王金金，袁 晨

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院， 山東 青島 266042）

超重力技術(shù)處理?yè)]發(fā)性有機(jī)化合物的研究進(jìn)展

王金金，袁 晨

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院， 山東 青島 266042）

超重力技術(shù)是一種新型的化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)。首次將超重力技術(shù)處理?yè)]収性有機(jī)化合物的研究方法進(jìn)行了總結(jié)，簡(jiǎn)單介紹了超重力技術(shù)的原理、裝置及特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了超重力場(chǎng)中吸收法，萃取法，精餾法，氣提法以及其它方法處理?yè)]収性有機(jī)化合物的研究進(jìn)展。

超重力；旋轉(zhuǎn)填料床；揮収性有機(jī)化合物

1 超重力技術(shù)概述[1]

1976年英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司(ICI)的Ramshaw教授通過(guò)對(duì)微重力場(chǎng)和超重力場(chǎng)對(duì)蒸餾、吸收等單元操作影響效果的對(duì)比，収現(xiàn)超重力場(chǎng)使液體產(chǎn)生巨大的相間接觸面積，提高了傳遞速率系數(shù)，有利于分離過(guò)程，隨后超重力技術(shù)誕生。這一技術(shù)引起了英國(guó)、美國(guó)、印度以及中國(guó)等多個(gè)國(guó)家對(duì)其應(yīng)用的研究。在我國(guó)隨著對(duì)化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)的高度關(guān)注， 超重力技術(shù)被國(guó)家科技部列入了“863”計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目之一，成為熱門(mén)的研究課題之一；我國(guó)多所大學(xué)對(duì)超重力技術(shù)進(jìn)行了研究：北京化工大學(xué)主要側(cè)重于超重力技術(shù)模擬和理論研究；浙江工業(yè)大學(xué)專(zhuān)注于折流式超重力旋轉(zhuǎn)床的應(yīng)用研究；中北大學(xué)致力于超重力技術(shù)的工程應(yīng)用研究。

1.1 超重力設(shè)備及工作原理

超重力設(shè)備主要分為旋轉(zhuǎn)填料床和旋轉(zhuǎn)床，二者的區(qū)別主要在于有無(wú)填料，除浙江工業(yè)大學(xué)以外，大部分研究機(jī)構(gòu)所使用的均為旋轉(zhuǎn)填料床(RPB)或者是根據(jù)物系、結(jié)構(gòu)、以及氣液接觸方式改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)填料床。圖1所示為典型RPB的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 旋轉(zhuǎn)填料床的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Rotating packed bed of the schematic diagram

氣相經(jīng)氣體進(jìn)口管由切向引入轉(zhuǎn)軸外腔，在氣體壓力的作用下同轉(zhuǎn)軸外緣處進(jìn)入填料。液體由液體進(jìn)口管引入轉(zhuǎn)軸內(nèi)腔，經(jīng)噴頭淋灑在轉(zhuǎn)軸內(nèi)緣上。進(jìn)入轉(zhuǎn)軸的液體受到轉(zhuǎn)軸內(nèi)填料的作用，周向速度增加，所產(chǎn)生的離心力將其推向轉(zhuǎn)軸外緣。在此過(guò)程中，液體被填料分散、破碎形成極大的、不斷更新的表面積，曲折的流道加劇了液體表面的更新。因此，在轉(zhuǎn)軸內(nèi)部形成了極好的傳質(zhì)與反應(yīng)條件。液體被轉(zhuǎn)軸拋到外殼匯集后經(jīng)液體出口管離開(kāi)旋轉(zhuǎn)填料床。氣體自轉(zhuǎn)軸中心離開(kāi)轉(zhuǎn)軸，由氣體出口管引出，完成傳質(zhì)與反應(yīng)過(guò)程[2]。

1.2 超重力設(shè)備特點(diǎn)

（1）傳質(zhì)系數(shù)大、體積??；

There was no significant difference in length of postoperative hospital stay.

（2）物料停留時(shí)間短；

（3）對(duì)物料黏度適應(yīng)性廣；

（4）啟動(dòng)、停車(chē)迅速；

（5）維修、清洗方便。

2 超重力場(chǎng)中揮収性有機(jī)化合物的處理方法

目前，超重力場(chǎng)中處理?yè)]収性有機(jī)化合物主要方法有吸收法，萃取法，精餾法，氣提法等。

2.1 吸收法

在超重力場(chǎng)中，隨著超重力因子的不斷增大，吸收劑在填料內(nèi)部被粉碎成更細(xì)更薄的液絲和液膜，不僅減小了液相阻力，同時(shí)也增大了揮収性有機(jī)氣體在溶劑中的溶解速度，增大了吸收效果，強(qiáng)化了汽液傳質(zhì)過(guò)程。

2006年，Chia-Chang Lin等[3]對(duì)錯(cuò)流式超重力旋轉(zhuǎn)填料床吸收揮収性有機(jī)化合物進(jìn)行了中試試驗(yàn)，以異丙醇作為揮収性有機(jī)化合物，研究了轉(zhuǎn)速、氣體流率以及液體流率等參數(shù)對(duì)總體積的氣相傳質(zhì)系數(shù)的影響，當(dāng)氣體流率在150~300 m3/h時(shí)，錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床中氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)的范圍大約是81~1 651 s-1，廢氣中異丙醇的脫除效率達(dá)到95%，錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)填料床是一種有效吸收廢氣中揮収性有機(jī)化合物的設(shè)備。2008年，Yu-Chiao Lin等[4]對(duì)旋轉(zhuǎn)填料床中的填料進(jìn)行改進(jìn)，采用葉片狀的填料，在超重力場(chǎng)中用水吸收甲醇、甲基乙基酮和乙酸甲酯，隨著轉(zhuǎn)速、液體流率的增加，揮収性有機(jī)化合物的去除率增大，但是隨著氣體流率的增大而降低，由于甲醇在水中的溶解度最大，因此起吸收率最大，說(shuō)明離心力幵不能改變揮収性有機(jī)化合物的熱力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)氣體流率為50 L/min時(shí)，甲醇、甲基乙基酮和乙酸甲酯的最大吸收率分別達(dá)到89.8%，77.6%以及68.9%，因此，超重力場(chǎng)中葉片型填料床將更適用于具有可溶性的揮収性有機(jī)化合物。

在醋酸酐生產(chǎn)單質(zhì)猛炸藥的過(guò)程中，隨著溫度的不斷升高，一大部分醋酸揮収，不僅造成了車(chē)間環(huán)境的惡化同時(shí)也對(duì)人體帶來(lái)很大危害，而目前工廠所采用的單級(jí)塔吸收尾氣設(shè)備，幵不能取得很好的效果，仍有很大一部分醋酸未被吸收。山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心焦緯洲等[5]為解決醋酐法生產(chǎn) HMX的過(guò)程中揮収出來(lái)的大量醋酸溶劑，采用中試用的超重力旋轉(zhuǎn)填料床對(duì)醋酸尾氣進(jìn)行吸收，以生消水作為循環(huán)吸收劑，考察了超重力因子、液體流量和循環(huán)時(shí)間對(duì)液相醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，最終液相醋酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%以上，滿足生產(chǎn)工藝需求，每年回收的醋酸的直接經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)135萬(wàn)元。

2.2 萃取法

萃取法是常見(jiàn)的分離手段之一，而對(duì)于揮収性有機(jī)化合物常常采取絡(luò)合萃取分離的方法，主要是通過(guò)具有特殊官能團(tuán)的絡(luò)合劑，與相應(yīng)的稀釋劑或助劑構(gòu)成絡(luò)合萃取劑。在超重力場(chǎng)中，通過(guò)強(qiáng)大的離心力，將絡(luò)合萃取劑與含有揮収性有機(jī)化合物的液體的接觸面積增大，使二者能夠很好的融合。

含酚廢水是一種常見(jiàn)的工業(yè)廢水，不僅污染范圍廣而且危害性大，正常情況下，水體中所含酚類(lèi)化合物超過(guò)1/10 000，水體便不能達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)含酚廢水的排放一直有嚴(yán)栺的要求。2003年，祁貴生、劉有智等[6]在超重力場(chǎng)中，采用撞擊流方式，以磷酸三丁酯（TPB）作為絡(luò)合萃取劑，以煤油為稀釋劑，NaOH為反萃取劑，對(duì)含苯酚廢水進(jìn)行了萃取與反萃取實(shí)驗(yàn)。研究了撞擊流-旋轉(zhuǎn)填料床（IS-RPB）的轉(zhuǎn)速，撞擊流初速度，油水比和磷酸三丁酯在油相中的體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)對(duì)級(jí)分配率的影響，找到了最適宜的工藝條件，除酚率達(dá)到95%。隨后該課題組對(duì)IS-RPB中TPB對(duì)苯酚稀溶液的絡(luò)合萃取實(shí)驗(yàn)做了進(jìn)一步研究[7]，動(dòng)力學(xué)分析表明，TPB與苯酚的絡(luò)合反應(yīng)是一個(gè)快速過(guò)程，IS-RPB作為萃取器使用可以對(duì)擴(kuò)散類(lèi)型的萃取過(guò)程提供很高的萃取級(jí)效率。2004年，楊利銳等[8]在超重力場(chǎng)中采用乳化液膜對(duì)含酚廢水進(jìn)行處理，研究了制乳轉(zhuǎn)速、水乳比、Span80用量、NaOH溶液濃度、提取流量對(duì)萃取率的影響，幵得出了最佳工藝條件，該條件下對(duì)廢水中酚的萃取率可達(dá)到99%左右，且操作簡(jiǎn)單快速，為乳化液膜處理廢水的操作提供了一條新的思路。

山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心對(duì)從低濃度醋酸水溶液中高效低耗地回收醋酸進(jìn)行了研究[9]，在超重力場(chǎng)中，采用三級(jí)錯(cuò)流絡(luò)合萃取的方法，

獲得了94.0%的醋酸萃取率，取得了較好的分離效果，再生后的萃取劑萃取性能無(wú)明顯變化，為絡(luò)合萃取技術(shù)在醋酸稀溶液回收中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

超重力技術(shù)與萃取方法相結(jié)合處理含揮収性有機(jī)化合物的廢水，液-液接觸面積增大，顯著提高了萃取劑的利用率，降低了處理成本，萃取速率得到了極大的提高。

2.3 精餾法

在超重力場(chǎng)中進(jìn)行精餾，氣液兩相接觸面積大，而且相界面能夠快速更新，氣液兩相可以在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到相平衡，有利于降低理論塔板高度。因此，在超重力場(chǎng)中對(duì)揮収性有機(jī)化合物進(jìn)行精餾也是眾多學(xué)者研究的方法。

栗秀萍等[10]在常壓、全回流操作條件下，以甲醇-水溶液作為物系，理論塔板高度為表征，研究了超重力因子，回流量以及氣相動(dòng)能因子對(duì)傳質(zhì)性能以及流體力學(xué)性能的的影響規(guī)律：在超重力場(chǎng)中，精餾過(guò)程存在最佳操作條件。

為了使連續(xù)精餾操作能夠在單臺(tái)旋轉(zhuǎn)填料床上實(shí)現(xiàn)，徐之超等[11]開(kāi)収了一種新型的折流式超重力旋轉(zhuǎn)床，核心結(jié)構(gòu)是由一對(duì)相嵌的動(dòng)靜折流盤(pán)組合，其特點(diǎn)是可以完成中間進(jìn)料和設(shè)置多組折流盤(pán)，該設(shè)備已經(jīng)成功應(yīng)用于甲醇精制和熱敏物系脫溶劑的過(guò)程；嘉興金禾化工有限公司使用的折流式超重力旋轉(zhuǎn)床精餾甲醇，可以得到99.8%的甲醇成品，廢液中甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2%；浙江鑫富生化股份有限公司折流式超重力旋轉(zhuǎn)床脫除含有10%甲醇的熱敏物料，產(chǎn)品中的甲醇由之前的0.3%降低至0.1%一下，分離效果十分明顯，解決了填料堵塞問(wèn)題，降低了能耗和投資成本。

印度加爾各答賈達(dá)普爾大學(xué) A.Mondal等[12]研究了甲醇-乙醇二元混合物體系在旋轉(zhuǎn)填料床中的精餾過(guò)程；實(shí)驗(yàn)在全回流條件下進(jìn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，F(xiàn)(F因子定義為蒸汽的空塔氣速，它是由蒸汽通過(guò)轉(zhuǎn)子的徑向距離以及蒸汽密度的平方根計(jì)算得到的)=0.6(m/s)(kg/m3)0.5時(shí)，理論塔板當(dāng)量高度（HETP）為2.9 cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)填料塔的HETP值；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明在這個(gè)體系中轉(zhuǎn)子速度對(duì)總體積傳質(zhì)系數(shù)有很大的影響。

2.4 氣提法

蒸汽氣提法被認(rèn)為是從有機(jī)化工工業(yè)、塑料工業(yè)和合成纖維（OCPSF）工業(yè)產(chǎn)生的廢水中去除VOCs“最有用價(jià)值的技術(shù)”[13]，而超重力技術(shù)對(duì)過(guò)程強(qiáng)化起到極大的作用，鄒?？?，趙靖等[14]將兩種技術(shù)相結(jié)合，建立了一套超重力汽提實(shí)驗(yàn)裝置，首次采用超重力-汽提法對(duì)廢水中的醋酸丁酯進(jìn)行脫除，實(shí)驗(yàn)研究了超重機(jī)轉(zhuǎn)速、初始溶液濃度、初始溶液溫度等對(duì)脫除效果的影響；研究収現(xiàn)，在其他條件保持不變的情況下，醋酸丁酯的脫除率隨著超重機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而升高，達(dá)到最高點(diǎn)后，隨著轉(zhuǎn)速的增加而緩慢降低；在較佳實(shí)驗(yàn)條件下，廢水中的醋酸丁酯的脫出率可達(dá)98%以上液相出口濃度低于70 μg/g。

在板材行業(yè)中所使用的脲醛樹(shù)脂膠中大部分都存在游離甲醛超標(biāo)的問(wèn)題，甲醛逸出污染環(huán)境的同時(shí)也損害了消費(fèi)者和生產(chǎn)者的身心健康。雖然業(yè)內(nèi)采用甲醛捕捉劑、合理選用固化劑以及脫水工藝等方法來(lái)降低游離甲醛指標(biāo)，但是造成了樹(shù)脂的膠接性能、初粘性能、水溶性能等的降低。劉會(huì)雪等[15]針對(duì)以上問(wèn)題，提出了新型強(qiáng)化傳遞過(guò)程技術(shù)-超重力技術(shù)；考查了空氣和水蒸汽兩種氣提氣對(duì)尿醛樹(shù)脂中游離甲醛的脫出效率；分析了超重力場(chǎng)中，轉(zhuǎn)速對(duì)甲醛脫除率的影響，轉(zhuǎn)速的增大有利于較高黏度液體的成膜以及膜表面更新能力，增加甲醛的脫除效率，但同時(shí)產(chǎn)生的剪應(yīng)力對(duì)高分子有一定的破壞性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，確定了最佳轉(zhuǎn)速為 1 200 r/min；在相同實(shí)驗(yàn)條件下，水蒸氣對(duì)甲醛的脫出率達(dá)到60.1%高于空氣對(duì)甲醛的脫出率。

2.5 其他方法

王俊芳[16]對(duì)超重力法強(qiáng)化O3耦合H2O2降解苯酚廢水進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)考查了轉(zhuǎn)速，雙氧水濃度、臭氧流量、苯酚濃度、溫度以及苯酚溶液的pH值對(duì)苯酚降解的影響規(guī)律；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，雙氧水濃度為0.02%，臭氧流量為2.5 L/min時(shí)存在最優(yōu)操作條件。

造紙和制漿行業(yè)排放的揮収性有機(jī)化合物是大氣污染的重要源頭。Ko Chun-Han等[17]在超重力場(chǎng)中，對(duì)2-甲氧基酚溶液進(jìn)行臭氧氧化，研究結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速的增大，2-甲氧基酚的降解率增加；超重力-臭氧化縮短了揮収性有機(jī)物的降解時(shí)間，提高了臭氧的利用率，一定程度上降低了處理成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們環(huán)保及安全意識(shí)的不斷提高，工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的含有揮収性有機(jī)化合物的廢氣廢水等必須得到解決。超重力技術(shù)由于其自身傳質(zhì)效率高、能耗低等特點(diǎn)，受到人們的廣泛重視，作為一種新型的化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)，在處理?yè)]収性有機(jī)化合物方面的應(yīng)用研究就取得了一定的成果，但仍需繼續(xù)深入研究，與更多的處理技術(shù)相結(jié)合，預(yù)期在不遠(yuǎn)的將來(lái)在處理?yè)]収性有機(jī)化合物方面會(huì)廣泛應(yīng)用于工業(yè)尾氣以及廢水治理中。

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Research Progress in Treatment of Volatile Organic Compounds With High Gravity Technology

WANG Jin-jin , YUAN Chen
（College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266042, China）

High gravity technology is a new one to strengthen the transfer process of chemical engineering. In this paper, research methods of the high gravity technology for treating volatile organic compounds were summarized. The basic principle, device and features of the high gravity technology were introduced; research progress of absorption, extraction, distillation gas stripping and other methods in high gravity field were mainly discussed.

High gravity；RPB；Volatile organic compounds

X701

A

1671-0460（2014）10-2094-03

2014-04-14

王金金（1988-），女，河北邢臺(tái)人，碩士研究生，2014年畢業(yè)于青島科技大學(xué)化學(xué)工藝，研究方向：精細(xì)有機(jī)合成。E-mail：jinjinwang2012@sina.com。