1.3　超重力技術的發展歷史與現狀

1976年，美國太空署（NASA）征求微重力場實驗項目，英國帝國化學公司（ICI）新學科組的Colin Ramshow博士等人做了微重力場對化工分離單元操作——蒸餾、吸收等影響效應的研究[1]。他們發現微重力場使控制多相流體動力學行為的浮力因子Δρg接近于零，使相間的相對運動速度降低，非但對傳質沒有任何好處，反而極大地削弱了傳質過程。更嚴重的是，在幾乎沒有重力的情況下，液體的表面張力將起主導作用，液體凝聚在一起，組分基本上得不到分離。與此相反，超重力不僅使液體的表面張力變得微不足道，而且液體在巨大剪切力的作用下被拉伸成膜成絲成滴，產生出巨大的相間接觸面積，更因此極大地提高了傳質速率，也提高了氣液逆流操作的泛點氣速，這一切都對分離與操作有利。沿著這一思路，ICI著手進行這方面的研究，設計出可產生200～1000g超重力環境的旋轉填充床。大約兩年以后，第一套示范裝置開始運轉。1979年6月，公開了在超重力機方面的第一個專利[2]。在后來的幾年里，又陸續公開了一些專利[3～8]，從而形成了當時超重力機的基本結構和操作方式。

1983年，ICI公司報道了工業規模的超重力機平行于傳統板式塔進行乙醇與異丙醇分離和苯與環己烷分離試驗，成功運轉數千小時，肯定了這一新技術的工程與工藝可行性[9]。它的傳質單元高度僅為1～3cm，較傳統填料塔的1～2m下降了兩個數量級。它極大地降低了投資和能耗，顯示出十分重大的經濟價值和廣闊的應用前景。

在超重力機的開發過程中，ICI公司認為，超重力機技術的開發，如果能夠由專門從事塔板與填料的生產與銷售的公司來進行，可能更為有利。基于這種考慮，1984年5月，ICI與美國Glitsch公司達成協議，ICI將Higee的全部專利與開發銷售權轉讓給Glitsch公司[10]。在此之后，Glitsch公司成立了Higee技術開發研究中心，并與Ohio州的Case Western Reserve大學、Austin的Texas州立大學和Missouri州的Washington大學以及專門從事氣體處理的Fluor Daniel公司合作，在美國能源部的支持下，對多個體系進行了研究，并成功地將其應用于若干過程的工業試驗。

1985年第一套超重力機售出。該機用于脫除被污染的地下水中的有機揮發物。可將水中的苯、甲苯、二甲苯的含量由500～3000μg/kg脫除到1μg/kg左右，裝置成功地運轉了6年。在此過程中，研究工作也在進行。美國Tennessee州立大學的Singh S.P.[11]于1989年撰寫了一篇博士論文，描述了位于Floreda Tyndall Eglin空軍基地用于同樣目的的超重力機的情況。論文對該機的傳質、液泛、功耗進行了研究。與此同時，美國的一些大公司如Du Pont、DOW、Norton等也都在自行進行這方面的研究。

由于Higee（超重力）技術可能帶來巨大經濟效益和可能在特殊場合的應用，無論是ICI、Glitsch還是其他公司，當時都很少對這一技術進行實質性的技術報道，只是發表一些應用性的研究成果與商業性宣傳報道。當時所能見到的專業技術性文章都是出自一些大學。

在國內，1984年，汪家鼎院士在第二屆高校化學工程會議上曾經做過關于超重力技術及其應用前景的報告；1989年浙江大學陳文炳[12]等曾經發表過常規填料超重力機內的傳質實驗的結果；天津大學朱慧銘[13]于1991年，南京化工學院沈浩[14]等于1992年也都有關于超重力分離過程研究的碩士論文發表。

1988年，北京化工大學鄭沖教授等與美國Case Western Reserve大學N.C.Gardner教授合作，由Glitsch公司租賃提供超重力機主機，在北京化工大學建立了一套實驗裝置，開始進行超重力技術的基礎研究以及用于油田注水脫氧、酵母發酵等應用技術研究。自1989年起，北京化工大學超重力技術的研究，連續得到國家有關部委的重點支持，被列為國家“八五”“九五”“十五”計劃的重點科技研究項目。1990年在北京化工大學建立我國第一個超重力工程技術研究中心，2001年升級成立教育部超重力工程研究中心，由陳建峰教授出任主任，開展了系列創新性研究工作。經過近30年的持續研究，該中心在超重力技術的基礎和應用研究方面取得了具有國際領先或國際先進水平的研究成果，特別是開創了超重力反應工程的研究新領域，并使超重力技術真正實現了商業化應用。典型的里程碑式意義的應用案例有：1998年，在國際上首次將超重力水脫氧技術實現商業化應用，將海水處理能力為250t/h的超重力機安裝于山東勝利油田埕島二號平臺上，投入了工業化運用；2000年和2001年，相繼在廣東恩平、山西芮城建成了世界上首條年產3000噸和萬噸級超重力法合成納米碳酸鈣工業生產線；2001年，美國DOW化學公司在北京化工大學的技術合作下，成功地將超重力技術應用于次氯酸的工業生產過程中，將四臺直徑6m高30m的鈦材塔用四臺直徑3m高3m的鈦材超重力機進行了成功替代，節省投資70%以上，操作費用節省30%，同時提高了反應選擇性和分離效果；2007年，北京化工大學與煙臺/寧波萬華聚氨酯有限公司合作，成功實現了超重力縮合反應強化技術在MDI生產中的工業應用，與原反應器工藝相比，其縮合反應進程加快100%，三條生產線的總產能從64萬噸/年提升到100萬噸/年，產品雜質含量下降約30%，產品質量達到世界領先水平，且單位產品能耗下降約30%。

隨著超重力技術在納米材料制備、高端化學品合成、反應與分離過程強化等工業生產中的成功商業化應用，超重力技術的應用范圍得到極大拓展。我國超重力技術的研發與工業化應用研究，也由此實現了從合作跟蹤到創新并跑到工業引領的跨越式發展，已進入了一個全新的發展階段（圖1-2）。

圖1-2　以北京化工大學為代表的中國超重力技術研發與工業應用