2008超重力旋转填料床最新研究进展

超重力技术研究进展杨致芬,郭春绒　(山西农业大学文理学院,山西太谷030801)摘要　介绍了超重力技术的作用原理,概述了其研究进展,并详细阐述了其在制造纳米材料、环境工业、生物化工、作物育种等方面的应用。

关键词　超重力技术;作用原理;研究进展;作物育种中图分类号　T Q 051 文献标识码　A 文章编号　0517-6611(2008)20-08432-04Research Progress of H i gh Grav ity TechnologyYANG Zhi 2fen et a l (College of A rts and Science,Shanxi Agricultural University,Taigu,Shanxi 030801)Abstract Action p rincip le of high gravity technol ogy was reviewed,and its research p r ogress was introduced .App licati on of high gravity technology in making nanometer materials,envir onmental industry,biochem ical industry and crop breeding was expatiated .Key words H igh gravity technology;Acti on p rinci p le;Research p rogress;Cr op breeding基金项目　山西农业大学科技创新基金(2004081),山西自然科学基金(20031067)资助。

作者简介　杨致芬(1975-),女,山西太谷人,在读研究生,讲师,从事基础生物化学与分子生物学的研究。

收稿日期　20082002 超重力指的是在比地球重力加速度(9.8m /s 2)大得多的环境下,物质所受到的力(包括引力或排斥力)。

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2017年第36卷第10期·3558·化 工 进展超重力旋转床转子结构与性能研究进展陆佳冬，王广全，耿康生，计建炳（浙江工业大学化学工程学院，浙江省生物燃料利用技术研究重点实验室，浙江 杭州 310014）摘要：超重力旋转床自问世以来受到了广泛的关注，并已应用于化学工业之中。

目前，超重力旋转床转子结构的改进主要是根据其流体力学以及传质性能的要求不断地进行优化。

本文根据超重力旋转床转子结构的不同，将其分为填料式、板式和复合式3种类型，并据此介绍了不同类型超重力旋转床的转子结构特点和研究现状，并对其流体力学和传质性能进行了总结、对比和分析，指出了不同类型超重力旋转床转子的优点和可能存在的问题，对化工生产过程中超重力旋转床的选型以及转子结构的研究具有指导作用。

最后提出了超重力旋转床在应用方面研究的不足，并对其未来可能的发展方向进行展望，指出超重力旋转床转子结构的改进可以从填料和液体分布等方面进行研究，应用范围可以从装备集成方面进行拓展。

关键词：超重力旋转床；转子结构；填料床；流体力学；传质中图分类号：TQ051.1 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2017）10-3558-11 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0334Research progress on rotor structure and performance of higeerotating bedLU 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 ）Abstract ：The higee rotating bed has 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.Key words ：higee rotating bed ；rotor structure ；packed bed ；hydrodynamics ；mass transfer过程强化技术是指在完成生产目标的前提下，大幅减小设备体积以及数量，从而提高生产效率，减少污染，降低成本的一种技术。

旋转床超重力环境下多相流传递过程研究进展张建文;高冬霞;李亚超;陈建峰【摘要】旋转填充床作为一种高效的传质、分离与反应设备,在化工、环境保护、纳米材料制备、能源、制药等工业过程得到广泛应用.本文对旋转填充床超重力环境下,流体力学特性、传质性能、微观混合、多尺度传递特性等方面的研究进行了总结归纳.近年来,随着计算机科学与多相流传递过程的研究进展,对传递过程的研究也由实验手段为主转变为实验与数值模拟相结合的手段,对有关的数值模拟研究以及相应的多相流模型也予以总结描述.在此基础上,对旋转填充床超重力环境下多相流研究的未来发展提出了有关设想.%As a highly efficient equipment for mass transfer, separation and reaction, rotating packed bed (RPB) has been widely used in chemical engineering, environmental protection, nanomaterial preparation, energy engineering, pharmaceutical engineering and other industrial processes. In this paper, fluid mechanics, mass transfer, micro-mixing, multi-scale transfer in high gravity environment are reviewed. In recent years, with the advances in computer science and multiphase transfer process, the study on multiphase transport phenomena in RPB have evolved from experiments mainly to the combination of experiments and numerical simulation. The advance in the modeling of multiphase transport phenomena and the numerical simulation in RPBs are summarized. The direction and focus of future research on multiphase transport phenomena in high gravity environment are proposed.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2013(064)001【总页数】9页(P243-251)【关键词】旋转填充床;超重力环境;多相流传递;微观混合;多尺度现象;过程强化【作者】张建文;高冬霞;李亚超;陈建峰【作者单位】北京化工大学流体力学与传热研究室,北京100029;北京化工大学流体力学与传热研究室,北京100029;北京化工大学流体力学与传热研究室,北京100029;北京化工大学教育部超重力工程研究中心,北京100029【正文语种】中文【中图分类】TQ027.1引言1976年，英国帝国化学公司（ICI）Colin Ramshow教授等对微重力场下化工分离单元操作——蒸馏、吸收等的效果进行了研究，结果表明浮力因子接近零使传质过程严重受阻、液体表面张力起主导使液体团聚在一起不易分离；与此相反，在超重力环境下，液体的表面张力变得微不足道，且液体被巨大的剪切力撕裂为不同形态的微元，使相界面积增大，对传质非常有利［1］。

新型多级逆流式超重力旋转床精馏性能研究高鑫;初广文;邹海魁;罗勇;张鹏远;陈建峰【摘要】针对基于传统旋转填料床(RPB)和折流旋转床(RZB)开发的一种新型多级逆流式超重力旋转床(MSCC-RPB),在常压下通过以乙醇-水为研究体系的连续精馏实验对MSCC-RPB的精馏性能进行了研究.分别考察了旋转床转速(N)、进料浓度(xF)、进料热状况(q)、回流比(R)对MSCC-RPB的理论塔板数(NT)的影响规律.结果表明:MSCC-RPB的NT随N的增加先增大后减小,随xF的增加变化不大,随q 的增加而增大,随R的增加而增大;在实验考察范围内,最佳操作转速为800r/min,MSCC-RPB理论塔板高度在19.5～31.4 mm之间;与传统两台RPB连续精馏的理论塔板高度相当,与RZB相比传质效率提高近一倍且最佳转速更低.【期刊名称】《北京化工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(037)004【总页数】5页(P1-5)【关键词】多级逆流式超重力旋转床;连续精馏;理论塔板数;理论塔板高度【作者】高鑫;初广文;邹海魁;罗勇;张鹏远;陈建峰【作者单位】北京化工大学教育部超重力工程研究中心,北京,100029;北京化工大学教育部超重力工程研究中心,北京,100029;北京化工大学教育部超重力工程研究中心,北京,100029;北京化工大学教育部超重力工程研究中心,北京,100029;北京化工大学教育部超重力工程研究中心,北京,100029;北京化工大学教育部超重力工程研究中心,北京,100029【正文语种】中文【中图分类】TQ028.13在化工生产中,液 -液混合物通常通过精馏操作进行分离。

精馏塔是目前最为主要的精馏设备[1],但因其液相靠重力自上而下流动,液膜较厚且流动缓慢,存在传质系数低、设备庞大、操作弹性小等缺点。

目前,在农药、医药、涂料等生产中使用各种有机溶剂,出于环保要求和经济成本的考虑,有机溶剂的回收利用受到很大的关注。

超重力旋转填料床中天然气水合物含气量研究超重力旋转填料床中天然气水合物含气量研究2007年第26卷第6期化工进展CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS?853? 超重力旋转填料床中天然气水合物含气量研究刘有智,邢银全,崔磊军(中北大学,山西省超重力化工工程技术研究中心,山西太原030051)摘要:研究了在旋转填料床中制备天然气水合物,主要考察了超重力因子,液气比等因素对含气量的影响.实验结果表明,当在压力5MPa,温度277.15K状态下:含气量随着超重力因子增大而增大,大于120后对含气量的影响不明显;天然气水合物含气量随液气比的增大呈现出先增大后减小的趋势,其最佳液气比为10L/m.结合晶体化学方法探讨了超重力方式合成天然气水合物的机理.与传统方式相比,加快了溶解,成核及生长过程,最终含气量显着提高.关键词:旋转填料床;超重力因子;天然气水合物;含气量中图分类号:TE82-3文献标识码:A文章编号:1000—6613(2007)06—0853—04ExperimentalstudyoncapacityofgashydrateinarotatingpackedbedLIUYouzhi,XINGYinQuan,CUlLeiJun(ResearchCenterofShanxiProvinceforHighGravityChemicalEngineeringandT echnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,Shanxi,China)Abstract:Thepreparationofgashydrateinanovelrotatingpackedbedreactorw asinvestigated.At5MPaand277.15K,theexperimentswereconductedtoexaminetheeffectsofhighgr avityfactors8,liquidtogasratioonthecapacityofgashydrate.Experimentalresultsindicat edthatthecapacityofgashydrateincreasedwithincreasinghighgravityfactors8.However,theeffectw asnotobviousatahighgravityfactorsgreaterthan120.Thecapacityofgashydrateincreasedfirstly withincreasingliquidtogasratio,andthengentlydecreased.Theoptimumprocessconditionswereasfol lows:liquidtogasratioabouti0L/m.Themechanismofhydrateformationbyhighgravitywasstudie dwiththetheoryofparedwiththetraditionalsystem,thehighgravitysyst emacceleratedtheprocessofdissolution,nucleationandcrystalgrowthtoagreatextent,andgascapacit ywasalsosignificantlyincreased.Keywords-rotatingpackedbed.highgravityfactors;gashydrate;gascapacity 水合物是烃类气体和水在低温度和高压力的条件下形成的类笼形结构的冰状晶体,通常称之为笼形水合物(elathratehydrates)?J,具有惊人的吸附(浓缩)气体的能力,理论上单位体积的水合物可吸附180倍左右同单位的气体I2】(标准状态下).因此人们一直尝试用天然气水合物的形式进行天然气的储运和运输.所以解决气体水合物高密度生长的关键技术一直成为业内研究者所关注的焦点J.目前的各种天然气水合物快速生成技术都存在一些缺点:自然静态制备法历时长且含气量低:搅拌法使得釜内气体溶解缓慢,诱导时间增长,水合物成核,生成极为缓慢,反应后期由于上层水合物的覆盖,效果更加微弱,且徒增能耗,反而引导反应负向进行; 喷雾法需要专门设计的喷嘴或喷淋装置且未能及时的排走水合反应生成的热量,从而阻止水合物进一步的生成降低了含气量:气泡法其孔板上的孔径很小,容易在孔板上生成水合物,影响进气,也影响系统的正常运行.Skovborg和Rasmussent41详细地收稿日期2006一l0—23;修改稿日期2007—03—2l. 第一作者简介刘有智(1958一),男,博士生导师,教授,主要从事超重力旋转填料床应用研究.E—mailliuyz@.ca.联系人邢银全,硕士研究生.E—mailqjy8686@.?854?化工进展2007年第26卷分析了Englezos的模型后认为:水合物生成速率并非由水合物的结晶过程所控制,而是由气体从气相主体到液相主体的传质所控制,即水合物生成过程是一个传质现象.所以提高天然气与水的传质速率是提高其含气量和快速生成技术的关键所在. 超重力技术是一种新型强化传递过程的技术, 通过高速旋转的填料产生强大的离心力场模拟超重力环境,气一液,液一液,液一固两相在超重力环境下的多孔介质或孔道中流动接触,巨大的剪切力将液体撕裂成微米至纳米级的液膜,液丝和液滴, 微观混合和传质过程得到极大的强化,单位设备体积的生产效率较传统塔设备可提高1,2个数量级J. 因此,超重力技术可以极大的强化天然气的气液传质速率,提高天然气的含气量,缩短天然气水合物的快速生成时间从而实现天然气水合物的快速生成.由此,作者设计了错流型旋转填料床气液反应的装置,通过实验考察了超重力因子,气液比等因素对含气量的影响后发现该装置能够快速生成高密度的气体水合物,方法高效,简单,能满足实验与生产要求.1实验部分1.1试验材料本实验中所使用的天然气由太原市天然气公司加气站提供,其中的气体成分与质量分数见表1. 十二烷基硫酸钠(SDS)由天津市津东天正精细化学试剂厂生产,其纯度为化学纯,SDS的质量分数为300×10一.本实验中所使用的清水吸收液为普通自来水. 表1实验用天然气主要成分名称质量分数/%81.50.80.41.83.68.44.51.2实验设备及流程实验装置主要有:反应装置的主要核心设备旋转填料床(中北大学山西省超重力工程研究中心研制),流量计(余姚市争环流量仪表有限公司),制冷系统包括制冷压缩机(CAJ4461A型冰箱压缩机),膨胀阀,蒸发器以及循环泵,恒温浴槽,供气系统,供水系统等.旋转填料床壳体内径150iil/n,转子内径50 iilin,转子外径145iilin,轴向有效高度80mm.填料采用不锈钢多孔波纹板规整填料,填料结构尺寸如表2.其设备所用材料为不锈钢材料,最大工作压为20MPa.轴承与填料床之间用机械密封(型号 YS104P,最大工作压10MPa,郑州禹氏橡塑五金有限公司生产).实验流程如图1所示,来自供气系统中的天然气经过减压阀到缓冲罐进行缓冲,然后由压力调节装置并把压力稳定在反应所需的固定值,最后经气体流量计进入旋转填料层底部,天然气由旋转填料床底部沿轴向通过填料层.来自供水系统中的清水在液泵的作用下经转子流量计进入旋转填料床顶部,通过转子中心的液体分布器均匀喷洒在填料层内侧,在离心力作用下沿填料层径向向外侧运动, 与天然气气体错流接触反应.经充分吸收后的液体在重力的作用下沿壁向下流动至旋转填料床底部的反应区,进行成核和晶体生长.反应气和反应水都经循环泵抽出循环使用.控制制冷系统和真空泵控制旋转填料床内的反应温度和压力.表2填料结构特性项目参数填料板材内~klmm外径/mm填料片数/片填料板厚度/mm空隙率/m?m一比表面积/m?m一填装密度/l唱?m-3板间距/mm1.3测试仪器压力测试系统:反应器的压力由压力变送器测量,选用陕西麦克传感器有限公司生产MPM480防爆型压阻式压力变送器,最高工作压力为100MPa, 精度为?0.25%FS;温度测试系统:实验中温度用铠装铂电阻温度计(型号WZPK2103,量程一50,100?,精度?0.1 ?)测量,然后由铂电阻温度变送器变换为数字信 9;3一??一一一第6期刘有智等:超重力旋转填料床中天然气水合物含气量研究.855.图l旋转填料床水合物生成实验示意图1一旋转填料床;2一电机;3一变频器;4一制冷系统;5一供水系统;6一匣温浴槽;7一气体流量计;8一阀门;9一循环泵;1O一液体流量计11一压力测试;12一温度测试;13一供气系统号,输送到控制器进行记录显示.2实验结果及讨论2.1超重力因子的影响在标准状态下,单位体积水合物中所含同单位天然气的体积倍数,称之为含气量(V/V). 超重力因子定义为超重力场下加速度与重力加速度的比值,表达式为co'R8一i—g式中.广重力加速度,m/s.R——转子几何半径,m;超重力因子,量纲为1;?——转子转速,r/s.超重力因子相比于转速则更能表明液体流动的强化程度,其改变是通过控制变频器调节转子转速实现的.图2是在5MPa,277.15K,液气比为10L/m., SDS质量分数为300X10一,反应时间为3h等条件下得到的超重力因子与含气量的关系图. 从图2中可以看出,含气量随着超重力因子图2超重力因子对含气量的影响的增加而增大.这是因为天然气水合物的快速生成受天然气从气相到液相传质的限制,而在高速旋转的填料产生强大的离心力场模拟超重力环境下,液体被撕裂成微米至纳米级的液膜,液丝和液滴,增加了气液接触面积和更新速率,气,液传质得到强化带来水合物生成速率得到较大的提高,水合物在晶核形成以后即开始在整个液相范围内大量生成,整个体系反应较为彻底,最终含气量得以提高, 达到175.1(V/.超重力因子从20增加到150, 含气量从36.01(增加到174.9(V/,提高了77.16%;在20,100时,天然气水合物含气量急剧增加;在100,120时,天然气水合物含气量增加速度放缓;在120,160时,天然气水合物含气量几乎没有什么变化.实验结果表明,超重力因子对含气量的影响非常明显,其最佳值为120左右. 2.2液气比的影响旋转填料床的进液量与进气量的比值称为液气比,其单位为L/Il1j.图3为体系在5MPa,277.15K,反应时间为3h,SDS质量分数为300×10和不同的超重力因子等操作条件下,含气量随液气比的变化关系.液气比几?m,图3液气比对含气量的影响从图3可以看出,含气量随着液气比的增加呈先增大后减小趋势.当液气比为10L/m.时含气量的值最大,达到175.1(v/.当液气比为10,14 L/m时含气量急剧下降,原因可能是:随着液气比的增加,液量增大引起在相同操作条件下的液滴流速,液膜更新速度及填料表面的润湿程度的增大, 强化了气液间的传质速率,从而含气量得以提高. 当液气比大于10L/m时,此时液量过大,填料的液膜厚度大大增加,从而使得气体阻力得到了较大的提升,阻碍了气液间的传质,使气液传质效率急剧下降,所以,试验条件下的最佳液气比为10L/m. 且实验结果还表明,超重力因子在较高的情况下?856?化工进展2007年第26卷(J120)液气比对含气量的影响更加明显. 2.3强化机理分析图4为体系在温度277.15K,超重力因子为 120,液气比10L/m,SDS质量分数为300×10一, 反应时间为3h条件下,超重力旋转填料床中制备的天然气水合物与以不同的其他混合方式制备的水合物的含气量的比较.18O16014og-120008O如6O402OOj盘力/MPa图4不同混合方式下的含气量对比由图4可知,在超重力方式下含气量很大的提高,相对搅拌法,在相同的操作条件下,最终含气量增加25%左右.分析其机理可能是在高速旋转的填料产生强大的离心力作用下,吸收液被填料层撕裂成液膜,液丝和液滴,扩大了气液相接触面积, 克服了在传统合成工艺中的水,气交界面表面张力的限制而影响溶解及成核速率这一不利因素.液相在压力梯度和浓度梯度作用下很快达到饱和,不均匀成核和均匀成核现象在整个液相范围内普遍发生,达到临界大小即开始大量生成水合物.在器壁等散热条件优越的地方水合物往往最先生成,并由此引发其往纵深生长.其次,在成核生长期,由于气液相接触面积极大的扩大,液相中的高溶解度气体分子填充在水合物晶格细胞中的5,5126型空腔都有充足气体分子填充,从而带来了晶格填充率的很大提升,最终含气量也得以提高.3结论(1)超重力技术的高效传质特性可以显着提高天然气水合物的含气量,当在5MPa,277.15K,液气比为10L/m,SDS质量分数为300X10一,反应时间为3h等条件下适宜的超重力因子为120左右. (2)当在5MPa,277.15K,SDS质量分数为300×10一,超重力因子为120,反应时间为3h等条件下含气量随着液气比增大呈先增大后减小趋势,其最佳液气比为10L/m3.(3)超重力法制备天然气水合物机理在于提高了气一液相接触总比表面积,促进了溶解成核过程;优化了传质条件,提高了晶体填充率;通过循环及时排走了反应生成热,有利于晶核成长,最终使含气量(W提高到175.1.参考文献[1]SloanEDJr.ClathateHydramsofNatureGases[M].NewYork:MafcdDekkerInc.,1997.[2]孙志高,樊栓狮,郭开华,等.天然气水合物的研究进展[J】_化工进展,2003,30(1):15—17.[3]石定贤,赵阳升.一种新型的天然气储运技术——NGH[J】.辽宁工程技术大学,2005,24(1):15—18.[41SkovborgP,RasmussenPClathratehydrateofnaturalgases[J】_ ChemicalEngineeringScience,1994,49(8):1131—1143. [5]刁金祥,刘有智,焦纬洲,等.超重力旋转填料床研究应用进展[J】_ 化工生产与技术,2006,16(1):48—51.《《2—l22《22,(上接第852页)[2]HG/T2024--1991.中华人民共和国化工行业标准[S]. [3]雷武,夏明珠,王风云.冷却水系统中阻垢剂性能的评定方法[J]. 化工进展,2002,21f41:275—277.[4]NevilleA,MorizotAP.ACombinedBulkChemistry/electrochemicalApproachtoStudythePrecipitationDepositionandInhibitionofCaCO3[J].ChemicalEngineeringScience,2000,55:4737—4743. [5]程云章,翟祥华,葛红花,等.阻垢剂的阻垢机理及性能评定[J】_华东电力,2003(7):14—18.[6]王风云,雷武,夏明珠.阻垢剂性能评定方法中的问题与讨论[J】_工业水处理,2004,24(2):1—4.[7]DrelaI,FalewiczP,KuczkowskaS.NewRapidTestforEvaluationofScaleInhibitors[J].WaterResearch,1998,32(10):3188—3191. [8]张曙光,雷武,王金祥,等.电导法评定阻垢剂的阻垢性能[J].理化检验——化学分册,2004,40(1):27—32.[9]张小霓,于萍,朱镭,等.溶液电导率法快速评定阻垢剂性能的试验研究[J】.工业水处理,2003,23(8):29—32.[1O]罗漫,陆柱.碳酸钙结晶过程的动力学研究[J】_精细化工,2000,17(8):463—466.[11]曹生现,杨善让,祝国强,等.一种智能型目l垢剂性能快速评定装置[J】_分析化学,2007(6):924928。

综 述文章编号:1002-1124(2005)02-0035-03 旋转填料床最新研究进展喻华兵,刘有智,石竞竞(中北大学山西省超重力化工工程技术研究中心,山西太原030051) 摘　要:本文对旋转填料床的研究进展进行了评述,具体介绍了几种常见和新型的旋转填料床工作原理并进行了对比,最后对旋转填料床的发展趋势与侧重点做了简要分析。

关键词:旋转填料床;超重力;逆流;错流;折流;撞击流中图分类号:T Q02114 文献标识码:AThe latest progress of rotating p acked bed Y U Hua -bing ,LI U Y ou -zhi ,SHI Jing -jing(N orth University of China ,Research Center forHigh G ravity Chem ical Engineering and T echnology Shanxi Provincial ,T aiyuan 030051,China ) Abstract :In this paper ,the recent progress of rotating packed bed were reviewed ,the operating principle of thesefamiliar and new style rotating packed beds were analysed.F ollowed with the analysis of the trend and em phasis of devel 2opment of rotating packed bed.K ey w ords :rotating packed bed ;high gravity ;reversed stream ;cross flow ;baffling stream ;im pinging stream收稿日期:2004-12-10作者简介:喻华兵(1980-),男,2001年本科毕业,现就读中北大学化学工艺学科硕士研究生。