[科普中国]-超重力技术

简介

超重力技术是强化多相流传递及反应过程的新技术,上个 世纪问世以来,在国内外受到广泛的重视,由于它的广泛适用性以及具有传统设备所不具有的体积小、重量轻、能耗低、易运转、易维修、安全、可靠、灵活以及更能适应环境等优点,使得超重力技术在环保和材料生物化工等工业领域中有广阔的商业化应用前景。

原理超重力工程技术的基本原理是利用超重力条件下多相流体系的独特流动行为,强化相与相之间的相对速度和相互接触,从而实现高效的传质传热过程和化学反应过程。获取超重力的方式主要是通过转动设备整体或部件形成离心力场,涉及的多相流体系主要包括气-固体系和气-液体系。气相经气体进口管由切向引入转子外腔,在气体压力的作用下由转子外缘处进入填料。液体由液体进口管引入转子内腔,经喷头淋洒在转子内缘上。进入转子的液体受到转子内填料的作用,周向速度增加,所产生的离心力将其推向转子外缘。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。这样,在转子内部形成了极好的传质与反应条件。液体被转子抛到外壳汇集后经液体出口管离开超重机。气体自转子中心离开转子,由气体出口管引出,完成传质与反应过程。

所谓超重力指的是在比地球重力加速度(9.8m/s2)大得多的环境下物质所受到的力。研究超重力环境下的物理和化学变化过程的科学称为超重力科学，利用超重力科学原理而创制的应用技术称为超重力技术。在地球上，实现超重力环境的简便方法是通过旋转产生离心力而模拟实现。这样旋转设备被称为超重力机，又称为旋转填充床。当超重力机用于气液多相过程时，气相为连续相的气液逆流接触，又称逆流旋转填充床，其基本结构如图所示。它主要由转子、液体分布器和外壳组成。转子为核心部件，主要作用是固定和带动填料旋转，以实现良好的气液接触。超重力设备的工作原理如下：气相经气体进口管引入超重力机外腔，在气体压力的作用下由转子外缘处进入填料。液体由液体进口管引入转子内腔，在转子内填料的作用下，周向速度增加，所产生的离心力将其推向转子外缘。在此过程中，液体被填料分散、破碎形成极大的、不断更新的微元，曲折的流道进一步加剧了界面的更新。液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下与气体以极大的相对速度逆向接触，极大地强化了传质过程。而后，液体被转子甩到外壳汇集后经液体出口管离开超重力机，气体自转子中心离开转子，由气体出口管引出，完成整个传质和/或反应过程1。

特点虽然超重力技术是通过离心力场的作用而达到模拟超重力环境的目的，但该技术与传统的利用离心力进行复相分离或密度差分离有着本质的区别。其技术核心在于对于传递过程和微观混合过程的极大强化，因而它应用于需要对相间传递过程进行强化的多相过程和需要相内或拟均相内微观混合强化的混合与反应过程。超重力机所处理的物料可以是气液、液液两相，或气液固三相；气液可以并流、逆流或错流。无论采用何种形式，超重力机总是以气液、液液两相或气液固三相在模拟的超重力环境中进行传递、混合及反应为主要特征。超重力机具有如下特点:设备尺寸与质量大幅缩小；分子混合与传递过程高度强化；物料在设备内的停留时间极短(0.1～1.0s)；易于操作，开停车、维护与检修方便等。基于以上特点，超重力技术可应用于以下工业过程:热敏性物料的处理、昂贵物料或有毒物料的处理，选择性吸收分离，高质量纳米材料的生产，快速反应过程，聚合物脱除单体等1。

发展历史离心力场(超重力场) 被用于相间分离,无论在日常生活还是在工业应用上,都已有相当长的历史。但为一项特定的手段用于传质过程的强化,引起工业界的重视是70 年代末出现的“Higee”, 这是英国帝国化学公司的ColinRamshaw 教授领导的新科学小组提出的专利技术。它的诞生最初是由设想用精馏分离去应征美国太空署关于微重力条件下太空实验项目引起的。理论分析表明, 在微重力条件下,由于g →0 ,两相接触过程的动力因素即浮力因子△( ρg ) →0 ,两相不会因为密度差而产生相间流动。而分子间力,如表面张力,将会起主导作用,液体团聚,不得伸展,相间传递失去两相充分接触的前提条件,从而导致相间质量传递效果很差,分离无法进行。反之,“g”越大, △(ρg) 越大,流体相对滑动速度也越大。巨大的剪切应力克服了表面张力,可使液体伸展出巨大的相际接触界面,从而极大地强化传质过程。这一结论导致了 “Higee”(High“g”)的诞生。

70 年代末至80 年代初,英国帝国化学工业公司( ICI) 连续提出被称之为“Higee”的多项专利。利用旋转填料床中产生的强大离心力———超重力,使气、液的流速及填料的比表面积大大提高而不液泛。液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下与气体以极大的相对速度在弯曲孔道中逆向接触,极大地强化了传质过程。传质单元高度降低了1～ 2 个数量级,并且显示出许多传统设备所完全不具备的优点。从而使巨大的塔器变为高度不到2 m 的超重机。因此。超重力技术被认为是强化传递和多相反应过程的一项突破性技术,被誉为“化学工业的晶体管”和“跨世纪的技术”

离心力场(超重力场)被用于相间分离,无论在日常生活还是在工业应用上,都已有相当长的历史。

1925年Myers制作了带有转转动体的锥形截板式蒸馏桂。

1933年，Plackek发明了侧面闭合的螺旋式气液接触装置，液体沿螺旋板由内向外与逆流流动的气体相接触。几年后，该装置又有所改进，使用带有突起的同心圆筒以增加接触时间。

1954年，Chambers开发了附在旋转平扳上的圆环构成的离心吸收器。

1965年，Vivian将一个填料塔固定在大离心机的旋转臂上，以测定离心加速度对传质系数的影响，实验表面：液膜传质系数与加速度的0.41～0.48次方成正比。Vivian是率先利用旋转床进行传质研究的，但没有提出旋转床域超重力这一概念。

1969年，Todd迸行了离心接触器的实验，该接触器由相隔1英寸的12层环状同心筛板组成，在流体流动上，与筛板塔相类似。

首次出现超重力概念是20世纪70年代末出现的“Higee”，并引起工业界的重视,这是英国帝国化学公司的ColinRamshaw教授领导的新科学小组提出的专利技术。

诞生最初是由设想用精馏分离去应征美国太空署关于微重力条件下太空实验项目引起的。1976年，美国太空署征求微重力场实验项目，英国ICI公司（帝国化学公司）的ColinRamshaw教授等做了化工分离单元操作——蒸馏、吸收等过程中微重力场影响效应的研究，发现在零重力的状态下，其——液间的传质是不可能的，气体和液体不能有效地分离，而超重力使液体表面张力的作用相对变得微不足道，液体在巨大的剪切力作用下被拉升或撕裂成微小的液膜、液丝和液滴，产生巨大的相间接粗面积，因此极大地提高了传递速率系数，而且还使气液逆流操作的泛点速率提高，大大增加了设备的生产能力，这些都对分离过程有力。这一研究成果促成了超重力分离技术的诞生。

在1981年ICI公司Ramshaw教授申请了世界上第一个填料式超重力床专利，在之后的几年时间（198l～1983年）连续提出了名为HIGEE(超重力)新技术的多项专利。

超重力技术的出现，对传质过程的强化可以说是一个质的飞跃，20世纪80年代以来，人们开始意识到这项技术在化工领域具有广阔的应用前景。目前世界上许多大的化学公司都在竞相超重力技术(HighGravityTechnology)进行开发研究，并进行了一定的中试或工业化运行。目前已有多个加压、常压、负压装置在运行，包括进行吸收、解吸、萃取、精馏等操作及实验。在工程化方面有一定程度的进展。

英国Newcastle大学、美国CaseWesternReserve大学、美国TexasAustin大学和美国Washington大学在超重力装置的研究开发中处于世界先进水平。

1983年，ICI公司报道了工业规模的HIGEE装装置平行于传统板式塔进行乙醇和异丙醇与苯和环己烷分离，成功运行了累计数千小时的情况，肯定了这一新技术的工程和工艺可行性。

1984年，美国专门从事塔器与塔填料制造，并占有世界重要市场的Glitsch公司于购买了ICI公司的HIGEE专利，并成立了专门的HIGEE研究开发中心，进行了大量研究，并与CaseWesternReserve大学、washington大学(密苏里州)、TaxasAustin州立大学以及专门从事气体处理的Fluor公司及气体研究院(GRI)等建立了合作研究关系。在能源部大力资助下先后耗费了数千万美元对多种系体进行了小试、中试和工业示范装置的科学实验研究，取得了长足的进展。

1985年，美国海岸警卫队建立了第一套用于脱除地下污水挥发组分的超重力装置，从被污染的地下水中分离出苯、甲苯，由含量200ppb和500ppb脱除到1ppb左右，该装置成功运行了6年。

1987年，美国FlourDaniel公司在新墨西哥州的ELPaso天然气公司建立了利用二乙醇胺对含有H2S和CO2的天然气进行选择吸收H2S的超重力装置。

1987年7月，Glitsch公司在路易斯安那州进行了在不含H2S的气体中利用二乙醇胺吸收CO2和用三甘醇进行天然气干燥两项实验，并都获得了成功。

1989年Glitsch公司宣称，购买一台HIGEE装置可代替50英尺塔高，相当于30块塔板，是用于对传统塔改造，提高产品质量的最经济有效途径。

CaseWesternReserve大学的N.C.Gardner教授从1984年开始，先后在Norton公司，Dow公司支持下对烟气脱硫和聚和物脱单体进行研究。

Martin与Martelli使用旋转填料床(RotatingPackedBed，或RPB)与传统蒸馏塔连接，采用网状金属填充物，对环己烷和正庚烷分离系统进行测试。

郝靖国在CaseWesternReserve大学Gardener教授的指导下进行了旋转填料床脱除聚苯乙烯中残留单体的研究。

英国Newcastle大学的ColinRamshaw教授领导的小组，多年一直致力于海水脱氧的研究。

DowChemical公司于1999年开发了以旋转填料床制备次氯酸的工艺。

另外，国外对超重力技术的应用研究主要在下述方面:(1)蒸馏、精馏;(2)环保中的除尘、除雾,烟气中SO2及有害气体的去除,液——液分离,液_固分离;(3)吸收,对天然气的干燥、脱碳、脱硫,对CO2的吸收;(4)解吸,从受污染的地下水中吹出芳烃、化学热(吸收解吸);(5)旋转电化学反应器及燃料电池(快速去除气泡,降低超电压);(6)旋转聚合反应器;(7)旋转盘换热器、蒸发器;(8)聚合物脱除挥发物;(9)生物氧化反应过程的强化,(传统的生化反应在发酵罐中进行)

国内对于超重力技术的应用研究起步相对较晚,但也取得了显著的成果,主要应用在油田注水脱氧、制备纳米材料、强化除尘过程、强化生化反应过程和精馏等方面。在1985年以前对超重力工程技术研究基本属于空白。

1983年汪家鼎院士就在国内化学工程会议上介绍了ICI所开发的这项新技术的情况。

1984年，北京化工大学与美国CaseWesternReserve大学就超重力工程技术的研究开发确定了合作意向

1988年北京化工大学郑冲教授与美国CaseWesternReserve大学合作，开始进行旋转填料床的应用。得到化工部和国家科委的高度重视和大力支持，经论证，被列为国家八九年度和“八五”重点科技攻关项目，也得到了中国自然科学基金委对这项高新技术的基础研究的支持。

1990年在北京化工大学建成我国第一个超重力工程技术研究中心并开展了一系列的创新性研究工作，多年来，在超重力技术的基础和应用研究方面取得了多项国家专利。同时国内其它如浙江工业大学、华南理工大学、天津大学等高校也对该技术相继进行了开发研究，并取得了显著的成效。

2001年浙江工业大学计建炳等教授申请了名为折流式超重力场旋转床装置的专利，于2004年11月份得到授权。在超重力工程技术在精馏方面的应用推向了一个新的高度；而后浙江工业大学逐渐申请了数个发明专利和实用新型专利。而后国内市场出现了多家生产超重力精馏机的公司。

应用自20世纪70年代末以来，随着超重力技术的研究发展，该技术已被广泛应用。国外对超重力技术的应用研究主要在下述方面2：

蒸馏、精馏；

环保中的除尘、除雾，烟气中二氧化硫及有害气体的去除，液-液分离，液-固分离；

吸收，对天然气的干燥、脱碳、脱硫，对二氧化碳的吸收；

解吸，从受污染的地下水中吹出芳烃化学热(吸收解吸);

旋转电化学反应器及燃料电池(快速去除气泡，降低超电压);

旋转聚合反应器;

旋转盘换热器、蒸发器;

聚合物脱除挥发物;

生物氧化反应过程的强化，传统的生化反应在发酵罐中进行。

国内对于超重力技术的应用研究起步相对较晚，但也取得了显著的成果，主要应用在制备纳米材料、强化除尘过程和强化生化反应过程、油田注水脱氧等方面。

制备纳米材料纳米科学技术是20世纪80年代末产生的、现正在迅猛发展的新技术，而以纳米技术为基础发展起来的纳米材料制备技术在纳米技术的研究中处于核心地位。纳米技术是指用若干分子或原子构成的单元———纳米微粒，制造材料或微型器件的科学技术，是研究尺寸在0.1～100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用以及在实际应用中技术问题的科学技术。纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体，其中纳米颗粒指的是粒子尺寸为1～100nm的超微粒子，是介于原子、分子与块状材料之间尚未被人们充分认识的新领域，是纳米技术中的原材料。与相同组成的微米晶粒材料相比，纳米材料在物理及化学性能上有非常显著的差异，如具有低密度、高膨胀系数、高断裂强度等特性，在微电子、信息、宇航、化工、医药等诸多领域有广阔的应用前景，被誉为21世纪的核心材料之一。超重力法制备技术和装备不但适用于气-液-固3相反应，而且还适用于气-液和液-液反应体系来制备纳米材料。北京化工大学教学部超重力工程研究中心实验室在超重力场中成功地合成了平均表观粒径在17.5～21.5nm，粒度分布窄的立方形CaCO3纳米颗粒;刘建伟等进行了超重力制备纳米氧化锌的工业研究，已成功制备纳米氧化锌;中北大学超重力工程研究中心以硫酸钠和氯化钡为原料，利用超重力法成功制备出粒径小、分布窄的纳米硫酸钡;北京化工大学教学部超重力工程研究中心在成功实现超重力法合成无机纳米材料的基础上，发明了超重力结晶法制备纳米药物的新方法，采用超重力结晶法得到了平均粒度为115μm的解热镇痛消炎药———布洛芬重结晶产品，制得了粒度小于500nm的治疗哮喘病的药物———硫酸沙丁胺醇颗粒，制备了超细头孢拉定抗生素药物粒子，通用性、混悬效果、溶出速率及溶解度要明显优于常规法产品。可见超重力技术和装置具有很强的通用性，是一项平台性的高新技术，可进一步推广至其他纳米材料的制备，并预计在不久的将来可实现工业化应用。

在环境工业中的应用3.2.1 气体脱硫。从烟气中脱除SO2是消除大气污染、控制SO2排放的一项重要措施。北京化工大学教育部超重力工程研究中心与国内硫酸厂合作，采用亚胺吸收法，进行了超重力脱硫的工业侧线试验，经过超重力设备吸收后，尾气中SO2含量降至100mg/L(世界银行标准为300mg/L)。若将单级超重力脱硫与喷射脱硫器相结合，可在设备投资、动力消耗、气相压降等方面较原有技术有较大优势。万冬梅等以氨或碳铵溶液作吸收剂，通过超重力机，对硫酸生产中的SO2进行脱除。在进口气含SO25000mg/kg的条件下，出口气中的SO2含量低于200mg /kg，吸收率为93.5%～95%。陈昭琼等利用超重力场强化传质的新型旋转吸收器，用于烟气脱硫可获得较好的脱硫效果，用清水吸收时的脱硫率为70%～80%;用含有催化剂Mn2+的水溶液吸收时的脱硫率达90%～95%。而在直径300mm的“旋风水膜-旋流塔板”二级脱硫设备中，用清水作脱硫试验，脱硫率为30%～36%。3.2.2 强化除尘过程。传统的工业除尘器在除尘效率和处理量方面随着工业除尘标准的提高，已不能满足环境保护的要求。国内，北京化工大学教育部超重力工程研究中心最先将超重力旋转填料床应用于除尘。张健等将超重力技术应用于除尘，试验结果表明，利用超重力技术的旋转除尘器虽然在平均压降方面与喷淋塔和电除尘器相比具有一定的劣势，但其分离效率高达99.9%，切割粒径达到10-8m的数量级。张海峰分别采用尼龙丝网和RS钢纹丝网为填料作了超重力旋转床除尘研究，结果表明，旋转床对灰尘的捕集效率达到99%以上，能够完全除去3μm以上的颗粒。华北工学院的张艳辉利用旋转床对太原二电厂及南风集团的灰尘进行处理，试验结果表明，旋转床的液气比为0.21L/m3，液体用量低于任何湿法除尘，但其除尘效率可达99.9%以上，达到了工业除尘装置的气体排放标准。超重力技术成为净化环境条件的又一新途径。

在生物化工中的应用生物化工是研究应用化学工程的原理和方法，利用微生物或酶生产人们所需的产品或服务于人们的特定目的学科。人们利用微生物发酵生产发酵食品和饮料已有几千年的历史。但大多数的生化反应都是好氧反应过程。由于好氧微生物的呼吸、基质氧化所需要的氧是液相中溶解的氧，因此在好氧发酵过程中氧的气液传质十分重要，氧溶解速度成为好氧发酵过程的限制因素。传统的生物发酵是利用生化发酵罐采用通气和搅拌来增加氧在发酵液中的溶解程度以满足微生物生长的需要。传统发酵罐有体积大，投资维护费用高，能耗大等缺点。基于此，北京化工大学教育部超重力工程研究中心将超重力旋转床和内循环反应器的优点结合起来，成功开发了内循环超重力生化反应器。在生物化工中，利用超重力技术进行超氧化物歧化酶发酵和透明质酸发酵等。Takemura等指出，利用4×g水平的加速度处理DNA聚合酶Ⅰ，可使模板DNA聚合酶Ⅰ的Km值减小，Vm值不变。研究结果表明，超重力处理提高了DNA聚合酶Ⅰ的活性。

在作物育种中的应用Soga等通过超重力处理拟南芥、玉米、小萝卜、黄瓜和红豆的研究结果指出，超重力在个体形态水平对植物幼苗的影响主要是抑制幼苗胚轴的伸长。Soga还进行了细胞及分子水平的研究，结果表明，超重力可使细胞壁硬度增加，可延长性降低，细胞中胞壁多糖增加，液泡的pH值上升，细胞的微管量增加。Bacon报道，植物对超重力的反应系统不是其重力感受系统，而是位于胞质的机械力感受系统。超重力处理可使基因表达发生变化，Kittang等研究发现，在8000个拟南芥基因中，超重力处理后有177个基因表达发生了变化。国内超重力技术在作物育种中的应用最初研究的是利用离心力对作物种子进行处理的报道，研究离心后种子的酶及结构特性的改变，如离心力对蚕豆叶片质外体汁液中磷酸己糖异构酶活力的影响。李巧英对超重力处理3种豆类的生理生化机理进行了研究，结果表明，超重力处理后，绿豆、大豆和红小豆3种材料的基因表达和代谢过程发生了变化，各材料的代谢水平也发生变化，超重力处理可作为一种新的育种。方法应用于豆类作物育种;杨美红等进行了超重力处理对苜蓿幼苗、绿豆抗盐性的研究，发现合适的超重力可提高苜蓿幼苗抗盐性。可见探索超重力处理后植物生长发育的规律;获得变异基因，选育优良新品种;利用超重力技术引起遗传变异，开创作物育种新途径;通过对生理生化机理的研究，为遗传育种提供理论依据。

其他方面的应用鉴于超重力技术的特点，这项技术还可应用于医药、能源、冶金等工业过程的分离和反应操作，特别适合于低含量组分的分离脱除，及快速反应过程等。如聚合物挥发性组分的脱除。美国CaseWesternReserve大学的郝靖国在Gardner教授的指导下进行了利用超重力机在聚苯乙烯聚合过程中将苯乙烯单体脱除的研究。另外，利用超重力机，用油田产出的天然气吹出水中的氧，使含饱和氧的地表水中的含氧量降至50μg/kg。用超重力机代替现有装备技术，投资可节省23%，操作费用可节省25%。超重力萃取技术可用于含胺盐水的萃取，实现盐水的循环使用等。

地位和作用超重力工程技术是一项突破性地强化“三传一反”过程的新技术，是适用于能源、材料、石油、化工、环境、生物等多个部门并可带来巨大经济效益和社会效益的新技术。由于它具有体积小、重量轻、能耗 低、易运转、易维修、安全、可靠、灵活等优点，它一旦在某个行业部门工业示范成功后，就能较快得到推广。由于这项技术设备还具有不怕震动，可以任意方位安装，物料在设备内停留时间短，适合于快速反 应和选择性吸收等特点，因此还可用于一些传统术所不能胜任的场合，使这项新技术有着较传统的 分离反应技术更为广阔的应用范围。它被喻为“化学工业的晶体管”和“跨世纪的技术”是恰当的。它在国民经济建设中的效益难以估量，其地位及影响将由此技术的逐渐普及而日益提高和加强。可以预期，在2l世纪里它将会成为国民经济建设的众多领域中普遍使用并带来巨大经济和社会效益的技术。