传说中的“化学工业的晶体管”，到底厉害在哪里？
前言
“三传一反”是化工学生最熟悉的词了，实际上我们化工学科都是直接或间接围绕“三传一反”来开展的。现在化工生产的大趋势是绿色、高效和设备的小型化，因此“过程强化”是一个十分具有实际意义的大方向。站在化工的角度，过程强化方法可以是多功能强化设备，也可以是过程耦合，或者添加外场能量（磁场、电场、超声场、激光、超重力场等）
今天我们要说的就是一种超重力设备，典型代表就是旋转填料床（Rotating Packed Bed，RPB）。
原理
所以超重力技术到底是个啥？先来看图：
不好意思，放错了，是这张：
超重力是物质处于远大于地球重力加速度环境下所受到的作用力。在地球上，实现超重力环境的一种有效方法是通过高速旋转所产生强离心力场。
上图是一种适用于气液体系的逆流旋转填料床，不难看出它由转子、填料、外壳、流体进出口和分布器等基本构件构成，转子内装有填料，在电机的带动下高速转动（500-30000 rpm），液相经分布器分布后进入填料层，在离心力作用下由内而外在填料内分散成液膜、液丝、细小液滴等，如下图所示：
而气相则是以相反方向进入填料，即由外而内，这样气液两相逆流流动，有点像精馏塔内气液的接触方式（气相液相运动方向相反），但不同的是在旋转填料床内，由于填料高速转动，液体被“拉扯”成更薄的液层或者液滴，其相界面积之大，传质表面更新之快是精馏塔无法比拟的，据统计，旋转填料床的相间传质速率比传统塔器高1~3个数量级。我们看一个直观对比：
可以看出旋转填料床中的液滴比普通塔器中的液滴小很多，再加上超重力条件下更新速率更快，所以在相同处理量下体积必定能大幅缩小。
上图是国外某超重力设备和相似容量的塔设备体积对比[1]，这样看来超重力设备被称为“化学工业的晶体管”一点都不过分。那么我们来盘点一下旋转填料床的显著优势：
···
（1）传质单元高度小（HTU = 1 – 3 cm），反应器内相间传质速率高；
（2）对流体黏度的变化不敏感，处理高黏介质具有优势；
（3）平均停留时间极短；
（4）微观混合特征时间极短（10-4 s量级），处理快速反应体系具有优势；
（5）压降小，工业应用中旋转填充床压降约为500-600 Pa；
（6）操作简单易于开停车，易于安装和维修；
（7）放大效应不明显，利于工艺开发。
结构
如果按照气液流动形式来划分，旋转填料床除了上述的逆流式，用的比较多还有错流式，另外也有并流式，可以参照下图方便理解。
旋转填料床的适用体系不只有气液体系，同样也能用于液液体系和气液固三相体系，适用范围广。
旋转填料床中的填料也有五花八门的样式，可以是散堆填料也可以是规整填料，这里不展开细讲。
另外，别看旋转填料床名字中有“填料”二字，其实转子内的核心材料不一定是填料，可以是其他结构，也可以是填料和其他结构组合而成的复合结构。这些非填料结构设计的目的可能是考虑到体系（如气液固体系用填料很容易堵塞）因素，也可能是充分利用旋转填料床的“端效应”而做出的改进（端效应：紧靠转子内缘的一个较小的区域内，由于液体喷入的方向和填料旋转方向不同，在该区域内因液体与填料产生强烈地碰撞而变形、破碎，产生大量的新表面，其传质和混合效果最高）。
比如这种转子上开有数条阿基米德螺旋线形的通道（很有数学之美）：
专利号：CN 2581060Y
还有这种填料和叶片组合的复合结构：
专利号：CN 101549274B
精馏塔有很多级，旋转填料床也可以有多级，如下图这种：
专利号：CN 207970669U
每一级气液是错流接触，处理量大，整体上来看是逆流，液体处理量大，适合推广应用于石油化工、煤化工等行业气体的高效净化和高精度脱除有害物。
应用[2]
1.在化工分离方面的应用
基于超重力技术强化相间传递的独特优势，超重力技术在化工分离方面的应用极为广泛。超重力技术早期应用的化工分离过程包括油田注水脱氧和聚合物脱挥，目前超重力技术已广泛应用于萃取、汽提、精馏和连续精馏等化工分离过程中。
2.在纳米材料方面的应用
纳米材料作为性能优异的新材料，在化工、航天、电子、信息、医药、国防等领域中有着广阔的应用前景，其制备方法的研究一直是近年来的研究热点，超重力技术制备纳米材料具有突出的特点和优势，目前已经应用于纳米粉体材料、纳米阻燃材料、纳米盐等生产工艺中。
3.在环境保护方面的应用
可用于：脱除CO2、SO2以及其他酸性气；除尘；废水处理······
参考文献：
[1] RamshawC. “HiGee”Distillations An Example of Process Intensification[J].Chem.Eng., 1983,389:13-14.
[2] 曾东,李振虎.超重力技术的应用研究[J].石油化工,2018,47(07):763-768.
编辑&排版：Papaw
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