超重力旋转床转子结构与性能研究进展

陆佳冬，王广全，耿康生，计建炳



超重力旋转床转子结构与性能研究进展

陆佳冬，王广全，耿康生，计建炳

（浙江工业大学化学工程学院，浙江省生物燃料利用技术研究重点实验室，浙江杭州 310014）

超重力旋转床自问世以来受到了广泛的关注，并已应用于化学工业之中。目前，超重力旋转床转子结构的改进主要是根据其流体力学以及传质性能的要求不断地进行优化。本文根据超重力旋转床转子结构的不同，将其分为填料式、板式和复合式3种类型，并据此介绍了不同类型超重力旋转床的转子结构特点和研究现状，并对其流体力学和传质性能进行了总结、对比和分析，指出了不同类型超重力旋转床转子的优点和可能存在的问题，对化工生产过程中超重力旋转床的选型以及转子结构的研究具有指导作用。最后提出了超重力旋转床在应用方面研究的不足，并对其未来可能的发展方向进行展望，指出超重力旋转床转子结构的改进可以从填料和液体分布等方面进行研究，应用范围可以从装备集成方面进行拓展。

超重力旋转床；转子结构；填料床；流体力学；传质

过程强化技术是指在完成生产目标的前提下，大幅减小设备体积以及数量，从而提高生产效率，减少污染，降低成本的一种技术。随着“三高”问题的重视，世界各国希望使用化工过程强化技术来改革当代化学工业[1]。超重力技术是化工过程强化技术之一，起源于20世纪70年代末[2]，其基本原理是利用离心力场取代重力场，强化多相流之间的传质、传热等过程。与传统的板式塔和填料塔相比，超重力旋转床传质系数可提高1～3个数量级，并且具有设备体积小、成本低、占地面积小、安装方便等优点[3]。目前，超重力技术已成功应用于精 馏[4]、萃取[5]、有机化合物的脱挥[6]、吸附[7]等工业领域。

超重力旋转床主要由转子和壳体组成，其核心部件为转子。随着关于超重力旋转床理论和应用研究的不断深入，文献中已报道了许多不同类型的超重力旋转床转子结构。除了最早的填料式转子结构之外，还出现了气液接触时间更长、安装更加方便的板式转子结构以及结合两者优点的复合式转子结构。本文从以上方面入手，综述了一些具有代表性的超重力旋转床的转子结构，对其压降和传质性能进行了总结和对比，并阐述了超重力旋转床未来可能的发展方向和应用前景。

1 填料式转子旋转床

填料式转子旋转床是最早出现的超重力旋转床。世界上第一台旋转填料床（RPB）是由英国帝国化学工业公司的RAMSHAW教授等[8]发明的。研究发现其传质性能远远优于传统的塔设备，因此填料式转子旋转床成为了研究热点。填料式转子旋转床中的填料可以是散堆填料，也可以是规整填料，转子可以是整体式结构，也可以是分割式（即分割式填料）结构。

1.1 整体填料式转子旋转床

整体填料式转子旋转床是指转子中的填料之间可视为一个整体，没有明显的间隙。

最初，研究者们主要是考察了旋转床转子内部的填料，使超重力旋转床的传质效果更好，压降更低。填料形式包括金属丝网填料[9]、泡沫金属填 料[10]、三角形螺旋填料[11]、颗粒填料[12]等。这些填料式转子旋转床克服了传统塔设备气液传质性能差和设备体积大的缺点，被应用于石油化工、精细化工等领域，比如在丙烯腈聚合原液的脱挥过程中，使用RPB可使丙烯腈浓度在很低的情况下依然得到良好的脱挥效果，使其达到工业要求[13]。但是这些旋转床存在着压降大、易堵塞、应用范围受限等问题。为了解决这些问题，研究者们陆续开发出了不同类型转子的超重力旋转床。

焦纬洲等[14]为解决散堆填料动平衡性差以及传统RPB通量小的问题，提出了多孔波纹板错流旋转床，其转子由以转轴为圆心的多孔波纹同心环板组成，如图1(a)所示。多孔波纹板错流旋转床具有压降小、持液量少等优点，被应用于化学工业之中。由于多孔波纹板旋转床的流体力学和传质性能受材料影响较大，因此可以从材料方面进行研究，寻找出可以减小压降、提高传质性能的材料[15]。

图1 整体填料式转子旋转床

袁志国等[16]为解决传统RPB气液接触效果差、处理量低等问题，提出了多级错流式旋转填料床，其特点是壳体内具有多个填料转子和填料定子，并可以装填不同种类的填料，如图1(b)所示。多级错流旋转填料床较适用于大气量下的传质、传热过程，在使用磷酸脱硫的实验中得到其脱硫率在99%以 上[16]。但是多个转子的转动需要消耗更多的能耗，设备轴向尺寸的增大还可能造成运转稳定性降低。

表1和表2给出了不同整体填料式转子旋转床在操作条件下的压降和传质性能数据。

1.2 分割填料式转子旋转床

分割填料式转子旋转床是指转子由多层同心填料圆环组成，并且在相邻同心圆环之间留有 缝隙。

潘朝群等[29]为解决传统RPB离心阻力过大以及通量小的问题，提出了多级雾化式旋转床，其特点是转子包含多层同心圆环填料，可以将液体进行多次雾化分散，如图2(a)所示。多级雾化旋转床具有压降低、通量大的优点，现被应用于工业废气的吸收之中，在东莞一家企业的脱硫除尘应用中，其脱硫率在94%以上，除尘率在99%以上，处理量可达2t/h[30]。由于填料层数的增多对其压降的影响不大，却可以显著提高传质性能，因此在实际应用中可以根据需求选择合适的填料层数。

研究发现，虽然整体式填料转子旋转床可以显著提高液相传质系数，但是气相传质系数的增加并不明显。因此，RAO等[31-33]开发了分割式填料旋转床，希望通过增加气体与填料之间的切向相对滑移速度来增加其气相传质系数。这种旋转床的转子由上下两个装有多层填料的同心环转鼓组成，相互咬合，两个转鼓分别由两台电机驱动，既可以同向旋转，也可以反向旋转，如图2(b)所示。分割式填料旋转床中气相传质系数有了较大提高，在精馏以及吸收的实验中也取得了不错的效果，而且两个转鼓的转动降低了对设备整体转速的要求。但是由于需要两个转轴转动，因此能耗较高，运转稳定性以及安全性也存在隐患。

表1 不同整体填料式转子旋转床的压降

①此处超重力床为错流式，因此取转子轴向厚度。

表2 不同整体填料式转子旋转床的传质性能

旋转填料床与传统的填料塔一样，也存在端效应，即端部区域内的传质占总体传质很大的比例。LUO等[34]将传统RPB转子的单一填料转变为填料环与叶片交替的结构，通过叶片的导流作用创造出多个端效应区，如图2(c)所示。研究发现其传质性能优于相同尺寸下的传统RPB，但是压降有所增大，未来可以通过改变叶片结构或者在叶片上涂覆某种材料，使其既具有导向作用，又具有传质作用。利用端效应来提高传质性能的方法为新型转子的开发提供了新思路[35]。

图2 分割填料式转子旋转床

表3 不同分割填料式转子旋转床的压降

①此处为文献原数据。

表4 不同分割填料式转子旋转床的传质性能

① 处指液相体积传质系数，s–1；②此处指气液比。下角标g表示气相传质单元高度；l表示液相传质单元高度。

陈建峰等[36]基于上述端效应发明了分段进液式旋转填料床。该旋转床转子的特点在于利用多段进液的方法制造出多个端效应区，并使全部填料得到充分利用，以提高传质性能，并在转子的最内缘安装液体捕集器，用于捕获液滴并重新甩回到填料区，如图2(d)所示。分段进液式旋转填料床具有压降低、传质效果好等优点，较适用于黏性流体以及吸收体系。

表3和表4给出了不同分割填料式转子旋转床在操作条件下的压降和传质性能数据。

2 板式转子旋转床

板式转子旋转床是指转子由各种形状板片构成的超重力旋转床设备，其最大特点就是转子内无需装填填料。

陈昭琼等[37]为解决传统RPB需拆装填料和易堵塞等问题，发明了螺旋通道型旋转床（RBHC），其特点是在转子的内部设有数条阿基米德螺旋型板片，板片的一端连接到中心的内腔，另一端通向转子外围，如图3(a)所示。RBHC的流动通道较长，使气液接触时间得到了增加，传质性能得到了提高。目前RBHC在纳米材料的制备以及脱硫中都得到了应用，比如可用于制备25～40nm的球型纳米二氧化硅[38]，在使用清水脱硫中达到80%的脱硫 率[39]。另外，RBHC的结构可以被进一步优化，比如在挡板上开孔，或对通道内的空间进行优化。

邓先和等[40-41]为使转子中的气液得以充分接触又具有较小的阻力，并能利用液体自身张力加速表面更新，发明了同心圆环碟片旋转床。其转子主体是由多块沿轴线排布的同心圆环薄板组成，薄板呈环形体的形式，如图3(b)所示。同心圆环碟片旋转床具有周期性变化的波纹曲面，并且径向流道当量直径恒定，压降较低，弥补了传统RPB的缺点。其在纳米材料的制备等领域中得到了应用，使用该旋转床可制备出20～30nm的纳米碳酸钙[42]。但相比于填料式转子，碟片旋转床中液体不易发生雾化，而且当碟片之间间距较窄时，也易发生堵塞现象。

栗秀萍等[43-45]为解决超重力旋转床雾沫夹带等问题和提高板式旋转床的气液接触效果，提出了翅片导流板旋转床，其转子由上下两个盘片构成，盘片上设有导流板，并在导流板上设有倾斜的翅片，导流板与盘片之间留有流通通道，如图3(c)所示。翅片导流板合理地利用了转子内部空间，使得气液两相在转子内获得了更长的接触时间和更大的接触面积，增大了气液的湍动程度，进而提高了传质性能，目前翅片导流板旋转床在精馏方面的实验研究取得了不错的效果。但是翅片导流板旋转床结构较为复杂，存在一定的放大效应。

LIN等[46]为解决传统RPB在从大气量蒸汽中去除挥发性有机污染物（VOCs）时压降较大的问题，发明了叶片式旋转床。转子由12块径向叶片构成，每块叶片相隔30°，叶片上覆盖着不锈钢丝网，如图3(d)所示。虽然叶片式旋转床的压降较低，应用于VOCs气体的吸收中具有不错的效果[47]，但是其传质性能却低于传统RPB。叶片式旋转床尚有很大的改进余地，比如更换叶片材质、增加叶片间空间利用率等。

计建炳等[48-49]为解决传统RPB难以安装多个转子、气液接触时间较短又难以实现中间进料等问题，发明了折流式旋转床（RZB）。折流式旋转床的转子由与壳体固定连接的静盘和随轴一起转动的动盘组成，在动、静盘上都安装有若干同心圈，并在动盘的同心圈上开有小孔，动、静盘相互嵌套，如图3(e)所示。折流式旋转床内可以同轴串联多个转子，即多层折流式旋转床[50]。目前RZB在精馏方面已被成功实现工业化，浙江某制药厂在乙醇回收中使用了一台折流式超重力旋转床，其乙醇产品浓度在95%以上，并且产量可达4.5t/d。但是折流式旋转床存在着压降过大和功耗过高等问题[51-52]。

图3 板式转子旋转床

王广全等[53]通过改进RZB开发了错流同心圈旋转床（CRB），与RZB类似，其转子也由动静盘构成，并在静盘上开有若干同心凹槽，在动盘上安装数个同心圈。每个同心圈上都包含无孔区、液孔区和气孔区3部分，后两个区域具有不同的孔径和开孔率，如图3(f)所示。研究表明其最优化的结构为无液体分布器，密封为轴封，并采用错流形式[54]。CRB充分利用了转子的内部空间，具有更好的液体自分布能力，但是相比于RZB，其板效率偏低。因此可以考虑在同心圈之间增加填料来提高其传质效率。

LI等[55]为降低RZB的压降，发明了逆流同心圈旋转床。其与RZB的不同在于取消了静盘的同心圈，并在动盘的同心圈上全部开孔，动静盘之间采用迷宫式密封，如图3(g)所示。逆流同心圈旋转床在降低压降和功耗、增加气液通量的同时，保留了RZB易于实现中间进料以及多转子同轴串联的优点。但由于其转子内气液接触效果变差，因此传质性能还有待进一步提高，目前可适用于对传质要求不高而气液通量较大的场合。

表5和表6给出了不同板式转子旋转床在操作条件下的压降和传质性能数据。

3 复合式转子旋转床

复合式转子旋转床是指转子由填料和板片共同组成，其既具有较低的压降，又具有良好的传质性能，是新一代超重力旋转床转子的研究方向。

SUNG等[56]通过在转子中设置挡板来增大气体与填料间的相对滑移速度，发明了挡板填料复合式旋转床，其转子由覆盖不锈钢丝网的叶片与挡板交替排列构成，如图4(a)所示。挡板填料复合式旋转床不仅利用挡板增加了气体与填料之间的相对滑移速度，也改善了液体在转子内的混合和分散情况，但是相比于RAO等[31-33]的分割式填料旋转床，其传质性能偏低。

表5 不同板式转子旋转床的压降

①此处指气相动能因子，kg0.5·m–0.5·s–1。

表6 不同板式转子旋转床的传质性能

① 此处指气相动能因子，kg0.5·m–0.5·s–1。下角标l表示液相传质单元高度；L表示液相总传质单元高度；G表示气相总传质单元高度。

陈建峰等[57-58]综合了传统RPB和RZB的优点，提出了多级逆流式旋转床（MSCC-RPB）。MSCC-RPB的转子由动盘和静盘组成，静盘与壳体固定连接并装有多孔环状挡板和进液管，可实现中间进料，动盘与轴连接并装有填料环，填料环中既可装填填料用于精馏、吸收等过程，也可通过装填催化剂用于催化反应等过程，如图4(b)所示。MSCC-RPB不仅可以实现类似RZB的中间进料，填料的存在又可以提高传质性能，在以酸和醇为原料的反应精馏实验中，测得其乙酸转换率在84%以上[59]。

姚文等[60]基于RPB和逆流同心圈旋转床的结构特点，开发了网板填料复合式旋转床（RCB）。其转子由固定在上下两块动盘并随动盘一起转动的同心环网板组成，相邻网板间安装有填料以提高传质性能，如图4(c)所示。网板填料复合式旋转床相比于RZB，压降小，通量大，但是填料的嵌入可能会使转子在高转速下发生共振现象，影响稳定性。因此，需对填料进行加固，或者使用一些稳定性高的规整填料。

表7、表8给出了不同复合式转子旋转床在操作条件下的压降和传质性能数据。

4 总结与展望

在超重力旋转床转子结构的发展过程中，其传质性能在不断提高，而压降则维持在一个合理的范围内。通过对比也可以发现：分割填料式转子旋转床的传质性能优于整体填料式转子旋转床，而压降也较低，这是因为其降低了填料与气体摩擦产生的压降，改善了液体初始分布以及转子内液体再分布的能力。板式转子旋转床相比于填料式转子旋转床，气液接触时间更长，并且挡板上的开孔可以增加气液接触面积，提高传质性能。复合式转子旋转床兼顾了填料式和板式转子旋转床的优点，填料环与板片交错排列的结构，使其既具有较高的传质性能又具有较低的压降。板式和复合式转子旋转床的特殊结构，使其更易于实现中间进料及同轴安装多个转子，因此相比于填料式转子旋转床更适用于精馏过程。

图4 复合式转子旋转床

表7 不同复合式转子旋转床的压降

表8 不同复合式转子旋转床的传质性能

① 此处指气相动能因子，kg0.5·m–0.5·s–1。下角标G表示气相总传质单元高度。

同时，上述分析也表明，超重力旋转床转子结构的优化，主要是通过改进液体初始分布和转子内液体再分布的能力、增加气液的接触面积和接触时间、提高气膜传质3方面来提高传质性能，通过简化转子内部结构来降低压降，以及研究开发适用于某一特定体系和过程的特殊转子。因此未来超重力旋转床的研究可以从以下几个方面进行。

（1）填料 研究开发更多不同材质的填料来满足不同的工业应用要求，比如拥有耐高温、耐腐蚀等优良性质的填料，也可以利用生物结构的特殊性，研发出各种生物填料或者生物复合型填料。另外可以对填料表面进行微观结构改变，增大其比表 面积。

（2）液体分布 超重力旋转床中初始液体分布的均匀性受重力影响，加之旋转床中液体停留时间过短、自分布能力较弱，从而会导致传质性能的降低。因此，可以在超重力旋转床中引入其他力场，减轻重力场对液体初始分布的影响，或者在转子中设置再分布装置，也可以通过改进转子结构提高其自分布能力。

（3）装备集成 超重力旋转床相比于塔设备的突出优点是体积小，因此更容易实现过程装备的小型化和集成化，用于某些移动平台上，例如车载式空分装置。

经过了三十多年的发展，超重力旋转床在结构和性能方面的研究已经有了长足的进步，但是超重力旋转床本身的结构和尺寸，使其在通量和物系选择等方面受到限制，因此在应用上难以达到大规模的程度。然而超重力旋转床较塔设备拥有更多的优势，理应在更多的场合替代塔设备，因此，还需要在超重力旋转床的应用研究和工业化应用方面开展更多的工作。

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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。

陆佳冬（1992—），男，硕士研究生。

王广全，博士，副教授，研究方向为传质与分离技术。E-mail：wanggq@zjut.edu.cn。