1、超重力精馏技术的研发超重力精馏技术的研发及产业化应用及产业化应用浙江工业大学浙江工业大学计建炳计建炳20112011年年3 3月月 一、项目背景一、项目背景1 1、化学工业一方面向大型化发展，另一方面向产品功能、化学工业一方面向大型化发展，另一方面向产品功能 化精细化方向发展；化精细化方向发展；2 2、随着环保要求和生产成本的不断提高，多品种小批量、随着环保要求和生产成本的不断提高，多品种小批量 的溶剂回收日益增多；的溶剂回收日益增多；3 3、资源能源节约日趋紧迫。、资源能源节约日趋紧迫。 因此，研发小型高效的化工装备对于节能减排，满足因此，研发小型高效的化工装备对于节能减排，满足化学工业发展
2、的新需求具有重要的意义。化学工业发展的新需求具有重要的意义。 化工过程强化是实现设备小型高效的重要途径，超重化工过程强化是实现设备小型高效的重要途径，超重力技术可实现精馏设备小型高效的目标。力技术可实现精馏设备小型高效的目标。 一、项目背景一、项目背景 本项目研发的折流式超重力床是我国原创的精馏设本项目研发的折流式超重力床是我国原创的精馏设 备，并实现了产业化，技术处于国际先进水平，其工业备，并实现了产业化，技术处于国际先进水平，其工业应用成功丰富了精馏技术；应用成功丰富了精馏技术； 超重力精馏技术适合精细化工、医药化工等产品品超重力精馏技术适合精细化工、医药化工等产品品种多，批量小的场合以及
3、高粘度、热敏物料的分离和空种多，批量小的场合以及高粘度、热敏物料的分离和空间受限的场合。间受限的场合。二、超重力技术二、超重力技术( (HigeeHigee) )起源：起源：1970 1970 年代末期美国太空计划征求微重力场研究项年代末期美国太空计划征求微重力场研究项目，英国目，英国 ICI ICI 新科学研究小组提出。新科学研究小组提出。HigeeHigee原理：原理：利用离心力场代替重力场，气液传质速率提利用离心力场代替重力场，气液传质速率提高高1010倍以上。倍以上。气相液相g常规气液接触设备液相气相a=w2r超重力气液接触设备二、超重力技术二、超重力技术( (HigeeHigee)
4、)超重力精馏装置超重力精馏装置精馏塔精馏塔18121812年第一座年第一座精馏塔应用，精馏塔应用，已有近已有近200200年年的历史。的历史。二、超重力技术二、超重力技术( (HigeeHigee) )英国英国ICIICI公司公司RamshawRamshaw教授在教授在19811981年申请了世年申请了世界上第一个填料式超重界上第一个填料式超重力床专利；力床专利；已在吸收、解吸、气已在吸收、解吸、气液反应和纳米材料制备液反应和纳米材料制备中得到应用；中得到应用；开始的研究目标用于开始的研究目标用于精馏，但未能在精馏成精馏，但未能在精馏成功应用。功应用。Gas InletGas OutletLi
5、quid OutletLiquid InletRotorRotating Shaft碟片填料式碟片填料式螺旋板式螺旋板式二、超重力技术二、超重力技术(Higee)常见超重力旋转床的结构常见超重力旋转床的结构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。二、超重力技术二、超重力技术( (HigeeHigee) )二、超重力技术二、超重
6、力技术( (HigeeHigee) )现有超重力旋转床的缺点1.每台设备需2个动密封，多转子串联困难，且上动密封易腐蚀而影响设备的寿命。2.转子整体转动，故难以实现中间进料，只能用于全回流。若要实现连续精馏，则需用2台旋转床。3.转子的直径有限(受动平衡的限制)，而且因气液接触时间极端短，设备的分离能力受到限制，不能满足常规精馏分离的要求。1 1、难以在转子上进料；、难以在转子上进料；2 2、分离能力不能满足精馏的要求、分离能力不能满足精馏的要求三、填料式超重力床未能在精馏中应用的原因三、填料式超重力床未能在精馏中应用的原因1-下盖板 2-下动 3-转轴 4-液体出口 5-壳体 6-转子 7-
7、气体出口 8-液体进口 9-液体分布器 10-上动密封 11-上盖板 12-气体进口中间进料321456789101112结构：结构：1 1、转子整体旋转，、转子整体旋转，2 2、转子与气相管之间有动密封。、转子与气相管之间有动密封。(b)填料式超重力床顶产品中间中间进料进料冷凝器精馏段提馏段再沸器四、结构创新四、结构创新折流式超重力床折流式超重力床1、转子由动、静部件组合，可在转子上进料，、转子由动、静部件组合，可在转子上进料，省掉转子与气相管的动密封。省掉转子与气相管的动密封。1-动盘 2-动折流圈 3-气体进口 4-静折流圈 5-静盘 6-气体出口 7-液体进口 8-中间进料 9-壳体
8、10-液体出口 11-转轴1345679108211四、结构创新四、结构创新折流式超重力床折流式超重力床28135679104液体出液体出口口气 体气 体出口出口气体气体入口入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四、结构创新四、结构创新折流式超重力床折流式超重力床1-动盘 2-动折流圈3-气体进口4-1,2,3液体进口5-静盘 6静折流圈7-气体出口8-导流管 9-回流管 10-壳体 11-液体出口12-转轴1234-14-24-3567891011122、多层转子同轴可放便可靠地串联，分离能力大大提高。、多层转子同轴可放便可靠地串联，分离能力大大提高。四层转子串联四层转子串联可
9、以达到可以达到3232块块理论塔板数理论塔板数四、结构创新四、结构创新折流式超重力床折流式超重力床3、动、静折流圈作为气液接触元件，气液分布均匀。、动、静折流圈作为气液接触元件，气液分布均匀。每个传质单元每个传质单元0.70.7块理论板，块理论板，2727块块/ /米米四、结构创新四、结构创新折流式超重力床折流式超重力床(a)填料塔底产品顶产品中间中间进料进料冷凝器再沸器精馏段提馏段底产品顶产品中间中间进料进料再沸器冷凝器精馏段提馏段(c)折流式超重力床1.上板静止下板旋转，可省掉上动密封，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，实现实现中间进料，因而可用于连续精馏过程3.转子
10、的气液接触元件为折流圈，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，停留时间延长，有利于提高传质效率5.易于在一个壳体内实现多转子同轴串联，理论塔板数成倍的提高四、结构创新四、结构创新折流式超重力床折流式超重力床五、设备性能研究五、设备性能研究u 气体流量对压降的影响气体流量对压降的影响气相流量 Q (m3/h)压降 P (kPa)010020030040050060070000.511.522.533.54L=600l/h(a)600rpm800rpm1000rpm1200rpm1330rpm气相流量 Q (m3/h)压降 P (kPa)0
11、200400600800100001234567n=1200rpm(b)0l/h400l/h600l/h800l/h1000l/h1240l/h五、设备性能研究五、设备性能研究u 夜体流量对压降的影响夜体流量对压降的影响液相流量 L (l/h)压降 P (kPa)02004006008001000 1200 1400012345n=1000rpm(a)100m3/h200m3/h300m3/h400m3/h500m3/h600m3/h液相流量 L (l/h)压降P (kPa)02004006008001000 1200 140000.511.522.5Q=300m3/h(b)600rpm800
12、rpm1000rpm1200rpm1330rpm五、设备性能研究五、设备性能研究u转速对功耗的影响转速对功耗的影响转速n (rpm)功率P (kW)4006008001000120014000.511.522.5L=1000l/h(a)100m3/h200m3/h300m3/h400m3/h500m3/h600m3/h转速n (rpm)功率P (kW)5007009001100130000.511.522.53Q=600m3/h(b)0l/h400l/h600l/h800l/h1000l/h1240l/h五、设备性能研究五、设备性能研究u气液流量和转速对传质效率的影响气液流量和转速对传质效率的
13、影响回流量L (l/h)理论板数 NT01002003004005006007006810121416(a)600rpm800rpm1000rpm1100rpm转速 n (rpm)理论板数NT5006007008009001000 1100 120046810121416(b)100l/h200l/h300l/h400l/h600l/h每个传质单元每个传质单元0.70.7块理论板，块理论板，2727块块/ /米米五、设备性能研究五、设备性能研究u机械性能的研究机械性能的研究1 1、对设备长期运转动密封的可靠性和转子动平衡的要求、对设备长期运转动密封的可靠性和转子动平衡的要求2 2、通过工业化试
14、验，对可操作性、稳定性和安全性进行、通过工业化试验，对可操作性、稳定性和安全性进行 了长期考察；了长期考察；3 3、从真空到常压，对不同的精馏体系进行了工艺与设备、从真空到常压，对不同的精馏体系进行了工艺与设备 相匹配的系列研究试验。相匹配的系列研究试验。 经过十多年的研究和工业应用经验积累，形成了经过十多年的研究和工业应用经验积累，形成了 设计、制造和工业应用一条龙的成套超重力精馏技术。设计、制造和工业应用一条龙的成套超重力精馏技术。 研究结果在研究结果在Ind.Eng.Chem.ResInd.Eng.Chem.Res， Chem.Eng.ProcessChem.Eng.Process, ,
15、Chin.JChin.J. . Chem.EngChem.Eng. .石油化工等国内外期刊上发表了数十篇论石油化工等国内外期刊上发表了数十篇论文。文。 六、产业化应用六、产业化应用精馏流程精馏流程冷却水进冷却水出水蒸汽进冷凝水出塔釜产品塔顶产品回流液中间进料冷凝器再沸器六、产业化应用六、产业化应用1 1、已应用于多种体系的连续精馏、解吸和萃取精馏过程；、已应用于多种体系的连续精馏、解吸和萃取精馏过程；2 2、甲醇、甲醇/ /水、水、DMSO/DMSO/水、甲醇水、甲醇/ /甲缩醛甲缩醛/ /水、甲醇水、甲醇/ /叔丁醇、氯叔丁醇、氯 化苯化苯/ /异己烷、三乙胺异己烷、三乙胺/ /甲基异丙胺甲
16、基异丙胺/ /水、萃取精馏制水乙水、萃取精馏制水乙 醇及医药中间体分离醇及医药中间体分离3030多种体系等；多种体系等；3 3、浙江、江苏、湖北、山东、河南、安徽、江西、贵州、浙江、江苏、湖北、山东、河南、安徽、江西、贵州、 广东等广东等1212省市产业化应用；省市产业化应用；4 4、推广设备、推广设备200200多台套台，且推广速度不断加快；多台套台，且推广速度不断加快； 2004 2004的第一套设备已连续运行六年多，设备性能稳定。的第一套设备已连续运行六年多，设备性能稳定。 六、产业化应用六、产业化应用1 1、热敏高粘度产品的分离、热敏高粘度产品的分离泛酸钙（维生素泛酸钙（维生素B5B5
17、）脱除甲醇。高沸点、高粘度、热敏，含有水和）脱除甲醇。高沸点、高粘度、热敏，含有水和10%10%的甲醇，要求甲醇的甲醇，要求甲醇0.1%，采用填料塔只能到采用填料塔只能到0.3%0.3%，无法出口。，无法出口。(a) 进料进料水蒸气水蒸真空系统冷却水甲醇甲醇冷冻盐水产品产品(b) 六、产业化应用六、产业化应用折流式超重力床和填料塔主要技术指标的对比折流式超重力床和填料塔主要技术指标的对比164系统占地面积系统占地面积m2 3518总电功消耗总电功消耗kw无无18超重力床电机超重力床电机kW15无无真空机组真空机组kW20无无冷冻机组冷冻机组kW有有无无真空系统真空系统冷冻盐水冷冻盐水循环水循环
18、水冷却系统冷却系统8无无再沸器容积再沸器容积m30.3%0.1%产品中甲醇含量产品中甲醇含量22原料处理量原料处理量t/h填料塔填料塔折流式超重力床折流式超重力床名称名称8012系统所占空间系统所占空间m3六、产业化应用六、产业化应用2 2、建立分布式溶剂回收模式，产品与溶剂及时分离。、建立分布式溶剂回收模式，产品与溶剂及时分离。六、产业化应用六、产业化应用乙醇乙醇- -水超重力精馏装置水超重力精馏装置六、产业化应用六、产业化应用甲醇甲醇- -水超重力精馏装置水超重力精馏装置六、产业化应用六、产业化应用无水酒精超重力萃取精馏装置无水酒精超重力萃取精馏装置超重力超重力超重力超重力六、产业化应用六
19、、产业化应用医药中间体超重力精馏装置医药中间体超重力精馏装置六、产业化应用六、产业化应用医药中间体超重力精馏装置医药中间体超重力精馏装置超重力超重力超重力超重力七、超重力精馏技术特点七、超重力精馏技术特点1 1、体积小、高度低、体积小、高度低相同精馏要求折流式超重力床和填料塔的尺寸对比相同精馏要求折流式超重力床和填料塔的尺寸对比物系物系设备设备直径直径(m)(m)总高度总高度(m)(m)体积体积(m(m3 3) )高度比高度比/ /体积比体积比甲醇甲醇/ /水水折流式超重力床折流式超重力床0.830.830.80.80.4330.43313.8/7.213.8/7.2填料塔填料塔0.60.61
20、1.011.03.113.11乙醇乙醇/ /水水折流式超重力床折流式超重力床0.80.80.550.550.2760.27616.4/4.116.4/4.1填料塔填料塔0.40.49.09.01.131.13七、超重力精馏技术特点七、超重力精馏技术特点2 2、资源能源节约、资源能源节约 折流式超重力床能耗降低主要来自于设备体积大幅度减小而带来折流式超重力床能耗降低主要来自于设备体积大幅度减小而带来的热损失减小以及冷却水循环泵功率的降低，一般来说超重力床电机的热损失减小以及冷却水循环泵功率的降低，一般来说超重力床电机功耗是可以被热损失减小的部分抵消的。功耗是可以被热损失减小的部分抵消的。精馏条件
21、下折流式旋转床和填料塔的能量消耗对比精馏条件下折流式旋转床和填料塔的能量消耗对比名称名称甲醇甲醇-水水乙醇乙醇-水水填料塔填料塔折流式超重力床折流式超重力床填料塔填料塔折流式超重力床折流式超重力床设备热损失设备热损失kJ/h11.011041.1011048.461041.02104再沸器负荷再沸器负荷kJ/h121.1104111.210493.0610485.45104水循环泵功耗水循环泵功耗kW1.870.51.210.39电机功耗电机功耗kW-10-10总能耗总能耗kJ/h121.782104114.98210493.49710489.189104产品单耗产品单耗kJ/kg2435.6
22、2299.61870.01783.8八、经济和社会效益八、经济和社会效益2 2、社会效益、社会效益（1 1）资源、能源节约）资源、能源节约 1 1 米高的折流式超重力床可代替米高的折流式超重力床可代替10 10 多米高的精馏多米高的精馏 塔，钢材用量和占地面积仅为精馏塔的塔，钢材用量和占地面积仅为精馏塔的1/41/4，辅助设，辅助设 施建设成本显著降低；施建设成本显著降低；（2 2）生产安全）生产安全 无需考虑台风、雷击、地震及高空作业等在精馏塔无需考虑台风、雷击、地震及高空作业等在精馏塔 建设中必须考虑的因素，生产的安全性大大提高，建设中必须考虑的因素，生产的安全性大大提高， 实际使用时操作
23、和维修方便；实际使用时操作和维修方便；（3 3）应用在空间受限的场合。）应用在空间受限的场合。十、知识产权十、知识产权 授权发明专利授权发明专利6 6 项，其中美国专利项，其中美国专利1 1项项 授权实用新型专利授权实用新型专利8 8项项, ,编制企业标准编制企业标准1 1项项发明专利：发明专利：1 1、折流式超重力场超重力床装置、折流式超重力场超重力床装置 ZL01134321.4ZL01134321.42 2、多层折流式超重力超重力床装置、多层折流式超重力超重力床装置ZL200510049145.1ZL200510049145.13 3、Equipment of multi-rotors
24、zigzag high-gravity Equipment of multi-rotors zigzag high-gravity rotating beds rotating beds US7344126B2US7344126B24 4、一种折流式气液错流型超重力场超重力床装置、一种折流式气液错流型超重力场超重力床装置 ZL200710156194.4 ZL200710156194.45 5、一种同心圈式错流型超重力场超重力床装置、一种同心圈式错流型超重力场超重力床装置 ZL200710156537.7 ZL200710156537.76 6、折流式气液错流型超重力场超重力床装置、折流式气液错流型超重力场超重力床装置 ZL200710156196.3 ZL200710156196.3 谢谢！谢谢！
