(zhì)、傳熱過程,在使用磷酸脫硫的實(shí)驗(yàn)中得到其脫硫率在99%以 上[16]。但是多個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)需要消耗更多的能耗,設(shè)備軸向尺寸的增大還可能造成運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性降低。
表1和表2給出了不同整體填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床在操作條件下的壓降和傳質(zhì)性能數(shù)據(jù)。
1.2 分割填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床
分割填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床是指轉(zhuǎn)子由多層同心填料圓環(huán)組成,并且在相鄰?fù)膱A環(huán)之間留有 縫隙。
潘朝群等[29]為解決傳統(tǒng)RPB離心阻力過大以及通量小的問題,提出了多級(jí)霧化式旋轉(zhuǎn)床,其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子包含多層同心圓環(huán)填料,可以將液體進(jìn)行多次霧化分散,如圖2(a)所示。多級(jí)霧化旋轉(zhuǎn)床具有壓降低、通量大的優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)被應(yīng)用于工業(yè)廢氣的吸收之中,在東莞一家企業(yè)的脫硫除塵應(yīng)用中,其脫硫率在94%以上,除塵率在99%以上,處理量可達(dá)2t/h[30]。由于填料層數(shù)的增多對(duì)其壓降的影響不大,卻可以顯著提高傳質(zhì)性能,因此在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需求選擇合適的填料層數(shù)。
研究發(fā)現(xiàn),雖然整體式填料轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床可以顯著提高液相傳質(zhì)系數(shù),但是氣相傳質(zhì)系數(shù)的增加并不明顯。因此,RAO等[31-33]開發(fā)了分割式填料旋轉(zhuǎn)床,希望通過增加氣體與填料之間的切向相對(duì)滑移速度來(lái)增加其氣相傳質(zhì)系數(shù)。這種旋轉(zhuǎn)床的轉(zhuǎn)子由上下兩個(gè)裝有多層填料的同心環(huán)轉(zhuǎn)鼓組成,相互咬合,兩個(gè)轉(zhuǎn)鼓分別由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng),既可以同向旋轉(zhuǎn),也可以反向旋轉(zhuǎn),如圖2(b)所示。分割式填料旋轉(zhuǎn)床中氣相傳質(zhì)系數(shù)有了較大提高,在精餾以及吸收的實(shí)驗(yàn)中也取得了不錯(cuò)的效果,而且兩個(gè)轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)降低了對(duì)設(shè)備整體轉(zhuǎn)速的要求。但是由于需要兩個(gè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),因此能耗較高,運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性以及安全性也存在隱患。
表1 不同整體填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的壓降
①此處超重力床為錯(cuò)流式,因此取轉(zhuǎn)子軸向厚度。
表2 不同整體填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)性能
旋轉(zhuǎn)填料床與傳統(tǒng)的填料塔一樣,也存在端效應(yīng),即端部區(qū)域內(nèi)的傳質(zhì)占總體傳質(zhì)很大的比例。LUO等[34]將傳統(tǒng)RPB轉(zhuǎn)子的單一填料轉(zhuǎn)變?yōu)樘盍檄h(huán)與葉片交替的結(jié)構(gòu),通過葉片的導(dǎo)流作用創(chuàng)造出多個(gè)端效應(yīng)區(qū),如圖2(c)所示。研究發(fā)現(xiàn)其傳質(zhì)性能優(yōu)于相同尺寸下的傳統(tǒng)RPB,但是壓降有所增大,未來(lái)可以通過改變?nèi)~片結(jié)構(gòu)或者在葉片上涂覆某種材料,使其既具有導(dǎo)向作用,又具有傳質(zhì)作用。利用端效應(yīng)來(lái)提高傳質(zhì)性能的方法為新型轉(zhuǎn)子的開發(fā)提供了新思路[35]。
圖2 分割填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床
表3 不同分割填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的壓降
①此處為文獻(xiàn)原數(shù)據(jù)。
表4 不同分割填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)性能
① 處指液相體積傳質(zhì)系數(shù),s–1;②此處指氣液比。下角標(biāo)g表示氣相傳質(zhì)單元高度;l表示液相傳質(zhì)單元高度。
陳建峰等[36]基于上述端效應(yīng)發(fā)明了分段進(jìn)液式旋轉(zhuǎn)填料床。該旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)在于利用多段進(jìn)液的方法制造出多個(gè)端效應(yīng)區(qū),并使全部填料得到充分利用,以提高傳質(zhì)性能,并在轉(zhuǎn)子的最內(nèi)緣安裝液體捕集器,用于捕獲液滴并重新甩回到填料區(qū),如圖2(d)所示。分段進(jìn)液式旋轉(zhuǎn)填料床具有壓降低、傳質(zhì)效果好等優(yōu)點(diǎn),較適用于黏性流體以及吸收體系。
表3和表4給出了不同分割填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床在操作條件下的壓降和傳質(zhì)性能數(shù)據(jù)。
板式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床是指轉(zhuǎn)子由各種形狀板片構(gòu)成的超重力旋轉(zhuǎn)床設(shè)備,其最大特點(diǎn)就是轉(zhuǎn)子內(nèi)無(wú)需裝填填料。
陳昭瓊等[37]為解決傳統(tǒng)RPB需拆裝填料和易堵塞等問題,發(fā)明了螺旋通道型旋轉(zhuǎn)床(RBHC),其特點(diǎn)是在轉(zhuǎn)子的內(nèi)部設(shè)有數(shù)條阿基米德螺旋型板片,板片的一端連接到中心的內(nèi)腔,另一端通向轉(zhuǎn)子外圍,如圖3(a)所示。RBHC的流動(dòng)通道較長(zhǎng),使氣液接觸時(shí)間得到了增加,傳質(zhì)性能得到了提高。目前RBHC在納米材料的制備以及脫硫中都得到了應(yīng)用,比如可用于制備25~40nm的球型納米二氧化硅[38],在使用清水脫硫中達(dá)到80%的脫硫 率[39]。另外,RBHC的結(jié)構(gòu)可以被進(jìn)一步優(yōu)化,比如在擋板上開孔,或?qū)νǖ纼?nèi)的空間進(jìn)行優(yōu)化。
鄧先和等[40-41]為使轉(zhuǎn)子中的氣液得以充分接觸又具有較小的阻力,并能利用液體自身張力加速表面更新,發(fā)明了同心圓環(huán)碟片旋轉(zhuǎn)床。其轉(zhuǎn)子主體是由多塊沿軸線排布的同心圓環(huán)薄板組成,薄板呈環(huán)形體的形式,如圖3(b)所示。同心圓環(huán)碟片旋轉(zhuǎn)床具有周期性變化的波紋曲面,并且徑向流道當(dāng)量直徑恒定,壓降較低,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)RPB的缺點(diǎn)。其在納米材料的制備等領(lǐng)域中得到了應(yīng)用,使用該旋轉(zhuǎn)床可制備出20~30nm的納米碳酸鈣[42]。但相比于填料式轉(zhuǎn)子,碟片旋轉(zhuǎn)床中液體不易發(fā)生霧化,而且當(dāng)?shù)g間距較窄時(shí),也易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。
栗秀萍等[43-45]為解決超重力旋轉(zhuǎn)床霧沫夾帶等問題和提高板式旋轉(zhuǎn)床的氣液接觸效果,提出了翅片導(dǎo)流板旋轉(zhuǎn)床,其轉(zhuǎn)子由上下兩個(gè)盤片構(gòu)成,盤片上設(shè)有導(dǎo)流板,并在導(dǎo)流板上設(shè)有傾斜的翅片,導(dǎo)流板與盤片之間留有流通通道,如圖3(c)所示。翅片導(dǎo)流板合理地利用了轉(zhuǎn)子內(nèi)部空間,使得氣液兩相在轉(zhuǎn)子內(nèi)獲得了更長(zhǎng)的接觸時(shí)間和更大的接觸面積,增大了氣液的湍動(dòng)程度,進(jìn)而提高了傳質(zhì)性能,目前翅片導(dǎo)流板旋轉(zhuǎn)床在精餾方面的實(shí)驗(yàn)研究取得了不錯(cuò)的效果。但是翅片導(dǎo)流板旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,存在一定的放大效應(yīng)。
LIN等[46]為解決傳統(tǒng)RPB在從大氣量蒸汽中去除揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)時(shí)壓降較大的問題,發(fā)明了葉片式旋轉(zhuǎn)床。轉(zhuǎn)子由12塊徑向葉片構(gòu)成,每塊葉片相隔30°,葉片上覆蓋著不銹鋼絲網(wǎng),如圖3(d)所示。雖然葉片式旋轉(zhuǎn)床的壓降較低,應(yīng)用于VOCs氣體的吸收中具有不錯(cuò)的效果[47],但是其傳質(zhì)性能卻低于傳統(tǒng)RPB。葉片式旋轉(zhuǎn)床尚有很大的改進(jìn)余地,比如更換葉片材質(zhì)、增加葉片間空間利用率等。
計(jì)建炳等[48-49]為解決傳統(tǒng)RPB難以安裝多個(gè)轉(zhuǎn)子、氣液接觸時(shí)間較短又難以實(shí)現(xiàn)中間進(jìn)料等問題,發(fā)明了折流式旋轉(zhuǎn)床(RZB)。折流式旋轉(zhuǎn)床的轉(zhuǎn)子由與殼體固定連接的靜盤和隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)盤組成,在動(dòng)、靜盤上都安裝有若干同心圈,并在動(dòng)盤的同心圈上開有小孔,動(dòng)、靜盤相互嵌套,如圖3(e)所示。折流式旋轉(zhuǎn)床內(nèi)可以同軸串聯(lián)多個(gè)轉(zhuǎn)子,即多層折流式旋轉(zhuǎn)床[50]。目前RZB在精餾方面已被成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化,浙江某制藥廠在乙醇回收中使用了一臺(tái)折流式超重力旋轉(zhuǎn)床,其乙醇產(chǎn)品濃度在95%以上,并且產(chǎn)量可達(dá)4.5t/d。但是折流式旋轉(zhuǎn)床存在著壓降過大和功耗過高等問題[51-52]。
圖3 板式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床
王廣全等[53]通過改進(jìn)RZB開發(fā)了錯(cuò)流同心圈旋轉(zhuǎn)床(CRB),與RZB類似,其轉(zhuǎn)子也由動(dòng)靜盤構(gòu)成,并在靜盤上開有若干同心凹槽,在動(dòng)盤上安裝數(shù)個(gè)同心圈。每個(gè)同心圈上都包含無(wú)孔區(qū)、液孔區(qū)和氣孔區(qū)3部分,后兩個(gè)區(qū)域具有不同的孔徑和開孔率,如圖3(f)所示。研究表明其最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)為無(wú)液體分布器,密封為軸封,并采用錯(cuò)流形式[54]。CRB充分利用了轉(zhuǎn)子的內(nèi)部空間,具有更好的液體自分布能力,但是相比于RZB,其板效率偏低。因此可以考慮在同心圈之間增加填料來(lái)提高其傳質(zhì)效率。
LI等[55]為降低RZB的壓降,發(fā)明了逆流同心圈旋轉(zhuǎn)床。其與RZB的不同在于取消了靜盤的同心圈,并在動(dòng)盤的同心圈上全部開孔,動(dòng)靜盤之間采用迷宮式密封,如圖3(g)所示。逆流同心圈旋轉(zhuǎn)床在降低壓降和功耗、增加氣液通量的同時(shí),保留了RZB易于實(shí)現(xiàn)中間進(jìn)料以及多轉(zhuǎn)子同軸串聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)。但由于其轉(zhuǎn)子內(nèi)氣液接觸效果變差,因此傳質(zhì)性能還有待進(jìn)一步提高,目前可適用于對(duì)傳質(zhì)要求不高而氣液通量較大的場(chǎng)合。
表5和表6給出了不同板式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床在操作條件下的壓降和傳質(zhì)性能數(shù)據(jù)。
復(fù)合式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床是指轉(zhuǎn)子由填料和板片共同組成,其既具有較低的壓降,又具有良好的傳質(zhì)性能,是新一代超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子的研究方向。
SUNG等[56]通過在轉(zhuǎn)子中設(shè)置擋板來(lái)增大氣體與填料間的相對(duì)滑移速度,發(fā)明了擋板填料復(fù)合式旋轉(zhuǎn)床,其轉(zhuǎn)子由覆蓋不銹鋼絲網(wǎng)的葉片與擋板交替排列構(gòu)成,如圖4(a)所示。擋板填料復(fù)合式旋轉(zhuǎn)床不僅利用擋板增加了氣體與填料之間的相對(duì)滑移速度,也改善了液體在轉(zhuǎn)子內(nèi)的混合和分散情況,但是相比于RAO等[31-33]的分割式填料旋轉(zhuǎn)床,其傳質(zhì)性能偏低。
表5 不同板式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的壓降
①此處指氣相動(dòng)能因子,kg0.5·m–0.5·s–1。
表6 不同板式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)性能
① 此處指氣相動(dòng)能因子,kg0.5·m–0.5·s–1。下角標(biāo)l表示液相傳質(zhì)單元高度;L表示液相總傳質(zhì)單元高度;G表示氣相總傳質(zhì)單元高度。
陳建峰等[57-58]綜合了傳統(tǒng)RPB和RZB的優(yōu)點(diǎn),提出了多級(jí)逆流式旋轉(zhuǎn)床(MSCC-RPB)。MSCC-RPB的轉(zhuǎn)子由動(dòng)盤和靜盤組成,靜盤與殼體固定連接并裝有多孔環(huán)狀擋板和進(jìn)液管,可實(shí)現(xiàn)中間進(jìn)料,動(dòng)盤與軸連接并裝有填料環(huán),填料環(huán)中既可裝填填料用于精餾、吸收等過程,也可通過裝填催化劑用于催化反應(yīng)等過程,如圖4(b)所示。MSCC-RPB不僅可以實(shí)現(xiàn)類似RZB的中間進(jìn)料,填料的存在又可以提高傳質(zhì)性能,在以酸和醇為原料的反應(yīng)精餾實(shí)驗(yàn)中,測(cè)得其乙酸轉(zhuǎn)換率在84%以上[59]。
姚文等[60]基于RPB和逆流同心圈旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),開發(fā)了網(wǎng)板填料復(fù)合式旋轉(zhuǎn)床(RCB)。其轉(zhuǎn)子由固定在上下兩塊動(dòng)盤并隨動(dòng)盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)的同心環(huán)網(wǎng)板組成,相鄰網(wǎng)板間安裝有填料以提高傳質(zhì)性能,如圖4(c)所示。網(wǎng)板填料復(fù)合式旋轉(zhuǎn)床相比于RZB,壓降小,通量大,但是填料的嵌入可能會(huì)使轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下發(fā)生共振現(xiàn)象,影響穩(wěn)定性。因此,需對(duì)填料進(jìn)行加固,或者使用一些穩(wěn)定性高的規(guī)整填料。
表7、表8給出了不同復(fù)合式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床在操作條件下的壓降和傳質(zhì)性能數(shù)據(jù)。
在超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程中,其傳質(zhì)性能在不斷提高,而壓降則維持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。通過對(duì)比也可以發(fā)現(xiàn):分割填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)性能優(yōu)于整體填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床,而壓降也較低,這是因?yàn)槠浣档土颂盍吓c氣體摩擦產(chǎn)生的壓降,改善了液體初始分布以及轉(zhuǎn)子內(nèi)液體再分布的能力。板式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床相比于填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床,氣液接觸時(shí)間更長(zhǎng),并且擋板上的開孔可以增加氣液接觸面積,提高傳質(zhì)性能。復(fù)合式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床兼顧了填料式和板式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的優(yōu)點(diǎn),填料環(huán)與板片交錯(cuò)排列的結(jié)構(gòu),使其既具有較高的傳質(zhì)性能又具有較低的壓降。板式和復(fù)合式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的特殊結(jié)構(gòu),使其更易于實(shí)現(xiàn)中間進(jìn)料及同軸安裝多個(gè)轉(zhuǎn)子,因此相比于填料式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床更適用于精餾過程。
圖4 復(fù)合式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床
表7 不同復(fù)合式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的壓降
表8 不同復(fù)合式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)性能
① 此處指氣相動(dòng)能因子,kg0.5·m–0.5·s–1。下角標(biāo)G表示氣相總傳質(zhì)單元高度。
同時(shí),上述分析也表明,超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,主要是通過改進(jìn)液體初始分布和轉(zhuǎn)子內(nèi)液體再分布的能力、增加氣液的接觸面積和接觸時(shí)間、提高氣膜傳質(zhì)3方面來(lái)提高傳質(zhì)性能,通過簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)降低壓降,以及研究開發(fā)適用于某一特定體系和過程的特殊轉(zhuǎn)子。因此未來(lái)超重力旋轉(zhuǎn)床的研究可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。
(1)填料 研究開發(fā)更多不同材質(zhì)的填料來(lái)滿足不同的工業(yè)應(yīng)用要求,比如擁有耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性質(zhì)的填料,也可以利用生物結(jié)構(gòu)的特殊性,研發(fā)出各種生物填料或者生物復(fù)合型填料。另外可以對(duì)填料表面進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)改變,增大其比表 面積。
(2)液體分布 超重力旋轉(zhuǎn)床中初始液體分布的均勻性受重力影響,加之旋轉(zhuǎn)床中液體停留時(shí)間過短、自分布能力較弱,從而會(huì)導(dǎo)致傳質(zhì)性能的降低。因此,可以在超重力旋轉(zhuǎn)床中引入其他力場(chǎng),減輕重力場(chǎng)對(duì)液體初始分布的影響,或者在轉(zhuǎn)子中設(shè)置再分布裝置,也可以通過改進(jìn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)提高其自分布能力。
(3)裝備集成 超重力旋轉(zhuǎn)床相比于塔設(shè)備的突出優(yōu)點(diǎn)是體積小,因此更容易實(shí)現(xiàn)過程裝備的小型化和集成化,用于某些移動(dòng)平臺(tái)上,例如車載式空分裝置。
經(jīng)過了三十多年的發(fā)展,超重力旋轉(zhuǎn)床在結(jié)構(gòu)和性能方面的研究已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但是超重力旋轉(zhuǎn)床本身的結(jié)構(gòu)和尺寸,使其在通量和物系選擇等方面受到限制,因此在應(yīng)用上難以達(dá)到大規(guī)模的程度。然而超重力旋轉(zhuǎn)床較塔設(shè)備擁有更多的優(yōu)勢(shì),理應(yīng)在更多的場(chǎng)合替代塔設(shè)備,因此,還需要在超重力旋轉(zhuǎn)床的應(yīng)用研究和工業(yè)化應(yīng)用方面開展更多的工作。
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Research progress on rotor structure and performance of higee rotating bed
LU Jiadong,WANG Guangquan,GENG Kangsheng,JI Jianbing
(Zhejiang Province Key Laboratory of Biofuel,College of Chemical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,Zhejiang,China)
The higee rotating bedhas drawn a wide attention since it was introduced. It has been applied in the chemical industries. Now,the structural improvement of higee rotating bed is optimized according to the requirements on the hydrodynamic and mass transfer performance. In this paper,based on different rotor structures,the higee rotating bed was classified into three types:packed rotating bed,plate rotating bed and compound rotating bed. The rotor structure features and recent researches of different types of higee rotating beds were introduced and their hydrodynamic and mass transfer performance was analyzed and summarized,the advantages and potential problems were pointed out. The results can be used as guidance for the selection of the rotating bed and the study of rotor structure in chemical production processes. Finally,the insufficiencies of application research and the possible developmental direction of higee rotating bed were indicated. The improvement of the rotor structure of higee rotating bed can be achieved from the aspects of the packing and the liquid distribution,and the application expansion from the aspect of the equipment integration was also suggested.
higee rotating bed;rotor structure;packed bed;hydrodynamics;mass transfer
TQ051.1
A
1000-6613(2017)10-3558-11
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0334
2017-03-02;
2017-05-01。
陸佳冬(1992—),男,碩士研究生。
王廣全,博士,副教授,研究方向?yàn)閭髻|(zhì)與分離技術(shù)。E-mail:wanggq@zjut.edu.cn。