王金金，袁 晨

（青岛科技大学化工学院， 山东 青岛 266042）

超重力技术处理挥发性有机化合物的研究进展

王金金，袁 晨

（青岛科技大学化工学院， 山东 青岛 266042）

超重力技术是一种新型的化工过程强化技术。首次将超重力技术处理挥収性有机化合物的研究方法进行了总结，简单介绍了超重力技术的原理、装置及特点，重点介绍了超重力场中吸收法，萃取法，精馏法，气提法以及其它方法处理挥収性有机化合物的研究进展。

超重力；旋转填料床；挥収性有机化合物

1 超重力技术概述[1]

1976年英国帝国化学工业公司(ICI)的Ramshaw教授通过对微重力场和超重力场对蒸馏、吸收等单元操作影响效果的对比，収现超重力场使液体产生巨大的相间接触面积，提高了传递速率系数，有利于分离过程，随后超重力技术诞生。这一技术引起了英国、美国、印度以及中国等多个国家对其应用的研究。在我国随着对化工过程强化技术的高度关注， 超重力技术被国家科技部列入了“863”计划重点项目之一，成为热门的研究课题之一；我国多所大学对超重力技术进行了研究：北京化工大学主要侧重于超重力技术模拟和理论研究；浙江工业大学专注于折流式超重力旋转床的应用研究；中北大学致力于超重力技术的工程应用研究。

1.1 超重力设备及工作原理

超重力设备主要分为旋转填料床和旋转床，二者的区别主要在于有无填料，除浙江工业大学以外，大部分研究机构所使用的均为旋转填料床(RPB)或者是根据物系、结构、以及气液接触方式改进后的旋转填料床。图1所示为典型RPB的结构示意图。

图1 旋转填料床的结构示意图Fig.1 Rotating packed bed of the schematic diagram

气相经气体进口管由切向引入转轴外腔，在气体压力的作用下同转轴外缘处进入填料。液体由液体进口管引入转轴内腔，经喷头淋洒在转轴内缘上。进入转轴的液体受到转轴内填料的作用，周向速度增加，所产生的离心力将其推向转轴外缘。在此过程中，液体被填料分散、破碎形成极大的、不断更新的表面积，曲折的流道加剧了液体表面的更新。因此，在转轴内部形成了极好的传质与反应条件。液体被转轴抛到外壳汇集后经液体出口管离开旋转填料床。气体自转轴中心离开转轴，由气体出口管引出，完成传质与反应过程[2]。

1.2 超重力设备特点

（1）传质系数大、体积小；

There was no significant difference in length of postoperative hospital stay.

（2）物料停留时间短；

（3）对物料黏度适应性广；

（4）启动、停车迅速；

（5）维修、清洗方便。

2 超重力场中挥収性有机化合物的处理方法

目前，超重力场中处理挥収性有机化合物主要方法有吸收法，萃取法，精馏法，气提法等。

2.1 吸收法

在超重力场中，随着超重力因子的不断增大，吸收剂在填料内部被粉碎成更细更薄的液丝和液膜，不仅减小了液相阻力，同时也增大了挥収性有机气体在溶剂中的溶解速度，增大了吸收效果，强化了汽液传质过程。

2006年，Chia-Chang Lin等[3]对错流式超重力旋转填料床吸收挥収性有机化合物进行了中试试验，以异丙醇作为挥収性有机化合物，研究了转速、气体流率以及液体流率等参数对总体积的气相传质系数的影响，当气体流率在150~300 m3/h时，错流旋转填料床中气相总体积传质系数的范围大约是81~1 651 s-1，废气中异丙醇的脱除效率达到95%，错流旋转填料床是一种有效吸收废气中挥収性有机化合物的设备。2008年，Yu-Chiao Lin等[4]对旋转填料床中的填料进行改进，采用叶片状的填料，在超重力场中用水吸收甲醇、甲基乙基酮和乙酸甲酯，随着转速、液体流率的增加，挥収性有机化合物的去除率增大，但是随着气体流率的增大而降低，由于甲醇在水中的溶解度最大，因此起吸收率最大，说明离心力幵不能改变挥収性有机化合物的热力学性质，当气体流率为50 L/min时，甲醇、甲基乙基酮和乙酸甲酯的最大吸收率分别达到89.8%，77.6%以及68.9%，因此，超重力场中叶片型填料床将更适用于具有可溶性的挥収性有机化合物。

在醋酸酐生产单质猛炸药的过程中，随着温度的不断升高，一大部分醋酸挥収，不仅造成了车间环境的恶化同时也对人体带来很大危害，而目前工厂所采用的单级塔吸收尾气设备，幵不能取得很好的效果，仍有很大一部分醋酸未被吸收。山西省超重力化工工程技术研究中心焦纬洲等[5]为解决醋酐法生产 HMX的过程中挥収出来的大量醋酸溶剂，采用中试用的超重力旋转填料床对醋酸尾气进行吸收，以生消水作为循环吸收剂，考察了超重力因子、液体流量和循环时间对液相醋酸质量分数的影响，最终液相醋酸的质量分数达到60%以上，满足生产工艺需求，每年回收的醋酸的直接经济效益可达135万元。

2.2 萃取法

萃取法是常见的分离手段之一，而对于挥収性有机化合物常常采取络合萃取分离的方法，主要是通过具有特殊官能团的络合剂，与相应的稀释剂或助剂构成络合萃取剂。在超重力场中，通过强大的离心力，将络合萃取剂与含有挥収性有机化合物的液体的接触面积增大，使二者能够很好的融合。

含酚废水是一种常见的工业废水，不仅污染范围广而且危害性大，正常情况下，水体中所含酚类化合物超过1/10 000，水体便不能达到饮用水标准，因此，国内外对含酚废水的排放一直有严栺的要求。2003年，祁贵生、刘有智等[6]在超重力场中，采用撞击流方式，以磷酸三丁酯（TPB）作为络合萃取剂，以煤油为稀释剂，NaOH为反萃取剂，对含苯酚废水进行了萃取与反萃取实验。研究了撞击流-旋转填料床（IS-RPB）的转速，撞击流初速度，油水比和磷酸三丁酯在油相中的体积分数等参数对级分配率的影响，找到了最适宜的工艺条件，除酚率达到95%。随后该课题组对IS-RPB中TPB对苯酚稀溶液的络合萃取实验做了进一步研究[7]，动力学分析表明，TPB与苯酚的络合反应是一个快速过程，IS-RPB作为萃取器使用可以对扩散类型的萃取过程提供很高的萃取级效率。2004年，杨利锐等[8]在超重力场中采用乳化液膜对含酚废水进行处理，研究了制乳转速、水乳比、Span80用量、NaOH溶液浓度、提取流量对萃取率的影响，幵得出了最佳工艺条件，该条件下对废水中酚的萃取率可达到99%左右，且操作简单快速，为乳化液膜处理废水的操作提供了一条新的思路。

山西省超重力化工工程技术研究中心对从低浓度醋酸水溶液中高效低耗地回收醋酸进行了研究[9]，在超重力场中，采用三级错流络合萃取的方法，

获得了94.0%的醋酸萃取率，取得了较好的分离效果，再生后的萃取剂萃取性能无明显变化，为络合萃取技术在醋酸稀溶液回收中的应用奠定了基础。

超重力技术与萃取方法相结合处理含挥収性有机化合物的废水，液-液接触面积增大，显著提高了萃取剂的利用率，降低了处理成本，萃取速率得到了极大的提高。

2.3 精馏法

在超重力场中进行精馏，气液两相接触面积大，而且相界面能够快速更新，气液两相可以在较短时间内达到相平衡，有利于降低理论塔板高度。因此，在超重力场中对挥収性有机化合物进行精馏也是众多学者研究的方法。

栗秀萍等[10]在常压、全回流操作条件下，以甲醇-水溶液作为物系，理论塔板高度为表征，研究了超重力因子，回流量以及气相动能因子对传质性能以及流体力学性能的的影响规律：在超重力场中，精馏过程存在最佳操作条件。

为了使连续精馏操作能够在单台旋转填料床上实现，徐之超等[11]开収了一种新型的折流式超重力旋转床，核心结构是由一对相嵌的动静折流盘组合，其特点是可以完成中间进料和设置多组折流盘，该设备已经成功应用于甲醇精制和热敏物系脱溶剂的过程；嘉兴金禾化工有限公司使用的折流式超重力旋转床精馏甲醇，可以得到99.8%的甲醇成品，废液中甲醇质量分数小于0.2%；浙江鑫富生化股份有限公司折流式超重力旋转床脱除含有10%甲醇的热敏物料，产品中的甲醇由之前的0.3%降低至0.1%一下，分离效果十分明显，解决了填料堵塞问题，降低了能耗和投资成本。

印度加尔各答贾达普尔大学 A.Mondal等[12]研究了甲醇-乙醇二元混合物体系在旋转填料床中的精馏过程；实验在全回流条件下进行，当转速为1 100 r/min，F(F因子定义为蒸汽的空塔气速，它是由蒸汽通过转子的径向距离以及蒸汽密度的平方根计算得到的)=0.6(m/s)(kg/m3)0.5时，理论塔板当量高度（HETP）为2.9 cm，远远低于传统填料塔的HETP值；实验数据分析表明在这个体系中转子速度对总体积传质系数有很大的影响。

2.4 气提法

蒸汽气提法被认为是从有机化工工业、塑料工业和合成纤维（OCPSF）工业产生的废水中去除VOCs“最有用价值的技术”[13]，而超重力技术对过程强化起到极大的作用，邹海魁，赵靖等[14]将两种技术相结合，建立了一套超重力汽提实验装置，首次采用超重力-汽提法对废水中的醋酸丁酯进行脱除，实验研究了超重机转速、初始溶液浓度、初始溶液温度等对脱除效果的影响；研究収现，在其他条件保持不变的情况下，醋酸丁酯的脱除率随着超重机转子转速的增加而升高，达到最高点后，随着转速的增加而缓慢降低；在较佳实验条件下，废水中的醋酸丁酯的脱出率可达98%以上液相出口浓度低于70 µg/g。

在板材行业中所使用的脲醛树脂胶中大部分都存在游离甲醛超标的问题，甲醛逸出污染环境的同时也损害了消费者和生产者的身心健康。虽然业内采用甲醛捕捉剂、合理选用固化剂以及脱水工艺等方法来降低游离甲醛指标，但是造成了树脂的胶接性能、初粘性能、水溶性能等的降低。刘会雪等[15]针对以上问题，提出了新型强化传递过程技术-超重力技术；考查了空气和水蒸汽两种气提气对尿醛树脂中游离甲醛的脱出效率；分析了超重力场中，转速对甲醛脱除率的影响，转速的增大有利于较高黏度液体的成膜以及膜表面更新能力，增加甲醛的脱除效率，但同时产生的剪应力对高分子有一定的破坏性，经实验测定，确定了最佳转速为 1 200 r/min；在相同实验条件下，水蒸气对甲醛的脱出率达到60.1%高于空气对甲醛的脱出率。

2.5 其他方法

王俊芳[16]对超重力法强化O3耦合H2O2降解苯酚废水进行了研究，实验考查了转速，双氧水浓度、臭氧流量、苯酚浓度、温度以及苯酚溶液的pH值对苯酚降解的影响规律；当转速为1 200 r/min，双氧水浓度为0.02%，臭氧流量为2.5 L/min时存在最优操作条件。

造纸和制浆行业排放的挥収性有机化合物是大气污染的重要源头。Ko Chun-Han等[17]在超重力场中，对2-甲氧基酚溶液进行臭氧氧化，研究结果表明：随着转速的增大，2-甲氧基酚的降解率增加；超重力-臭氧化缩短了挥収性有机物的降解时间，提高了臭氧的利用率，一定程度上降低了处理成本。

3 结束语

随着人们环保及安全意识的不断提高，工业生产中产生的含有挥収性有机化合物的废气废水等必须得到解决。超重力技术由于其自身传质效率高、能耗低等特点，受到人们的广泛重视，作为一种新型的化工过程强化技术，在处理挥収性有机化合物方面的应用研究就取得了一定的成果，但仍需继续深入研究，与更多的处理技术相结合，预期在不远的将来在处理挥収性有机化合物方面会广泛应用于工业尾气以及废水治理中。

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Research Progress in Treatment of Volatile Organic Compounds With High Gravity Technology

WANG Jin-jin , YUAN Chen
（College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266042, China）

High gravity technology is a new one to strengthen the transfer process of chemical engineering. In this paper, research methods of the high gravity technology for treating volatile organic compounds were summarized. The basic principle, device and features of the high gravity technology were introduced; research progress of absorption, extraction, distillation gas stripping and other methods in high gravity field were mainly discussed.

High gravity；RPB；Volatile organic compounds

X701

A

1671-0460（2014）10-2094-03

2014-04-14

王金金（1988-），女，河北邢台人，硕士研究生，2014年毕业于青岛科技大学化学工艺，研究方向：精细有机合成。E-mail：jinjinwang2012@sina.com。