超重力旋轉床的基本介紹

超重力HIGEE (high gravity) 技術是20 世紀70 年代末發展起來的一種過程強化的新技術，主要是通過強大的離心力——超重力，使氣-液流速及填料的比表面積大大提高，液體在高湍動、高分散、強混合及界面更新急速的條件下與氣體以極大的相對速度在彎曲流道中逆向接觸，從而強化傳質過程。超重力技術廣泛應用于吸收、蒸餾、汽提、萃取等分離過程。

第一臺旋轉填料床（rotating packed bed，RPB）由英國帝國化學工業公司的Ramshaw 教授等發明，該設備顯著強化了傳質過程，獲得了比傳統填料塔更好的傳質效果。在這之后，研究者們主要將精力集中在轉子內部填料的選型上，出現了各種不同絲網填料及其組合形式的旋轉床。此外，其他填料形式還包括塑料網狀填料、泡沫金屬填料、玻璃微珠填料和三角形螺旋填料等。

RPB 的出現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。但在轉子高速旋轉的過程中，必須解決好設備的動平衡問題，使得RPB 能長時間保持穩定運轉，這是很多生產企業十分重視的問題。

華南理工大學鄧先和等于1996 年發明了同心環波紋碟片旋轉床，其基本結構為將多塊同心圓環薄板沿軸線排布成環形體形式，如圖1所示。該旋轉床具有排液順暢、壓降小、制造、安裝和維修方便等優點。

簡棄非等以空氣-CO2-NaOH 體系研究了鋁質同心環波紋碟片旋轉床的干床氣相壓降和傳質特性。在相同操作狀態下，其干床壓降為金屬絲網填料旋轉床的60%，等板高度為12.4～23.0mm，與傳統RPB 基本相當，顯示了其良好的壓降和傳質性能。

此外，同心環波紋碟片旋轉床還被應用于制備粒徑范圍在20～30nm 的納米碳酸鈣。研究表明，轉速n=1100r/min、CO2 體積分數為40%且晶型控制劑使用量約為Ca(OH)2質量的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，同心環波紋碟片旋轉床的出現成功解決了當時傳統RPB 存在的問題，降低設備壓降的同時還保持了良好的傳質性能，對未來超重力旋轉床結構的進一步優化具有顯著的指導意義。

圖1 同心環波紋碟片旋轉床

圖2 葉片填料旋轉床

由于傳統 RPB 在處理大蒸氣量中的揮發性有機污染物時氣相壓降較大，中國臺灣長庚大學Lin 等在超重力旋轉床中采用葉片填料形式的轉子，如圖2所示。旋轉床中轉子內外徑分別為19.5mm和62.5mm，高度為29.5mm，填料比表面積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，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床的壓降和傳質特性，結果顯示，其氣相壓降比傳統RPB 低。實驗中，葉片填料旋轉床的等板高度分別為 22～24mm 和11～33mm，傳質性能稍遜于傳統RPB，但相差不大。

目前，葉片填料旋轉床已被成功應用于揮發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，為各種溶劑回收過程提供了良好的技術支持。

葉片填料旋轉床在盡可能不過多影響到傳質性能的前提下，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化。

由于逆流旋轉床存在壓降大、氣液處理量小等缺點，研究人員逐漸把精力轉移到錯流旋轉床上，而多孔波紋板旋轉床即屬于錯流旋轉床的一種，具有動平衡性好、放大效應不明顯等優點，其結構如圖3所示。

焦緯洲等對多孔波紋板錯流旋轉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，發現在實驗操作范圍內其濕床壓降為15～179.9Pa，不到近似操作條件下逆流旋轉床的十分之一。同時， 還以CO2-NaOH 為實驗物系，研究了兩種板間距填料的傳質性能。結果顯示，其液相體積傳質系數KLae在兩種相似操作條件下分別為0.857/s 和1.087/s，僅比文獻中金屬絲網填料逆流旋轉床略小。

從結果顯示來看，多孔波紋板錯流旋轉床通過氣液接觸方式的改變大大降低了設備壓降，而傳質性能只是略微降低，這為未來對這兩方面的權衡提供了很好的以小換大的思路。

圖3 多孔波紋板錯流旋轉床

螺旋通道型旋轉床（rotating bed with helix channels，RBHC），又稱旋轉床超重力反應器，最初由湘潭大學周繼承等發明，主要是為了解決現有RPB 必須裝填填料和易堵塞等問題。其轉子的中央進料腔外設有1～100 條內端與轉子進料腔相連，且外端與殼體的內腔相通的封閉阿基米德螺旋線型通道，如圖4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%。

目前來說，RBHC 大多被應用于納米材料的制備，并取得了很好的效果。近期，研究人員將RBHC 與共沉淀法相結合，創新性地提出了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，進一步深化了RBHC 在納米材料制備方面的應用。