1.4　超重力技術的研究和應用范疇

由于超重力技術顯而易見的優點，自20世紀70年代末第一臺超重力機出現以來，世界上許多大化學公司都競相對該技術進行開發研究，并進行了一定的中試或工業性試驗運行。至90年代末，中國和美國在納米材料制備和分離過程等已有商業性應用報道。同時，歐美一些大學也在大公司的支持下從事超重力旋轉床等方面的基礎研究。這些工作概括如下。

（1）地下水中有機揮發物的脫除。位于美國Michigan州Traverse城的美國海岸警衛隊購置了一套超重力裝置，1985年9月開始運轉，用空氣對地下水中的苯類有機物進行脫除[15]。污染物含量由500～3000μg/kg降至1μg/kg左右。裝置正常運轉6年，直到全部被污染的地下水處理完畢。

（2）H2S的選擇性吸收。美國Fluor Daniel公司于1987年在位于New Maxco州Farmington的EL Paso天然氣公司的San Juan河工廠建立了一套利用二乙醇胺對含有H2S和CO2的天然氣進行選擇性吸收H2S的超重力裝置[16]。該裝置的經濟技術指標都明顯高于傳統的處理方法，這項工作得到了美國能源部的支持，當時一直繼續進行和完善。

（3）1987年7月，Glitsch公司在Louisiana州的Chevron’Jaudge Digby工廠進行了兩次實驗[17，18]，一個是在不含H2S的氣體中利用二乙醇胺脫除CO2；另一個是利用三甘醇進行天然氣干燥，據稱這兩項實驗都非常成功。

（4）1984年以前，ICI公司曾經在如下體系中進行過超重力技術應用的實驗研究，如表1-1所示[19]，在這中間甲醇/乙醇精餾是在小型超重力機中進行的。所用轉子內徑86mm，外徑220mm，軸向厚度12mm，所產生的超重力水平范圍最高達到1000g。其余實驗是在工業規模上進行的，所有實驗據稱都非常成功。

（5）英國Newcastle大學的Colin Ramshaw教授領導的小組，多年來一直致力于海水脫氧的研究。他們將166t/h海水中的氧脫除至20μg/kg的超重力機裝置與傳統塔器加以比較，結果示于表1-2中[20]。用于上述比較的超重力機內，是以液相為連續相、氣體為分散相，并以鼓泡形式通過兩級串聯的填料層的。

（6）美國Case Western Reserve大學的郝靖國[21]在N.C.Gardner教授的指導下進行了利用超重力機對聚苯乙烯脫單體的研究。

聚苯乙烯熔融物的黏度高達400Pa?s。在260℃和大約1333.22Pa的絕壓下，利用真空將其中的乙苯和苯乙烯單體脫除。處理之前，聚合物熔融物中含乙苯320mg/kg，苯乙烯單體900mg/kg，二聚物414mg/kg，三聚物4520mg/kg。處理之后，乙苯小于16mg/kg，苯乙烯類小于65mg/kg，脫除率大于95%。

（7）在國內，天津大學曾經進行過通過超重力機用二乙醇胺吸收二氧化碳的研究。南京化工學院曾經進行過通過超重力機利用空氣處理含氨廢水的工作。華南理工大學簡棄非等人致力于旋轉床的研究，并于1995年申請了“同心環薄板填料旋轉床氣液傳質反應器”的專利。

（8）北京化工大學教育部超重力工程研究中心作為國內專業從事超重力技術研究的機構，對超重力技術的應用進行過多個領域的廣泛研究和開創性探索，展現出廣闊的應用前景，其中主要有以下內容。

①油田注水脫氧[22]。利用超重力機，用油田產出的天然氣吹出水中的氧，使含飽和氧的地表水中的含氧量降至50μg/kg。用超重力機代替現有裝備技術，投資可節省23%，操作費用可節省25%。此項技術已實現工業化和商業化應用。

②含SO2煙氣脫硫[23]。利用亞胺法對硫酸生產中的尾氣SO2進行脫除。在進口氣體含SO25000mg/kg的條件下，出口氣體中的SO2含量低于200mg/kg。此項技術的5000m3/h的工業側線實驗于1996年完成，并于2010年，與浙江巨化公司合作，在國際上率先實現了超重力脫硫技術的工業化應用，并得到了廣泛的推廣。

③生物氧化反應[24]。傳統的酵母生產技術把酵母菌種放在充滿糖蜜溶液的空塔中，自底部鼓入空氣，生產周期為12h，產量為菌種量的4～6倍，空氣用量為每立方米產品液600m3。這一過程移到超重力機中進行，生產周期縮短一半，空氣耗量只是原耗量的1/3。

④塵霧的洗滌[25]。用于分離、捕集大氣量的含塵、霧氣體的超重力除塵應用技術正處于研究階段。實驗結果表明，當入口氣體含塵50g/m3時，通過超重力機，出口氣體含塵為0.05g/m3，切割粒徑為0.3μm。此技術在鍋爐煙氣除塵凈化中實現了工業化試驗運行。

⑤納米粉體材料的制備[26]。利用超重力機內高強高速微觀混合的特點，用反應結晶的方法制得了粒度可控，粒徑分布窄的納米級（30nm）碳酸鈣，產品粒度及均勻程度均優于國外產品。利用超重力法還制備出了納米碳酸鍶、納米氫氧化鋁、納米碳酸鋇以及納米二氧化硅等十多種粉體產品，其中萬噸級/年納米碳酸鈣制備技術已工業化。

⑥反應過程強化[27]。圍繞受分子混合/傳遞限制的復雜多相快速反應體系，提出在毫秒至秒量級內實現分子級混合均勻的新思想，形成了通過超重力強化混合/傳遞過程使之與反應相匹配的方法，發明了系列超重力強化新工藝，如縮合、磺化、聚合、貝克曼重排等新技術，成功應用于10萬～100萬噸/年多種工業過程中，取得了顯著的節能、減排和高質化的效果。如發明了聚氨酯關鍵原料MDI縮合反應超重力強化新工藝，使副產物減少30%，反應進程加快100%，產品質量明顯提高。

⑦超重力機的設計與創制。根據反應與分離過程的工藝特點，獨立研究開發創制了具有多種新穎結構各類小型實驗設備、中型試驗設備及大規模工業化裝備。

至今，北京化工大學研發的超重力強化技術已在化工、新材料（納米材料）、冶金、環保、油氣能源開采、海洋工程和健康產業等許多領域實現了工業化應用（如圖1-3）。特別是一些通過常規方法難于做到的，所謂‘困難’的過程，如高黏度、大氣液比、大液液比、海洋平臺、復雜快速反應過程及反應結晶等等，更有它的獨到優勢之處[28]。