1.4　超重力技术的研究和应用范畴

由于超重力技术显而易见的优点，自20世纪70年代末第一台超重力机出现以来，世界上许多大化学公司都竞相对该技术进行开发研究，并进行了一定的中试或工业性试验运行。至90年代末，中国和美国在纳米材料制备和分离过程等已有商业性应用报道。同时，欧美一些大学也在大公司的支持下从事超重力旋转床等方面的基础研究。这些工作概括如下。

（1）地下水中有机挥发物的脱除。位于美国Michigan州Traverse城的美国海岸警卫队购置了一套超重力装置，1985年9月开始运转，用空气对地下水中的苯类有机物进行脱除[15]。污染物含量由500～3000μg/kg降至1μg/kg左右。装置正常运转6年，直到全部被污染的地下水处理完毕。

（2）H2S的选择性吸收。美国Fluor Daniel公司于1987年在位于New Maxco州Farmington的EL Paso天然气公司的San Juan河工厂建立了一套利用二乙醇胺对含有H2S和CO2的天然气进行选择性吸收H2S的超重力装置[16]。该装置的经济技术指标都明显高于传统的处理方法，这项工作得到了美国能源部的支持，当时一直继续进行和完善。

（3）1987年7月，Glitsch公司在Louisiana州的Chevron’Jaudge Digby工厂进行了两次实验[17，18]，一个是在不含H2S的气体中利用二乙醇胺脱除CO2；另一个是利用三甘醇进行天然气干燥，据称这两项实验都非常成功。

（4）1984年以前，ICI公司曾经在如下体系中进行过超重力技术应用的实验研究，如表1-1所示[19]，在这中间甲醇/乙醇精馏是在小型超重力机中进行的。所用转子内径86mm，外径220mm，轴向厚度12mm，所产生的超重力水平范围最高达到1000g。其余实验是在工业规模上进行的，所有实验据称都非常成功。

（5）英国Newcastle大学的Colin Ramshaw教授领导的小组，多年来一直致力于海水脱氧的研究。他们将166t/h海水中的氧脱除至20μg/kg的超重力机装置与传统塔器加以比较，结果示于表1-2中[20]。用于上述比较的超重力机内，是以液相为连续相、气体为分散相，并以鼓泡形式通过两级串联的填料层的。

（6）美国Case Western Reserve大学的郝靖国[21]在N.C.Gardner教授的指导下进行了利用超重力机对聚苯乙烯脱单体的研究。

聚苯乙烯熔融物的黏度高达400Pa•s。在260℃和大约1333.22Pa的绝压下，利用真空将其中的乙苯和苯乙烯单体脱除。处理之前，聚合物熔融物中含乙苯320mg/kg，苯乙烯单体900mg/kg，二聚物414mg/kg，三聚物4520mg/kg。处理之后，乙苯小于16mg/kg，苯乙烯类小于65mg/kg，脱除率大于95%。

（7）在国内，天津大学曾经进行过通过超重力机用二乙醇胺吸收二氧化碳的研究。南京化工学院曾经进行过通过超重力机利用空气处理含氨废水的工作。华南理工大学简弃非等人致力于旋转床的研究，并于1995年申请了“同心环薄板填料旋转床气液传质反应器”的专利。

（8）北京化工大学教育部超重力工程研究中心作为国内专业从事超重力技术研究的机构，对超重力技术的应用进行过多个领域的广泛研究和开创性探索，展现出广阔的应用前景，其中主要有以下内容。

①油田注水脱氧[22]。利用超重力机，用油田产出的天然气吹出水中的氧，使含饱和氧的地表水中的含氧量降至50μg/kg。用超重力机代替现有装备技术，投资可节省23%，操作费用可节省25%。此项技术已实现工业化和商业化应用。

②含SO2烟气脱硫[23]。利用亚胺法对硫酸生产中的尾气SO2进行脱除。在进口气体含SO25000mg/kg的条件下，出口气体中的SO2含量低于200mg/kg。此项技术的5000m3/h的工业侧线实验于1996年完成，并于2010年，与浙江巨化公司合作，在国际上率先实现了超重力脱硫技术的工业化应用，并得到了广泛的推广。

③生物氧化反应[24]。传统的酵母生产技术把酵母菌种放在充满糖蜜溶液的空塔中，自底部鼓入空气，生产周期为12h，产量为菌种量的4～6倍，空气用量为每立方米产品液600m3。这一过程移到超重力机中进行，生产周期缩短一半，空气耗量只是原耗量的1/3。

④尘雾的洗涤[25]。用于分离、捕集大气量的含尘、雾气体的超重力除尘应用技术正处于研究阶段。实验结果表明，当入口气体含尘50g/m3时，通过超重力机，出口气体含尘为0.05g/m3，切割粒径为0.3μm。此技术在锅炉烟气除尘净化中实现了工业化试验运行。

⑤纳米粉体材料的制备[26]。利用超重力机内高强高速微观混合的特点，用反应结晶的方法制得了粒度可控，粒径分布窄的纳米级（30nm）碳酸钙，产品粒度及均匀程度均优于国外产品。利用超重力法还制备出了纳米碳酸锶、纳米氢氧化铝、纳米碳酸钡以及纳米二氧化硅等十多种粉体产品，其中万吨级/年纳米碳酸钙制备技术已工业化。

⑥反应过程强化[27]。围绕受分子混合/传递限制的复杂多相快速反应体系，提出在毫秒至秒量级内实现分子级混合均匀的新思想，形成了通过超重力强化混合/传递过程使之与反应相匹配的方法，发明了系列超重力强化新工艺，如缩合、磺化、聚合、贝克曼重排等新技术，成功应用于10万～100万吨/年多种工业过程中，取得了显著的节能、减排和高质化的效果。如发明了聚氨酯关键原料MDI缩合反应超重力强化新工艺，使副产物减少30%，反应进程加快100%，产品质量明显提高。

⑦超重力机的设计与创制。根据反应与分离过程的工艺特点，独立研究开发创制了具有多种新颖结构各类小型实验设备、中型试验设备及大规模工业化装备。

至今，北京化工大学研发的超重力强化技术已在化工、新材料（纳米材料）、冶金、环保、油气能源开采、海洋工程和健康产业等许多领域实现了工业化应用（如图1-3）。特别是一些通过常规方法难于做到的，所谓‘困难’的过程，如高黏度、大气液比、大液液比、海洋平台、复杂快速反应过程及反应结晶等等，更有它的独到优势之处[28]。