陸佳冬，王廣全，耿康生，計建炳

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超重力旋轉床轉子結構與性能研究進展

陸佳冬，王廣全，耿康生，計建炳

（浙江工業(yè)大學化學工程學院，浙江省生物燃料利用技術研究重點實驗室，浙江杭州 310014）

超重力旋轉床自問世以來受到了廣泛的關注，并已應用于化學工業(yè)之中。目前，超重力旋轉床轉子結構的改進主要是根據(jù)其流體力學以及傳質性能的要求不斷地進行優(yōu)化。本文根據(jù)超重力旋轉床轉子結構的不同，將其分為填料式、板式和復合式3種類型，并據(jù)此介紹了不同類型超重力旋轉床的轉子結構特點和研究現(xiàn)狀，并對其流體力學和傳質性能進行了總結、對比和分析，指出了不同類型超重力旋轉床轉子的優(yōu)點和可能存在的問題，對化工生產過程中超重力旋轉床的選型以及轉子結構的研究具有指導作用。最后提出了超重力旋轉床在應用方面研究的不足，并對其未來可能的發(fā)展方向進行展望，指出超重力旋轉床轉子結構的改進可以從填料和液體分布等方面進行研究，應用范圍可以從裝備集成方面進行拓展。

超重力旋轉床；轉子結構；填料床；流體力學；傳質

過程強化技術是指在完成生產目標的前提下，大幅減小設備體積以及數(shù)量，從而提高生產效率，減少污染，降低成本的一種技術。隨著“三高”問題的重視，世界各國希望使用化工過程強化技術來改革當代化學工業(yè)[1]。超重力技術是化工過程強化技術之一，起源于20世紀70年代末[2]，其基本原理是利用離心力場取代重力場，強化多相流之間的傳質、傳熱等過程。與傳統(tǒng)的板式塔和填料塔相比，超重力旋轉床傳質系數(shù)可提高1～3個數(shù)量級，并且具有設備體積小、成本低、占地面積小、安裝方便等優(yōu)點[3]。目前，超重力技術已成功應用于精 餾[4]、萃取[5]、有機化合物的脫揮[6]、吸附[7]等工業(yè)領域。

超重力旋轉床主要由轉子和殼體組成，其核心部件為轉子。隨著關于超重力旋轉床理論和應用研究的不斷深入，文獻中已報道了許多不同類型的超重力旋轉床轉子結構。除了最早的填料式轉子結構之外，還出現(xiàn)了氣液接觸時間更長、安裝更加方便的板式轉子結構以及結合兩者優(yōu)點的復合式轉子結構。本文從以上方面入手，綜述了一些具有代表性的超重力旋轉床的轉子結構，對其壓降和傳質性能進行了總結和對比，并闡述了超重力旋轉床未來可能的發(fā)展方向和應用前景。

1 填料式轉子旋轉床

填料式轉子旋轉床是最早出現(xiàn)的超重力旋轉床。世界上第一臺旋轉填料床（RPB）是由英國帝國化學工業(yè)公司的RAMSHAW教授等[8]發(fā)明的。研究發(fā)現(xiàn)其傳質性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的塔設備，因此填料式轉子旋轉床成為了研究熱點。填料式轉子旋轉床中的填料可以是散堆填料，也可以是規(guī)整填料，轉子可以是整體式結構，也可以是分割式（即分割式填料）結構。

1.1 整體填料式轉子旋轉床

整體填料式轉子旋轉床是指轉子中的填料之間可視為一個整體，沒有明顯的間隙。

最初，研究者們主要是考察了旋轉床轉子內部的填料，使超重力旋轉床的傳質效果更好，壓降更低。填料形式包括金屬絲網填料[9]、泡沫金屬填 料[10]、三角形螺旋填料[11]、顆粒填料[12]等。這些填料式轉子旋轉床克服了傳統(tǒng)塔設備氣液傳質性能差和設備體積大的缺點，被應用于石油化工、精細化工等領域，比如在丙烯腈聚合原液的脫揮過程中，使用RPB可使丙烯腈濃度在很低的情況下依然得到良好的脫揮效果，使其達到工業(yè)要求[13]。但是這些旋轉床存在著壓降大、易堵塞、應用范圍受限等問題。為了解決這些問題，研究者們陸續(xù)開發(fā)出了不同類型轉子的超重力旋轉床。

焦緯洲等[14]為解決散堆填料動平衡性差以及傳統(tǒng)RPB通量小的問題，提出了多孔波紋板錯流旋轉床，其轉子由以轉軸為圓心的多孔波紋同心環(huán)板組成，如圖1(a)所示。多孔波紋板錯流旋轉床具有壓降小、持液量少等優(yōu)點，被應用于化學工業(yè)之中。由于多孔波紋板旋轉床的流體力學和傳質性能受材料影響較大，因此可以從材料方面進行研究，尋找出可以減小壓降、提高傳質性能的材料[15]。

圖1 整體填料式轉子旋轉床

袁志國等[16]為解決傳統(tǒng)RPB氣液接觸效果差、處理量低等問題，提出了多級錯流式旋轉填料床，其特點是殼體內具有多個填料轉子和填料定子，并可以裝填不同種類的填料，如圖1(b)所示。多級錯流旋轉填料床較適用于大氣量下的傳質、傳熱過程，在使用磷酸脫硫的實驗中得到其脫硫率在99%以 上[16]。但是多個轉子的轉動需要消耗更多的能耗，設備軸向尺寸的增大還可能造成運轉穩(wěn)定性降低。

表1和表2給出了不同整體填料式轉子旋轉床在操作條件下的壓降和傳質性能數(shù)據(jù)。

1.2 分割填料式轉子旋轉床

分割填料式轉子旋轉床是指轉子由多層同心填料圓環(huán)組成，并且在相鄰同心圓環(huán)之間留有 縫隙。

潘朝群等[29]為解決傳統(tǒng)RPB離心阻力過大以及通量小的問題，提出了多級霧化式旋轉床，其特點是轉子包含多層同心圓環(huán)填料，可以將液體進行多次霧化分散，如圖2(a)所示。多級霧化旋轉床具有壓降低、通量大的優(yōu)點，現(xiàn)被應用于工業(yè)廢氣的吸收之中，在東莞一家企業(yè)的脫硫除塵應用中，其脫硫率在94%以上，除塵率在99%以上，處理量可達2t/h[30]。由于填料層數(shù)的增多對其壓降的影響不大，卻可以顯著提高傳質性能，因此在實際應用中可以根據(jù)需求選擇合適的填料層數(shù)。

研究發(fā)現(xiàn)，雖然整體式填料轉子旋轉床可以顯著提高液相傳質系數(shù)，但是氣相傳質系數(shù)的增加并不明顯。因此，RAO等[31-33]開發(fā)了分割式填料旋轉床，希望通過增加氣體與填料之間的切向相對滑移速度來增加其氣相傳質系數(shù)。這種旋轉床的轉子由上下兩個裝有多層填料的同心環(huán)轉鼓組成，相互咬合，兩個轉鼓分別由兩臺電機驅動，既可以同向旋轉，也可以反向旋轉，如圖2(b)所示。分割式填料旋轉床中氣相傳質系數(shù)有了較大提高，在精餾以及吸收的實驗中也取得了不錯的效果，而且兩個轉鼓的轉動降低了對設備整體轉速的要求。但是由于需要兩個轉軸轉動，因此能耗較高，運轉穩(wěn)定性以及安全性也存在隱患。

表1 不同整體填料式轉子旋轉床的壓降

①此處超重力床為錯流式，因此取轉子軸向厚度。

表2 不同整體填料式轉子旋轉床的傳質性能

旋轉填料床與傳統(tǒng)的填料塔一樣，也存在端效應，即端部區(qū)域內的傳質占總體傳質很大的比例。LUO等[34]將傳統(tǒng)RPB轉子的單一填料轉變?yōu)樘盍檄h(huán)與葉片交替的結構，通過葉片的導流作用創(chuàng)造出多個端效應區(qū)，如圖2(c)所示。研究發(fā)現(xiàn)其傳質性能優(yōu)于相同尺寸下的傳統(tǒng)RPB，但是壓降有所增大，未來可以通過改變葉片結構或者在葉片上涂覆某種材料，使其既具有導向作用，又具有傳質作用。利用端效應來提高傳質性能的方法為新型轉子的開發(fā)提供了新思路[35]。

圖2 分割填料式轉子旋轉床

表3 不同分割填料式轉子旋轉床的壓降

①此處為文獻原數(shù)據(jù)。

表4 不同分割填料式轉子旋轉床的傳質性能

① 處指液相體積傳質系數(shù)，s–1；②此處指氣液比。下角標g表示氣相傳質單元高度；l表示液相傳質單元高度。

陳建峰等[36]基于上述端效應發(fā)明了分段進液式旋轉填料床。該旋轉床轉子的特點在于利用多段進液的方法制造出多個端效應區(qū)，并使全部填料得到充分利用，以提高傳質性能，并在轉子的最內緣安裝液體捕集器，用于捕獲液滴并重新甩回到填料區(qū)，如圖2(d)所示。分段進液式旋轉填料床具有壓降低、傳質效果好等優(yōu)點，較適用于黏性流體以及吸收體系。

表3和表4給出了不同分割填料式轉子旋轉床在操作條件下的壓降和傳質性能數(shù)據(jù)。

2 板式轉子旋轉床

板式轉子旋轉床是指轉子由各種形狀板片構成的超重力旋轉床設備，其最大特點就是轉子內無需裝填填料。

陳昭瓊等[37]為解決傳統(tǒng)RPB需拆裝填料和易堵塞等問題，發(fā)明了螺旋通道型旋轉床（RBHC），其特點是在轉子的內部設有數(shù)條阿基米德螺旋型板片，板片的一端連接到中心的內腔，另一端通向轉子外圍，如圖3(a)所示。RBHC的流動通道較長，使氣液接觸時間得到了增加，傳質性能得到了提高。目前RBHC在納米材料的制備以及脫硫中都得到了應用，比如可用于制備25～40nm的球型納米二氧化硅[38]，在使用清水脫硫中達到80%的脫硫 率[39]。另外，RBHC的結構可以被進一步優(yōu)化，比如在擋板上開孔，或對通道內的空間進行優(yōu)化。

鄧先和等[40-41]為使轉子中的氣液得以充分接觸又具有較小的阻力，并能利用液體自身張力加速表面更新，發(fā)明了同心圓環(huán)碟片旋轉床。其轉子主體是由多塊沿軸線排布的同心圓環(huán)薄板組成，薄板呈環(huán)形體的形式，如圖3(b)所示。同心圓環(huán)碟片旋轉床具有周期性變化的波紋曲面，并且徑向流道當量直徑恒定，壓降較低，彌補了傳統(tǒng)RPB的缺點。其在納米材料的制備等領域中得到了應用，使用該旋轉床可制備出20～30nm的納米碳酸鈣[42]。但相比于填料式轉子，碟片旋轉床中液體不易發(fā)生霧化，而且當?shù)g間距較窄時，也易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

栗秀萍等[43-45]為解決超重力旋轉床霧沫夾帶等問題和提高板式旋轉床的氣液接觸效果，提出了翅片導流板旋轉床，其轉子由上下兩個盤片構成，盤片上設有導流板，并在導流板上設有傾斜的翅片，導流板與盤片之間留有流通通道，如圖3(c)所示。翅片導流板合理地利用了轉子內部空間，使得氣液兩相在轉子內獲得了更長的接觸時間和更大的接觸面積，增大了氣液的湍動程度，進而提高了傳質性能，目前翅片導流板旋轉床在精餾方面的實驗研究取得了不錯的效果。但是翅片導流板旋轉床結構較為復雜，存在一定的放大效應。

LIN等[46]為解決傳統(tǒng)RPB在從大氣量蒸汽中去除揮發(fā)性有機污染物（VOCs）時壓降較大的問題，發(fā)明了葉片式旋轉床。轉子由12塊徑向葉片構成，每塊葉片相隔30°，葉片上覆蓋著不銹鋼絲網，如圖3(d)所示。雖然葉片式旋轉床的壓降較低，應用于VOCs氣體的吸收中具有不錯的效果[47]，但是其傳質性能卻低于傳統(tǒng)RPB。葉片式旋轉床尚有很大的改進余地，比如更換葉片材質、增加葉片間空間利用率等。

計建炳等[48-49]為解決傳統(tǒng)RPB難以安裝多個轉子、氣液接觸時間較短又難以實現(xiàn)中間進料等問題，發(fā)明了折流式旋轉床（RZB）。折流式旋轉床的轉子由與殼體固定連接的靜盤和隨軸一起轉動的動盤組成，在動、靜盤上都安裝有若干同心圈，并在動盤的同心圈上開有小孔，動、靜盤相互嵌套，如圖3(e)所示。折流式旋轉床內可以同軸串聯(lián)多個轉子，即多層折流式旋轉床[50]。目前RZB在精餾方面已被成功實現(xiàn)工業(yè)化，浙江某制藥廠在乙醇回收中使用了一臺折流式超重力旋轉床，其乙醇產品濃度在95%以上，并且產量可達4.5t/d。但是折流式旋轉床存在著壓降過大和功耗過高等問題[51-52]。

圖3 板式轉子旋轉床

王廣全等[53]通過改進RZB開發(fā)了錯流同心圈旋轉床（CRB），與RZB類似，其轉子也由動靜盤構成，并在靜盤上開有若干同心凹槽，在動盤上安裝數(shù)個同心圈。每個同心圈上都包含無孔區(qū)、液孔區(qū)和氣孔區(qū)3部分，后兩個區(qū)域具有不同的孔徑和開孔率，如圖3(f)所示。研究表明其最優(yōu)化的結構為無液體分布器，密封為軸封，并采用錯流形式[54]。CRB充分利用了轉子的內部空間，具有更好的液體自分布能力，但是相比于RZB，其板效率偏低。因此可以考慮在同心圈之間增加填料來提高其傳質效率。

LI等[55]為降低RZB的壓降，發(fā)明了逆流同心圈旋轉床。其與RZB的不同在于取消了靜盤的同心圈，并在動盤的同心圈上全部開孔，動靜盤之間采用迷宮式密封，如圖3(g)所示。逆流同心圈旋轉床在降低壓降和功耗、增加氣液通量的同時，保留了RZB易于實現(xiàn)中間進料以及多轉子同軸串聯(lián)的優(yōu)點。但由于其轉子內氣液接觸效果變差，因此傳質性能還有待進一步提高，目前可適用于對傳質要求不高而氣液通量較大的場合。

表5和表6給出了不同板式轉子旋轉床在操作條件下的壓降和傳質性能數(shù)據(jù)。

3 復合式轉子旋轉床

復合式轉子旋轉床是指轉子由填料和板片共同組成，其既具有較低的壓降，又具有良好的傳質性能，是新一代超重力旋轉床轉子的研究方向。

SUNG等[56]通過在轉子中設置擋板來增大氣體與填料間的相對滑移速度，發(fā)明了擋板填料復合式旋轉床，其轉子由覆蓋不銹鋼絲網的葉片與擋板交替排列構成，如圖4(a)所示。擋板填料復合式旋轉床不僅利用擋板增加了氣體與填料之間的相對滑移速度，也改善了液體在轉子內的混合和分散情況，但是相比于RAO等[31-33]的分割式填料旋轉床，其傳質性能偏低。

表5 不同板式轉子旋轉床的壓降

①此處指氣相動能因子，kg0.5·m–0.5·s–1。

表6 不同板式轉子旋轉床的傳質性能

① 此處指氣相動能因子，kg0.5·m–0.5·s–1。下角標l表示液相傳質單元高度；L表示液相總傳質單元高度；G表示氣相總傳質單元高度。

陳建峰等[57-58]綜合了傳統(tǒng)RPB和RZB的優(yōu)點，提出了多級逆流式旋轉床（MSCC-RPB）。MSCC-RPB的轉子由動盤和靜盤組成，靜盤與殼體固定連接并裝有多孔環(huán)狀擋板和進液管，可實現(xiàn)中間進料，動盤與軸連接并裝有填料環(huán)，填料環(huán)中既可裝填填料用于精餾、吸收等過程，也可通過裝填催化劑用于催化反應等過程，如圖4(b)所示。MSCC-RPB不僅可以實現(xiàn)類似RZB的中間進料，填料的存在又可以提高傳質性能，在以酸和醇為原料的反應精餾實驗中，測得其乙酸轉換率在84%以上[59]。

姚文等[60]基于RPB和逆流同心圈旋轉床的結構特點，開發(fā)了網板填料復合式旋轉床（RCB）。其轉子由固定在上下兩塊動盤并隨動盤一起轉動的同心環(huán)網板組成，相鄰網板間安裝有填料以提高傳質性能，如圖4(c)所示。網板填料復合式旋轉床相比于RZB，壓降小，通量大，但是填料的嵌入可能會使轉子在高轉速下發(fā)生共振現(xiàn)象，影響穩(wěn)定性。因此，需對填料進行加固，或者使用一些穩(wěn)定性高的規(guī)整填料。

表7、表8給出了不同復合式轉子旋轉床在操作條件下的壓降和傳質性能數(shù)據(jù)。

4 總結與展望

在超重力旋轉床轉子結構的發(fā)展過程中，其傳質性能在不斷提高，而壓降則維持在一個合理的范圍內。通過對比也可以發(fā)現(xiàn)：分割填料式轉子旋轉床的傳質性能優(yōu)于整體填料式轉子旋轉床，而壓降也較低，這是因為其降低了填料與氣體摩擦產生的壓降，改善了液體初始分布以及轉子內液體再分布的能力。板式轉子旋轉床相比于填料式轉子旋轉床，氣液接觸時間更長，并且擋板上的開孔可以增加氣液接觸面積，提高傳質性能。復合式轉子旋轉床兼顧了填料式和板式轉子旋轉床的優(yōu)點，填料環(huán)與板片交錯排列的結構，使其既具有較高的傳質性能又具有較低的壓降。板式和復合式轉子旋轉床的特殊結構，使其更易于實現(xiàn)中間進料及同軸安裝多個轉子，因此相比于填料式轉子旋轉床更適用于精餾過程。

圖4 復合式轉子旋轉床

表7 不同復合式轉子旋轉床的壓降

表8 不同復合式轉子旋轉床的傳質性能

① 此處指氣相動能因子，kg0.5·m–0.5·s–1。下角標G表示氣相總傳質單元高度。

同時，上述分析也表明，超重力旋轉床轉子結構的優(yōu)化，主要是通過改進液體初始分布和轉子內液體再分布的能力、增加氣液的接觸面積和接觸時間、提高氣膜傳質3方面來提高傳質性能，通過簡化轉子內部結構來降低壓降，以及研究開發(fā)適用于某一特定體系和過程的特殊轉子。因此未來超重力旋轉床的研究可以從以下幾個方面進行。

（1）填料 研究開發(fā)更多不同材質的填料來滿足不同的工業(yè)應用要求，比如擁有耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性質的填料，也可以利用生物結構的特殊性，研發(fā)出各種生物填料或者生物復合型填料。另外可以對填料表面進行微觀結構改變，增大其比表 面積。

（2）液體分布 超重力旋轉床中初始液體分布的均勻性受重力影響，加之旋轉床中液體停留時間過短、自分布能力較弱，從而會導致傳質性能的降低。因此，可以在超重力旋轉床中引入其他力場，減輕重力場對液體初始分布的影響，或者在轉子中設置再分布裝置，也可以通過改進轉子結構提高其自分布能力。

（3）裝備集成 超重力旋轉床相比于塔設備的突出優(yōu)點是體積小，因此更容易實現(xiàn)過程裝備的小型化和集成化，用于某些移動平臺上，例如車載式空分裝置。

經過了三十多年的發(fā)展，超重力旋轉床在結構和性能方面的研究已經有了長足的進步，但是超重力旋轉床本身的結構和尺寸，使其在通量和物系選擇等方面受到限制，因此在應用上難以達到大規(guī)模的程度。然而超重力旋轉床較塔設備擁有更多的優(yōu)勢，理應在更多的場合替代塔設備，因此，還需要在超重力旋轉床的應用研究和工業(yè)化應用方面開展更多的工作。

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Research progress on rotor structure and performance of higee rotating bed

LU Jiadong，WANG Guangquan，GENG Kangsheng，JI Jianbing

（Zhejiang Province Key Laboratory of Biofuel，College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

The higee rotating bedhas drawn a wide attention since it was introduced. It has been applied in the chemical industries. Now，the structural improvement of higee rotating bed is optimized according to the requirements on the hydrodynamic and mass transfer performance. In this paper，based on different rotor structures，the higee rotating bed was classified into three types：packed rotating bed，plate rotating bed and compound rotating bed. The rotor structure features and recent researches of different types of higee rotating beds were introduced and their hydrodynamic and mass transfer performance was analyzed and summarized，the advantages and potential problems were pointed out. The results can be used as guidance for the selection of the rotating bed and the study of rotor structure in chemical production processes. Finally，the insufficiencies of application research and the possible developmental direction of higee rotating bed were indicated. The improvement of the rotor structure of higee rotating bed can be achieved from the aspects of the packing and the liquid distribution，and the application expansion from the aspect of the equipment integration was also suggested.

higee rotating bed；rotor structure；packed bed；hydrodynamics；mass transfer

TQ051.1

A

1000-6613（2017）10-3558-11

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0334

2017-03-02；

2017-05-01。

陸佳冬（1992—），男，碩士研究生。

王廣全，博士，副教授，研究方向為傳質與分離技術。E-mail：wanggq@zjut.edu.cn。