超重力热泵精馏工作原理

化工工程师 2025-06-16

传统精馏过程是在重力环境下进行，气相和液相在精馏塔的塔板处逆向接触，完成气液相间的传热传质，经多次的气化和冷凝后在塔顶处和塔釜处分别获得较纯的轻组分和重组分产品。

重力场下塔内液体以较厚的流程缓慢流动，气液相间的传热传质速率较低，为达到生产目标，精馏塔的体积普遍较庞大。从精馏塔开车到满足塔顶组分设计要求一般需要几个到几十个小时不等，塔的高度在10 米以上，体积和占地面积大。此外，传统精馏系统95%以上热能被塔顶冷却水带走，变为废弃的低位能排入环境中，热效率仅为3%~5%，能耗约占整个装置总能耗的60%。

与传统精馏不同，超重力精馏是在几十倍到上百倍重力的离心力环境下完成组分的分离，这种巨大的离心力作用使液体变成微米级的液膜和液滴，气液相间接触界面增大，气液间的传质速率加快。国内外学者的研究结果证实超重力精馏以小的设备体积、更少的物料接触时间达到了节能降耗提质的目的，单位超重力精馏设备的传质效率比传统精馏设备可提高1~2 个数量级，精馏设备的体积可缩小10 倍以上，但该技术未解决精馏系统热效率低的问题。

MVR 热泵技术是将超重力精馏塔塔顶的二次蒸汽再压缩，将低位能加压升温后变为高品位热能，作为热源为塔釜再沸器供热，同时塔顶蒸汽本身冷凝下来，理想情况下塔釜不再需要加热蒸汽量，由于充分利用了塔顶蒸汽的潜热，减少了冷、热公用工程的需求，节约能源可达40%以上。

与传统精馏由塔釜再沸器供热、从塔顶冷凝器取热的方式不同，超重力MVR热泵精馏技术摒弃了传统精馏塔，将超重力精馏塔和MVR 热泵技术有效组合，不仅能实现多相流间的快速均匀高效混合，提高精馏传质速率，还能提升精馏系统热效率。

超重力MVR 热泵精馏系统的主要分离设备是超重力精馏塔，塔的结构部件主要包括转轴、转子、布液器、外壳等，根据转子的不同，可以分为填料式、碟片式、螺旋式、折流板式和喷射式等。

1、填料式超重力精馏塔

超重力精馏塔中应用最广泛的结构是填料式，如图1-1 所示。转轴带动转子进行旋转，转子中固定和装载的填料可以是有序堆积的规整填料，也可以是随意堆积的散装填料。

精馏过程中，原料液从液体进口进入液体布液器后，被均匀的喷淋到旋转的转子内侧，由于强大的离心力作用，料液被填料分散成微小的液膜和液滴，形成巨大的气液相接触面积，与此同时，加热蒸汽经气体进口进入转子外侧，在压力的作用下与撕裂而成的液体微元逆向接触从而完成传热传质过程，最终气体和液体均被甩出转子，分别由气体出口和液体出口排出。

2、碟片式超重力精馏塔

为改善填料式转子中压降较大的情况，华南理工大学邓先和研发了碟片式超重力精馏塔，如图1-2 所示。精馏过程中，液体从进液口进入转子内侧，在强大的离心力作用下，被分散成液膜附着在碟片上，与此同时，气体由进气口进入转子外侧，气液相在碟片间的通道逆向接触并进行传热传质。

与填料式转子相比，碟片式结构的转子使液体分布更加均匀，气液相间的流通面积在不同位置差异性减小，极大地降低了气相流体的压降，不易发生返混现象，但碟片式转子中流体的流动方式属于直线型，液体分散程度与填料式超重力精馏塔相比较差，导致相界面更新速率变慢，且易产生沟流现象，降低气液相间的传热传质效率，不利于精馏塔的正常操作。

3、螺旋式超重力精馏塔

螺旋式超重力精馏塔是1985年发明的，结构如图1-3所示。其最大的特点是在转子上安装带孔的螺旋形叶片为气液接触提供通道，液相在通道壁上形成液膜，与道壁间的气相接触并进行传热传质。相较于填料式结构，螺旋型结构使液体的流动长度增加、液膜厚度降低，延长了气液两相的传质过程，传质系数得到了较大的加强，提高了传质效率，但带孔的螺旋式结构可能出现气液返混现象，对螺旋式超重力精馏塔的正常工作产生不利影响。

国内学者陈昭琼为了消除这一弊端，将带孔的螺旋形叶片改进为不带孔的螺旋形叶片，并以改进后的设备进行了实验研究，结果表明不带孔的螺旋式超重力精馏塔液泛速度提高，不易发生堵塞，扩大了操作范围。

4、折流板式超重力精馏塔

2002 年，浙江工业大学计建炳等发明了折流式超重力精馏塔，如图1-4所示。在折流式超重力精馏塔中，转子由动折流盘、静折流盘相互嵌套组成，静折流盘与超重力精馏塔的壳体相连，其上固定有同心无孔静折流板；动折流盘与转轴相连，其上有同心多孔动折流板。动静两组折流板相对且交错布置，形成了气液流动的“S”形曲折通道。

精馏过程中，原料液从液体进口进入转子内侧，在巨大的离心力作用下，从动折流板的开孔处被高速甩出，撞击到无孔的静折流板上落回到动折流板上，再加速甩到下一个静折流板上，在这个过程中，料液被连续高速雾化，与此同时，加热蒸汽从气体进口进入外侧，穿过嵌套的动静折流板与雾化的液体进行逆向接触，完成相间的传热传质，最终气体和液体均被甩出转子，分别由气体出口和液体出口排出。

5、喷射式超重力精馏塔

通过改进折流式超重力精馏塔，浙江工业大学学者又提出了一种喷射式超重力精馏塔。喷射式转子由相对布置的带凹槽的静盘和带动圈的静盘组成，动圈的一部分嵌入凹槽中，使得密封结构呈现迷宫式。喷射式转子中液体分布均匀，相界表面更新快，传热传质速率高，较折流式转子而言，其压降更小，通量更大。

精馏过程中，液体由进液口进入布液器后再进入转子，在经过动圈上分布的筛孔时，被撕裂成液丝和液滴，由于离心力的作用，液滴会以较大的速度撞击到相邻动圈上变成更细小的液滴，使得气液相间接触面积增大，与此同时，气体在压力作用下沿径向经筛孔进入转子，在相邻动圈间的区域与细小的液体逆向接触进行高效传热传质。