超重力技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展

呂文利，陳明功

（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽淮南232001）

近年來(lái)，超重力技術(shù)因其極大的強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程、高效的處理效率、設(shè)備體積小、開(kāi)停車方便、操作安全可靠、低能耗、低污染等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于化工分離、新材料制備、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。本文介紹了超重力技術(shù)的發(fā)展、基本原理以及在各領(lǐng)域中的應(yīng)用狀況。

1 超重力技術(shù)

1.1 超重力技術(shù)的發(fā)展

超重力是指在加速度比地球重力加速度大得多的環(huán)境下，物質(zhì)所受到的力。目前模擬超重力環(huán)境是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，這種模擬設(shè)備稱為旋轉(zhuǎn)填料床。1976年，基于美國(guó)太空署實(shí)驗(yàn)，英國(guó)的Ramshaw教授等對(duì)比了在微重力和超重力場(chǎng)中進(jìn)行化工分離單元操作——吸收、蒸餾實(shí)驗(yàn)的不同現(xiàn)象[1]。實(shí)驗(yàn)表明，在微重力場(chǎng)中加速度g約等于0，控制多相流體動(dòng)力學(xué)行為的浮力因子Δρg趨近于0，不能產(chǎn)生相間流動(dòng)，液相聚集，物質(zhì)間的表面張力極大，使相間相對(duì)運(yùn)動(dòng)減弱，傳質(zhì)效率大大受限，組分基本上得不到分離。而在超重力場(chǎng)的環(huán)境下，液體的表面張力變得微不足道，超重力把液體拉伸成微米至納米級(jí)的液膜、液滴、液絲等維元形式，組分間產(chǎn)生巨大的、快速更新的相界面，相間傳質(zhì)速率比傳統(tǒng)的塔器提高1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，傳質(zhì)過(guò)程得到極大的強(qiáng)化[2]。兩年后，英國(guó)的ICI公司在此研究基礎(chǔ)上，生產(chǎn)了第一臺(tái)旋轉(zhuǎn)填充床示范裝置，超重力技術(shù)（High Gravity，HiGee）應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 超重力技術(shù)的原理

超重力技術(shù)不僅適用于傳質(zhì)和傳熱過(guò)程，還可應(yīng)用于復(fù)相反應(yīng)過(guò)程，根據(jù)需要，可以處理氣液兩相、液液兩相或氣液固三相。超重力技術(shù)的核心是內(nèi)含多孔填料結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，用于裝載填料。在驅(qū)動(dòng)設(shè)備的帶動(dòng)下，填料轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，液相從轉(zhuǎn)子內(nèi)緣進(jìn)入，受到離心力的作用被快速地甩到填料層的邊緣，進(jìn)而被撕裂成液滴、液膜、液絲等微小單元，形成了極大的快速更新的比表面積。而氣相從轉(zhuǎn)子外緣進(jìn)入，在壓力差的作用下進(jìn)入填料層，氣液充分接觸。之后，液體在外殼匯集排出，氣體由氣體出口引出，完成整個(gè)傳質(zhì)或反應(yīng)過(guò)程。

2 超重力技術(shù)的應(yīng)用

2.1 化工分離

超重力的發(fā)展起源于化工分離的單元操作，如今，超重力技術(shù)日益成熟，廣泛應(yīng)用于汽提、萃取、精餾等化工分離過(guò)程中。

趙靖[3]進(jìn)行了超重力法汽提廢水中醋酸丁酯的試驗(yàn)研究，采用安裝了FFAP極性柱和FID檢測(cè)器的氣相色譜儀測(cè)定醋酸丁酯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)口液相流量小于140 L·h-1，轉(zhuǎn)速900 rpm時(shí)，液相出口醋酸丁酯濃度可達(dá)到70 mg/m3以下，脫除率可達(dá)98%以上。潘虹霞等[4]將研發(fā)的一種撞擊流反應(yīng)器和旋轉(zhuǎn)填料床有機(jī)耦合所形成的撞擊流旋轉(zhuǎn)填料床應(yīng)用于以飽和碳酸鈉溶液-正丁醇為體系進(jìn)行萃取結(jié)晶回收碳酸鈉的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超重力因子為98.80，撞擊初速度為8.85 m/s時(shí)，碳酸鈉溶液與正丁醇體積流量比為1∶1，碳酸鈉的收率最高達(dá)到72.08%。栗秀萍[5]以乙醇／水為物系，多級(jí)旋轉(zhuǎn)填料床為主要設(shè)備，在常壓操作條件下，進(jìn)行超重力精餾實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)操作條件在超重力因子為31～196，原料流量為15～30 L/h，原料摩爾分?jǐn)?shù)為0.089 1～0.283 1，回流比為1.0～2.5時(shí)，超重力裝置的理論塔板高度為12.7～152 mm，比傳統(tǒng)精餾塔低1個(gè)數(shù)量級(jí)。史琴等[6]設(shè)計(jì)了一種新型旋轉(zhuǎn)填料床，將一種固體酸催化劑制成旋轉(zhuǎn)床填料，超重力旋轉(zhuǎn)填料床取代之前的催化精餾塔，以乙酸和正丁醇為原料催化合成乙酸正丁酯為研究體系，考查旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速對(duì)催化精餾的影響，并與傳統(tǒng)催化精餾進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，考查超重力環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。結(jié)果表明，最佳條件下，傳統(tǒng)催化精餾的實(shí)驗(yàn)中乙酸轉(zhuǎn)化率為 60%，而超重力環(huán)境下轉(zhuǎn)速為700～800 rpm時(shí)乙酸轉(zhuǎn)化率可達(dá)88%以上。

2.2 制備新材料

納米材料因其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于化工、電子、醫(yī)藥、國(guó)防、航天等領(lǐng)域，其制備方法是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的水熱法、沉淀法、溶膠-凝膠法等納米材料制備方法，超重力技術(shù)因其混合快、反應(yīng)強(qiáng)、低能耗等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于納米粉體、納米鹽、納米阻燃等納米材料的制備中。

北京化工大學(xué)李亞玲等[7]應(yīng)用超重力技術(shù)，以硝酸鋅和硫化氫為原料，首次成功制備了分散性較好、粒徑分布較窄的球形閃鋅礦納米硫化鋅粒子，轉(zhuǎn)化率高達(dá)97.5%，平均粒徑30 nm。段紹君等[8]利用環(huán)形轉(zhuǎn)盤的超重力旋轉(zhuǎn)填料床制備超細(xì)碳酸鋰粉體，并與傳統(tǒng)的夾套反應(yīng)器進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，超重力旋轉(zhuǎn)填料床制備出的產(chǎn)品形貌較好，無(wú)雜相，產(chǎn)出的粉體粒徑更加均一。申紅艷等[9]采用液-液反應(yīng)機(jī)制即撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床反應(yīng)器制備納米氫氧化鎂阻燃劑，研究表明：鎂離子初始濃度為0.70 mol/L，鎂離子和氫氧根離子摩爾濃度比為 1/2，轉(zhuǎn)速為 900 rpm，液體流量為 40 L/h，反應(yīng)溫度為70℃時(shí)，可得到粒徑為60～80 nm的六方片狀氫氧化鎂，解決了傳統(tǒng)沉淀法存在的制備產(chǎn)品粒徑分布不均勻、粒徑大、沉降性能差等問(wèn)題。

2.3 氣體凈化與分離

2.3.1 酸性氣體處理

向良玉等[10]采用超重力技術(shù)處理高濃度SO2模擬煙氣，以Na2SO3+NaOH／K2SO3+KOH為吸收劑，進(jìn)行脫硫?qū)嶒?yàn)研究，結(jié)果表明，在超重力環(huán)境下SO2脫除率隨吸收劑的pH值、超重力轉(zhuǎn)速以及液氣比的增加而增大。當(dāng)吸收劑pH值在7及以上時(shí)，SO2脫除率便可以達(dá)到99%以上，實(shí)現(xiàn)了SO2的深度脫除，是煙氣脫硫的理想選擇。浙江巨化股份有限公司硫酸廠進(jìn)行技術(shù)改造，用泡沫塔-超重力機(jī)兩級(jí)氨法脫硫工藝取代原泡沫塔-復(fù)噴復(fù)擋裝置兩級(jí)氨法脫硫工藝處理酸性尾氣，技術(shù)改造后72 h性能考核表明，新脫硫系統(tǒng)排放尾氣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。硫酸廠每年可節(jié)省SO2排污費(fèi)約28.35萬(wàn)元，增產(chǎn)亞硫酸銨/亞硫酸氫銨產(chǎn)品產(chǎn)值約71.5萬(wàn)元/a，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益可觀[11]。趙晨希等[12]采用甘氨酸鈉溶液為吸收劑，在超重力反應(yīng)器中進(jìn)行了CO2吸收實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：CO2的吸收率隨著轉(zhuǎn)速的增加而上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 rpm后，吸收率基本趨于穩(wěn)定；CO2的吸收率隨著吸收液溫度的升高而升高，在90℃時(shí)可以達(dá)到83%以上。師小杰等[13]針對(duì)傳統(tǒng)方法吸收過(guò)程復(fù)雜，設(shè)備密封要求較高且不穩(wěn)定等問(wèn)題提出了超重力法對(duì)室內(nèi)低濃度的過(guò)量CO2氣體進(jìn)行處理，結(jié)果表明，在適宜的實(shí)驗(yàn)脫除條件下，超重力法對(duì)室內(nèi)不同濃度CO2，氣體的單次吸收率均達(dá)到26%以上且反應(yīng)時(shí)間在0.1 s以內(nèi)，經(jīng)過(guò)8次循環(huán)CO2氣體脫除率達(dá)到90%以上。

2.3.2 脫除VOCs

谷麗芬等[14]以三苯(苯、甲苯、二甲苯)為污染物，自制復(fù)配吸收液，對(duì)比了傳統(tǒng)填料塔和超重力旋轉(zhuǎn)填料床對(duì)苯系污染物的凈化作用，研究結(jié)果表明，進(jìn)氣體積流量為0.50 m3/h，吸收液體積流量為0.08 m3/h，進(jìn)氣質(zhì)量濃度為1.0～2.5 g/m3時(shí)，傳統(tǒng)填料塔中苯、甲苯、二甲苯的脫除率最高依次為20%，11%，11%；在其他條件相同的情況下，超重力因子為22.23時(shí)，超重力旋轉(zhuǎn)填料床中苯、甲苯、二甲苯的脫除率依次可高達(dá)50%，75%，77%，且隨著三苯的進(jìn)氣質(zhì)量濃度增加，超重力旋轉(zhuǎn)填料床中三苯的脫除率逐漸提高。張自督[15]利用表面活性劑增大甲苯在吸收劑中的表觀溶解度，同時(shí)采用旋轉(zhuǎn)填料床作為吸收設(shè)備，建立超重力吸收法治理甲苯廢氣的工藝。采用吸收效果最優(yōu)的復(fù)配吸收劑，考查了超重力因子、液氣比等參數(shù)對(duì)甲苯吸收率的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出在超重力因子為33.42，液氣比為5～6.67 L/m3，氣體流量為6 m3/h，入口甲苯濃度為500 mg/m3時(shí)，吸收率可達(dá)到74.2%左右。

2.3.3 強(qiáng)化除塵

傳統(tǒng)的除塵設(shè)備存在處理效率低，設(shè)備體積大，難以處理超細(xì)粉塵等缺點(diǎn)。隨著工業(yè)除塵標(biāo)準(zhǔn)的提高，已不能滿足環(huán)境保護(hù)的要求。超重力技術(shù)因其能敏銳地捕捉超細(xì)粉塵而廣泛地應(yīng)用于除塵領(lǐng)域。超重機(jī)與其他工業(yè)除塵裝置的對(duì)比見(jiàn)表1。

宋梓華[16]成功地將臭氧氧化技術(shù)-還原吸收技術(shù)與超重力除塵技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用于某催化廠除NOX的項(xiàng)目中。經(jīng)超重力除塵后的氣體由臭氧再次氧化，輸送至經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓后的吸收塔進(jìn)行二次除塵。項(xiàng)目除塵率高于90%，脫硝效率高于91%。李毅等[17]針對(duì)電石渣庫(kù)頂?shù)姆蹓m凈化，開(kāi)發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)超重力場(chǎng)高效除塵技術(shù)，并進(jìn)行了工業(yè)化應(yīng)用。除塵結(jié)果表明，電石渣庫(kù)頂風(fēng)量為20 000 m3/h時(shí)，設(shè)備阻力在300～800 Pa，除塵效率大于99%，解決了傳統(tǒng)除塵設(shè)備在處理高粘度、高濕度、易結(jié)塊氣體時(shí)易發(fā)生堵塞的問(wèn)題。

表1 超重機(jī)與其他除塵設(shè)備對(duì)比

2.4 海洋工程中的應(yīng)用

海上油氣工程開(kāi)采時(shí)，需要向地下注入足夠的水以維持地表壓力。在將水注入地下的過(guò)程中，需要對(duì)注入的水進(jìn)行脫氧處理，以免腐蝕管道以及防止微生物滋生。而伴隨原油開(kāi)發(fā)產(chǎn)生的天然氣，難免會(huì)含有二氧化碳、硫化氫等酸性氣體以及一定含量的水，需要進(jìn)行天然氣脫硫及脫水處理。隨著超重力技術(shù)的不斷深入研究，目前，已將超重力技術(shù)成功應(yīng)用于海洋油氣工程，對(duì)注入水脫氧、天然氣脫硫及脫水。沈君芳等[18]研制的FL160型超重力設(shè)備用于注入水脫氧處理，通過(guò)天然氣和海水氣液兩相的逆流接觸，實(shí)現(xiàn)氣液兩相的傳質(zhì)，將海水中氧氣溶入天然氣中，使海水中的氧含量降至規(guī)定的指標(biāo)。兩臺(tái)裝置在勝利油田埕島二號(hào)平臺(tái)兩年的運(yùn)轉(zhuǎn)表明，與傳統(tǒng)的塔器脫氧裝置相比，F(xiàn)L160型超重力設(shè)備體積小、脫氧效果好、質(zhì)量輕、流程簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低。北京化工大學(xué)團(tuán)隊(duì)[19]創(chuàng)新了超重力機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如葉片層間隔排列多環(huán)式、結(jié)構(gòu)化整體填料式等結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于天然氣脫硫處理中。經(jīng)超重力機(jī)處理后的天然氣中硫化氫含量可從53 000 mg·m-3左右降低至8 mg·m-3以下，且占地僅60 m2。張重德等[20]對(duì)比了幾種海上油氣田天然氣脫水方法，針對(duì)甘醇脫水存在的設(shè)施占地面積大、處理量小等問(wèn)題，提出采用超重力技術(shù)對(duì)天然氣進(jìn)行脫水。超重力技術(shù)的應(yīng)用提高了甘醇的傳質(zhì)系數(shù)，增大了甘醇脫水處理量，同時(shí)超重力機(jī)占地面積小，作業(yè)更方便。超重力機(jī)不僅處理效率高，且運(yùn)行穩(wěn)定，移動(dòng)方便，適用于海洋油田工程的異常情況中。劉杰等[21]針對(duì)某平臺(tái)液化氣脫硫塔和天然氣脫硫塔進(jìn)口H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別升高到600 μg/g和1 100 μg/g的異常情況，將超重力技術(shù)應(yīng)用于海上平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)脫硫?qū)嶒?yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超重力技術(shù)協(xié)同脫硫藥劑技術(shù)可高效、經(jīng)濟(jì)地將油氣水三相中的H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至15 μg/g以下，滿足在異常情況下進(jìn)行高效脫硫，保證混輸海管的安全。

2.5 廢水處理

廢水處理的傳統(tǒng)反應(yīng)器存在傳質(zhì)效率低等問(wèn)題，可將超重力技術(shù)與氧化工藝、生物處理工藝等傳統(tǒng)廢水處理工藝相結(jié)合以提高處理效率。童仁可等[22]以催化裂化汽油脫臭過(guò)程和液化氣脫硫醇過(guò)程排放的混合廢堿液為原料，將超重力技術(shù)與氧化技術(shù)結(jié)合，在旋轉(zhuǎn)填料床中將廢堿液中的硫化物氧化，超重力因子為96，廢堿液處理量100 L/h，空氣／廢堿液的體積比為60，常壓，氧化溫度60℃時(shí)，脫硫率可達(dá)81%。秦月嬌[23]用超重力技術(shù)強(qiáng)化O3／Fe(Ⅱ)工藝深度氧化降解苯胺廢水，采用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析苯胺廢水降解的中間產(chǎn)物，探討了苯胺降解過(guò)程的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超重力因子的提高有利于苯胺的深度降解。實(shí)驗(yàn)最佳操作條件在超重力因子為 100，F(xiàn)e(Ⅱ)濃度為 0.8 mmol·L-1，O3濃度為36 mg·L-1，pH值為3，苯胺初始濃度為200 mg·L-1時(shí)，12 min后苯胺去除率可達(dá)100%(檢測(cè)不到)，60 min時(shí)TOC去除率可達(dá)73%。

2.6 其他應(yīng)用

超重力技術(shù)可應(yīng)用于生物工程的某些領(lǐng)域。何士敏等[24]探討了超重處理對(duì)莖瘤芥種子生長(zhǎng)發(fā)育的影響機(jī)理。研究表明，超重處理后莖瘤芥幼苗葉綠素含量和過(guò)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。同時(shí)，超重處理可增強(qiáng)莖瘤芥幼苗的抗倒伏能力、抗有害物的能力和合成有機(jī)物的能力。超重力技術(shù)因離心力作用使得機(jī)內(nèi)物料殘留量少，適于處理有毒物料或昂貴物料。超重力技術(shù)在金屬熔體提純、冶金領(lǐng)域也有應(yīng)用。麥培林等[25]利用超重力場(chǎng)輔助的兩步燃燒合成技術(shù)成功制備了致密的、具有良好抗氧化性能的Fe3Al合金。

3 結(jié)束語(yǔ)

超重力技術(shù)符合當(dāng)今社會(huì)節(jié)能環(huán)保、低能耗的要求，同時(shí)傳質(zhì)效率高，廣泛應(yīng)用于化工分離、新材料制備、氣體凈化處理、海洋工程等領(lǐng)域。今后，以超重力技術(shù)復(fù)合其他傳統(tǒng)方法，或用超重力技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)完善超重力機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改善超重力設(shè)備的功能是超重力技術(shù)的突破點(diǎn)，以期超重力技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于新領(lǐng)域中。