（化学工程专业论文）旋转填料床内的有效传质比表面积的测定与验证.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t q l 2 学科分类号5 3 0 2 4 1 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 1 4 0 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 l o 学位授予单位名称北京化j 【大学 作者姓名 姚远学号 2 0 0 8 0 0 0 1 4 0 获学位专业名称化学一i ：程获学位专业代码 0 8 1 7 课题来源学校自选研究方向 比表面积的测定 论文题目 旋转填料床内的有效传质比表面积的测定与验证 关键词 超重力机，有效传质比表面积，液相传质系数，传质模型 论文答辩日期2 0 1 l - 0 5 2 5论文类型开发研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称工作单位学科专长 指导教师郭锴教授北京化上火学化学- t 程 评阅人l 郭奋教授北京化工大学化学： 程 评阅人2刘晓林教授北京化工大学化学工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答磋剩趟过捕郭锴教授北京化工大学化学工程 答辩委员1郭奋教授 北京化工大学化学工程 答辩委员2刘晓林教授北京化工大学化学：亡程 答辩委员3文利雄 教授北京化工大学化学工程 答辩委员4张鹏远副教授北京化工大学 化学工程 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( ( 国厂r1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 在超重力的环境下进行传质反应。由于在超重力的环境下，相间流体 的剪切力克服了分子间的表面张力，使得相界间接触面积大大提高， 同时使得传质效果明显提高。超重力机相较于传统的传质塔器其设备 尺寸成倍减小，传质效果也很理想，部分领域包括化工炼油，生物制 药，纳米材料的制备等等都应用了该技术，对于工业化操作具有很好 的应用前景。 本实验研究了常压下旋转填料床中，采用化学吸收法测定丝网填 料的有效传质比表面积以及液相传质系数。 对于高浓度的氢氧化钠溶液，有效传质比表面积和液相传质系数 可以看做是无关的独立变量，可利用表面更新理论，通过测的出口处 液相的溶液浓度以及气相的二氧化碳气体分压，则可以直接计算得到 有效传质比表面积。同时，研究不同的操作条件包括超重力机转速， 液体喷淋密度，气体流量和反应温度对结果的影响。而对于低浓度的 氢氧化钠溶液，有效传质比表面积与液相传质系数是相关的，且有具 体的关联式关联二者，同时考虑到有效传质比表面积为流体力学参 数，在相同的操作条件下为定值，则固定实验的操作条件，通过关联 式进而可以得到液相传质系数的值，同时也可以改变操作条件，观察 北京化r t 大学颁f j 学位论文 响趋势。 实验中，更换吸收液为碳酸钠一碳酸氢钠缓冲溶液，同样吸收混 气中占一定比例的二氧化碳气体，其中催化剂为次氯酸钠，改变催 剂浓度以改变催化反应的动力学常数，利用其与有效传质比表面积 线性关系，拟合直线，其斜率经过简单运算后得到所求值。并通过 变操作条件，研究操作条件的变化对其的影响。 键词：超重力机，有效传质比表面积，液相传质系数，传质模型 i i 赫赫，；，菇。；。并知。* ，：_ 二- ；赫w 一一一：一。曲一：w t r 矗t f 。w 一一一“。i 二7 岁。誓”譬删“。鬻箩鼍篡4 。鬈= j ? 1 _ 。”? 篡了；：。譬= ? ? i ：0 。j ! “：? “? ：“ a b s t r a c t t h em e a s u r e m e n ta n dv e r i f i c a t i o no ft h eg a s l i q u i d i n t e r f a c i a la r e ai nr o t a t i n 2p a c k e db e d si n t e r i a c l a ia r e al nr o t a t l n gd a c k e dd e n s a b s t r a c t r o t a t i n gp a c k e db e di s an e we q u i p m e n ti nm a s st 啪s f e rf i e l d ， w h i c h m a k e su s eo fh i g hs p e e dr o t a t i o nt op r o m o t em a s s 舰n s f e ru n d e r t h eh i g h g r a v i t ye n v i r o n m e n t i l lt h i sc o n d i t i o n ，s h e a rf o r c eb e 时e e nm e i n t e 叩h a s el i q u i dc a nc o n q u e rt h es u r f a c et e n s i o n ，s ot h a ti n t e 血c i a l 鲫e a c o u l db em a g n i f i e dg r e a t l yw h i c h1 e a d st oag o o dm a s st r a n s f e r c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt o w h i g h - g r a v i t ya p p a r a t u sh a sas m a l l e r s i z ea n db e t t e rm a s st 啪s f e r t h i st e c h n o l o g yc a nb eu s e di no i lr e f i n i n g i n d u s t b i o p h a m a c e u t i c a l se ta l ，s oi th a saw i d e 印p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h i sp a p e r g a s - l i q u i di n t e 而c i a la r e aa 1 1 dl i q u i d - s i d em a s st 瑚m s f e r c o e 伍c i e n to fw i r ep a c l ( i n ga r ed e t e m l i n e db yc h e m i c a la _ b s o 印t i o ni na r o t a t i n gp a c k e db e du n d e ro r d i n a 巧p r e s s u r e a st oh i 曲c o n c e n t r a t i o nn a o hs o l u t i o n ，g a s - l i q u i di n t e 血c i a la r e a a n dl i q u i d - s i d em a s st 啪s f e rc o e m c i e n tc o u l db er e g 砌e da st 、7 l ，o i n d 印e n d e n c ev 撕a b l e s s o t l l e g a s - l i q u i di n t e r f a c i a l a r e ac o u l db e c a l c u l a t e db ym e a s u r i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fe x i tl i q u i da n dp a r t i a l p r e s s u r eo fc 0 2 f u r t h e r m o r e ，w eh a v ed i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fr o t a t i n g s p e e d ，s p r a y d e n s i 坝g 嬲f l o w m t ea n dr e a c t i v et e m p 咖r e f o rt h el o w i k e yw o r d s ： r o t a t i n gp a c k e db e d ， g a s - l i q u i d i n t e m c i a l a r e 巩 l i q u i d - s i d em a s s t r a n s f - e rc o e 行i c i e n t ，t h em a s s t r a n s f - e rm o d e l 一一i ，一，t 。羹薪e “一一。”v “：m ：i ? 一：一一? m 警；算赫”湖警掣攀“麓乎爱8 ：= 。冀奠? 警鼍? 譬“? 焉? 。一? _ = y “? 1 目录 目录 符号说明1 第一章绪论3 1 1 超重力技术3 1 1 1 超重力技术的发展3 1 1 2 超重力机的结构4 1 1 3 超重力机内填料选择5 1 1 4 超重力机的特点5 1 2 化学吸收法7 1 2 1c 0 2 的吸收7 1 2 2 化学吸收法的简介8 1 2 3 化学吸收法的优点8 1 3 超重力旋转床内的传质过程9 1 3 1 气液传质过程简介9 1 3 2 流体力学的性能一l o 1 4 气液传质理论模型1 2 1 4 1 有效膜理论1 2 1 4 2 溶质渗透理论13 1 4 3 表面更新模型1 4 1 4 4 传质理论模型的修正1 4 1 4 5 有效传质比表面积1 4 1 5 课题的立题意义与研究工作内容。1 6 1 5 1 立题意义。1 6 1 5 2 研究工作内容1 7 第二章高浓度碱液脱除c 0 2 有效传质比表面积的测定1 9 2 1 实验设备及流程1 9 2 1 1 实验设备1 9 2 1 2 实验流程2 0 v 北京化t 大学颂1 ：学位论义 2 1 3 实验原料2 0 2 1 4 实验测试仪器21 2 2 实验原理21 2 3 实验数据计算2 4 2 3 1 转子转速对有效比表面积a 的影响2 4 2 3 2 液体喷淋密度对有效比表面积a 的影响2 6 2 3 3 反应温度对有效比表面积a 的影响2 7 2 3 4 气体流速对有效比表面积a 的影响2 9 2 4 本章小结3 0 第三章低浓度碱液脱除c 0 ：液相传质系数的测定3 l 3 1 实验流程3 1 3 1 1 实验设备与流程3 1 3 1 2 实验原料3 l 3 1 3 测试仪器3 l 3 2 实验原理3 2 3 3 实验数据计算3 4 3 4 本章小结3 7 第四章缓冲溶液脱除c 0 ：有效传质比表面积的验证3 9 4 1 实验流程3 9 4 1 1 实验设备与流程3 9 4 1 2 实验原料3 9 4 1 3 测试仪器4 0 4 2 实验原理一4 0 4 3 实验数据计算4 l 4 3 1 转子转速对有效比表面积a 的影响4 1 4 3 2 液体喷淋密度对有效比表面积a 的影响4 6 4 4 本章小结5 0 第五章结论5 1 v l 赫”一一* 。菇一w 誓m ，一褊一二一一? 如一。，* 一一。，一i m 赫t ，哆“? 警。f 、8 “硪。冀? ? 鬈8 ”。堂? ，2 尊”? 冀? 嚣”“了? ? ”。? ? ? 。5 ”了：”蔓? ? ? 。y 目录 致谢。5 7 研究成果及发表的学术论文5 9 作者和导师简介5 9 9 v h ! ! 室垡王叁堂堡! 堂垡堡壅 一_ - _ _ _ _ - _ _ - _ _ - - _ _ _ _ 一一 co n t e n t s s y m b o ld e s c r i p t i o n 1 c h a p t e r1p r e f a c e ”3 1 1h i g h g m v i t yt e c l l l l o l o g y j 1 1 1t h ed e v e l o p m e n to f h i 曲一伊a v i t yt e c l l n o l o g y ”3 1 1 2t h es 仃1 l c t u r eo fr o t a t i n gp a c k e db e d ”4 1 1 3t h ep a c k i n go fi 0 t a t i n gp a c k e d b e d b 1 1 4t h ef e a 仰eo fr o t a t i n gp a c k e db e d ”b 1 2c h 锄i c a la b s o r p t i o n 7 1 2 1t h ea b s o r p t i o no fc 0 2 - ， 1 2 2t h ei n t r o d u c t i o no f d l e m i c a la ：b s o 印t i o n d 1 2 - 3t h ea d v a n c 锄e n to f c h e m i c a la b s o r p t i o n d l 3t h em a s st r 锄s f 打p r o c e s si nr o t a t i n gp a c k e db e d 9 1 3 1t h ei i l 仃o d u c t i o no f g a s l i q u i dm a s s t 啪s f e r 9 l - 3 2t h ec h a r a c t e ro ff l u i dm e c h a i l i c s l u 1 4t h et h e o r e t i c a l m o d e lo fg a s - l i q u i dm a s s - t r a i l s f 旨1 2 1 4 1e f f e c t i v e6 l mt h e o r y 1 2 1 4 2s 0 1 u t eo s m o s i st h e 0 巧1 3 1 4 3s u r f a c eu p d a t e sm o d e l i 4 1 4 4t h ec o r r e c t i o no fg a s 1 i q u i dm a s s 蜘s f em o d e l 1 4 1 5s i 嘶f i c a i l c ea n dm a i nc o n t c i 】岫o f m es t u d y 上b 1 5 1s i 鲥f i c a n c eo f m es t l l d y l b 1 5 2m a i nc o n t e l l 临o f m es n l d y l ， c h a p t e r2t h es t i l d yo fg a s i i q u i di n t e r f a c i a l a r e aw i t ha b s o r b i n g c 0 2i nh i g hc o n c e n t r a t i o nn a o h s o l u t i o n 1 9 2 1e x p 甜m 朋t a lc q 啪锄腮a n dp r o c e s s e s 1 9 2 1 1e x p e r i i i l 锄t a le q u i p m e i l t s 1 9 2 1 2e ) 【p 丽m 锄_ t a lp f o c e s s 骼2 0 2 1 3r a wm a t e r i a lo fe 】【p 豳e n t 2 0 2 1 4a n a l y s i se q n l i l ，m e n t s 2 l 2 2e x p 砸m m tp r i n c i p l e 2 1 v t i i 诘弦每tr 一麓，。遏j ? x 4 ，。* 铡伊- 。峰，二n ? 艘剀? 毒- 磐f 甚? ：! i 女伴7 冀誊；擗* p “荆锵：。拌托船“梆搬撑p = 托删1 。掰然 扩掰 ? 黜。i 脚一。嘞_ + 学搿觏。搿：“删雌骨槲荆。辨褙：晰甜锇一 一一 、。j+ 一， 一 ；- c 一一“，r c o n t e n t s 2 3e ) 【p e r i m e n t a lp a n s 2 4 2 3 11 1 1 ei n n u e i l c eo fr o t a t i n gs p e e do na 2 4 2 3 2t h ei n n u e n c eo fs p r a yd e l l s i t yo na 2 6 2 3 3t h ei n f l u e n c eo f t 锄p e r a t u r eo na 2 7 2 3 4t h ei n f l u e l l c eo f g a sn o w r a t eo na 2 9 2 4c o n c l u s i o n 3 0 c h a p t e r3t h es t u d yo fu q u i d _ s i d em a s s - t r a n s f e rc o e 伍c i e n tw i t h a b s o r b i n gc 0 2i nl o wc o n c e n t r a t i o nn a o hs o l u t i o n 。3 1 3 1e x p e r i m e n t a lp r o c e s s e s 31 3 1 1e x p 耐m e l l t a le q u i p m e n t s 锄dp r o c 船s e s 31 3 1 2r a wm a t e r i a lo f e x p e r i m e n t 一3 1 3 1 3a n a l y s i se ( 1 u i p m e n t s 3 1 3 2e x p e 五m e n tp n c i p l e 3 2 3 3e x p e r i m e n t a lp a i t s 3 4 3 4c o n c l u s i o n 3 7 c h a p t e r4t h ec o n l i r m a t i o n o fg a s l i q u i di n t e r f a c i a la r e aw i t h a b s o r b i n gc 0 2i nh i g hc o n c e n t r a t i o nc a r b o n a t eb u f f e r s o l u t i o n 3 9 4 1e x p 耐m e i l t a lp r o c e s s e s 一3 9 4 1 1e x p 喇m e l l t a lc q u i p m e l l t s 觚dp m c 嚣s c s 3 9 4 1 2r a wm a t e r i a lo fc x p 幽e n t 3 9 4 1 3a n a l y s i se ( 1 u i p m e n t s 。4 0 4 2b 【p 鲥m e n tp r i n c i p l e 4 0 4 3e x p e f i m 豇l t a lp a r t s 41 4 3 1t h ei i l n u c i l c eo f r o t a t i n gs p e e d0 na 。4 1 4 3 2t h ei n n u 锄c eo f s p r a yd e i l s i t y0 na 4 6 4 4c o n c l u s i o n 5 0 c h a p t e r5c o n c l u s i o n 5 1 a c l 【n o w l e d g e m e n t 5 7 r e s e a r c hr e s u l t sa n dp u b h s h e d p a p e r s 5 9 x ；毕哿7 譬：。o 螺i # ”蒯。辩；* # ；啼聪i 擞o # 讲g # 搿r ，? o 蹦 删# 船。一t 岔托对，崭慕。”蔷 = 一j 嚣m ：k 虢、掣椎窟潲嘞删f 书踯1 ：，端二g 麟十躲瓣 胖# 嫩等* # 释 群 黔= ：二i5 。，? j 擀g j 鞘m 挂群4 a # 罐 。一一 1 一 + + 。 。一 7。、“1 符寸说明 符号说明 气液相界表面积，m 2 有效传质比表面积，m 2 m 。3 硫代硫酸钠标准滴定溶液浓度的准确的数值，m 0 1 l - l 催化剂次氯酸根离子浓度，m 0 1 l - 1 进口处气体摩尔浓度，m 0 1 m o 出口处气体摩尔浓度，m 0 1 m 3 标准h c l 浓度，m 0 1 m 。3 c 0 2 在相界面上的液相的浓度，m 0 1 m 。3 进出口o h 。的平均浓度，m 0 1 i n - 3 c 0 2 在溶液中的扩散系数，i n 2 s - 1 在液溶中的溶解度系数，m 0 1 m 一p a - 1 在纯水中的溶解度系数，m 0 1 m 一p a - 1 取决于溶液中电解质正负离子及气体溶质的常数，量纲为1 离子强度，m 0 1 m o 无限稀释的n a o h 溶液中反应速率常数，m 3 m o l j 无催化剂时的反应速率常数，s 以 拟一级反应速率常数，s - 1 拟二级反应速率常数常数，m 3 m o l 一s 1 催化反应速率常数，m o l - s 1 液相传质系数，m s 1 液流量，m 3 s 。l 氯的摩尔质量的数值，g m o l 。1 试料的质量的数值，g c 0 2 的吸收速率，m 0 1 加【- 2 s 1 超重力机转子角速度r s j 总压降，p a 离心力产生的压降，p a 摩擦阻力产生的压降，p a 动能损失的压降，p a 气相中c 0 2 的分压，p a 标准大气压，1 0 0 k p a 4口cd何协j秽幻恕幻缸三m m m n卯叱嘶锻， 厅 相界面处的c 0 2 气相平衡分压，p a r温度，k 矿 总传质体积，m 3 矿 硫代硫酸钠标准滴定溶液的体积的 滴定所取样本体积，l m滴定至第一终点所消耗的标准盐酸 吼第一终点至第二终点所消耗的标准 乃 离子价数，量纲为1 2 数值，l 体积，l 盐酸体积，l 第一章绪论 1 1 超重力技术 第一章绪论 物体受到的力远大于地球的重力加速度所造成的地球引力时，产生超重力环 境，而研究在这种环境下的物质的化学物理变化过程，并利用其原理而推广应用 至工业生产领域的技术称之为超重力技术。化工能源、环境保护、高分子材料、 生物制药等领域中，相间的传热、传质、传动与反应是基本的工业生产过程，大 量使用的是填料塔或是筛板塔等较为传统的传质设备，而在塔内，相的流动主要 依靠的是自身的重力。这使得传统的吸收传质设备中，液相气相的传质系数不大， 想要达到较高的生产处理量，在一定程度上就要以牺牲设备的体积为代价，则相 应的各种生产费用和能耗都相应升高。企业想要获得更多的利润，就要缩减成本。 而超重力技术则凭借自身特有的优势，可以很大程度上强化传质，促进传热，加 强传动，使得反应更大程度的进行，缩小了传质设备的尺寸，也就在其根本上降 低了成本的投入，包括维修费用等也相应减少。超重力技术开始逐渐进入市场， 投入到生产中有着很好的工业前景【1 2 】。 1 1 1 超重力技术的发展 工业生产中，超重力环境的实现是通过电动机带动设备旋转产生巨大的离心 力，使得多相物系可以再离心力的作用下，相间与相内发生强烈的碰撞重组，混 合分离，过程得到极大地强化。 超重力环境实现其依靠的主要的设备为超重力机，又称为旋转填料床，由 2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初发展起来。在微重力的环境下，重力加速度无限趋 近于o ，而相间接触的动力因素无法因为密度差而限制了相间的流动，分子间的 表面张力导致了液滴的凝聚，气液传质系数减小，非但没有对传质有任何促进， 反而极大地削弱了传质过程，无法更好的分离吸收。而反之，若是重力加速度越 大，相间流体的剪切力克服了分子间的表面张力，使得相界间接触面积大大提高， 同时使得传质效果明显升高，这对分离和吸收都是十分有利的。 基于这一思想原理，英国帝国化学公司在1 9 8 1 年后的两年间为其申请了专 3 北京化r t 人学顾i j 学位论文 利，并利用旋转床针对吸收、解吸、蒸馏、分离等过程进行试验，并利用典型吸 收体系在重力加速度数百倍甚至上千倍的离心场，表明超重力技术确实极大地强 化了传质的过程。 再此之后，g l i t s c h 公司买断了专利，并进一步对旋转床传质原理及作用等进 行开发，并使得旋转床的应用逐渐推广到了更大的市场，广泛应用于化工反应和 分离、沉淀反应纳米材料的制备等方面【3 1 。美国的c a s ew e s t e n lr e s v e r 大学的 g 锄d n e r 与n o n o n 公司和陶氏公司进行了烟道气中硫的脱除，聚合物中单体脱除 的研究合作。华盛顿大学的d u l ( 1 1 k o v i c 关于超重力机化学法吸收传质的研究，其 他研究者也都做了这方面的研究【4 00 1 。m u n i a l 等在对旋转床进行实验研究的基础 上，拟合出了关于传质系数的一溪流关联式，并基于传质的理论研究，建立了传 质模型【l l ，1 2 1 。 我国在这超重力技术研究应用推广到工业方面起步较晚，早期的这一方面的 研究基本处于空白。张军等学者【1 3 ，1 4 】通过流体的流动研究，建立了旋转床中液滴 的体积传质系数，这是使用的数学方法进行联立求解得到的。 1 1 2 超重力机的结构 旋转填料床的结构分为卧式和立式的，基本的结构大致相同，都是有固定的 外壳和由电动机带动的转子组成旋转填料床，运行旋转填料床时，外壳不动，而 转子则随着电动机带动皮带，发生高速的旋转，进而带动旋转填料床内的气液吸 收。 气体经由气体进口进入旋转填料床内，液相同时通过液相进口进入，在旋转 填料床内与气体发生传质反应。气体的进入，首先进入转子的外腔，由于气体压 力的作用，由外腔部分受挤压进入到填料层内。液相由高位槽配制吸收液，利用 重力的作用进入到旋转填料床内，进入液体分布器喷向填料。 在填料层内，由于转子的旋转，产生巨大的离心力，将液相分散成液滴，甩 向填料外缘。使得液相与气相逆流接触。同时，强大的离心力将液膜进行撕扯拉 丝，破碎分散，使得其与气相接触的相界面积变大，而由于碰撞加剧了液相的湍 流程度，在液相内部的液滴不断被推向了与气相接触的表面，则其接触的相界表 面不断更新。在填料层内极大提高了反应进行的传质和传热。液体经过填料层后 由于重力作用流向外壳，从液体出口处流出，后续可进行回收吸收。气体则由气 体出口出排出，若是有毒则需进行回收，不能直接排入大气。若无毒即可直接排 出。则整个在旋转填料床内的气液传质吸收完成反应。 4 甏荔菇意嚣箍荔纛誊t i * 磊簇”勰藏* 赫一j 簪鹚。赢；遗m 赫z 粤一警簪z ，譬。篡；譬黧。雾雾i 篇篓黧麓篓薹篙警i 尊妻i _ ：； _ 零篓耋? 篙雾譬薯善雾雾! 荔黧篓! 嚣荔：熏：鬟鬻篡篡。 ，o+_。 “ 第一章绪论 1 1 3 超重力机内填料选择 填料作为超重力旋转床的核心构成提供了一个场所以供气相和液相进行物 质的交换，其性能结构的好坏与否直接影响到气液传质的有效与否，并且超重力 技术的应用范围和市场等都使得旋转填料床在选择其内部填料时很重要【1 5 】。 当今市场上所使用的填料大部分为散装的多孔填料，例如丝网填料，多孔填 料泡沫金属，陶瓷等。填料的选择极为重要，由于某些散装的填料由于其在超重 力旋转床内无法装载紧实，导致在转子旋转的时候，尤其是在较高的转速下，处 于不同的径向的颗粒受到的离心力是大小不一的，越靠近旋转中心的颗粒受到的 离心力越大，这就使得在径向分布上，颗粒填料会受力往外围运动，造成了填料 的装载不均，填料层受力也就随之不均，由于内外侧的受力不同，重心不稳，导 致旋转床在运行的时候不断震动，更加破坏了填料装载的均匀性，分布分化加剧， 传质效率得不到有效提高，且容易损坏设备，使得维修费用相应大幅提高。 规整的填料，由于处理气液传质的能力强，且传质效率高在实际的工业操作 生产中有着很好的市场前景【蛤1 1 7 1 。而目前的国际市场上，比较常见的有瑞士公司 的0 i p t i f l o w ，美国公司的f l c x i p a c h c 填料，德国公司的m o n t z p a l ( 填料等等，都 是比较好的填料。 1 1 4 超重力机的特点 作为新型的传质设备，不同于填料塔等传统塔器，超重力机有着自己的特点 和其不可比拟的优势，这些优势决定了超重力机在工业上的应用前景是十分乐观 的。由于超重力机是凭借转子旋转，制造出强大的离心力，提供给气液传质超重 力的环境。气液传质效率成倍提高，传质面积大大增大，使得所需设备提供的传 质面积成倍减小【l 髓o 】。 一方面可以有效降低投入，设备成本的投入由于设备尺寸的减小而降低，同 时维修费用也相应降低。另一方面，设备的尺寸减小，使得设备的占地面积减小， 厂房面积要求降低，环境较为友好。 在实际操作中，超重力机开车停车较为简单。由于反应时间很短，气液传质 能够在很快的时间内达到充分混合，运行稳定，可适用于部分活动的场所。 部分的液体粘度较大，在传统的传质塔器中，传质效果不是很理想，由于粘 度大，液膜厚度较大，且在重力场下与气体流体接触不够彻底。但在超重力的环 5 北京化_ t 人学颀i ：学位论义 境下，高粘度的液体流体可很好分散，加大了与气体的接触面积，在一定程度上 高粘度的液体也可有较好的传质反应。 由于在超重力环境下，气液反应的停留时间仅为l o 2 s 的数量级，一些对于 温度很敏感的反应，其影响不会太大，省去了中间可能需要换热反应的步骤，在 处理这些具有热敏性质的流体时，从进料口到出料口，时问很短，有些还来不及 受到反应放热吸热的影响，就即刻完成传质。同时，由于停留时间很短，持液量 很小，郭锴等人认为持液量，即为液体流体的流量与在反应器内平均停留时间的 乘积，而填料的持液量和液体流体的关系，其实也就是反应停留时间和其流量的 关系，所以，持液量在某些程度上可以反映出床层的一些特性。小的持液量使得 有更多的液体参与到传质过程当中，强化传质【2 1 2 3 1 。 m u 厕a l 等人也对旋转填料床的液泛做了相应的研究。比较普遍的认为，当 旋转床内出现以下现象时，就可认为发生了液泛：在旋转的转子中心部分出现了 雾状的小液滴，且气体流体携带大量的液体从出口处排出，反应的气体压降发生 急剧的增加。之前的研究者同时【2 4 彩】对液泛进行了研究，阐述了这样的观点，液 泛的气速与液量大小有关，且成反比关系，即随着转速的减小液泛增大，液泛的 气速同时与转速有关，成j 下比关系，即随着转速的减小而减小。而整体来说，超 重力机的液泛线要比填料塔中的液泛线高出一半左右。鉴于这一特性，液泛点高， 可适用于气量较大、气速较高的研究。 超重力机极大地强化了微观反应，实现了快速而均匀的混合。这在一些微观 纳米材料等的制备上有着优势。由于其反应时间很短，在纳米材料形成时可快速 形成多孔材料，且空隙均匀，可生产粒径较小，分布较窄的高品质多孔纳米材料。 利用超重力法【2 他8 】制备的纳米材料具有成核可控性的特点，由于反应过程均为可 控制的，则成核的大小等都能通过实验实现控制。同时，应用到实际工程中放大 实验较为简单，生产能力可成十倍提高，生产的效率大幅抬高，同时，这种方法 局限性小，可用于生产很多品种的纳木粉体材料。同时，在生物制药领域超重力 技术也发挥着重要作用。陈建峰等人【2 6 j 利用超重力环境制各了纳米级的苯甲酸， 达到了在1 0 纳米级别上的合成实验研究。相关研究者则在超重力环境下完成了 在2 0 0 到4 0 0 纳米级别的头孢拉定的制备研究。马静等人利用超重力旋转床对于 粒径小于5 0 0 纳米的硫酸沙丁胺醇颗粒的研究取得了突破性的进展。同时，超重 力技术的应用也扩展到了阿奇霉素等药物纳米级别的制备上，真正体现了其作为 传质设备的优势。 超重力机可适用多种多相物系，可以根据实际需要，处理气一液、液一液、气 一液一固等物系。且里面装载的填料便于清洁，可直接拆洗，不易被反应物或是产 物沉积物堵塞，也可定时更换填料，便于生产和实验研究，同时，对于高粘度的 6 第一章绪论 流体，经常清洗更换填料也便于处理【2 9 3 0 】。 旋转填料床的气相压力降低也与传统的塔器填料塔不同。在郑冲教授所作的 实验中，发现干床的压降是大于湿床的压降的。并且，如果固定了填料的外径， 填料的厚度与压降呈反比关系，也就是况填料的厚度越小，压降越大。旋转填料 床的旋转转子需要电动机带动，即消耗电能和动能，这种消耗与气体流体流量呈 反比，也就是说气体流体流量越大，则消耗越小【3 卜3 4 】。 1 2 化学吸收法 化学吸技术在工业领域上已经使用很久，技术比较纯熟，且通过新技术不断 做出改革，有了新的内容。气体的回收率往往可以至少达到9 9 。这种技术被广 泛的运用于吸收c 0 2 气体。 1 2 1c 0 2 的吸收 气体吸收指的是在气体混合物中将其中一种或是多种的组分转移至液相中， 这个过程称之为气体吸收。而若物质的传递过程相反，即液相中的溶质转移到了 气相中，则为解吸。是互为逆的过程【3 5 拼】。 温室气体对于环境的破坏已经得到各个国家的公认，具有全球性。国家实行 减排的成本很高，国际社会展开了一系列讨论，签订了京都议定书，规定了 温室气体的排放。温室气体的排放危害很多，造成全球气候变暧。温室气体的构 成中，c 0 2 所占比例最大，超过一半左右。其中，又以石油化石煤能源的燃烧 过程中所产生的c 0 2 占了最大比例，高达8 0 以上。而c 0 2 并不是一无是处， 它同时是可应用于工业过程的一种原料，食品制造行业以及化工行业都可以c 0 2 为原料【3 8 4 9 1 。 综上所述，对生产过程中产生的大量c 0 2 进行回收，不仅可以降低c 0 2 的 排放量，缓解环境的压力，尽量避免大量的环境污染，还可以降低工业运行成本， 将c 0 2 作为原料加以利用，构成反应的连锁和连贯性。 但是，由于烟道气中的c 0 2 在整个排放的气体中所占的分压很小，含有除 了大量惰性气体n 2 之外，还含有其他成分非常复杂的气体，并且烟道气的流量 很大导致反应时处理量相对增大，提高了回收的难度。正式因为如此，目前的所 用的技术都有部分不符合要求的地方以及急需要改进的地方。吸附法往往由于吸 附剂的选择有限，且各吸附剂的孔隙率等容量不大，使得反应的回收率很低，加 7 北京化t 大学颁 ：学位论文 繁的吸附和解析，使得吸附剂很容易老化。精馏法整个反应需要再较低的温 进行，则设备的要求就较高，使得整个生产的成本提高，对于一些较小规模 产来说，负担太大，且分离效果不尽如人意。物理法由于选择性较差，且成 能耗都很高无法降低则大部分都只限于实验室的小型实验研究。膜分离法则 的处理步骤太过繁琐，对于纯度较高的c 0 2 很难获取。而传统的在塔器中 的化学吸收法因为吸收剂无法重复多次使用，则浪费太大，且吸收率往往不 想，但是综合以上的方法，以及在工业实施上的可行性，则选取化学吸收法， 传统的塔器进行改造，这就与之前提到的新型的传质设备超重力旋转床有效 起来，利用化学吸收法工艺的成熟以及超重力旋转床的不可比拟的优势，将 过程得到最大化的加强。运用到实际生产中，已经取得了骄人的成绩。且这 法不仅仅适用于c 0 2 的脱除，同时对于气体的脱除具有广泛应用性【4 0 训】。 化学吸收法的简介 化学技术法分离c 0 2 气体主要是利用碱液与c 0 2 进行反应分离，比较常见 学吸收溶剂主要有钠碱、钾碱、氨水或是醇胺类m d