超重力技术及其在环保中的应用

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表:2007-06-28 人气:13

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作者：赵晓曦，邓先和，潘朝群，陈海辉

摘要：超重力技术是一项新兴的强化传递过程的技术，应用在环保、化工、材料、能源等领域可以大大强化传递过程。介绍了超重力技术的作用原理、研究进展和在环保中的应用，以及应用超重力技术的2种旋转填料床

关键词： 超重力技术；旋转填料床；脱硫；除尘

中图分类号：TQ052.7 文献标识码：A 文章编号：1006-1878(2002)03-0412-05

多相流之间的质量、热量传递与反应是化工、环保、能源等工业生产中最基本的过程之一，在这些过程中大量使用着塔器，如填料塔、板式塔等。气液逆流接触设备是在地球重力场的作用下实现气-液接触进行传质的，由于重力场较弱，液膜流动缓慢，单位体积内有效接触面积小、由液膜控制的传质过程的体积传质系数Kια低，故这类设备体积庞大，空间利用率和设备生产强度低。自从英国帝国化学工业公司（ICI）于1983年开发成功高强度气-液传质设备Higee（High Gravity Rotary Device)以来，引起了工业界的密切关注，国内外的一些研究机构竞相开展对超重力技术（High Gravity Technology）这种新型强化传递过程技术的基础理论研究，并进行了一定的中试，在化工、环保、材料等领域进行了工业运行，取得了较好的强化效果。旋转填料床（Rotating Packed Bed,或RPB是利用高速旋转的填料床产生的强大离心力（或超重力,使气液的流速及填料的有效比表面积大大提高，液体在高分散、高混合、强湍动以及界面急速更新的情况下与气体以极大的相对速度在弯曲流道中接触，极大地强化传递过程的一种设备[1］。这种设备由于利用了超重力技术，所以又称超重机。超重力技术的理论根据是：在重力加速度g≈0时，两相接触过程的动力因素即浮力因子△ρg→0，两相间不会因密度差而产生相间流动，此时分子间力（如表面张力）将会起主要作用，液体团聚至表面积最小的状态而不得伸展，相间传递失去两相充分接触的前提条件，使相间传递作用越来越弱，分离无法进行。反之，ρ越大、△ρg越大，流体相对速度也越大，巨大的切应力克服了表面张力，使得相间接触面积增大，从而导致相间传递过程的极大加强。超重力技术正是通过高速旋转，利用离心力来增大g，从而增大△ρg达到强化相间传递过程的效果。

1 超重力技术的理论研究

目前，对于在超重力场作用下的旋转填料床内液体的流体力学特性、气液两相间的传质传热规律的理论研究很多，人们正在逐步掌握其作用机理。

1.1超重力场下的流体力学特性

超重力场下的液体流动形式非常复杂，且与填料结构有密切的关系。Bums J.R 与C.Ramahaw 采用不规则的金属丝网作为填料，研究发现旋转填料床中液体的流动有液膜流，但主要是间隙流与喷射流［2］。逆流旋转床液体流动可视研究（Burns and Ramshaw,1996;Guo,K.1996.
Zhong,1996）显示：在低转速下（300600r/min）液相在填料空隙中以线的形式流动（线流，Thread flow），液膜覆盖整个填料空隙（毛细孔流，Pore flow）和填料的表面（液膜流，film flow）；在高转速（600800r/min）下液相是以滴流和液膜流两种形式流动。张军[3]等还用高速频闪摄影的办法得到了旋转床内液体在填料空间呈现的液滴、液膜和液线等形态照片，并测得了填料主体区液滴尺寸。

关于液膜厚度，Choen和Dudukovic[4］于1985年得出：重力场中液膜厚度远大于旋转床中液膜的厚度，在离心力场旋转床中随着转速的增加，填料中液膜厚度逐渐减小，达到一定转速时液膜厚度趋于恒定值的结论。

关于超重力场下的液泛问题，C.Ramshaw［2]认为，在相同的气液流量条件下离心力场中的表观流速远远大于重力场中的值，液膜很薄，使泛点增高。由于旋转填料床涉及到气液流量、转速、填料结构等因素，定量研究远比重力场中的问题复杂。从试验来看，错流旋转填料床还没有出现过液泛[5]。

1.2 超重力场下的气液传质传热特性

对同一种填料，在旋转床中的气液接触面积比要远远大于在重力场（如填料塔）中的值。陈海辉等人用化学吸收法测定有效相界面积[6］，试验结果表明：同心环波纹碟片旋转填料床不仅可百分之百地利用填料自身的表面积，而且可产生良好的喷雾扩展相界面积的作用，使相界面积增加23.5倍。同样采用同心环波纹碟片填料，简弃非等人通过试验测得旋转床的体积传质系数达2.5s-1[7]。

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