[发明专利]一种多级错流旋转填料床传质与反应设备

说明书

技术领域

本发明属于化工、石油化工、环境保护传质反应设备的技术领域，具体涉及一种多级错流旋转填料床传质与反应设备，不仅适用于精馏、吸收等液膜控制的传质过程，更适用于气膜控制的传质过程强化。

背景技术

超重力技术是20世纪80年代发展起来的一种强化多相传递和反应过程的突破性技术，其原理是在超重力旋转填料床（也称为超重力机）中，填料转子高速旋转形成超重力环境，液体被填料剪切雾化，相间接触面积增大，表面快速更新导致了由液相控制的传质、传热和反应过程得到极大强化。目前主要用于脱硫、脱碳、除尘及纳米材料制备等方面。

超重力旋转填料床中的气液接触方式可分为逆流、并流、错流。目前常用的旋转填料床内部转子均为整体式结构，即转子内的填料由单一转轴带动旋转，首个超重力旋转床方面的专利由英国帝国化学工业公司（ICI）于1979年提出，专利号为EP0002568，随后在国内外陆续公开的专利也基本延续了这种转子结构。2001年，Sandilya等人研究发现，旋转填料床中进行的气相传质过程，其传质系数比填料塔中的还要低，原因是气体进入填料后受摩擦力作用，与填料间的相对滑移速度非常小，气相界面得不到快速更新，同时填料内液相分布不均的现象会使传质速率进一步降低。2004年，D P Rao等人的研究表明，超重力旋转床中主要强化了液相传质过程，超重力场下高比表面积填料的使用是其主要原因，而气相传质系数则与传统填料塔相当。2005年，Chandra A针对整体填料的逆流旋转填料床中气相滑移速度太小（2~3 m/s）导致离心加速度对气相传质系数几乎没有影响，首次提出了分层式填料旋转床（Rotating Packed bed with Split Packing，SP-RPB），将普通旋转填料床内的整体式转子填料分割成若干圈相互嵌套的填料环，这一改进提高了气相在旋转填料中的切向滑移速度。2006年， 等人研究了SP-RPB的传质性能，结果表明该设备的气相和液相体积传质系数比普通旋转床提高了近2个数量级。Agarwal等人用SP-RPB做了一系列精馏与吸收实验，结果表明SP-RPB尤其适合于强化气相阻力控制的传质过程。但SP-RPB同样存在一些问题，如：转子中心或靠近中心的部位旋转半径小，气体难以通过填料的高速旋转获得较大的切向速度，气相湍动程度不足，且沿径向分布不均匀，填料利用率较低；填料使用泡沫金属直接固定在上下转盘上，不易更换，且工作时只依赖泡沫金属自身的机械强度，难以应用到大气量和大液量的场合。

2013年中北大学开发出一种逆向旋转填料床，专利申请号201310402589.3，名称为“一种烟气脱硫装置及工艺”，其主体包括集气室和主腔室，主腔室内设有可以独立旋转的上转盘和下转盘，上、下转盘上的填料环互相嵌套。这种超重力装置结构可增大对流体的剪应力，填料将更多的动量传递给内部流体，促进气液的边界层分离，湍动程度加剧，加快气液界面更新速率，从而达到强化气相传质的目的；提高了运转稳定性，更适用于大通量的场合；集气室有效抑制了夹带和液泛对操作平衡带来的影响。逆向旋转填料床对气液的逆向剪切作用，强化了气相传质。然而，总体来说其依然属于气液逆流接触方式，这就要求填料层的内环尺寸足够大，径向尺寸相对来讲就比较大，对于高速转动的转子部件而言，尺寸增大会给加工制造、安装调试带来诸多不便，特别是能耗和投资也会大大增加。

华南理工大学开发了一种多级雾化错流旋转床，例如文献（潘朝群，多级雾化超重力旋转填料床的特性及应用，2007），气流通过旋转床的进气口进入旋转床，吸收液从位于旋转床中央带有小孔的喷水管喷在第一级同心圆环填料层上，被强大离心力强制沿径向作雾化分散，经历第一级雾化后，液滴再洒到第二级同心圆环填料层上，再经历离心雾化，最后液体沿器壁在重力作用下落到旋转床底由排液管排出。该装置能够将液体进行多级雾化，大大增加了液相的分散程度，由于液滴内循环非常剧烈，从而使多级雾化旋转床的液滴内液膜传质系数较高，但对于气膜控制的传质过程强化作用相对较弱，2010年张燕青研究了两级雾化旋转填料床的传质性能，对于碱液吸收SO₂这一气膜控制过程，在相近条件下，其气相体积传质系数比传统的填料塔高1个数量级，但低于普通的错流旋转填料床。

发明内容

本发明为了解决现有超重力设备在气相传质方面存在的问题，进一步提高传质效率，减小设备径向尺寸，提供了一种多级错流旋转填料床传质与反应设备，气体与液体错流接触，可以减小填料层的径向尺寸，不易产生液泛，特别适用于处理大气量的传热、传质与反应过程。