超重力旋转床的基本介绍

超重力HIGEE (high gravity) 技术是20 世纪70 年代末发展起来的一种过程强化的新技术，主要是通过强大的离心力——超重力，使气-液流速及填料的比表面积大大提高，液体在高湍动、高分散、强混合及界面更新急速的条件下与气体以极大的相对速度在弯曲流道中逆向接触，从而强化传质过程。超重力技术广泛应用于吸收、蒸馏、汽提、萃取等分离过程。

第一台旋转填料床（rotating packed bed，RPB）由英国帝国化学工业公司的Ramshaw 教授等发明，该设备显著强化了传质过程，获得了比传统填料塔更好的传质效果。在这之后，研究者们主要将精力集中在转子内部填料的选型上，出现了各种不同丝网填料及其组合形式的旋转床。此外，其他填料形式还包括塑料网状填料、泡沫金属填料、玻璃微珠填料和三角形螺旋填料等。

RPB 的出现为化工过程强化领域带来了新的活力，能在很大程度上强化“三传一反”过程。但在转子高速旋转的过程中，必须解决好设备的动平衡问题，使得RPB 能长时间保持稳定运转，这是很多生产企业十分重视的问题。

华南理工大学邓先和等于1996 年发明了同心环波纹碟片旋转床，其基本结构为将多块同心圆环薄板沿轴线排布成环形体形式，如图1所示。该旋转床具有排液顺畅、压降小、制造、安装和维修方便等优点。

简弃非等以空气-CO2-NaOH 体系研究了铝质同心环波纹碟片旋转床的干床气相压降和传质特性。在相同操作状态下，其干床压降为金属丝网填料旋转床的60%，等板高度为12.4～23.0mm，与传统RPB 基本相当，显示了其良好的压降和传质性能。

此外，同心环波纹碟片旋转床还被应用于制备粒径范围在20～30nm 的纳米碳酸钙。研究表明，转速n=1100r/min、CO2 体积分数为40%且晶型控制剂使用量约为Ca(OH)2质量的0.5%时是反应的最佳操作条件，此时的化学反应过程得到充分的强化，这为纳米材料的制备方法提供了又一成功范例。

总体来说，同心环波纹碟片旋转床的出现成功解决了当时传统RPB 存在的问题，降低设备压降的同时还保持了良好的传质性能，对未来超重力旋转床结构的进一步优化具有显著的指导意义。

图1 同心环波纹碟片旋转床

图2 叶片填料旋转床

由于传统 RPB 在处理大蒸气量中的挥发性有机污染物时气相压降较大，中国台湾长庚大学Lin 等在超重力旋转床中采用叶片填料形式的转子，如图2所示。旋转床中转子内外径分别为19.5mm和62.5mm，高度为29.5mm，填料比表面积299m2/m3，空隙率为0.97，由12 个叶片按30°间隔沿径向排布，每个叶片表面均覆盖有不锈钢丝网，气液两相在叶片之间的通道以逆流形式接触。在水脱氧和异丙醇吸收实验中研究了叶片填料旋转床的压降和传质特性，结果显示，其气相压降比传统RPB 低。实验中，叶片填料旋转床的等板高度分别为 22～24mm 和11～33mm，传质性能稍逊于传统RPB，但相差不大。

目前，叶片填料旋转床已被成功应用于挥发性有机污染物的吸收、蒸气中脱除甲醇和正丁醇等分离过程中，为各种溶剂回收过程提供了良好的技术支持。

叶片填料旋转床在尽可能不过多影响到传质性能的前提下，降低了设备压降，但是这种降低程度十分有限，未来可以着重从叶片的布置和叶片表面的填料入手对其进一步优化。

由于逆流旋转床存在压降大、气液处理量小等缺点，研究人员逐渐把精力转移到错流旋转床上，而多孔波纹板旋转床即属于错流旋转床的一种，具有动平衡性好、放大效应不明显等优点，其结构如图3所示。

焦纬洲等对多孔波纹板错流旋转床进行了各项深入研究，以空气-水为实验物系，研究了两种板间距填料的流体动力学行为，发现在实验操作范围内其湿床压降为15～179.9Pa，不到近似操作条件下逆流旋转床的十分之一。同时， 还以CO2-NaOH 为实验物系，研究了两种板间距填料的传质性能。结果显示，其液相体积传质系数KLae在两种相似操作条件下分别为0.857/s 和1.087/s，仅比文献中金属丝网填料逆流旋转床略小。

从结果显示来看，多孔波纹板错流旋转床通过气液接触方式的改变大大降低了设备压降，而传质性能只是略微降低，这为未来对这两方面的权衡提供了很好的以小换大的思路。

图3 多孔波纹板错流旋转床

螺旋通道型旋转床（rotating bed with helix channels，RBHC），又称旋转床超重力反应器，最初由湘潭大学周继承等发明，主要是为了解决现有RPB 必须装填填料和易堵塞等问题。其转子的中央进料腔外设有1～100 条内端与转子进料腔相连，且外端与壳体的内腔相通的封闭阿基米德螺旋线型通道，如图4所示。将RBHC 应用于气-液、液-液和气-固-液等多相反应，可极大强化化学反应过程。如用于石灰水悬浮液吸收CO2 进行碳化反应，制备粒径在10～100nm 的纳米碳酸钙，以及石灰水悬浮液吸收烟气中的SO2，其反应吸收率能达到99.5%。

目前来说，RBHC 大多被应用于纳米材料的制备，并取得了很好的效果。近期，研究人员将RBHC 与共沉淀法相结合，创新性地提出了RBHC超重力反应共沉淀法，并成功制备出纳米级的尖晶石锰酸锂，平均粒径约为60nm，进一步深化了RBHC 在纳米材料制备方面的应用。