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超重力技术在化学工程中的应用

一、超重力工程技术基本原理
     　　超重力工程技术（国外成之为Higee或RPB）是一项强化"三传一反"化工过程的新型技术及设备，其基本原理就是利用旋转造成一种稳定的、可以调节的离心力场，以代替常规重力场。这就使得精馏、吸收和复相反应等化工单元操作中的气液两相的相对速度大大提高，使相界面更加快速地更新，并且大大提高了液泛速率，使得生产强度成倍提高。简而言之，超重力工程技术是利用离心力强化传递与微观混合的高效多相反应与分离技术。由于超重力技术核心设备具有体积小、重量轻、能耗低、易运转、易维修、安全、可靠、灵活等优点，因此它被喻为"大化工的晶体管"和"21世纪的新技"。
     二、超重力技术的特点
     (1.传质强度高，可大大减小设备体积，用于处理腐蚀性介质可大大节省价格昂贵的耐腐蚀材料，减小设备投资；
     (2.微观混合得到极大的强化，利用反应沉淀法可制备粒径小、分布窄的纳米粉体材料；
     (3.停留时间短，适用于热敏物料的处理和选择性吸收；
     (4.不怕振动和倾斜，适用于活动场所，如海上采油平台和舰船上使用；
     (5.适用于处理高粘度物质；
     (6.持液量小，适用于处理贵重物料；
     (7.具有自清洗作用，填料不易被颗粒杂质沉积堵塞；
     (8.填料易于更换；
     (9.开停车容易，可在几分钟内达到稳定操作。

     三、超重力技术发展状况
     ① 国外进展：
     　　1976年美国太空署计划征求微重力场试验项目，英国的ICI公司(帝国化学工业公司)的新科学组Ramshaw教授等人做了化工分离单元操作--蒸馏、吸收等微重力场影响效应的研究，发现微重力使控制多相流体动力学行为的浮力因素Δρｇ接近于零，相间滑动速度极低，极大地削弱传质过程，而更严重的是此时液体表面张力起主宰作用，原料入塔后只会在一端凝集液体，另一端汇聚气体，组分基本得不到分离。与此相反，超重力不仅使液体表面张力的作用相对变得微不足道，并且使液体在巨大的剪切力和撞击下被拉伸成极薄的膜、细小的丝和微小的液滴，产生出巨大的相间接触面积，更因此极大地提高了传递速率、强化了微观混合，并且还使气液逆流操作的泛点提高，大大提高了设备能力，这些都对分离过程有利。沿着这一思路，即超重力对气液接触传递有利这一理论预测，设计了可产生离心加速度200～1000ｇ的旋转填充床，进行实验，证实了预测，并于1981～1983年连续提出了名为HIGEE(超重力)新技术的多项专利。1983年报导了在ICI公司内工业规模的HIGEE装置平行于传统板式塔进行乙醇和异丙醇分离与苯和环已烷分离，成功运转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，它的传质单元高度仅为1～3厘米(传统填料塔为0.2～2米)，也就是说，它能把传统塔器的体积缩小1～2个数量级，可极大地降低投资和能耗，具有十分重大的经济价值和广阔的应用前景。
     　　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1984年购买了ICI公司的HIGEE专利，并成立了专门的HIGEE研究开发中心，进行了大量的研究，并与Case Western Reserve大学、Washington大学(密苏里州)、Taxas Austin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。
     　　自1985年售出第一套HIGEE商品装置用于从被污染的地下水中分离出苯、甲苯，由含量分别为200ppb和500ppb脱除到检测的极限1ppb左右，成功运转6年。Glitsch公司共售出常压下进行地下水及苯乙烯废水处理的三套HIGEE装置并建立了在加压下对天然气脱CO2、脱H2S、脱水的HIGEE工业示范装置三套。
     　　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，提高产品产量质量的最经济有效的途径。与此同时美国的一些大公司如Du Pont, Dow, Norton等也都在自行研究，然而因为各公司研究进展的程度和应用于更新传统技术的情况属商业机密，所以均不见报导。 Case Western Reserve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合物脱单体进行研究。熔融聚苯乙烯(分子量320400，粘度3000泊)含乙苯320ppm，苯乙烯900ppm通过旋转床在759mmHg真空度下可使出口聚合物单体与乙苯含量分别降到28ppm和5ppm以下，且不发生析碳，并且设备小，能力大，指标优异，这在常规重力设备中是难以达到的。
     ② 国内进展：
     　　我国对超重力工程作为一项强化传递过程新技术进行开发研究，在1985年以前基本属于空白。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Case Western Reserve大学就超重力工程技术的研究开发确定了合作意向，1988年在中国设立合作研究课题，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，十年来，在超重力技术的基础和应用研究方面取得了以下具有国　　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技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"跨世纪的技术是十分恰当的。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会日益提高和加强。可以预期，在21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。