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1、超重力场精馏技术超重力场精馏技术计建炳计建炳浙江工业大学化材学院浙江工业大学化材学院20102010年年8 8月杭州月杭州起源：起源：1970 年代末期美国太空年代末期美国太空计划征求微重力划征求微重力场研究研究项目，目，英国英国 ICI 新科学研究小新科学研究小组提出。提出。原理：原理：利用利用离心力场代替代替重力场，离心力可以达到重力的，离心力可以达到重力的数百至数千倍，因此被称为超重力，国外称为数百至数千倍，因此被称为超重力，国外称为HigeeHigee。超重力技术原理超重力技术原理超重力气液接触设备常规气液接触设备a =w2rg气相液相液相气相世界上第一个超重力旋转床专利世界上第一个超
2、重力旋转床专利英国英国ICI公司公司Ramshaw教授在教授在1981年申请了世年申请了世界上第一个超重界上第一个超重力旋转床专利。力旋转床专利。采用超重力来采用超重力来提高气液相间接提高气液相间接触面积和传质速触面积和传质速率。设备的尺寸率。设备的尺寸极大缩小。极大缩小。不易液泛，可不易液泛，可采用高比表面积采用高比表面积填料。填料。摘自Mass Transfer Apparatus and Its Use, Patent EP0002568Ramshaw, C. 1979液体出口液体出口气体出口气体出口气气体体入入口口填料填料动密封动密封液体入口液体入口动密封动密封填料式超重力床填料式超重
3、力床Glitsch 公司超重力床用于精馏操作公司超重力床用于精馏操作摘自摘自Higee - a status reportFowler, R. 1989Glitsch公司购公司购买买ICI公司的公司的超重力旋转床超重力旋转床专利，开始了专利，开始了超重力旋转床超重力旋转床在精馏操作中在精馏操作中的研究与应用。的研究与应用。旋转床旋转床再沸器再沸器Glitsch 公司超重力旋转床用于精馏塔改造公司超重力旋转床用于精馏塔改造常规精馏塔高度可观常规精馏塔高度可观如对常规精馏塔改造，增加塔如对常规精馏塔改造，增加塔板数或填料层高度，难以实现。板数或填料层高度，难以实现。摘自摘自Higee - a st
4、atus reportFowler, R. 1989Glitsch 公司超重力床用于精馏塔改造公司超重力床用于精馏塔改造摘自摘自Higee - a status reportFowler, R. 1989超重力旋转床用于超重力旋转床用于精馏塔改造，可以精馏塔改造，可以在不增加塔高的基在不增加塔高的基础上实现增加塔板础上实现增加塔板数或填料层高度的数或填料层高度的目的。目的。超重力旋转床的优点超重力旋转床的优点1.传质效率/通量非常高，不易液泛；2.液速非常高，适于高粘度物料的处理；3.微观混合程度很大，适于制备纳米粉体材料；4.持液量很小，适于贵重/有毒物料的处理；5.气液停留时间极短，适于热
5、敏物系的分离；6.转子可自清洗，适于含固/结垢物料处理；7.安装方向随意，抗颠簸，可安装于运动物体。折流式与填料式超重力床结构对比折流式与填料式超重力床结构对比28135679104液液体体出出口口气气 体体出口出口气气 体体入入口口填填料料动动密密封封液体液体入口入口动动密密封封单层折流式超重力床结构单层折流式超重力床结构1-1-动盘动盘; 2; 2动折流圈动折流圈;3-;3-气体进口管气体进口管; 4-; 4-静折流圈静折流圈 5-5-静盘静盘; 6-; 6-气体出口管气体出口管; 7-; 7-液体进口管液体进口管; 8; 8中间进料管中间进料管;9-;9-壳体壳体; 10-; 10-液体
6、出口管液体出口管;11-;11-转轴转轴9 94 45 56 67 78 81 13 3101011112 2106-16-26-3Simplified sketch of zigzag rotating beds with two-rotors in a casing6-1, 6-2, 6-3liquid inlet pipe; 10directing pipe两层转子的折流式超重力床结构两层转子的折流式超重力床结构1-1-动盘动盘; 2-; 2-动折流圈动折流圈;3-;3-气体进口管气体进口管; 4-1,2,3; 4-1,2,3液体进口管液体进口管; 5-; 5-静盘静盘; 6; 6静折流
7、圈静折流圈;7-;7-气体出口管气体出口管; 8-; 8-导流管导流管; 9-; 9-回流回流管管; 10-; 10-壳体壳体; 11-; 11-液体出口管液体出口管;12-;12-转轴转轴三层转子的折流式超重力床结构三层转子的折流式超重力床结构4-34-34-24-21212111110109 98 87 76 65 54-14-13 32 21 1 液体：转子中心折流圈外缘(离心力) 气体：转子外缘折流圈中心(压力) 气液两相在转子内总体呈逆流流动; 在动/静折流圈之间的通道中，气液呈错流/逆流接触折流式超重力床的气液传质折流式超重力床的气液传质1.上板静止下板旋转，可省掉1个动密封（上动
8、密封），设备可靠性提高2.上板静止，进料口可设置在上板任意位置，实现中间进料，因而可用于连续精馏过程3.转子的气液接触元件为折流圈，因此不需要中心进料的液体分布器，防堵塞的能力强4.转子内气液以“S”形路线通过折流圈，流动路径增长，有利于提高传质效率5.可以方便地在一个壳体内实现多转子同轴串连，理论塔板数可成倍提高折流式超重力床的特点折流式超重力床的特点压降降P vs. 气相流量气相流量Q压降降P vs. 液相流量液相流量L折流式超重力床流体力学性能折流式超重力床流体力学性能压降降P vs. 转速转速n平均平均压降降P vs. 气相负荷气相负荷F折流式超重力床流体力学性能折流式超重力床流体力学
9、性能功耗功耗P vs. 气相流量气相流量Q功功耗耗P vs. 液液相相流流量量L折流式超重力床功率特性折流式超重力床功率特性功耗功耗P随随气相体积流气相体积流量量Q、液相体积流量液相体积流量L和和转速转速n的增大而的增大而增大，但增大，但P对对Q变化变化不敏感，对不敏感，对L和和n变变化敏感，因此化敏感，因此L和和n是是RZB功耗的主要功耗的主要决定因素决定因素功耗功耗P vs. 转速转速n折流式超重力床功率特性折流式超重力床功率特性折流式超重力床传质性能折流式超重力床传质性能转子直径转子直径750mm，甲醇水物系，常压，全回流甲醇水物系，常压，全回流回流液量增大，回流液量增大，N NT T下
10、降，转速增加，下降，转速增加， N NT T增大增大每个理每个理论级压降降 vs. 气相负荷气相负荷F折流式超重力床传质性能折流式超重力床传质性能填料塔填料塔回流回流塔釜产品塔釜产品塔顶产品塔顶产品进料进料冷凝器冷凝器再沸器再沸器精馏段精馏段提馏段提馏段精馏流程精馏流程折流式旋转床折流式旋转床回流回流塔釜产品塔釜产品塔顶产品塔顶产品进料进料再沸器再沸器冷凝器冷凝器精馏段精馏段提留段提留段折流式超重力床的精馏流程折流式超重力床的精馏流程酒精精馏装置酒精精馏装置 甲醇精馏装置甲醇精馏装置ZG750-ZG750-型和型和型设备无水乙醇精馏操作现场型设备无水乙醇精馏操作现场折流式超重力旋转床的工业应用
11、折流式超重力旋转床的工业应用ZG750-ZG750-型三台用于物料连续精馏操作现场型三台用于物料连续精馏操作现场甲醇甲醇水系统精馏实例水系统精馏实例甲醇甲醇水体系水体系常压常压 转速：转速： 1000 rpm 三层转子，转子直径：三层转子，转子直径： 750 mm 壳体直径：壳体直径： 830 mm ，壳体高度：壳体高度：800 mm 回流比回流比 1.5进料甲醇质量浓度：进料甲醇质量浓度：70%馏出液甲醇质量浓度：大于馏出液甲醇质量浓度：大于 99.8%釜液甲醇质量浓度釜液甲醇质量浓度: 小于小于 0.2%馏出液流量：馏出液流量： 500 kg/h全塔理论板全塔理论板: 16, 精馏段理论板
12、精馏段理论板: 11.6对应常规填料塔：塔高对应常规填料塔：塔高10m，塔径塔径600mm乙醇乙醇水体系水体系常压常压转速：转速： 1000 rpm两层转子，转子直径：两层转子，转子直径： 620 mm 壳体直径：壳体直径： 700 mm ，壳体高度：壳体高度：600 mm回流比回流比: 2.5进料乙醇质量浓度：进料乙醇质量浓度： 45%馏出液乙醇体积浓度：大于馏出液乙醇体积浓度：大于 95%釜液乙醇质量浓度釜液乙醇质量浓度: 小于小于 0.5%馏出液流量：馏出液流量： 470 kg/h乙醇乙醇水系统的精馏实例水系统的精馏实例项项 目目乙醇乙醇/ /水水甲醇甲醇/ /水水RZBRZBPBPBR
13、ZBRZBPBPB直径直径/ m0.800.800.40.40.830.830.60.6总高度总高度/ m0.550.559.09.00.800.8011.011.0体积体积/ / m 30.2760.2761.131.130.4330.4333.113.11高度比高度比( (PBPB/RZB)/RZB)16.416.413.713.7体积比体积比( (PB/RZB)PB/RZB)4.14.17.27.2折流式超重力床折流式超重力床折流式超重力床折流式超重力床RZBRZB与填料塔与填料塔与填料塔与填料塔PBPB的尺寸对比的尺寸对比的尺寸对比的尺寸对比折流式超重力床与填料塔的对比折流式超重力床与
14、填料塔的对比 冷凝器再沸器间歇进料填料塔再沸器冷凝器旋转床电机连续进料折流式超重力床与填料塔的对比折流式超重力床与填料塔的对比折流式超重力场旋转床代替精馏塔使用现场 水蒸汽甲醇产品出冷却水进出冷却水汽提脱甲醇新工艺流程图原料进至真空系统冷冻盐水进出原料进水蒸汽产品出高粘度热敏物料脱甲醇原工艺流程图甲醇高粘度热敏物系汽提脱甲醇高粘度热敏物系汽提脱甲醇 气提工艺用于反应过程的应用前景气提工艺用于反应过程的应用前景 产品+溶剂A脱溶剂A蒸馏加溶剂B反应脱溶剂B蒸馏加溶剂C反应脱溶剂C蒸馏产品+溶剂A溶剂B蒸汽RZB溶剂A+B汽相产品+溶剂B溶剂C蒸汽RZB溶剂B+C汽相.序号数量用户单位分离介质设备
15、规格原料指标原料处理能力成品指标起用时间累计总数注11浙江永宁制药乙醇/水600-两层 乙醇 40%7t/d乙醇92% 2004.07121嘉兴金禾化工甲醇/水750-三层甲醇 70%11t/d甲醇99.5%2005.10231宁波天衡制药多组份乙醇750-三层乙醇80%5t/d乙醇95% 2005.09342杭州鑫富药业泛酸钙水/甲醇 750-三层/四层甲醇 12%65t/d甲醇0.3% 2005.095脱甲醇51浙江永农化工甲醇/水等750-三层甲醇 75%12.5t/d甲醇99.7%2005.09661浙江思贤制药乙醇/水750-三层乙醇 10-20%20t/d乙醇92% 2006.03
16、771泰安圣奥化工甲醇/水750-两层甲醇 30%15t/d甲醇85% 2006.05881兰溪凯普化学DMSO/水750-三层DMSO 90%18t/d水0.1%2006.07991浙江国邦制药DMSO/水750-三层DMSO 70%7.5t/d水0.1%2006.081010 1杭州争光树脂甲醇/甲缩醛/水750-三层甲醇33%/甲缩醛20%14t/d水0.8%2006.0811折流式超重力床工业应用业绩折流式超重力床工业应用业绩序号数量用户单位分离介质设备规格原料指标原料处理能力成品指标起用时间累计总数注112浙江国邦制药乙醇/水750-三层/两层乙醇92%9.6t/d水1%2006.0
17、813121嘉善海伦甲醇/水750-三层甲醇 70%11t/d甲醇99.5% 2006.0814131下沙生物高科甲醇/水750-三层甲醇 45%20t/d甲醇99.8% 2006.1015141浙江花园高科甲醇/水750-三层甲醇 45%20t/d甲醇99.8% 2006.1016151浙江花园高科甲醇/水900-四层甲醇 95%25t/d甲醇99.7% 2006.1017164浙江天宇药业多组份物质分离750-三层略10t/d略2007.0221171东阳巍华化工甲醇/水750-三层甲醇 94%12t/d甲醇99%2007.0422182浙江东邦化工乙腈/水750-三层乙腈 70%1.5t
18、/d乙腈99.9% 2007.0724191浙江东邦化工二氯甲烷/硅醚750-三层二氯甲烷94%/硅醚6%3.5t/d二氯甲烷99.5%2007.0725201下沙生物高科甲醇/水900-四层甲醇 70%25t/d甲醇99.5% 2007.1026折流式超重力床工业应用业绩折流式超重力床工业应用业绩序号数量用户单位分离介质设备规格原料指标原料处理能力成品指标起用时间累计总数注211浙江传化甲醇/甲醛/水750-三层甲醇42%/甲醛3%20t/d甲醇98%2007.1127224浙江天宇药业多组份物质分离750/800-三层略10t/d略2007.1231231江苏英力甲醇/水750-三层甲醇
19、70%11t/d甲醇99.5% 2008.0132241湖北黄冈永安甲醇/水750-三层甲醇 70%2008.0333252淮安博泰化工多组份物质分离750-三层略10t/d略35安装中261河北永泰甲醇/水750-四层甲醇 70%24t/d甲醇98%36安装中271黄岩四方溶剂回收750-三层略7.5t/d略37安装中281淮安博泰化工二氯甲烷750-三层二氯甲烷97.5%16t/d水0.1%38加工中291浙江宏达甲醇/水/DMF750-三层/650-二层甲醇5%/DMF50%14t/d甲醇99%/DMF中水0.1%39加工中302精进药业丙酮/水850-三层丙酮 95%6.6t/d丙酮9
20、9.7%41安装中折流式超重力床工业应用业绩折流式超重力床工业应用业绩序号数量用户单位分离介质设备规格原料指标原料处理能力成品指标起用时间累计总数注311台州一铭医药丙酮/水等750-四层丙酮 80%5t/d丙酮99.5%42加工中321埃斯特维华义溶剂回收750-三层略12t/d略43加工中331淮安博泰化工DMSO/水850-三层DMSO 75%6t/dDMSO中水0.1%44加工中341嘉兴巨成化工甲醇/水750-三层甲醇 70%11t/d甲醇99.5%45加工中352浙江天宇药业乙酸乙酯/水750-三层乙酸乙酯 98%30t/d乙酸乙酯中水0.2%47加工中361东江能源浙江甲醇/水9
21、00-三层甲醇 70%20t/d甲醇99.0%48加工中371江苏英力溶剂回收750-三层略10t/d略49加工中381宁波杰森甲醇回收750-三层甲醇 90%12t/d甲醇99.5%50加工中折流式超重力床工业应用业绩折流式超重力床工业应用业绩折流式超重力床应用于精馏的优点折流式超重力床应用于精馏的优点高度低、体积小，占地面积小，安置灵活；高度低、体积小，占地面积小，安置灵活；可以减少设备制造和附属设施耗材；可以减少设备制造和附属设施耗材；操作和维修方便，避免了高空作业；操作和维修方便，避免了高空作业；车间溶剂可以就地回收；车间溶剂可以就地回收；反应中间产物提纯方便；反应中间产物提纯方便；减
22、少厂内物流量，简化管理模式；减少厂内物流量，简化管理模式；可实现分布式的生产管理和物流模式。可实现分布式的生产管理和物流模式。折流式超重力旋转床相关的科研成果折流式超重力旋转床相关的科研成果 发明专利证书：折流式超重力场旋转床装置，专发明专利证书：折流式超重力场旋转床装置，专利号利号ZL01134321.4ZL01134321.4，授权日，授权日2004.11.10.2004.11.10. 发明专利证书：多层折流式超重力旋转床装置，发明专利证书：多层折流式超重力旋转床装置，专利号专利号ZL200510049145.1ZL200510049145.1，授权日，授权日2007.07.11.2007
23、.07.11. 美国发明专利申请受理通知书：美国发明专利申请受理通知书：Equipment of Equipment of multi-rotors zigzag high-gravity rotating bedsmulti-rotors zigzag high-gravity rotating beds，专利号，专利号US 7344126B2US 7344126B2，授权日，授权日2008.03.182008.03.18相关的专利相关的专利主要资助情况主要资助情况浙江省科技厅重大项目，经费100万 （2002C11032） 科技部科技型中小企业技术创新基金，经费140万（07C26213300465）获奖情况获奖情况浙江省高校优秀科研成果奖 一等奖一等奖（2007） 中国石油和化学工业协会科技进步奖 一等奖一等奖 （2008）高校科学研究优秀成果奖技术发明奖 二等奖二等奖（2009）浙 江 工 业 大 学
