孫永利，張宇，肖曉明，3

（1天津大學化工學院，天津 300072；2天津大學精餾技術(shù)國家工程研究中心，天津 300072；3北洋國家精餾 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70年代末發(fā)展起來的一項新型技術(shù)[1]，基本原理是利用多相流體系在超重力場中的獨特流動行為，強化相間的相對速度和接觸程度，其本質(zhì)就是為了強化“三傳一反”過程。目前來說，超重力場主要是通過設備整機或部件的旋轉(zhuǎn)獲得，因此其實質(zhì)上就是比常規(guī)重力場大得多的離心力場，可以用特征參數(shù)——超重力因子來描述。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個數(shù)量級，顯著強化了氣液傳質(zhì)過程，縮小了設備體積，在至今三十多年時間里已被成功應用于精餾[2]、吸收[3]、有機化合物脫揮[4]、納米材料制備[5]和磺化反應[6]等相關領域。

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，從最開始的一體化轉(zhuǎn)子衍生出了后來的分區(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、傳質(zhì)性能和能耗方面進行不斷權(quán)衡與優(yōu)化，以滿足不同分離過程的需求，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，整個轉(zhuǎn)子各個部分按相同方向和相同角速度共同旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成一個整體性的轉(zhuǎn)子。旋轉(zhuǎn)填料床（rotating packed bed，RPB）作為第一臺超重力設備，采用的便是一體化轉(zhuǎn)子，至今仍廣泛地應用于各種化工分離過 程中。

1.1 傳統(tǒng)填料旋轉(zhuǎn)床

世界上第一臺RPB由英國帝國化學工業(yè)公司的Ramshaw教授等[7]發(fā)明，該設備顯著強化了傳質(zhì)過程，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實驗物系研究對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%，這充分說明超重力旋轉(zhuǎn)床的流體動力學性能受轉(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-水為實驗物系，在一臺內(nèi)外徑分別為60mm和180mm、高度為40mm的波紋絲網(wǎng)填料旋轉(zhuǎn)床中進行了精餾實驗，測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)為化工過程強化領域帶來了新的活力，能在很大程度上強化“三傳一反”過程。但在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的過程中，必須解決好設備的動平衡問題，使得RPB能長時間保持穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，這是很多生產(chǎn)企業(yè)十分重視的問題。

1.2 同心環(huán)波紋碟片旋轉(zhuǎn)床

20世紀90年代，由于內(nèi)外壓力梯度過大，常用的RPB流道一般都較短，不利于多相傳質(zhì)反應，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復雜，不利于制造、安裝和維護。因此，如何設計一種壓降低、結(jié)構(gòu)簡單的新型旋轉(zhuǎn)床成為當時的技術(shù)難題。

針對上述問題，華南理工大學鄧先和等[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。

簡棄非等[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，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體積分數(shù)為40%且晶型控制劑使用量約為Ca(OH)2質(zhì)量的0.5%時是反應的最佳操作條件，此時的化學反應過程得到充分的強化，這為納米材料的制備方法提供了又一成功范例。

總體來說，同心環(huán)波紋碟片旋轉(zhuǎn)床的出現(xiàn)成功解決了當時傳統(tǒng)RPB存在的問題，降低設備壓降的同時還保持了良好的傳質(zhì)性能，對未來超重力旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化具有顯著的指導意義。

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)性有機污染物時氣相壓降較大，臺灣長庚大學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個葉片按30°間隔沿徑向排布，每個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驗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。實驗中，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)床已被成功應用于揮發(fā)性有機污染物的吸收、蒸氣中脫除甲醇和正丁醇等分離過程中[29-30]，為各種溶劑回收過程提供了良好的技術(shù)支持。

葉片填料旋轉(zhuǎn)床在盡可能不過多影響到傳質(zhì)性能的前提下，降低了設備壓降，但是這種降低程度十分有限，未來可以著重從葉片的布置和葉片表面的填料入手對其進一步優(yōu)化。

1.4 翅片導流板旋轉(zhuǎn)填料床

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

中北大學栗秀萍等[31-32]分別以乙醇-水、甲醇-水為介質(zhì)，在常壓下以多級翅片導流板旋轉(zhuǎn)填料床進行了連續(xù)精餾實驗，探究了超重力因子、原料液流量和回流比對傳質(zhì)的影響，并進行了顯著性檢驗。顯著性由高到低依次是回流比、超重力因子和原料液流量，證明在超重力設備中的精餾過程仍然受回流比影響最為嚴重。在實驗范圍內(nèi)，多級翅片導流板旋轉(zhuǎn)床的等板高度達到了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，同時還延長了氣液兩相在填料床中的接觸時間和距離。但將多級翅片導流板旋轉(zhuǎn)填料床應用于工業(yè)中時，與實驗設備相比存在一定的放大效應。因此多級翅片導流板旋轉(zhuǎn)填料床在工業(yè)應用方面仍具有較大的技術(shù)難度，在設備放大后應更加注重其動平衡性。

1.5 多孔波紋板錯流旋轉(zhuǎn)床

由于逆流旋轉(zhuǎn)床存在壓降大、氣液處理量小等缺點，研究人員逐漸把精力轉(zhuǎn)移到錯流旋轉(zhuǎn)床上，而多孔波紋板旋轉(zhuǎn)床即屬于錯流旋轉(zhuǎn)床的一種，具有動平衡性好、放大效應不明顯等優(yōu)點，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]對多孔波紋板錯流旋轉(zhuǎn)床進行了各項深入研究，以空氣-水為實驗物系，研究了兩種板間距填料的流體動力學行為，發(fā)現(xiàn)在實驗操作范圍內(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，還以CO2-NaOH為實驗物系，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[8]中金屬絲網(wǎng)填料逆流旋轉(zhuǎn)床略小。

從結(jié)果顯示來看，多孔波紋板錯流旋轉(zhuǎn)床通過氣液接觸方式的改變大大降低了設備壓降，而傳質(zhì)性能只是略微降低，這為未來對這兩方面的權(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），又稱旋轉(zhuǎn)床超重力反應器，最初由湘潭大學周繼承等[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題。其轉(zhuǎn)子的中央進料腔外設有1～100條內(nèi)端與轉(zhuǎn)子進料腔相連，且外端與殼體的內(nèi)腔相通的封閉阿基米德螺旋線型通道，如圖2所示。將RBHC應用于氣-液、液-液和氣-固-液等多相反應，可極大強化化學反應過程。如用于石灰水懸浮液吸收CO2進行碳化反應，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，其反應吸收率能達到99.5%。

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

目前來說，RBHC大多被應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超重力反應共沉淀法，并成功制備出納米級的尖晶石錳酸鋰，平均粒徑約為60nm[41]，進一步深化了RBHC在納米材料制備方面的應用。

然而，對于RBHC的研究絕不應止步于納米材料的制備，未來需要開發(fā)更多其他類型功能材料的新工藝，尤其是高分子功能材料方面，以進一步拓展其應用范圍。

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)有超重力設備壓降大和轉(zhuǎn)子持液量大的缺點，浙江工業(yè)大學計建炳等[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）的動靜折流板更換成了同心篩孔動圈，取消了靜折流板的設置，但保留了RZB原有的動靜盤結(jié)構(gòu)，如圖3所示，這也使得該轉(zhuǎn)子具有同RZB一樣能輕易實現(xiàn)中間進料和安裝多層轉(zhuǎn)子的優(yōu)點。同時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-水為實驗物系在常壓下進行了精餾實驗，研究了該設備的傳質(zhì)性能，發(fā)現(xiàn)其在精餾過程中存在明顯的端效應，并給出了考慮內(nèi)外端效應的精餾關聯(lián)式。精餾實驗結(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，且在實驗操作范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)液泛現(xiàn)象。

靜折流板的取消確實會顯著降低功耗和壓降，但是這也會導致內(nèi)部流道變得過于簡單，減小了氣液擾動，傳質(zhì)性能的降低也就不足為奇。由于該設備的端效應十分明顯，可以考慮增大端效應范圍以提升其傳質(zhì)效率，充分發(fā)揮在精餾過程中的積極作用。

1.8 錯流型同心圈超重力旋轉(zhuǎn)床

傳質(zhì)設備內(nèi)的氣液接觸方式在很大程度上影響了設備的壓降和傳質(zhì)性能，一般來說，氣液逆流接觸是傳質(zhì)過程的最佳接觸方式，但這會顯著增大設備內(nèi)的流體阻力。因此，如何權(quán)衡這兩方面是學者們應重點研究的內(nèi)容。

由浙江工業(yè)大學王廣全、計建炳等[43]設計的錯流型同心圈旋轉(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，只是同心圈開孔方式不同使得氣液接觸方式由逆流變?yōu)殄e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-水為實驗物系進行了精餾實驗，在不同操作條件下考察了壓降、軸功率和傳質(zhì)特性。在實驗操作條件下，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CRB傳質(zhì)效率不高的缺點，設計者們[44]又從液體分布器、密封、流體接觸方式3個方面對其進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。經(jīng)過各個方面的對比選擇，最終優(yōu)化方案為無液體分布器，密封采取汽封形式，保留氣液間錯流接觸。優(yōu)化后的CRB板效率達到了RZB的60%，相比優(yōu)化前其傳質(zhì)效率幾乎提升了一倍，適當彌補了氣液接觸方式改變所造成的傳質(zhì)性能的損失。

一種新型設備的出現(xiàn)，不能因為某一方面性能的低劣就否定其存在的意義，考慮各方面因素進行更深層次的優(yōu)化，往往也能取得意想不到的效果。但對于CRB來說，畢竟還是存在傳質(zhì)效率較低這一短板，因此在實際應用中要盡量揚長避短，考慮將其應用于一些對傳質(zhì)要求不高而流體阻力較大的場合，以充分發(fā)揮CRB的優(yōu)點。

1.9 網(wǎng)板填料復合旋轉(zhuǎn)床

進入21世紀以后，超重力旋轉(zhuǎn)床的發(fā)展開始傾向于一種復合型旋轉(zhuǎn)床，其結(jié)構(gòu)特征介于RPB和RZB之間。這樣，兩種類型旋轉(zhuǎn)床的優(yōu)點都能有所兼顧，適用性更強。

浙江工業(yè)大學姚文、計建炳等[45-46]在總結(jié)RPB和RZB優(yōu)缺點的基礎上，成功開發(fā)出一種通量大、壓降小的新型高效的網(wǎng)板填料復合旋轉(zhuǎn)床（rotating compound bed，RCB）。該旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子由上下兩塊旋轉(zhuǎn)動盤和固定在其中的同心環(huán)網(wǎng)板組成，形成一個整體一起轉(zhuǎn)動，如圖4所示。在相鄰同心環(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，分布器外壁開設了16個噴液小孔，氣相與液相在其中進行逆流接觸。同時，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中進行了流體力學與傳質(zhì)性能實驗，考察了氣液流量和轉(zhuǎn)速對RCB壓降和傳質(zhì)性能的影響。隨后，又選擇乙醇-水物系，以精餾實驗研究了RCB中無填料填充、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、 徑向填充和無填充，獲得了最佳的結(jié)構(gòu)形式。

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

目前，將其他填料填充入RCB中的研究并沒有公開報道，可以橫向比較填充各種填料類型RCB的各方面性能和適用性，以彌補這方面的的不足。

2 分區(qū)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床

分區(qū)轉(zhuǎn)子最大的特點是轉(zhuǎn)子本身不作為一個整體統(tǒng)一旋轉(zhuǎn)，而是被劃分為幾個獨立的部分。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)氣液接觸時間過短，液體分布不均勻，需設置兩處動密封導致制作加工復雜，且單一旋轉(zhuǎn)床難以實現(xiàn)中間進料。20世紀雖然已經(jīng)出現(xiàn)了RTB，但是整個轉(zhuǎn)子仍然只包含“動”的概念。

21世紀初，由浙江工業(yè)大學計建炳等[47]設計并發(fā)明的RZB屬于最典型的動靜結(jié)合形式。如圖5(a)所示，RZB的整個轉(zhuǎn)子由上下動靜盤和動靜折流板組合而成，動盤連接在旋轉(zhuǎn)軸上隨軸一起轉(zhuǎn)動，靜盤則靜止固定在殼體上。安裝在動靜盤上的動靜折流板相互嵌套形成供氣液流通的折流式通道，動折流板上部一般開有小孔。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，不斷重復破碎-聚集的過程，并與氣相密切接觸（錯流與逆流接觸并存），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問世以來，各種研究工作相繼得到開 展。王廣全等[49]分別以空氣-水、乙醇-水體系對RZB的流體動力學和傳質(zhì)特性進行了實驗研究，探究了氣體流量、回流液量和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對其壓降和理論板數(shù)的影響，且實驗測得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，建立了可以預測零氣速時理想液體功耗的數(shù)學模型。研究發(fā)現(xiàn)，實驗條件下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的功耗仍是一個值得深入研究的課題。計建炳等[53]不僅基于經(jīng)驗關聯(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)驗關聯(lián)式的壓降模型，且該模型同樣適用于傳統(tǒng)RPB。

目前來說，因為能輕易實現(xiàn)中間進料的優(yōu)點，RZB一般是應用于各種連續(xù)精餾過程[54]，如常規(guī)精餾和萃取精餾等，其他單元操作則有待進一步拓展。

動靜結(jié)合是RZB最大的特征，這一創(chuàng)新性思路為超重力設備帶來了許多巨大的好處，但是靜折流板的引入必定會增加相當大的液相功耗，這對于功耗本就巨大的超重力旋轉(zhuǎn)床來說無疑是雪上加霜。此外，多層轉(zhuǎn)子的安裝則又進一步增加了功耗需求，并且要求各層轉(zhuǎn)子仍能保持長時間的穩(wěn)定連續(xù)旋轉(zhuǎn)也是一個不小的考驗。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)部氣液擾動不夠強烈和氣液接觸面積小所致，可以設計新型的異型折流板代替原有的規(guī)則折流板彌補這一缺陷。

2.2 定-轉(zhuǎn)子反應器

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)晶沉淀體系時容易發(fā)生堵塞，因此必須定期清洗，日常維護較為麻煩。

陳建峰等[55]發(fā)明了一種可應用于多相體系的定-轉(zhuǎn)子反應器，可應用于多相反應、萃取、吸收和解吸等化工過程。定-轉(zhuǎn)子反應器的結(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)與電動機相連，殼體上還安裝有出料口。反應器的定子由端蓋和多層同心環(huán)或者柱銷組成，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子座和多層同心環(huán)或柱銷組成，并通過旋轉(zhuǎn)軸由電機帶動旋轉(zhuǎn)，最高轉(zhuǎn)速能達到3000r/min。定-轉(zhuǎn)子反應器應用于液-液體系制取粉體Mg(OH)2，能得到平均粒徑在70～90nm的產(chǎn)品，而應用于氣-液-固反應體系，也能成功得到平均粒徑為15～40nm的納米碳酸鈣。此外，對于水脫氧體系，該反應器同樣能取得良好效果，如含氧量為10 000mg/m3的水經(jīng)過定-轉(zhuǎn)子反應器處理脫氧后，水中含氧量僅為30mg/m3。

圖6 定-轉(zhuǎn)子反應器結(jié)構(gòu)示意

定-轉(zhuǎn)子反應器對很多化工工藝過程均具有很強的適用性，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-液兩相反應時，該設備不存在氣體短路問題，不必設置內(nèi)密封，使得結(jié)構(gòu)更加簡單，設備組裝與拆卸也更加便利，應用前景十分良好。

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)并沒有得到有效提高。

印度理工學院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，而另一部分固定于頂盤，如圖7所示，使得相鄰同心填料環(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)床被稱為同心填料環(huán)旋轉(zhuǎn)床。研究發(fā)現(xiàn)一個意想不到的事實，即同心環(huán)逆向旋轉(zhuǎn)時的總壓降比按相同方向旋轉(zhuǎn)時要低，其原因還有待進一步解釋。

隨后，該學院的學者在水的蒸發(fā)冷凝實驗中[57]驗證了將同心填料環(huán)旋轉(zhuǎn)床作為冷卻塔的適用性，并通過吸收和精餾實驗[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個數(shù)量級。當轉(zhuǎn)速n=1100r/min，氣相動能因子F=0.6(m/s)(kg/m3)0.5時，等板高度為29mm，液泛范圍基本與傳統(tǒng)RPB相當。

利用物理學中的相對運動原理，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，能進一步強化動量傳遞和傳質(zhì)過程。同時，考慮到現(xiàn)實中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高是有一定限度的，因此，將對整個轉(zhuǎn)子提速的重擔分攤到兩部分上去，無疑是一個很好的思路。不過，如何協(xié)調(diào)好這兩部分的正常穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)也是值得注意的問題，需要從機械和材料的角度進一步進行深入 研究。

2.4 新型多級逆流式超重力旋轉(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，其在連續(xù)精餾方面的應 用已得到了業(yè)界的廣泛認可。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。

北京化工大學陳建峰等[61]基于RPB和RZB各自的結(jié)構(gòu)特點開發(fā)了一種新型多級逆流式超重力旋轉(zhuǎn)床（multi-stage counter-current rotating packed bed，MSCC-RPB）。該裝置在旋轉(zhuǎn)軸上串聯(lián)兩個或兩個以上轉(zhuǎn)子，由靜盤和動盤嵌套形成。具有環(huán)壁開孔結(jié)構(gòu)的靜環(huán)安裝在靜盤上并與殼體固定相連，動盤上則設置有同心分層填料動環(huán)且與旋轉(zhuǎn)軸連接并隨之轉(zhuǎn)動，整體結(jié)構(gòu)見圖8。該設備不僅可以像RZB一樣能解決中間進料問題，實現(xiàn)單臺設備連續(xù)精餾過程，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，在實驗操作范圍內(nèi)，MSCC-RPB理論塔板高度為19.5～31.4mm，與兩臺串聯(lián)RPB理論塔板高度相當，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；同時在常壓下，以丙酮-水體系對TSCC-RPB進行了精餾實驗。結(jié)果表明，填料層厚度為200mm時，其理論板數(shù)為4.94～11.57，優(yōu)于相應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，同時也是糅合各家所長的生動表現(xiàn)，使得超重力旋轉(zhuǎn)床對于各種化工單元操作的適用性更強，為未來超重力旋轉(zhuǎn)床的結(jié)構(gòu)設計開拓了視野，提供了更廣闊的思路。

3 結(jié) 語

自第一臺超重力設備出現(xiàn)到現(xiàn)在，已經(jīng)過去了三十余年，經(jīng)過眾多研究者們的設計與不斷改良，超重力旋轉(zhuǎn)床的類型越來越豐富，應用范圍越來越廣。但是，超重力旋轉(zhuǎn)床在化工過程強化方面的優(yōu)勢，仍然難以彌補其機械結(jié)構(gòu)所原有的劣勢，設備放大后超重力旋轉(zhuǎn)床連續(xù)運轉(zhuǎn)的動平衡問題依舊存在，這是所有高速旋轉(zhuǎn)設備設計必須要重視的最實際的問題。同時，關于壓降、傳質(zhì)和能耗三方面的權(quán)衡也是未來所有設計者們?nèi)匀恍枰J真思考的問題，應從基本原理的角度出發(fā)對超重力旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子進行結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化，以滿足更多化工單元操作過程的工業(yè)化應用。

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