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化工过程强化系列8:超重力气液接触设备

上两期我们主要说了喷射式反应器,喷射式反应器的优点比较多。但是单单从气液接触的角度上来说它有两个不足:首先是体积效率问题,作为喷射式反应器尤其是所谓回路反应器它的体积效率实际上不高。因为实际的气液接触过程仅仅在喷嘴处完成,而大部分液体实际是在反应釜或者循环管道中的,这一部分的气液几乎不发生接触。所以尽管喷嘴处的气液接触效果非常好,但是整个系统一平均也就一般了。另外喷射式反应器本质上是一个耗散过程,或者说是混合过程,它的气液强化原理相当与强行将气体与液体往一个非常小的空间压缩以便使他们进行气液交换。因此喷射式反应器只适用于混合过程,可是涉及气液接触的化工实际应用中还有很多与分离过程有关,比如说蒸馏与气体解吸,这种情况下就不可能用喷射式反应器来进行了。针对这些问题,实际上可以采用超重力气液接触设备进行互补。

超重力气液接触设备实际上就是旋转填料床或者碟式旋转床,大概结构如下图:

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可以看到超重力反应器核心部分就是一个转子,这个转子一般是填料或者直接就是圆盘。运行的时候转子高速旋转,转数可以达到几千转。在高速旋转过程种液体在填料内被拉成非常薄的液膜同时顺着填料高速移动,同时气体穿过填料层与液体快速接触完成气液交换过程。为什么叫做超重力反应器呢?主要的原因就是反应器通过高速旋转产生离心力,这个离心力的强度是重力的几百倍。而很多的气液接触过程,比如说填料精馏或者是吸收,它们的效率大概与重力的0.7次方成正比。因此通过填料旋转可以几十倍地提高气液接触效率。

超重力反应器的优点有以下几点:首先气液接触效率高,是目前已知整体气液接触效率最高的设备,远高于微通道反应器与喷射反应器。其次气液接触过程不伴随混合,通过原理介绍我们可以看出超重力系统中的气液接触气体与液体是逆流或者并流的。气液接触强化是通过加大气液接触表面积以及界面扰动进行的,没有一个强制混合的趋势。这样一来超重力设备就可以用于精馏或者气体解吸了,应用范围又比喷射式反应器广泛。实际上超重力最经典的应用就是用在精馏上,可以把一套十几米高的精馏塔,变成一个1-2米高的精馏机,大大降低土建成本。

当然超重力系统的局限性也是存在的,主要问题有几个方面:一方面超重力本质上是一个绝热过程,流体经过超重力系统的时间非常短暂。同时由于超重力系统的特殊结构,无法在内部做换热结构。最后的结果就导致流体在经过超重力反应器时,反应或者吸收过程的热量无法移除,必须在后续过程中进行处理,因此超重力做反应器限制比较大,不适宜放热过强且放热对产物纯度有影响的反应。同时超重力系统结构复杂,驱动填料的旋转会产生能耗,最重要的是电机带动旋转床以几千转的速旋转,那么就一定存在转动密封的问题,这个问题和上一期说到的喷射反应器是一致的,总体来说超重力反应器仍然不适宜高温高压过程。

在实际应用方面超重力技术目前来说稍微有点尴尬,做反应的话限制非常多。适用范围上类似一个单程式的喷射反应器,但是结构上远比喷射反应器复杂。用做吸收过程有优势但是相对于其他的吸收设备优势并非特别明显。而且在化工过程中,吸收过程远没有反应过程重要,各个厂家都倾向于用其他设备凑合一下,哪怕设备体积稍微大一点也是可以接受的。超重力技术最有可能的突破口还是在精馏方面,超重力精馏相对于普通精馏塔还是有一些优势的:

首先就是设备体积小,为了达到精馏分离效果一般要求精馏塔有一定高度,但是超重力系统由于气液过程强化,要求的填料层非常少,这样一来设备体积就能小非常多。

其次,超重力系统可以处理小批量体系,常规精馏塔有个特点,那就是分离能力与塔高有关,处理量与塔径有关。如果处理量变小了,塔径可以变小,但塔高变不了太多。处理量小的情况下常规精馏塔就会变成一根细长的塔,这种塔设计加工都很头疼,超重力系统就没有这个问题。

另外就是开停车方便,由于结构问题,超重力设备的填料量比较小,因此用少量的物料就可以开启,特别是精细化工行业中往往有一塔多用的情况,经常用一个间歇塔处理多个物料,常规精馏塔反复开停车非常麻烦,这种情况实际上超重力设备更合适。

最后,超重力精馏操作弹性更大,在流体力学方面优势更明显,设备手液泛等现象影响较少。另外可以通过调节转速使精馏过程在不同的气液比下进行,甚至能通过转速调节改变理论塔板数。这样一来,一台设备相对而言可以处理更多种类的物料,整体而言较为灵活。而常规精馏塔一旦设计完成,设备的处理量与分离能力就基本确定了,设备的通用性较差。

总体而言,超重力设备是目前气液接触效率最高的设备,可以用于化学反应,精馏以及吸收过程。但用于化学反应还是要解决复杂工况下的适应性问题。单纯的让气体或者液体保持比较好的接触或者混合并不难,但是要让这套设备在苛刻的工况下运行,这个就是一个挑战,是一个系统性的问题。当然作为气液过程还有一些其他手段,或者一些折中方案,这个我会在下一讲说明。