1.3　超重力技术的发展历史与现状

1976年，美国太空署（NASA）征求微重力场实验项目，英国帝国化学公司（ICI）新学科组的Colin Ramshow博士等人做了微重力场对化工分离单元操作——蒸馏、吸收等影响效应的研究[1]。他们发现微重力场使控制多相流体动力学行为的浮力因子Δρg接近于零，使相间的相对运动速度降低，非但对传质没有任何好处，反而极大地削弱了传质过程。更严重的是，在几乎没有重力的情况下，液体的表面张力将起主导作用，液体凝聚在一起，组分基本上得不到分离。与此相反，超重力不仅使液体的表面张力变得微不足道，而且液体在巨大剪切力的作用下被拉伸成膜成丝成滴，产生出巨大的相间接触面积，更因此极大地提高了传质速率，也提高了气液逆流操作的泛点气速，这一切都对分离与操作有利。沿着这一思路，ICI着手进行这方面的研究，设计出可产生200～1000g超重力环境的旋转填充床。大约两年以后，第一套示范装置开始运转。1979年6月，公开了在超重力机方面的第一个专利[2]。在后来的几年里，又陆续公开了一些专利[3～8]，从而形成了当时超重力机的基本结构和操作方式。

1983年，ICI公司报道了工业规模的超重力机平行于传统板式塔进行乙醇与异丙醇分离和苯与环己烷分离试验，成功运转数千小时，肯定了这一新技术的工程与工艺可行性[9]。它的传质单元高度仅为1～3cm，较传统填料塔的1～2m下降了两个数量级。它极大地降低了投资和能耗，显示出十分重大的经济价值和广阔的应用前景。

在超重力机的开发过程中，ICI公司认为，超重力机技术的开发，如果能够由专门从事塔板与填料的生产与销售的公司来进行，可能更为有利。基于这种考虑，1984年5月，ICI与美国Glitsch公司达成协议，ICI将Higee的全部专利与开发销售权转让给Glitsch公司[10]。在此之后，Glitsch公司成立了Higee技术开发研究中心，并与Ohio州的Case Western Reserve大学、Austin的Texas州立大学和Missouri州的Washington大学以及专门从事气体处理的Fluor Daniel公司合作，在美国能源部的支持下，对多个体系进行了研究，并成功地将其应用于若干过程的工业试验。

1985年第一套超重力机售出。该机用于脱除被污染的地下水中的有机挥发物。可将水中的苯、甲苯、二甲苯的含量由500～3000μg/kg脱除到1μg/kg左右，装置成功地运转了6年。在此过程中，研究工作也在进行。美国Tennessee州立大学的Singh S.P.[11]于1989年撰写了一篇博士论文，描述了位于Floreda Tyndall Eglin空军基地用于同样目的的超重力机的情况。论文对该机的传质、液泛、功耗进行了研究。与此同时，美国的一些大公司如Du Pont、DOW、Norton等也都在自行进行这方面的研究。

由于Higee（超重力）技术可能带来巨大经济效益和可能在特殊场合的应用，无论是ICI、Glitsch还是其他公司，当时都很少对这一技术进行实质性的技术报道，只是发表一些应用性的研究成果与商业性宣传报道。当时所能见到的专业技术性文章都是出自一些大学。

在国内，1984年，汪家鼎院士在第二届高校化学工程会议上曾经做过关于超重力技术及其应用前景的报告；1989年浙江大学陈文炳[12]等曾经发表过常规填料超重力机内的传质实验的结果；天津大学朱慧铭[13]于1991年，南京化工学院沈浩[14]等于1992年也都有关于超重力分离过程研究的硕士论文发表。

1988年，北京化工大学郑冲教授等与美国Case Western Reserve大学N.C.Gardner教授合作，由Glitsch公司租赁提供超重力机主机，在北京化工大学建立了一套实验装置，开始进行超重力技术的基础研究以及用于油田注水脱氧、酵母发酵等应用技术研究。自1989年起，北京化工大学超重力技术的研究，连续得到国家有关部委的重点支持，被列为国家“八五”“九五”“十五”计划的重点科技研究项目。1990年在北京化工大学建立我国第一个超重力工程技术研究中心，2001年升级成立教育部超重力工程研究中心，由陈建峰教授出任主任，开展了系列创新性研究工作。经过近30年的持续研究，该中心在超重力技术的基础和应用研究方面取得了具有国际领先或国际先进水平的研究成果，特别是开创了超重力反应工程的研究新领域，并使超重力技术真正实现了商业化应用。典型的里程碑式意义的应用案例有：1998年，在国际上首次将超重力水脱氧技术实现商业化应用，将海水处理能力为250t/h的超重力机安装于山东胜利油田埕岛二号平台上，投入了工业化运用；2000年和2001年，相继在广东恩平、山西芮城建成了世界上首条年产3000吨和万吨级超重力法合成纳米碳酸钙工业生产线；2001年，美国DOW化学公司在北京化工大学的技术合作下，成功地将超重力技术应用于次氯酸的工业生产过程中，将四台直径6m高30m的钛材塔用四台直径3m高3m的钛材超重力机进行了成功替代，节省投资70%以上，操作费用节省30%，同时提高了反应选择性和分离效果；2007年，北京化工大学与烟台/宁波万华聚氨酯有限公司合作，成功实现了超重力缩合反应强化技术在MDI生产中的工业应用，与原反应器工艺相比，其缩合反应进程加快100%，三条生产线的总产能从64万吨/年提升到100万吨/年，产品杂质含量下降约30%，产品质量达到世界领先水平，且单位产品能耗下降约30%。

随着超重力技术在纳米材料制备、高端化学品合成、反应与分离过程强化等工业生产中的成功商业化应用，超重力技术的应用范围得到极大拓展。我国超重力技术的研发与工业化应用研究，也由此实现了从合作跟踪到创新并跑到工业引领的跨越式发展，已进入了一个全新的发展阶段（图1-2）。