1.2　超重力環境模擬實現的手段

在地球上，通過旋轉產生離心力可模擬實現超重力環境。我們將這種經特殊設計的旋轉設備統稱為超重力裝備，簡稱為超重力機。最早的模擬設備為Rotating Packed Bed（旋轉填充床，簡稱為RPB）或Higee（High“g”中High和“g”的發音，g=9.8m/s2，即High gravity）。超重力機這一名稱，是Higee的意譯。由于習慣和用途的不同，超重力裝備還有旋轉床、旋轉床反應器、超重力反應器等稱謂。利用超重力環境下可高度強化傳遞和分子混合的特性，往往可以將高達幾十米的巨大的化工塔式設備用高不及兩米的超重力機替代。因此，超重力技術被認為是強化傳遞和多相反應過程的一項突破性技術，超重力機也被譽為“化學工業的晶體管”。

超重力裝備所處理的介質是多種多樣的，根據不同需要可以是氣液或液液兩相，又可以是氣液固三相（如用水除塵，多相反應和發酵等）；氣液可以并流或逆流，也可以是錯流。無論怎樣變化，超重力裝備總是以氣液、液液兩相或氣液固三相等在模擬的超重力環境中的多孔填料或孔道內，進行質量傳遞、混合與反應為其主要特征。

當超重力裝備用于氣液多相過程時，其氣相為連續相的氣液逆流接觸的旋轉填充床的基本結構如圖1-1所示。它主要由轉子、液體分布器和外殼組成。核心部分為轉子，其主要作用是固定和帶動填料旋轉，實現良好的氣液接觸和分子混合。氣相經氣體進口管引入旋轉填充床外腔，在氣體壓力的作用下由轉子外緣處進入填料。液體由液體進口管引入轉子內腔，經液體分布器淋灑在轉子內緣上。進入轉子的液體受到轉子內填料的作用，周向速度增加，所產生的離心力將其推向轉子外緣。在此過程中，液體被填料分散、破碎形成極大的、不斷更新的表面，曲折的流道更加劇了表面的更新。液體在高分散、高湍動、強混合以及界面快速更新的情況下與氣體以極大的相對速度在彎曲孔道中逆向接觸，極大地強化了傳質過程。而后，液體被轉子甩到外殼匯集后經液體出口管離開超重力機。氣體自轉子中心離開轉子，由氣體出口管引出，完成整個傳質或反應過程。

圖1-1　逆流旋轉填充床結構示意圖

雖然超重力技術的實質是通過離心力模擬超重力環境的，但該技術與傳統的利用離心力進行多相分離或密度差分離有著本質的區別。它的核心在于對傳遞過程和分子混合過程的極大強化，因而它應用于需要對相間傳遞過程進行強化的多相分離過程，和需要相內或擬均相內分子混合強化的混合與反應過程。過程強化是一個具有高度革新內涵的概念，它的目的是把整個工廠的物理尺度縮小，以達到在投資、能耗、環境、安全等全方位的效益。

概括地說，超重力機具有如下特點：極大地縮小了設備尺寸與重量；極大地強化了傳遞過程；物料在設備內的停留時間極短（100ms～1s）；易于操作，易于停開車，維護與檢修方便；可垂直、水平或任意方向安裝，不怕顛簸，可安裝于運動載體上；快速而均勻的分子混合等等。基于以上特點，超重力技術可應用于以下特殊過程：熱敏性物料的處理（利用停留時間短）；昂貴物料或有毒物料的處理（利用機內殘留量少）；選擇性吸收分離（利用傳遞效率高和停留時間短）；高質量納米材料的生產和高選擇性反應（利用快速而均勻的分子混合特性）；高黏體系脫揮，如聚合物脫除單體（利用傳遞效率高）等等，因此，具有廣闊的工業應用前景。