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超重力技術的發展曆史

作者: 來源: 發布於:2018-11-15 8:34:30
離心力場(超重力場) 被用於相間分離,無論在日常生活還是在工業應用上,都已有相當長的曆史。但為一項特定的手段用於傳質過程的強化,引起工業界的重視是70 年代末出現的“Higee”, 這是英國帝國化學公司的ColinRamshaw 教授領導的新科學小組提出的專利技術。它的誕生最初是由設想用精餾分離去應征美國太空署關於微重力條件下太空實驗項目引起的。理論分析表明, 在微重力條件下,由於g →0 ,兩相接觸過程的動力因素即浮力因子△( ρg ) →0 ,兩相不會因為密度差而產生相間流動。而分子間力,如表麵張力,將會起主導作用,液體團聚,不得伸展,相間傳遞失去兩相充分接觸的前提條件,從而導致相間質量傳遞效果很差,分離無法進行。反之,“g”越大, △(ρg) 越大,流體相對滑動速度也越大。巨大的剪切應力克服了表麵張力,可使液體伸展出巨大的相際接觸界麵,從而極大地強化傳質過程。這一結論導致了 “Higee”(High“g”)的誕生。
 
70 年代末至80 年代初,英國帝國化學工業公司( ICI) 連續提出被稱之為“Higee”的多項專利。利用旋轉填料床中產生的強大離心力———超重力,使氣、液的流速及填料的比表麵積大大提高而不液泛。液體在高分散、高湍動、強混合以及界麵急速更新的情況下與氣體以極大的相對速度在彎曲孔道中逆向接觸,極大地強化了傳質過程。傳質單元高度降低了1~ 2 個數量級,並且顯示出許多傳統設備所完全不具備的優點。從而使巨大的塔器變為高度不到2 m 的超重機。因此。超重力技術被認為是強化傳遞和多相反應過程的一項突破性技術,被譽為“化學工業的晶體管”和“跨世紀的技術”離心力場(超重力場)被用於相間分離,無論在日常生活還是在工業應用上,都已有相當長的曆史。
 
1925年Myers製作了帶有轉轉動體的錐形截板式蒸餾桂。
 
1933年,Plackek發明了側麵閉合的螺旋式氣液接觸裝置,液體沿螺旋板由內向外與逆流流動的氣體相接觸。幾年後,該裝置又有所改進,使用帶有突起的同心圓筒以增加接觸時間。
 
1954年,Chambers開發了附在旋轉平扳上的圓環構成的離心吸收器。
 
1965年,Vivian將一個填料塔固定在大離心機的旋轉臂上,以測定離心加速度對傳質係數的影響,實驗表麵:液膜傳質係數與加速度的0.41~0.48次方成正比。Vivian是率先利用旋轉床進行傳質研究的,但沒有提出旋轉床域超重力這一概念。
 
1969年,Todd迸行了離心接觸器的實驗,該接觸器由相隔1英寸的12層環狀同心篩板組成,在流體流動上,與篩板塔相類似。
 
首次出現超重力概念是20世紀70年代末出現的“Higee”,並引起工業界的重視,這是英國帝國化學公司的ColinRamshaw教授領導的新科學小組提出的專利技術。
 
誕生最初是由設想用精餾分離去應征美國太空署關於微重力條件下太空實驗項目引起的。1976年,美國太空署征求微重力場實驗項目,英國ICI公司(帝國化學公司)的ColinRamshaw教授等做了化工分離單元操作——蒸餾、吸收等過程中微重力場影響效應的研究,發現在零重力的狀態下,其——液間的傳質是不可能的,氣體和液體不能有效地分離,而超重力使液體表麵張力的作用相對變得微不足道,液體在巨大的剪切力作用下被拉升或撕裂成微小的液膜、液絲和液滴,產生巨大的相間接粗麵積,因此極大地提高了傳遞速率係數,而且還使氣液逆流操作的泛點速率提高,大大增加了設備的生產能力,這些都對分離過程有力。這一研究成果促成了超重力分離技術的誕生。
 
在1981年ICI公司Ramshaw教授申請了世界上第一個填料式超重力床專利,在之後的幾年時間(198l~1983年)連續提出了名為HIGEE(超重力)新技術的多項專利。
 
超重力技術的出現,對傳質過程的強化可以說是一個質的飛躍,20世紀80年代以來,人們開始意識到這項技術在化工領域具有廣闊的應用前景。目前世界上許多大的化學公司都在競相超重力技術(HighGravityTechnology)進行開發研究,並進行了一定的中試或工業化運行。目前已有多個加壓、常壓、負壓裝置在運行,包括進行吸收、解吸、萃取、精餾等操作及實驗。在工程化方麵有一定程度的進展。
 
英國Newcastle大學、美國CaseWesternReserve大學、美國TexasAustin大學和美國Washington大學在超重力裝置的研究開發中處於世界先進水平。

1983年,ICI公司報道了工業規模的HIGEE裝裝置平行於傳統板式塔進行乙醇和異丙醇與苯和環己烷分離,成功運行了累計數千小時的情況,肯定了這一新技術的工程和工藝可行性。
 
1984年,美國專門從事塔器與塔填料製造,並占有世界重要市場的Glitsch公司於購買了ICI公司的HIGEE專利,並成立了專門的HIGEE研究開發中心,進行了大量研究,並與CaseWesternReserve大學、washington大學(密蘇裏州)、TaxasAustin州立大學以及專門從事氣體處理的Fluor公司及氣體研究院(GRI)等建立了合作研究關係。在能源部大力資助下先後耗費了數千萬美元對多種係體進行了小試、中試和工業示範裝置的科學實驗研究,取得了長足的進展。
 
1985年,美國海岸警衛隊建立了第一套用於脫除地下汙水揮發組分的超重力裝置,從被汙染的地下水中分離出苯、甲苯,由含量200ppb和500ppb脫除到1ppb左右,該裝置成功運行了6年。
 
1987年,美國FlourDaniel公司在新墨西哥州的ELPaso天然氣公司建立了利用二乙醇胺對含有H2S和CO2的天然氣進行選擇吸收H2S的超重力裝置。
 
1987年7月,Glitsch公司在路易斯安那州進行了在不含H2S的氣體中利用二乙醇胺吸收CO2和用三甘醇進行天然氣幹燥兩項實驗,並都獲得了成功。
 
1989年Glitsch公司宣稱,購買一台HIGEE裝置可代替50英尺塔高,相當於30塊塔板,是用於對傳統塔改造,提高產品質量的最經濟有效途徑。
 
CaseWesternReserve大學的N.C.Gardner教授從1984年開始,先後在Norton公司,Dow公司支持下對煙氣脫硫和聚和物脫單體進行研究。
 
Martin與Martelli使用旋轉填料床(RotatingPackedBed,或RPB)與傳統蒸餾塔連接,采用網狀金屬填充物,對環己烷和正庚烷分離係統進行測試。
 
郝靖國在CaseWesternReserve大學Gardener教授的指導下進行了旋轉填料床脫除聚苯乙烯中殘留單體的研究。
 
英國Newcastle大學的ColinRamshaw教授領導的小組,多年一直致力於海水脫氧的研究。
 
DowChemical公司於1999年開發了以旋轉填料床製備次氯酸的工藝。

另外,國外對超重力技術的應用研究主要在下述方麵:(1)蒸餾、精餾;(2)環保中的除塵、除霧,煙氣中SO2及有害氣體的去除,液——液分離,液_固分離;(3)吸收,對天然氣的幹燥、脫碳、脫硫,對CO2的吸收;(4)解吸,從受汙染的地下水中吹出芳烴、化學熱(吸收解吸);(5)旋轉電化學反應器及燃料電池(快速去除氣泡,降低超電壓);(6)旋轉聚合反應器;(7)旋轉盤換熱器、蒸發器;(8)聚合物脫除揮發物;(9)生物氧化反應過程的強化,(傳統的生化反應在發酵罐中進行)
 
國內對於超重力技術的應用研究起步相對較晚,但也取得了顯著的成果,主要應用在油田注水脫氧、製備納米材料、強化除塵過程、強化生化反應過程和精餾等方麵。在1985年以前對超重力工程技術研究基本屬於空白。
 
1983年汪家鼎院士就在國內化學工程會議上介紹了ICI所開發的這項新技術的情況。
 
1984年,北京化工大學與美國CaseWesternReserve大學就超重力工程技術的研究丌發確定了合作意向。
 
1988年北京化工大學鄭衝教授與美國CaseWesternReserve大學合作,開始進行旋轉填料床的應用。得到化工部和國家科委的高度重視和大力支持,經論證,被列為國家八九年度和“八五”重點科技攻關項目,也得到了中國自然科學基金委對這項高新技術的基礎研究的支持。
 
1990年在北京化工大學建成我國第一個超重力工程技術研究中心並開展了一係列的創新性研究工作,多年來,在超重力技術的基礎和應用研究方麵取得了多項國家專利。同時國內其它如浙江工業大學、華南理工大學、天津大學等高校也對該技術相繼進行了開發研究,並取得了顯著的成效。
 
2001年浙江工業大學計建炳等教授申請了名為折流式超重力場旋轉床裝置的專利,於2004年11月份得到授權。在超重力工程技術在精餾方麵的應用推向了一個新的高度;而後浙江工業大學逐漸申請了數個發明專利和實用新型專利。而後國內市場出現了多家生產超重力精餾機的公司。


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