第1篇　超重力化工技术及系统集成

气-液两相流体的接触、传质与反应是化工生产中最为常见的化工过程，以塔器为主要设备，使用广泛、数量大，在化工生产中占据了非常重要的位置。在塔器设备中，液体靠重力作用从塔顶沿填料或塔板向下流动，气体从塔底向上依次经过填料或塔板。总之，气-液接触的整个过程是在地球重力场下完成的。受重力场所限，传质效率不高，为达到生产目的，使用的塔设备体积较为庞大。化工上，采用各种方法增大气-液接触面积、提高气液湍动程度，以改善气-液传质与反应的效果。

超重力技术就是将常规重力条件下的化工过程，置于几十倍到上百倍的超重力环境下来完成，超重力的加入使得化工过程中流体间的混合、传质、反应、传热效率得到了大幅度提高。通常，将填料装入转子内，并通过电机带动转子的离心旋转来实现超重力（场），这样的超重力设备称为旋转填料床（Rotating Packed Bed，RPB）。旋转填料床的发明，改变了气-液接触单纯靠重力作用来完成的化工过程。气体和液体通过旋转填料床来完成接触操作，从表观上看，流体受到了离心力的作用；从流体质点本身看，流体质点实际上受到了超重力作用，处在超重力场的环境中。这也就为化工过程的完成人为地创造了一个超重力环境。这样一个观念的提出，这样一个环境的改变，带来了化工过程的极大强化，带来了革命性的变化。

一般认为，超重力概念的提出和研究始于20世纪70年代末，英国ICI公司（帝国化学工业公司）的Ramshaw教授等在超重力场中进行了蒸馏、吸收等化工分离单元操作的研究，发现在超重力环境下气-液间传递速率系数得到极大的提高，并提出了“超重力”的概念。随后引起了美、英、中、印等国的广泛关注，超重力技术方面的专利、文章逐年上升。

超重力旋转填料床可以实现多相流体之间的快速均匀高效混合，是强化化工“三传一反”的有效途径。超重力技术在过程强化方面十分有效，以小的设备体积、少的物料接触时间获得了更高的效率，起到了节能降耗提质的作用。超重力化工技术其核心是将旋转填料床作为流体混合、传递和反应的主体设备，耦合具体的化工工艺，通过系统集成和创新，从而开发出的一系列新型高效的化工过程强化技术。

最初的研究多集中于气-液两相流体接触的化工过程，涉及吸收、解吸、精馏、气-液反应、气-液直接换热等。按操作方式或气-液流动的方向，超重力旋转填料床可分为逆流、并流和错流三种基本形式。经过多年的发展，科研工作者对旋转填料床的流体力学和传质性能进行了基础和应用研究，并在吸收、解吸等领域实现了工程示范，获得了良好的效果。随着研究的深入，研究学者进一步明确了超重力过程强化机理，开发了新的超重力设备结构形式，拓展了超重力技术的应用领域，超重力技术的研究与应用呈现出新的发展趋势。

研究发现气-液过程的强化主要是对液相传递系数和总传递系数提高了1～3个数量级，但对气相控制的气-液过程的气相传递系数远远达不到这个水平；针对这样的问题，强化气相传递系数的新技术、新装备，气流对向剪切旋转填料床（Counter Airflow Shear Rotating Packed Bed，CAS-RPB）诞生了，研究结果表明，CAS-RPB能数倍提高气相控制的气-液传质过程的传质系数，进一步丰富和完善了气-液过程强化的超重力技术。

液-液混合与接触的过程强化的新型机制——撞击流-旋转填料床（Impinging Stream Roating Packed Bed，IS-RPB）耦合机制的提出，有效强化了液-液接触过程，将气-液超重力化工技术从气-液过程强化拓展到了液-液过程的强化，解决了液-液均相和液-液非均相的混合、萃取、化学反应、液膜分离、乳化等化工过程强化问题，使得产品提质增效，取得显著的节能减排效果。IS-RPB无疑是一个液-液过程强化的新方法，丰富和发展了超重力化工技术。

基于气-液过程强化方法的思路，以消除和减小传质阻力为突破点，以提高传质效率为目标，进一步创新了气-固过程的强化方法、电化学过程强化的方法等，将超重力技术从气-液过程，拓展至液-液过程、气-液-固过程和电化学过程等。由此看来，超重力技术已被应用到了更为广泛的范畴和更加广阔的领域。因此，本书谈及的超重力技术在化工过程强化方面更具有广泛的意义。

本篇将着重依次介绍超重力技术在气-液过程、液-液过程、气-固过程和电化学过程方面的方法和技术。