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超重力分离1.1基本定义超重力：指的是比在地球重力加速度大得多的环境下物质所受到的力.超重力分离技术：利用超重力条件,强化相与相之间的相对速度和相互接触,实现高效的传质传热过程和化学反应过程。2007.08超重力分离液-液超重力分离液-固超重力分离液-气超重力分离超重力分离的分类气-固超重力分离等1.2超重力分离与机械离心分离的区别?共同点：两都是依靠旋转产生的离心力实现。不同点：超重力场强化主要是改变气液或液液相界面的流动形态，降低气液或液液的传递阻力，从而提高生产效率和减小生产装置体积。离心分离多适用于气固或液固分离，利用两相密度差异实现分离，属于机械分离范畴。3超重力机工作原理GasInletGasOutletLiquidInletRotorRotatingShaft对气相：气体由进口管引入转子外腔，在气体压力的作用下，由转子外缘处进入填料。对液体：由进口管引入转子内腔，经喷头淋洒在转子内缘上，受到转子内填料的作用，所产生的离心力将其推向转子外缘。作用：液体分散、形成不断更新的表面，在转子内部形成极好的传质和反应条件。3.4转子的选择-转鼓的结构设计转鼓是超重力旋转床中的核心部件,其结构设计的好坏直接关系到设备能否达到工艺要求,同时关系到能否长期安全稳定地运转。3.4.1转鼓的结构设计转鼓结构设计中主要应注意两点:一是强度高,需要满足填充床层旋转过程中对其强度的要求;二是流通面积大,即转鼓表面开孔率高,一般要求开孔率在55%以上。转鼓一般有以下两种形式：3.4.2填料的选择填料是超重力装置中重要的内构件，使气液在内部充分接触，不断分离，加快反应速率。填料的种类五花八门，按材质分为金属的、陶瓷的、塑料的及RS钢的丝网填料。陶瓷材料抗压强度高，耐高温、耐腐蚀；但通量小，易碎。金属填料孔隙率大，通量大，效率高，选择一般的金属材料容易腐蚀；不锈钢的填料成本高。塑料式的经不起高温。3.4.3密封性选择密封性能是评价装置运行稳定的关键指标。超重力装置中的密封主要包括旋转转子与外壳之间的密封及填料内进出气体的密封。其常见密封型式包括迷宫型、填料型、螺旋型、机械式、橡胶型等；填料内进出气体的密封用来隔离进出填料内的气体。密封结构选择需要考虑温度、压力、耐腐蚀性、密封介质、密封条件及速度等。4工业应用a.可代替传统塔器,缩小其体积，尤其适宜于代替贵重金属制作的传统设备及加压设备。可进行热敏性物料的处理,减少分解损失。b.进行热敏性物料的处理,减少分解损失可进行传质控制的化学沉淀反应,制备超细粉失可进行传质控制的化学沉淀反应,制备超细粉体。c.可适用振动较大的环境,如海上平台,激烈的振动会使塔器倾斜造成重力偏流而使分离失效,而超重机因不受重力影响而保持优良的分离性能。d.适应于小批量、多品种产品的生产。f.可适用于处理传统设备无法处理的粘度大的体系，如高分子物质脱除单体等。2007.081.3超重力分离的优点1.超重力分离概念及原理（1）传质强度高，可大幅度地减小设备体积，降低设备投资；（2）物料在设备内停留时间短，适用于热敏性物料的处理和选择性吸收；（3）不易起泡以及较高的离心力，适用于处理表面活性物质和高粘性物质；（4）泛点高，适用于大气量、高气速的场合；（5）填料不易堵塞，适用于处理含固体颗粒或杂质的体系；（6）用于处理腐蚀性介质时，可节省价格昂贵的耐腐蚀性材料；（7）操作方便，检修方便、维修费用低。超重力机特点(1)传质效率/通量非常高，不易液泛；(2)液速非常高，适于高粘度物料的处理；(3)微观混合程度很大，适于制备纳米粉体材料；(4)持液量很小，适于贵重/有毒物料的处理；(5)气液停留时间极短，适于热敏物系的分离；(6)转子可自清洗，适于含固/结垢物料处理；(7)安装方向随意，抗颠簸，可安装于运动物体。2007.08基于以上特点,超重力技术可以应用在以下特殊过程:热敏性物料的处理(利用停留时间短)昂贵物料或者有毒物料的处理(利用机内残留量少),选择性吸收分离高质量纳米材料的生产聚合物脱除单体等(1)每台设备需2个动密封，多转子串联困难，且上动密封易腐蚀而影响设备的寿命。(2)转子整体转动，故难以实现中间进料，只能用于全回流。若要实现连续精馏，则需用2台旋转床。(3)转子的直径有限(受动平衡的限制)，而且因气液接触时间极短，设备的分离能力受到限制，不能满足常规精馏分离的要求。现有超重力旋转床的缺点•5超重力机结构创新5.1传统填料式超重力床未能在精馏中应用的原因(b)填料式超重力床顶产品中间进料冷凝器精馏段提馏段再沸器×中间进料321456789101112(1).难以在转子上进料；(3).分离能力不能满足精馏的要求(2).不能准确判断进样位置改进1：转子由动、静部件组合，可在转子上进料，省掉转子与气相管的动密封。（动，静盘相结合）1-动盘2-动折流圈3-气体进口4-静折流圈5-静盘6-气体出口7-液体进口8-中间进料9-壳体10-液体出口11-转轴13456791082115.2结构创新——折流式超重力床可确定进料位置1-动盘2-动折流圈3-气体进口4-1,2,3－液体进口5-静盘6－静折流圈7-气体出口8-导流管9-回流管10-壳体11-液体出口12-转轴1234-14-24-356789101112改进2：多层转子同轴可方便可靠地串联，分离能力大大提高。四层转子串联可以达到32块理论塔板数改进3：动、静折流圈作为气液接触元件，气液分布均匀。每个传质单元0.7块理论板，27块/米(a)填料塔底产品顶产品中间进料冷凝器再沸器精馏段提馏段底产品顶产品中间进料再沸器冷凝器精馏段提馏段(c)折流式超重力床传统精馏填料塔与折流式超重力床宏观对比图高度低能耗小2007.08超重力分离设备在地球上,实现超重力环境的简便方法是通过旋转产生离心力而实现的。这样特殊设计的旋转设备称为超重力设备,简称为超重力机，超重力机又称为旋转填料床(RotatingPackedBed,RPB)2.1超重力机的类型超重力机逆流型旋转填料床折流型旋转填料床错流型旋转填料床并流型旋转填料床逆流式错流式5.3超重力折流床-精馏技术特点①体积小、高度低相同精馏要求折流式超重力床和填料塔的尺寸对比物系设备直径(m)总高度(m)体积(m3)高度比/体积比甲醇/水折流式超重力床0.830.80.43313.8/7.2填料塔0.611.03.11乙醇/水折流式超重力床0.80.550.27616.4/4.1填料塔0.49.01.13②节约资源能源折流式超重力床能耗降低主要来自于设备体积大幅度减小而带来的热损失减小以及冷却水循环泵功率的降低，一般来说超重力床电机功耗是可以被热损失减小的部分抵消的。精馏条件下折流式旋转床和填料塔的能量消耗对比名称甲醇-水乙醇-水填料塔折流式超重力床填料塔折流式超重力床设备热损失kJ/h11.01×1041.101×1048.46×1041.02×104再沸器负荷kJ/h121.1×104111.2×10493.06×10485.45×104水循环泵功耗kW1.870.51.210.39电机功耗kW-10-10总能耗kJ/h121.782×104114.982×10493.497×10489.189×104产品单耗kJ/kg2435.62299.61870.01783.8应用实例-热敏高粘度产品的分离泛酸钙（维生素B5）脱除甲醇。高沸点、高粘度、热敏，含有水和10%的甲醇，要求甲醇＜0.1%，采用填料塔只能到0.3%，无法出口。而超重力床则可满足分离效果。(a)进料进料水蒸气水蒸真空系统冷却水甲醇甲醇冷冻盐水产品产品(b)6.效能影响因素（以超重力烟气脱硫为例）转速对脱除率的影响烟气脱除率随转子转速增加而增加气液比（l=G/L）对脱除率的影响气液比l越大，则单位体积吸收液分配到的待处理烟气就越多，这样有利于节约成本。但是l如果太大，会导致烟气脱硫不充分，不能达到排放标准。烟气脱除率随气液比增加而减少SO2进口浓度对脱除率的影响烟气脱除率随SO2进口浓度增加增加而减少气相中SO2分压增大，气相传质动力增大。但液相中SO2使吸收液PH降低，直接影响气相SO2的平衡分压，最终脱除率降低。不同填料对脱除率的影响液量对脱除率的影响2007.085.超重力分离的影响因素以超重力减压精馏分离乙醇-水的实验为例分析超重力因子。β太小，液体未能充分润湿填料，传质传热效果差导致填料床强化精馏过程效果降低；β过大，液体从填料中被快速径向甩出，停留时间缩短，无法与气相充分混合传质传热。β对xd和Nmin的影响单级旋转精馏床HETP随β的变化关系[3]宋子彬,栗秀萍.超重力减压精馏分离乙醇-水的实验研究,[D],中北大学,2015.2007.085.超重力分离的影响因素操作压力。压力越低，溶液沸点越低，体系共沸点随P减小逐渐向高物质浓度方向移动，当压力减小到一定程度时便可得到无水该物质。2007.085.超重力分离的影响因素进料物质浓度。随着xf增大，xd和Nmin随之快速增加，表明进料浓度增加，精馏床的传质性能增强。原因是进料物浓度增加进而使上升蒸气增加，气液在填料内混合更加充分。P=51.325~11.325kPa下高进料乙醇浓度对HETP的影响P=51.325~11.325kPa下高进料乙醇浓度对HETP的影响2007.085.超重力分离的影响因素④塔釜加热温度对分离效果及传质性能的影响Tw的升高导致分离周期缩短，但xd及Nmin随之减小分离效果在温度过高时反而变差，是因为加热温度过高，液体气化会带出部分水分，影响塔顶产品的浓度。而加热温度过低不足以产生足够的蒸汽保证系统内形成稳定回流，且所需分离时间较长，能耗增高。2007.085.超重力分离的影响因素⑤气液接触时间。着气液接触时间的延长，脱硫率基本呈增加趋势，由于超重力技术优良的过程强化特性，使得脱硫碱液与H2S的反应过程可以在很短的时间内完成。以超重力湿式氧化法脱除焦炉煤气中硫化氢为例分析[9]祁贵生,刘有智,王焕,焦纬洲.超重力湿式氧化法脱除焦炉煤气中硫化氢[J].化工进展,2014,33(4):1045-1050.2007.085.超重力分离的影响因素⑥液气比。液气比增大，气液接触的机会增加，有利于气体的吸收过程，脱硫率增加。但在超重力湿式氧化法脱硫技术中，由于采用超重力技术强化气液接触与传质，大幅度降低了脱硫液气比，有利于减少脱硫液的循环量和保有量，减小再生负荷，节能降耗。2007.085.超重力分离的影响因素⑦填料对气液传质的影响填充于超重力旋转床中的填料结构和形状对气液两相的传质会产生不同的影响。CHEN等在实验中发现，采用拉西环和距鞍形填料没有金属丝网填料传质效果好。最新研究表明规整材料最好。2007.085.超重力分离的影响因素⑧转子转速对气液传质的影响不同的研究体系采用不同的转子尺寸和转速时，传质系数会随着转子转速的增加而增大。但是超重力旋转床中转子的转速并不是越高越好，而是存在一最佳值。