超重力場內氣液傳質強化研究進展

桑樂，羅勇，初廣文，鄒海魁，向陽，陳建峰

（北京化工大學教育部超重力工程研究中心，北京 100029）

引 言

化學工業是國民經濟的重要支柱產業，創造了高達20%的GDP，但存在高能耗、高物耗、高污染“三高”問題，能源消費量占全國總消費量的16.4%，廢水排放量居全國工業廢水排放總量之首，占 19.7%，是當前國家“節能減排”的重點行業。為解決“三高”問題，西方國家將過程強化技術列為化學工程優先發展的三大領域之一，期望通過化工過程強化從根本上革新當代化學工業[1]。超重力技術是典型的化工過程強化技術之一。作為超重力技術的核心設備，超重力旋轉床具有優異的微觀混合和傳遞強化性能，從而極大地縮小了反應器尺寸，降低了投資成本，且還具有液泛點低、開停車容易、維護和檢修方便等優點。經過眾多科研工作者的努力，超重力技術取得了長足的進展。在基礎研究方面，超重力旋轉床的流體力學特性、微觀混合性能、傳遞過程強化規律及模型化等研究都取得了不錯的成果；在應用研究方面，主要表現在以下3方面：①納米顆粒材料超重力制備技術；②超重力反應強化技術；③超重力分離強化技術[2-8]。目前，超重力技術已成為化工過程強化的有效途徑之一，超重力場內強化傳質的研究也得到廣泛關注，轉子結構不斷被發明與優化，其中一些已成功應用到化工工業生產中。本文從旋轉床轉子結構出發，綜述了整體旋轉式、雙動盤式、動靜結合式等轉子結構的超重力旋轉床氣液傳質強化的研究進展和理論成果，并展望了超重力旋轉床氣液強化傳質的發展方向。

圖1 按操作方式的旋轉床分類Fig.1 Types of RPBs according to operation mode

1 超重力旋轉床的基本結構與氣液傳質強化原理

經過 30多年的發展，科研工作者已將超重力旋轉床發展成多種形式。按操作方式或氣液流動的方向，可分為逆流旋轉床[9][圖1 (a)]、并流旋轉床[10][圖 1 (b)]和錯流旋轉床[11-12][圖 1 (c)]。

圖2 逆流超重力旋轉床結構示意圖Fig.2 Structure of counter-current rotating packed bed

逆流超重力旋轉床的基本結構如圖2所示，旋轉床殼體上布置有氣體進、出口和液體進、出口。轉子跟隨轉軸轉動，轉軸由電機驅動，通過變頻儀可方便地調節電機轉速，利用轉子轉動產生的強大離心力場(通常為 10～1000倍重力加速度)來模擬超重力場。超重力旋轉床在運行時，液體從液體進口通入液體分布器，從液體分布器噴灑在填料上，液體被高速旋轉的轉子剪切、破碎成細微的液滴、液膜和液絲，與來自氣體進口自轉子外緣進入內緣的氣體，在轉子內部填料等多孔介質中與液體逆流接觸，完成氣液兩相傳質的強化過程。

圖3 按是否填充填料的旋轉床分類Fig.3 Types of RPBs according to whether filling of packing

圖4 常見的轉子結構類型Fig.4 Types of general rotor structure

各類型旋轉床最大區別在于其內部轉子結構不同，若按轉子內是否裝載填料分，可分為填充式旋轉床[13][圖 3 (a)]和非填充式旋轉床[14-15]{主要有定轉子旋轉床[圖3 (b)]、折流式旋轉床[圖3 (b)]}。

從目前的文獻報道來看，常見的轉子結構有整體旋轉式轉子[圖4 (a)]、雙動盤式轉子[圖4 (b)]、動靜結合式轉子[圖4 (c)、(d)、(e)]、霧化式轉子[圖4 (f)]等[16-17]。一般而言，整體旋轉式轉子的結構特點為在轉子徑向方向上連續填充一定厚度的填料，為單一填料環狀，由單臺電機驅動；雙動盤式轉子由上下兩層多圈同心填料環組合，由兩臺電機分別驅動；動靜結合式轉子為兩層轉盤咬合而成，由單臺電機驅動，主要分為兩類：轉子內未裝載填料的定-轉子（同心分布的棒狀立柱）、折流式轉子（同心分布的多孔環形板）和轉子內裝載填料的交錯式轉子（靜止的同心分布環形板和旋轉的同心分布填料環組合）；霧化式轉子一般由環形板組成，也由單臺電機驅動。

下面本文從不同轉子結構的旋轉床出發，綜述超重力旋轉床氣液傳質強化的研究進展和理論成果。

2 超重力旋轉床的氣液傳質研究進展

氣液傳質設備一般采用傳質系數來表征其傳質能力，對于超重力旋轉床而言，研究人員主要對超重力旋轉床的傳質參數實驗測量、傳質參數關聯式擬合、傳質參數模型構建3方面開展了諸多研究工作。

早在19世紀50年代，即超重力旋轉床還未發明之前，已有科研人員研究了傳質系數與重力加速度之間的關系。Onda等[18]在填料塔中進行了水吸收CO2和NH3的研究，得到液相傳質系數kL與重力加速度g的0.38次冪呈正比的關系，如式(1)所示。

1965年，Vivian等[19]將一個內徑為0.152 m、高0.305 m裝有拉西環填料的填料塔，放置在一個水平旋轉平臺上，氣液逆流接觸，利用空氣解吸水中飽和CO2的體系測量傳質系數。實驗結果表明，液相體積傳質系數kLa與重力加速度的 0.41～0.48次冪呈正比。

19世紀70年代，受美國宇航傳質實驗結果的啟發，英國帝國化學公司（ICI）發明了超重力旋轉床[20-21]，從此開啟了超重力旋轉床傳質過程的研究。

2.1 整體旋轉式轉子超重力旋轉床傳質研究

圖4 (a)顯示的為整體旋轉式轉子的結構。整體旋轉式轉子內可裝載散裝填料，也可裝載規整填料，由Ramshaw等[20]于1979年發明，是目前研究最成熟、工業現場最常用的轉子結構。

1981年，Ramshaw等[22]在離心力場為240倍重力加速度的超重力旋轉床內，得到液相傳質系數kL與重力加速度的 0.14～0.504次冪呈正比的實驗結果。

1985年，Tung等[23]以溶質滲透理論為基礎，假設離心力場的傳質過程亦遵循傳統填料塔的傳質規律，將離心加速度替代重力加速度，得到如下關聯式

1989年，Dudukovic等[24-25]在液相為連續相、氣相為分散相的超重力旋轉床中，填充了glass bead等填料，利用NaOH溶液吸收CO2體系，測得了液相傳質系數和有效傳質比表面積。基于液體在rotating disk 和rotating blade均為層流流動的液膜假設，得到液相傳質系數kL與離心加速度的0.1667次冪呈正比的結論，其關聯式為

1990年，Rao等[26]研究了液相為分散相、氣相為連續相的超重力旋轉床的流體力學性能和傳質性能。實驗同樣采用NaOH溶液吸收CO2體系，測得了液相體積傳質系數kLa，在實驗的操作范圍內，其kLa的值為0.08～0.15 s?1，并將實驗結果與Vivian等[19]和Tung等[23]的實驗結果進行了對比，認為超重力場下液相體積傳質系數kLa的值高出傳統塔器1個數量級（圖5）。

1991年，楊村[27]采用氮氣解吸水中溶氧的實驗體系，對裝載有泡沫金屬填料的超重力旋轉床進行傳質研究，實驗中考察了轉速、氣體流量和液體流量對傳質的影響。實驗結果表明，轉速和液體流量的增大在一定程度上促進傳質，而氣體流量的增大對傳質無明顯作用。

1992年，王玉紅[28]基于 Danckwerts表面更新的思想，采用新的處理方法，對超重力場內的傳質模型進行了修正。在超重力場下，旋渦把新鮮物料帶到相界面上，在新暴露出來的表面上，兩相進行不穩定的分子擴散傳質，旋渦在界面上停留 0～∞時間后，又被新的旋渦所替代，得到修正后的傳質系數方程為

1993年，竺潔松[29]對裝載有泡沫金屬填料、陶瓷泡沫填料、普通不銹鋼絲網填料和RS鋼波紋絲網填料的超重力旋轉床進行了液相體積傳質系數的測定實驗。實驗結果表明，轉子填料區和空腔區均參與傳質，在Dudukovic的模型假設基礎上[24-25]，同時考慮了液膜和液滴模型，運用溶質滲透理論推導了覆蓋在第i層填料表面的液相傳質系數為

圖5 Rao的傳質實驗結果與Vivian等的、Tung等的實驗結果對比Fig.5 Comparison of mass transfer coefficient results of Rao et al, Tung et al, and Vivian et al

從第i層填料飛出的液滴表面的液相傳質系數為

此外，竺潔松還發現了端效應區(靠近轉子內緣的區域)的存在，該區域有極高傳質系數，原因是在緊靠內徑的一兩層填料的空間中產生了大量的液滴，而大量液滴的表面積數值相當于全部床層填料表面積的幾倍甚至于十幾倍。

1994年，基于Dudukovic和竺潔松的研究成果，王桂輪[30]利用水脫氧體系對超重力旋轉床內傳質過程做了進一步的假設：①氣液兩相在界面完全混合，達到平衡；②液體從一個填料空心球(填料為球形聚四氟乙烯，假定填料由無數個空心球組成)流到另外一個空心球時，液相混合完全，濃度均一（其中空心球內部傳質分兩部分：其一是液膜傳質；其二是液滴傳質）；③由于實驗體系為液膜控制，忽略氣相傳質阻力，得到

王桂輪通過實驗設計，證實了端效應區的存在，認為旋轉的填料對液體分布器噴射出來的液體進行強烈的切割使液體更好的分散是端效應區氣液傳質強化的主要原因。

1995年，王剛[31]以黃原膠水溶液為研究對象，利用亞硫酸鈉氧化法考察超重力旋轉床中非牛頓流體的傳質特性，并得到了液相體積傳質系數與操作條件的關聯式

1995年，萬冬梅[32]采用氨法吸收SO2，對超重力旋轉床進行了傳質實驗研究，其將旋轉床內部分為3個區，即填料端效應區、填料主體區和轉子與殼體之間的空腔區，并建立了上述3個區域的氣相體積傳質系數的模型。

1996年，Kelleher等[33]利用超重力旋轉床內環己烷/正庚烷全回流精餾實驗，得到氣相體積傳質系數kGa的關聯式為

1996年，Liu等[12]利用汽提乙醇來測量氣相總體積傳質系數KGa，通過實驗數據的回歸，得到經驗關聯式

式(11)中量綱 1數變化范圍為：

可以看出，KGa隨離心加速度的0.25次冪變化。

1996年，廖穎[34]采用氮氣解吸水中溶氧體系，對裝載有錦凸網填料的超重力旋轉床進行流體力學和傳質特性的實驗研究。實驗結果顯示，氣液傳質過程主要發生在填料間的自由液體上，填料表面的液膜傳質不占主要部分。這一結論對如何進一步提高傳質效率提供了依據。根據這一實驗結果可知，一味增大填料本身的比表面積對提高傳質系數比較有限，大幅提高傳質系數的關鍵在于如何強化填料對液體的剪切，使液體最大程度的被細化。同時，廖穎還假設床內有端效應區、主體區和空腔區，由于3個區在每個位置傳質系數不同，給出液相平均體積傳質系數計算公式

以及3個區傳質系數的關聯式

郭鍇等[35-36]利用電視攝像機觀測了超重力旋轉床內流體的流動情況，并測得填料表面液膜厚度為30～80 μm。另外一個貢獻是利用電導探頭測量了液體在填料內的停留時間分布。根據實驗測得的基礎物理數據，利用水脫氧體系對超重力旋轉床內的平均液相體積傳質系數進行了研究。計算結果表明，端效應區的徑向厚度為填料內緣的 10 mm左右，其傳質系數是轉子填料主體區（轉子區域除去端效應區剩余的區域）的數倍，空腔區的傳質系數約為主體區的1/3。

1996年，張軍[37]利用高速頻閃攝影技術對裝載泡沫金屬填料與RS波紋絲網填料的超重力旋轉床內，不同區域不同操作條件下的流體流動狀況進行了研究。實驗結果表明，在300～600 r·min?1時，液體以液膜形式覆蓋在填料表面，填料間隙液體以液膜和液滴呈一定比例存在；在800～1000 r·min?1時，填料表面液體主要為液膜態，填料間隙液體主要以液滴形式存在且有少量液線；在空腔區液體主要以液滴形式存在。照片經過分析處理后，得到空腔區液滴直徑為 0.1～0.3 mm。此外，張軍利用水脫氧體系擬合得到端效應區液相體積傳質系數

郭奮等[38-39]在錯流超重力旋轉床內進行了液膜控制過程（水脫氧）和氣膜控制過程（水吸收氨氣）的傳質實驗，并認為液相總體積傳質系數為

氣相總體積傳質系數為

1997年，竺潔松[40]對裝載有RS鋼波紋絲網填料的超重力旋轉床流體流動和氮氣解吸水中溶氧體系進行實驗研究。實驗結果表明，液體分布器與轉子之間的相對速度越大，液體分布越均勻，并且液體在端效應區的微粒化程度越強，旋轉的填料對液體的微粒化作用是旋轉床氣液傳質強化的主要原因。此外，通過實驗結果得到了超重力旋轉床設計中的兩個重要指標：①液體與填料間的相對碰撞速度；②液體在填料中的均勻分布。

1999年，崔建華[41]采用氮氣解吸水中溶氧的實驗體系，對超重力旋轉床有無內支撐兩種情況進行了傳質研究。結果表明，實驗操作條件下內支撐開孔形狀和厚度、內支撐在填料中不同位置對傳質影響不大。利用實驗數據擬合得到了無內支撐時平均液相體積傳質系數為

上述結論對工業應用的超重力旋轉床設計有一定的指導意義。例如，對于絲網填料等非整形填料，需有內支撐固定填料，因內支撐的厚度對旋轉床傳質的影響不明顯，所以在設計時無須考慮其對傳質的影響，只需考慮其機械強度。

2000年，李振虎[42]提出在超重力旋轉床內存在兩個表面現象：一是液滴的表面吸附作用，二是微小霧滴的過飽和蒸氣壓。根據對流擴散方程，在充分考慮這兩個現象對傳質過程的明顯作用下，對旋轉床的傳質過程進行了模型化。采用水吸收CO2為例，對并流操作和逆流操作分別進行了實驗驗證，模擬計算結果與實驗結果數值吻合良好。

2000年，燕為民[43]采用RS鋼波紋絲網填料，以水吸收SO2為研究體系，將自制的電導探頭埋藏在填料中，采集液體的濃度信號，首次對超重力旋轉床沿徑向的液相濃度分布進行了測量。得到了如下的液相體積傳質系數經驗關聯式

同時，基于表面更新理論建立了超重力旋轉床填料層內的傳質模型。

2001年，楊玲等[44]通過氮氣-水系統，對裝有三葉草形和球形填料的超重力旋轉床進行了傳質研究。實驗結果表明，液相體積傳質系數隨著轉速和氣體流量的增加而增大，同時還得到了氣液兩相間的傳質不總是與填料的比表面積呈正比的重要結論。

2002年，Chen等[45]用水吸收VOCs(異丙醇、丙酮和乙酸乙酯)，對氣相體積總傳質系數（KGa）進行了研究。實驗結果表明，KGa隨著GrG的0.18次方增加；旋轉床的氣相傳質系數（kG）在一定范圍內與填料塔傳質系數值相類似；超重力場下強化傳質的原因在于氣液有效接觸面積大幅度增加。Chen等還提取了 Liu等[12]關于汽提乙醇的實驗數據，回歸出適用于多種VOCs(異丙醇、丙酮、乙酸乙酯和乙醇)的氣相體積總傳質系數關聯式

2003年，郭奮等[46]利用 TG0.5、TG1.0、和BUCT1、2、3噴頭共5種液體分布器（每個液體分布器有 4個供液管，呈十字分布，TG0.5、TG1.0的每個出液管上有兩個噴霧孔，孔徑分別為 0.5、1.0 mm；BUCT1每個管上有兩個孔徑為1.0 mm的出液孔；BUCT2每個管上有一條縫隙為0.3 mm、縫長為10.0 mm的小縫；BUCT3每個管上有孔徑為1.0 mm的噴霧孔），采用水吸收氨氣體系，在不同操作條件下研究了液體初始分散對超重力旋轉床傳質的影響。結果表明，實驗所用5種分布器對傳質影響不明顯；液體分布器到填料內緣空腔的傳質貢獻占整個旋轉床的傳質貢獻的10%以下。

2004年，Chen等[47]用水吸收伴隨有氧氣分解的臭氧，在不同操作條件下對超重力旋轉床的液相體積傳質系數和有效傳質比表面積進行了研究。實驗結果表明，液相體積傳質系數顯著地隨著轉速、氣體流量和液體流量的增大而增大；有效傳質比表面積隨著液體流量的增大而明顯增大，隨著轉速的減小而緩慢增大，受氣體流量影響很小。

2004年，許明等[48]認為前人在超重力旋轉床流體力學和傳質模型研究中存在不足，于是提出3方面的補充：①應考慮氣相對液體分散相的影響；②應更合理地簡化絲網填料結構；③應考慮液滴的凝并和破碎。通過這些補充內容，建立了液相平均體積傳質系數模型，又利用水脫氧實驗對模型進行驗證，模型結果與實驗結果吻合良好。

2004年，胡孝勇等[49]采用NaOH吸收CO2體系，分別對裝載填料（瓷拉西環、玻璃珠、三板式、四板式、五板式）和不裝載填料的超重力旋轉床在不同操作條件下進行了有效傳質比表面積的研究。實驗結果表明，轉速和液體流量的增大均使有效傳質比表面積增大；裝載填料測得的有效傳質比表面積值均比不裝載填料時大，且裝載有五板式填料轉速為 800 r·min?1、液量為 0.07 m3·h?1時的有效傳質比表面積最大，為149.7 m?1。

2005年，Chen等[50]采用氮氣分別與牛頓流體（甘油水溶液）和非牛頓流體（羥甲基纖維素鈉水溶液）進行逆流脫氧實驗，對超重力旋轉床黏性流體進行了液相傳質系數的研究。以流體在填料內的流動方式為層流液膜流為假設建立傳質模型，通過實驗數據關聯出含黏性流體（牛頓和非牛頓流體）的液相體積傳質系數

相比于填料塔，流體黏度對旋轉床傳質的影響很小，超重力旋轉床有能力處理黏性牛頓流體和非牛頓（如剪切變薄）流體。

2005年，Chen等[51]采用水脫氧體系，分別對不同轉子內半徑(固定轉子外半徑)和轉子外半徑（固定轉子內半徑）超重力旋轉床的傳質性能進行研究。實驗結果表明，當旋轉床體積不變時，填料徑向厚度越小（填料徑向厚度最小為10 mm）其液相體積傳質系數越大。當填料徑向厚度減小時，填料體積亦減小，填料體積越小則液體分布器到轉子內緣的體積或轉子外緣到殼體內壁的體積越大，這兩部分體積越大則端效應越顯著。而 Chen等認為的端效應區為轉子內緣和轉子外緣附近的區域，這一觀點與竺潔松[29]認為的端效應區（即轉子內緣附近的區域）有所不同。Chen等整理了大量傳質實驗數據，并將端效應的因素考慮在內，擬合了液相體積傳質系數關聯式為

2006年，Chen等[52]繼續采用水脫氧體系，對4種不同性質（填料大小、形狀、原料、表面性質）組合成的 11種填料進行了傳質研究。實驗結果表明，不同長度的丙烯酸玻璃珠填料對于旋轉床的傳質效率沒有明顯影響；在填料形狀的實驗中，金屬絲網狀的液相體積傳質系數最高，陶瓷玻璃珠液相體積傳質系數居中，而拉西環和矩鞍形的液相體積傳質系數較低；丙烯酸、玻璃、陶瓷和不銹鋼玻璃珠為填料原料，此4種材質測得的液相體積傳質系數相近；丙烯酸玻璃珠、玻璃珠、陶瓷玻璃珠和不銹鋼玻璃珠經表面疏水處理后液相傳質系數值均比未處理前要低，這可能是因為經過處理后，填料不容易被液體潤濕，導致氣液接觸面積減小。最后，在式(24)基礎上，將不同填料性質的實驗數據進行擬合，得到液相體積傳質系數關聯式

2006年，金沙楊[53]分別進行了超重力旋轉床和填料塔酸性氣體吸收的冷模實驗。實驗結果表明，填料塔中吸收過程的氣相總傳質系數為 0.1～0.6 s?1，而旋轉床的氣相總傳質系數為 0.2～3.0 s?1，并且旋轉床CO2吸收率要明顯高于填料塔的吸收率，旋轉床的CO2吸收率隨操作條件的變化敏感性要低于填料塔。由此可見，旋轉床吸收CO2過程的傳質效果要優于填料塔吸收過程，吸收效果強于傳統的填料塔單獨堿洗工藝。

2008年，Chen等[54]利用水吸收VOCs（異丙醇、丙酮和乙酸乙酯），首次在錯流超重力旋轉床中提出了氣相體積總傳質系數KGa的經驗關聯式

2009年，Yi等[55]討論了超重力旋轉床轉速超過 800 r·min?1時的氣液傳質模型。根據 Burns等[56]的可視化實驗得知，當轉子轉速超過 800 r·min?1時，液體在轉子內部幾乎全部為液滴形態。通過建立物料平衡方程，可得液相傳質系數為

利用Onda等[57]基于填料塔內氣相傳質系數

最終得到旋轉床的氣相總傳質系數

2010年，Yang等[58-59]設計了一種轉子內徑不變，外徑可以變化的可沿程取樣的超重力旋轉床。他們利用NaOH吸收CO2體系，測定了轉子內徑不變、外徑變化情況下的有效傳質比表面積，得到空腔區傳質貢獻最大占整體的25%，并首次驗證了端效應區的有效傳質比表面積值數倍于填料主體區值的結論。由于端效應區和主體區的差異，他們提出了分段函數的有效傳質比表面積的關聯式

李沃源等[60-62]發明了一種脫除聚合物揮發分的超重力旋轉床裝置。以糖漿為高黏載體、丙酮為揮發分、不銹鋼絲網為填料，在不同操作條件下對超重力脫揮裝置的脫揮效果進行了研究。實驗結果表明，提高真空度、轉速和揮發分起始濃度，或減小流體黏度和流體體積流量，均能增強脫揮效率。脫揮效率的提高主要是因為真空度和揮發分起始濃度的提高產生了較高的平均濃度梯度，增加了揮發分丙酮往氣相的傳質。相比常規脫揮設備，超重力旋轉床脫揮裝置氣液傳質效果好，效率高，能耗低。

2010年，錢智等[63]利用CO2-MDEA為實驗體系，研究了超重力旋轉床中伴有可逆反應的氣液傳質。首先，實驗基于3條假設：①超重力旋轉床中液體大部分以液膜形式存在并進行傳質；②液膜都有相同的平均壽命；③填料的表面積設為氣液的有效接觸面積，然后應用滲透模型對MDEA吸收CO2的動態過程建立了擴散-反應偏微分方程，最后通過模型所得模擬值與實驗值比較得出結論，超重力旋轉床強化傳質是由于不斷更新的液膜使得可溶性氣體短時間內在液膜內形成較大的濃度梯度，并且這種強化作用是在動態中完成的。

2011年，Chen[64]總結了中國臺灣地區超重力旋轉床傳質實驗的大量數據，進一步擬合了更加精準的氣相體積傳質系數的關聯式

圖6 轉子內腔、填料區和轉子外腔結構Fig.6 Schematic diagram of inner cavity, packing area,and outer cavity in RPB

2011年，Zhang等[65]在超重力旋轉床內首次利用離子液體吸收CO2，同時運用表面更新理論得到如下液相體積傳質系數關聯式

2012年，Sun等[66]提出了超重力旋轉床的設計方程。如圖6所示，將旋轉床劃分為3個區域：轉子內腔（r=0～ri）、轉子填料區（r=ri～ro）、轉子外腔（r=ro～rc），針對上述3個區，分別給出設計方程。

2012年，Luo等[67]為考察超重力旋轉床所用填料微結構調變對傳質的影響，對不同絲徑和孔徑的不銹鋼絲網組合為8種不同填料，測定其有效傳質比表面積。實驗結果證實了端效應區的存在，并非線性擬合了含有絲網參數的不銹鋼絲網填料有效傳質比表面積的經驗關聯式

2013年，羅會娟[68]設計了一種基于化學吸收法（NaOH吸收CO2），來測定超重力旋轉床及其空腔區有效傳質比表面積的方法。實驗將純N2通入旋轉床填料區域，再將一定濃度的CO2從空腔區外部直接通入空腔區，根據分子擴散理論，合理控制通入兩種氣體的流量，可保證通入的N2恰好保護填料區域，使化學反應僅發生在空腔區。實驗結果表明，超重力旋轉床及其空腔區的有效傳質比表面積分別為359 m?1和164 m?1，空腔區傳質貢獻約占整體的25%左右。

2013年，宋俊男等[69]認為端效應區徑向厚度由未被填料絲剪切的液體射流所決定。基于液體進入填料后，一部分液體以液膜形態隨著填料沿周向移動，另一部分液體繼續沿徑向流動。基于上述假設，利用N-S方程和質量守恒方程推導出端效應區長度與射流速度、轉子轉速的關系式。此后，他們利用物理手段（墨跡實驗）和化學手段（脫碳實驗）對上述推導的關系式所求得的端效應區徑向厚度進行了證明。實驗結果表明，可視化結果與模擬計算結果誤差不超過10%，脫碳實驗結果吻合良好。

整體旋轉式轉子結構簡單，轉子空間全部裝載有填料，廣泛用于氣液、液液、氣液固、氣固等反應過程。整體旋轉式轉子最突出的特征——端效應區，即在轉子內緣徑向厚度為10～15 mm的環形區域傳質效率數倍于轉子主體區。近些年來，科研人員正在深入研究端效應現象并利用其來強化主體區傳質，過程雖略有進展，但總體仍顯緩慢。在未來一段時間，端效應的形成原因仍是研究重點。

2.2 雙動盤式轉子超重力旋轉床傳質研究

在精餾、吸收等過程中傳質阻力可能控制在氣相、液相或氣液兩相。在超重力旋轉床中，氣膜控制的傳質過程研究偏少，提高氣側的傳質系數也是研究的熱點問題。雙動盤式轉子結構[圖4 (b)]是源于“調節氣相和液相間的切線滑移速度來改變氣相傳質系數”的思想，由印度的科研人員發明[70]。

圖7 雙動盤式超重力旋轉床結構Fig.7 Structure of split packing high gravity rotating bed

2006年，Rao等[71]首次對裝載有雙動盤式轉子超重力旋轉床（圖7）進行了傳質系數的測定，利用NaOH溶液吸收NH3和水脫氧體系分別測定氣相體積傳質系數和液相體積傳質系數，得到以下關聯式

2011年，Rajan等[72]利用NaOH溶液吸收CO2，對裝載泡沫金屬填料的雙動盤式超重力旋轉床進行了傳質研究。將實驗結果與整體旋轉式超重力旋轉床和填料塔進行對比，得出結論，裝載泡沫金屬填料的雙動盤式旋轉床的有效傳質比表面積值分別是填料塔、整體旋轉式超重力旋轉床的10倍和2倍；液相體積傳質系數最大為填料塔的 20倍，并且是整體旋轉式超重力旋轉床的2倍。但實驗中泡沫金屬的比表面積值遠大于填料塔和整體旋轉式超重力旋轉床所選用填料的比表面積，雙動盤式旋轉床強化傳質能力的主要原因是其獨特的轉子結構，有效增大了氣液兩相間的滑移速度。對于整體旋轉式轉子而言，表面積的提高對傳質的強化沒有直接的線性關系，但這一觀點目前在雙動盤式的轉子結構中還未得到證實。

2013年，Rao等[73]繼續對裝載有雙動盤式轉子超重力旋轉床進行傳質研究，利用NaOH溶液吸收SO2和水脫氧體系分別測定氣相體積傳質系數和液相體積傳質系數。實驗結果與整體旋轉式轉子超重力旋轉床進行比較，可知，對于氣相傳質阻力控制的NaOH溶液吸收SO2體系，雙動盤式旋轉床的傳質性能優于整體旋轉式轉子超重力旋轉床，其主要原因可能是氣液兩相滑移速度的增大導致的；對于液相傳質阻力控制的水脫氧體系，在 750 r·min?1以下時，雙動盤式旋轉床的傳質性能較好。

雙動盤式轉子的上下轉動盤各由一個電機驅動，上下盤可以同向也可逆向旋轉。由于轉子輸入了更多的能量，從理論上講傳質特性能得到進一步強化。但雙動盤式轉子的結構較復雜，加工精度要求較高，目前未獲得較好的工業應用。

2.3 動靜結合式轉子超重力旋轉床傳質研究

動靜盤結合式轉子由靜盤和動盤組成，靜盤固定于殼體，而動盤由電機驅動。動靜結合式轉子分為兩類，其中一類是轉子內未裝載填料的定-轉子[圖 4 (c)]和折流式轉子[圖 4 (d)]。

定-轉子由宋云華等[74]設計發明。2007年，林海霞[75]利用氮氣解吸水中溶氧體系，對定-轉子旋轉床的液相體積傳質系數kLa進行了測定。實驗過程中改變操作條件如氣體體積流量、液體體積流量、定轉子轉速及定轉子旋轉床特征尺寸，將實驗結果與kLa關聯得到

林海霞還將定-轉子旋轉床的kLa與其反應器尺寸相差不大的整體旋轉式轉子超重力旋轉床進行對比，表明定-轉子旋轉床傳質系數略低，但由于其轉子結構簡單，沒有裝載填料，這種設計更適高黏或不易清洗的反應體系。

圖8 折流式旋轉床結構Fig.8 Structure of rotating zigzag bed (RZB)

圖9 噴射式超重力旋轉床的結構Fig.9 Structure of rotating jet high-gravity bed (RJB)

折流式轉子由計建炳等[76]設計發明，結構特點是動盤設置有同心分布的動環形板且靜盤設置有同心分布的靜環形板，兩盤的動靜環形板相間排列，折流式轉子有效解決了旋轉轉子的中間進料問題，從而實現單臺旋轉床完成連續精餾過程。2002年，鮑鐵虎等[77]以乙醇-水體系利用全回流精餾操作研究了折流式旋轉床（圖 8）的傳質性能，實驗考察了回流液量和轉速對于傳質效率的影響。實驗結果表明，折流式旋轉床傳質效率可達48.3塊理論塔板，傳質效率隨著轉速的增大而增大，而幾乎不隨通量的增加而變化。噴射式超重力旋轉床（圖 9）由李育敏等[78]設計發明，噴射式轉子僅在動盤上設置有同心分布的環形板，這種新結構的發明為了解決折流式旋轉床處理通量小、壓降大等問題。李育敏等[79-81]將兩種結構為網孔板式和百葉窗式的噴射式轉子，采用乙醇-水體系在不同操作條件下對噴射式超重力旋轉床傳質性能進行研究。實驗結果表明，對于網孔板式轉子，氣體流量和轉速的增大有利于傳質效率的提高，而以百葉窗式為轉子的噴射式超重力旋轉床其傳質效率隨轉速增加變化不明顯，并且噴射式旋轉床與折流式旋轉床傳質效率相當，可實現大通量操作，目前正在利用其模擬吸收沼氣中的CO2，吸收效果良好。2013年，王廣全等[82]以乙醇-水為實驗體系，考察了新型折流式旋轉床（圖10）傳質性能。新型折流式旋轉床轉子特點是利用同心分布的凹槽來替代折流式旋轉床靜盤上的環形板，僅在動盤上設置有同心分布的環形板，且動環形板部分區域設置有液孔和氣孔，理論上講可有效增加氣液接觸面積。實驗結果表明，新型折流式旋轉床傳質效率為 30塊理論板左右，將其與傳統折流式旋轉床進行比較，這種新型折流式旋轉床在傳質效率上稍遜于折流式旋轉床，還需要通過結構優化來提高。2014年，Li等[83]以乙醇-水為實驗體系，對逆流同心環式旋轉床（圖11）進行了傳質性能研究。逆流同心環式旋轉床是在折流式旋轉床的基礎上進行改良，一種改良方法是去掉折流式轉子中靜盤的環形板，在動盤環形板上開有許多微孔，這些微孔相當于液體分布器，改良后轉子稱為單環轉子；另一種改良方法是在第一種改良方法的基礎上在動盤擋板兩側添加金屬薄板，并在金屬薄板上開有分布均勻的圓孔，這種轉子稱為復合環轉子。Li等還利用表面更新理論對改良后的兩種轉子結構的旋轉床，進行了傳質模型的構建。通過精餾實驗數據擬合，得到上述改良后兩種轉子結構旋轉床的氣相體積總傳質系數KGa的關聯式分別為

圖10 新型折流式旋轉床結構Fig.10 Structure of novel rotating zigzag bed (nRZB)

圖11 逆流同心環式旋轉床結構Fig.11 Structure of counterflow concentric-ring rotating bed

相比于折流式旋轉床，同心環式旋轉床具有處理較大氣液量的能力，稱得上是折流式旋轉床的升級版。

另一類動靜結合式轉子，是轉子中裝載有填料的交錯式轉子[圖4 (e)]，最早由陳建峰等[84]設計發明，交錯式轉子不僅有上述折流式轉子的優點，且轉子中裝載有填料，還具有較高的傳質能力。

2012年，Luo等[16]利用丙酮-水體系，對裝載有兩個交錯式轉子的兩級逆流式超重力旋轉床 (圖12)，進行了傳質效率的研究。實驗結果表明，在填料厚度為0.2 m時，NT為4.94～11.57，相比于傳統式超重力旋轉床，兩級逆流式旋轉床傳質效率略低，但熱損耗較少同時具有占地面積小等優勢，有著較大的工業應用潛力。

2012年，Chen等[85]提出了一種動靜結合結構的超重力旋轉床（圖13），轉子動盤裝有板式填料，靜盤裝有擋板。利用水吸收異丙醇體系研究了其傳質特性。實驗結果表明，此旋轉床帶有靜盤的氣相體積總傳質系數KGa比無靜盤時要高37%～117%。

動靜盤結合式有利于延長流體在轉子內的停留時間，增大氣液接觸面積，有利于提升傳質效率，可用于精餾、多組分吸收等場合。

圖12 兩級逆流式旋轉床結構Fig.12 Structure of two-stage couter-current rotating packed bed(TSCC-RPB)

圖13 帶有板式填料和擋板的超重力旋轉床結構Fig.13 Structure of RPB with blade packings and baffes

圖14 螺旋式轉子結構Fig.14 Structure of helical rotator

2.4 其他轉子結構超重力旋轉床傳質研究

1995年，陳昭瓊等[86]發明了螺旋型超重力旋轉床，其中轉子結構為加工方便、不易堵塞的螺旋式轉子（轉子結構見圖14）。實驗采用CO2-NaOH體系對有效傳質比表面積和液相傳質系數進行了研究。結果表明，有效傳質比表面積和液相傳質系數均隨轉速的增大而增大，有效傳質比表面積為5.6～10.8 cm?1,液相傳質系數為 0.086～0.110 cm·s?1。1996年，陳昭瓊等[87]利用水吸收SO2實驗體系，在不同操作條件下對螺旋型超重力旋轉床的脫硫和傳質性能進行了研究。實驗結果表明，氣相總傳質系數和液相總傳質系數均隨著轉速的增大而增大，在相同條件下氣相總傳質系數比填料塔的氣相總傳質系數高一個數量級以上，并且脫硫效率最高為82%。

鄧先和等[88-93]發明了碟片式旋轉床(圖15)，其轉子由多塊同心圓環碟片沿軸線疊加而成，實驗采用NaOH吸收CO2體系在不同操作條件下對碟片間距、液相體積傳質系數和有效傳質比表面積進行了研究。實驗結果表明，轉速較低時，碟片數量較多且碟片間距較窄時傳質效果較差，而碟片數量較少間距較大時可獲得較高的傳質系數，轉速較高時情況恰好相反，經實驗測得液相體積傳質系數和有效傳質比表面積最大值分別為2.61 s?1、1300 m?1。陳明功等[94-96]利用三維激光多普勒測速儀和高速攝像技術，在不同操作條件下對碟片式旋轉床進行了流體流動的研究，目的在于深入分析液體形態（液滴、液膜等）對氣液傳質的影響。實驗結果表明，液滴的Sauter平均直徑隨著轉速或碟片間距的增大而減小，隨著液體流量的增大而增大，受氣體流量影響較小；液膜分率（液膜體積/軸心噴出總液量）隨著轉速的增大、液體流量的增大、氣體流量的增大、碟片間距的增大和碟片開孔率的增大而增大。此外，碟片式旋轉床具有氣液相流動阻力小、氣相流動功耗小的特點，在CO2脫除中也有很好的應用前景。

圖15 碟片式旋轉床的結構Fig.15 Structure of wave form disk rotating bed

圖16 霧化式超重力旋轉床結構Fig.16 Structure of rotating bed with spraying

1997年，鄧先和等[97]發明了霧化式超重力旋轉床(圖16)，霧化式旋轉床中氣體沿軸向流動，無須克服離心阻力，氣體阻力極低；液體沿徑向流動，在多層填料的離心加速作用下可不斷霧化分散。1999年，陳海輝等[95]采用化學吸收法測定了多級離心霧化超重力旋轉床的液相體積傳質系數。實驗結果表明，測得的液相體積傳質系數值為 0.21～0.44 s?1，比傳統填料塔高出一個數量級。2006年，潘超群等[99]采用NaOH吸收CO2體系對兩級絲網霧化超重力旋轉床進行傳質研究，以雙膜理論為基礎建立傳質模型，并在實驗中測得液相體積傳質系數在0.17～0.25 s?1之間，為多級霧化旋轉床的工業設計奠定基礎。2010年，潘超群等[100]采用NaOH吸收SO2體系，對多級霧化超重力旋轉床進行氣相體積傳質系數（kya）的研究。實驗中考察了操作條件對傳質系數的影響。實驗結果表明，當轉速N=1400 r·min?1、液體流量為 0.8 m3·h?1，氣體流量為 650 m3·h?1時，kya=2250 mol·(m3·s)?1，氣相體積傳質系數相比傳統填料塔高一個數量級，但比相近操作條件下實驗[34]所得值略低。2012年，鄧先和等[101]采用NaOH吸收CO2體系和有機胺吸收SO2體系，對多級離心霧化超重力旋轉床中試吸收設備進行了傳質研究。實驗結果表明，中試設備的有效傳質比表面積為 7.06 m?1，液相體積傳質系數為 1.03 m·s?1，與填料塔相比，霧化超重力旋轉床所用填料體積最小是其1/21，顯而易見，旋轉床所用材料少，降低了制造成本。在超高速的運行狀態下，霧化式轉子對流體可起到良好的霧化擴展界面作用，有效地提高氣液接觸面積，具有氣體阻力小，系統風機操作能耗低等優點，一般適用于大氣量的氣液傳質過程。

Lin等[102-103]設計了一種新型超重力旋轉床，此床的填料轉子為板填料(圖 17)，板填料結構由 12個導向板組成，其中每兩個板相隔 30°，每個板上覆蓋有不銹鋼金屬絲網填料。Lin等利用水吸收有機揮發性化合物（乙醇、丙酮、乙酸乙酯）對此床進行傳質研究，將實驗結果進行關聯得

圖17 板填料式轉子結構Fig.17 Structure of blade packing rotor

式(42)量綱 1數群范圍：3＜KGadp/DGat＜83，10＜ReG＜105，17＜ReL＜4，258＜GrG＜2320，3.4×10?4＜H＜5.5×10?3。

圖18 導向板式超重力旋轉床Fig.18 Structure of blade-packing rotating packed bed

圖19 分段進液式超重力旋轉床Fig.19 Structure of multi-liquid-inlet rotating packed bed

2012年，Luo等[104]設計了一種導向板式超重力旋轉床（圖18），即轉子內裝載有填料和導向板。為實現總體模型的構建，基于表面更新理論并借鑒前人對旋轉平板和旋轉立板研究基礎上建立模型，將轉子填料分成填料區和導向板區，得到了導向板式旋轉床的液相平均總傳質系數模型

邢子聿等[105-106]利用端效應現象，以強化主體區傳質并實現轉子整體強化為目的，發明了分段進液式超重力旋轉床（圖 19）。分段進液式超重力旋轉床的特點是通過改變轉子內部結構，人為地在填料內部制造多個端效應區。實驗利用NaOH溶液吸收混合氣體中CO2考察了多段進液式旋轉床的有效傳質比表面積和液相體積傳質系數。實驗結果表明，在相同的操作條件下，這種新型旋轉床的有效傳質比表面積和液相體積傳質系數值均略大于整體旋轉式超重力旋轉床。

2013年，姚文等[107]發現折流式旋轉床在實際生產中有通量較小的缺點， 提出了一種網板填料復合超重力旋轉床（RCB），其中轉子由上下兩塊動盤及固定在動盤之間的同心環網板組成，上下兩塊動盤與同心環網板整體轉動。實驗采用乙醇-水體系進行全回流精餾實驗，考察4種不同網板填料轉子（圖20）的氣相體積總傳質系數Kya。實驗結果表明，轉子 4（鮑爾壞周向填充）傳質系數值最大為1100 mol·m3·s?1，傳質效率最高，同時也說明網板填料復合旋轉床有潛力取代折流式旋轉床，可應用在大規模生產的場合。

圖20 網板填料復合旋轉床的轉子Fig.20 Photos of rotor in RCB

3 結論與展望

超重力旋轉床經過 30多年的發展，對其傳質強化的研究已取得較大的成績。從以上綜述可以看出，整體旋轉式、雙動盤式、動靜結合式、霧化式超重力旋轉床較適用于氣液反應、氣體吸收等操作；交錯式和折流式的超重力旋轉床，由于其在轉子中設置了中間進料結構，較適用于連續精餾操作。相比其他類型的旋轉床，整體式超重力旋轉床的研究最為深入，廣泛用于氣液、液液、氣液固、氣固等反應過程。

科研工作者對超重力旋轉床傳質研究主要圍繞3個方面來進行：傳質參數的實驗測量、傳質參數的關聯式擬合、傳質參數的模型構建。傳質參數的實驗測量手段和體系趨于成熟和完善，傳質參數的關聯式也不斷優化。基于可視化結果，超重力場中的流體形態多以液滴、液膜、液線為假設，構建超重力旋轉床內的傳質參數模型。但關于超重力旋轉床內的傳質強化研究還有許多值得關注的內容，主要體現在以下幾個方面。

（1）針對傳質參數kG的實驗測量、關聯式、傳質模型構建的研究相對偏少，需進一步加強。

（2）在累積更多實驗數據的基礎上，針對不同結構旋轉床的傳質參數關聯式還可進一步優化。

（3）獲取更加真實的旋轉床轉子內的流體形態是構建精確傳質參數模型的前提。隨著可視化技術的不斷發展，旋轉床轉子內的流體形態可視化還有待進一步的研究。

（4）針對旋轉床的端效應現象研究不夠深入。探究端效應現象產生的原因和機理，對開發以強化整體轉子傳質為目標的第二代旋轉床技術提供理論基礎。

由于旋轉床內流體流動情況的復雜性，在未來研究工作中，實驗和計算機模擬相結合的方法有望成為基礎研究的有效手段；此外，在更加合理簡化旋轉床結構的基礎上，研究的重點可轉向旋轉床的內構件創新設計，如轉子內結構、高效填料、液體分布器等，以實現超重力旋轉床的高效傳質強化，為其工業放大和廣泛工業應用提供堅實的基礎。

符 號 說 明

ac——離心加速度，m·s?2

ae——有效傳質比表面積，m?1

(ae)p——填料區有效傳質比表面積，m?1

ap——填料的比表面積，m?1

aP′——2 mm玻璃珠的比表面積，m?1

at——填料的比表面積，m?1

C——液相總濃度，mol·m?3

dp—— 填 料 的 當 量 直 徑[dp= 6 (1 ?ε)/ap=6(1?ε)/at]，m

D——擴散系數，m·s?2

DG——氣相溶質擴散系數，m2·h?1

Di——反應器特征尺寸，m

Gr——Grashof數

——液相第i層填料表面的Grashof數

g——重力加速度，m2·s?1

H——填料軸向高度，m

He——亨利常數，Pa·m3·mol?1

Hy——量綱1亨利常數

li——單位絲網長度上液體流量，m3·s?1

KGa——氣相總體積傳質系數，s?1

KLa——液相體積傳質系數，mol·s?1·m?3

kGa——氣相體積傳質系數，s?1

kL——液相傳質系數，m·s?1

kf——第i層填料飛出的液滴表面傳質分系數，

Lim·s?1

ks——第i層填料表面液相傳質分系數，m·s?1

Li

kLa——液相平均體積傳質系數，h?1

(kLa)e——端效應區的液相體積傳質系數，h?1

(kLae)B——導向板區液相體積傳質系數，s?1

(kLa)b——主體區的液相體積傳質系數，h?1

(kLa)c——空腔區的液相體積傳質系數，h?1

(kLae)P——填料區液相體積傳質系數，s?1

(kLae)T——液相體積總傳質系數，s?1

k1——擬一級速率常數，s?1

N——轉速，r·min?1

Qw——填料單位寬度的液體流量，m2·s?1

Re——Reynolds數

Res——液相第i層填料表面Reynolds數

Li

r——填料半徑，m

rc——旋轉床外殼內半徑，m

re——端效應區徑向長度，m

ri——填料內半徑，m

ro——填料外半徑，m

S——表面更新率，s?1

Sc——Schmidt數

Sh——Sherwood 數

ug——氣相空床氣速，m·s?1

Vi——填料內徑以內的體積，m3

Vo——填料外徑與外殼內徑間的體積，m3

Vt——旋轉床總體積，m3

We——Weber數

ΔX——表面更新參數，m

σ——表面張力，kg·s?2

σc——填料臨界表面張力，kg·s?2

σw——水表面張力，kg·s?2

ρ——密度，kg·m?3

υ——運動黏度，m2·s?1

μ——動力黏度，Pa·s

φ——液體未被絲網捕獲的理論概率

ε——孔隙率

ω——轉速，rad·s?1

θi——液體由第i層填料飛至i+1層填料的飛行時間，s

下角標

e ——平衡值，有效值

G ——氣相

L ——液相

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