化工過程強化關鍵技術叢書--超重力反應工程

超重力技術是較早實現工業化應用的過程強化技術之一，與傳統化工技術相比，具有傳遞效率高（數千倍）、設備體積小、占地少、氣相壓小、液體利用率高、能耗低等優勢，是節能減排降耗及資源有效利用的一流技術，是大型化工裝置小型化、微型化的核心技術。目前，超重力技術已經在化工、能源、材料、環境、生物技術等領域實現了廣泛應用。超重力強化的化工過程科學與技術是目前國際關注的前沿發展方向之一。 本書作為《化工過程強化關鍵技術叢書》的分冊之一，由北京化工大學陳建峰院士編著，系統全面地介紹和論述了超重力反應工程的原理、研究進展和典型工業應用案例，可幫助工程技術人員科學選擇反應強化技術路線，“舉一反三”，產生成效。本書的出版有望正確引導超重力反應強化技術的研發和產業化應用，對促進我國流程工業節能減排和綠色發展產生積極影響。

反應工程主要研究在工業上實現化學反應時所面臨的工程技術問題，涵蓋反應技術開發、反應過程優化、反應器設計與工業放大的相關理論及方法論，它在化工、冶金、材料、輕工、醫藥等諸多過程工業發展中發揮了舉足輕重的作用。過程工業創造了巨大的經濟效益，為人類社會發展做出了重要貢獻，但隨著人們對全球資源、能源、環境、健康等問題的日益關注，過程工業的可持續發展面臨重大挑戰。特別是，物質轉化過程中涉及大量的受混合/傳遞速率限制的復雜快速反應過程，因工業放大過程中反應器內的混合/傳遞速率及其分布發生改變，導致反應選擇性和目標產品收率（包括產品結構質量）下降，產生顯著的負面放大效應，最終導致了過程工業的高物耗、高能耗、高污染“三高”問題。為此，亟須發展“從分子到工廠”的分子反應工程理論及其過程強化新方法、新技術和工業應用新工藝，以豐富反應工程學科基礎理論和反應過程強化技術內涵，推動過程工業的提質增效、節能減排和可持續發展。
源于美國太空宇航試驗的超重力技術是典型的過程強化技術之一。1979年，英國帝國化學公司Ramshaw博士等提出了“Higee（high gravity）”的概念，標志著超重力強化技術的誕生。在地球上，科學家利用旋轉填充床模擬實現超重力環境。旋轉填充床主要由轉子和殼體組成，轉子旋轉可使流經轉子填料的液體受到強烈的剪切力作用而被撕裂成極細小的液滴、液膜和液絲，從而提高相界面積和界面更新速率，使相間傳質過程得到強化。
1988年，北京化工大學教育部超重力工程研究中心（以下簡稱超重力中心）鄭沖教授等與美國凱斯西儲大學合作開展了超重力技術基礎與分離技術研究。1994年，陳建峰院士基于分子混合（早期又稱微觀混合）反應過程的理論研究，提出了超重力強化分子混合與反應過程的新思想，開拓了超重力反應強化新方向，帶領團隊以“新理論-新裝備-新技術-工業應用”為主線，經過二十多年系統性創新研究，開創并形成了超重力反應工程新學科方向。發明了超重力強化多相反應的系列新工藝，包括液-液、氣-液、氣-液-固等體系，取得了系列原創性的研究成果；通過與企業合作，成功實現了在化工、新材料、海洋工程、環境工程等過程工業領域中的大規模工業應用，產生了顯著的節能、減排、高品質化和增產成效。通過超重力中心兩代科研人員的努力，成功實現了由合作跟蹤到創新并跑再到工業引領的跨越式發展。
本書是中國化工學會組織編寫的《化工過程強化關鍵技術叢書》的分冊之一，旨在通過對超重力反應工程的基本原理及工業應用成效的系統介紹，正確引導超重力反應強化技術的研發和產業化應用。希望通過本書的出版發行，促進我國過程工業的節能減排和綠色發展。
本書由北京化工大學陳建峰院士帶領超重力中心團隊集體完成，系統全面地介紹和論述了超重力反應工程的原理、研究進展和典型工業應用案例，可幫助工程技術人員科學選擇反應強化技術路線。本書共八章：第一章超重力反應工程概論（陳建峰院士執筆），重點論述超重力反應強化技術的基本原理、特點優勢、發展歷程、適用體系及工業成效，并就超重力強化技術的未來發展方向進行了展望；第二章超重力反應器內的流體力學行為（羅勇副教授執筆），重點論述反應器內流體流動現象及描述方法、流體力學特性、持液量及停留時間等；第三章和第四章超重力反應器的設計原理與方法、液-液體系超重力反應強化及工業應用（初廣文教授執筆），主要論述超重力反應器的總體設計思路與結構設計方法，超重力反應器分子混合和模型化以及縮合、磺化、聚合、烷基化、鹵化等液-液體系超重力反應強化原理與典型工業應用成效；第五章氣-液體系超重力反應強化及工業應用（鄒?？淌趫坦P），主要論述超重力反應器內傳質行為及模型化、反應吸收、反應分離耦合、氧化等氣-液體系超重力反應強化原理及典型工業應用成效；第六章氣-固體系超重力反應工程（張亮亮副教授執筆），主要論述氣-固多相體系流體力學特性、氣相流動的數值模擬、氣-固催化反應研究及應用等；第七章氣-液-固體系超重力反應工程（孫寶昌教授執筆），主要論述超重力技術在催化加氫、催化氧化、生化反應等氣-液-固三相體系的過程強化和成效；第八章超重力反應結晶及工業應用（王潔欣教授和曾曉飛教授執筆），主要論述超重力強化反應結晶的基本原理、超重力反應結晶法制備納米粉體、超重力反應結晶/萃取法制備納米分散體及工業應用等。
本書的主要內容是北京化工大學超重力團隊在國家自然科學基金委（杰青、優青、創新群體、重大項目等）、科技部（“863”計劃、支撐計劃、重點研發計劃）等國家有關部門支持下完成的研究成果。所列舉的典型工業應用案例，是在中石化、中石油、萬華化學等相關企業合作下完成的。本書的成果是超重力中心集體智慧和勞動的結晶。
本書具有內容系統全面、基礎理論與應用實踐結合緊密的特點，可作為相關領域的科研人員和工程技術人員的參考書，也可作為高等院?；?、材料、環境、能源、生物等相關專業本科生、研究生教材。
由于作者水平有限，本書難免存在疏漏，懇請有關專家和讀者不吝指正。

著者  　
2020年2月 

陳建峰，中國工程院院士（2015），北京化工大學教授，博士生導師?，F任有機無機復合材料國家重點實驗室主任，教育部超重力工程研究中心主任。1986年浙江大學本科畢業，1992年獲浙江大學博士學位，1994年6月浙江大學博士后出站至北京化工大學工作。曾任美國凱斯西儲大學客座/兼職教授，新加坡南洋理工大學環境科技研究院研究員。兼任/曾任世界化工聯盟（WCEC）執委，國家“863”計劃納米材料與器件主題專家組召集人，國家重點研發計劃專家組成員，中國工程院院刊Engineering執行主編，國際雜志Reaction?Chemistry?&?Engineering、Chemical?Engineering?&?Technology等編委?；瘜W工程專家，長期從事納米材料和超重力技術領域的研究。提出微觀混合反應工程理論，在國際上率先提出并開拓了超重力反應工程新領域，并實現大規模工業應用，為我國超重力技術由合作跟蹤到國際工業引領的轉變做出了突出貢獻。曾主持國家自然科學基金委重大項目、創新研究群體項目、國家“863”計劃重點項目等。發表SCI論文400余篇，授權發明專利160余件。作為第一完成人，獲國家技術發明獎二等獎2項、國家科技進步獎二等獎1項，另作為主要完成人獲國家技術發明獎二等獎、國家專利金獎和國家級教學成果獎一等獎各1項等。獲全國首屆創新爭先獎、何梁何利基金創新獎、全國優秀教師等榮譽。
初廣文，北京化工大學教授，博士生導師，國家杰出青年基金獲得者?，F任北京化工大學教育部超重力工程研究中心常務副主任。主要研究方向為超重力反應器工程，致力于超重力反應器的科學基礎、新結構到工程應用的系統創新研究。兼任中國化工學會過程模擬及仿真專業委員會委員、化工過程強化專業委員會委員。以第一完成人獲教育部技術發明一等獎1項，另獲國家技術發明獎二等獎和國家科技進步獎二等獎各1項、省部級一等獎3項。
鄒?？?，北京化工大學教授，博士生導師。主要研究方向為化學反應工程和納米材料。研究內容涉及與超重力技術相關的基礎研究、超重力反應與分離新工藝的開發及工業應用。作為負責人承擔多項國家科技部和自然科學基金委項目。獲國家技術發明獎和科技進步獎二等獎各1項、北京市科學技術獎和科技進步獎一等獎各1項、中國高?？萍及l明一等獎和二等獎各1項、中國石油和化學工業聯合會科學技術獎一等獎2項等。

《超重力反應工程》是《化工過程強化關鍵技術叢書》的一個分冊。本書提出并闡述了超重力強化分子混合與反應過程的新思想，系統論述了超重力反應工程的基本原理、反應強化技術的典型工業應用案例及成效，以啟發研究思路，幫助產業技術人員更加科學地選擇反應強化技術路線。全書共八章，包括超重力反應工程的創新發展歷程，超重力反應器內的流體力學行為、裝備設計原理與方法，液-液、氣-液、氣-固、氣-液-固等多相反應及反應結晶過程強化原理和成效，并對超重力反應強化技術未來的發展方向和熱點應用領域進行了展望。
《超重力反應工程》是作者及其團隊在超重力強化液-液、氣-液、氣-液-固等多相反應領域的新理論、新工藝、新工業成果的研究結晶，是國家科技進步獎、國家技術發明獎、國家自然科學基金重大項目、“973”計劃、“863”計劃等多項國家項目的系統總結，其中涉及的多項原創性技術達到國際領先水平，并實現了大規模工業應用，效果顯著。本書可作為相關領域的科研和工程技術人員的參考書，也可供化工、材料、環境、生物等相關專業本科生、研究生學習參考。

第一章　超重力反應工程概論 / 1
第一節　超重力強化技術簡介  2
第二節 超重力反應工程 3
一、創建跨尺度分子混合反應工程模型，提出超重力反應強化新途徑 4
二、建立超重力反應器科學放大方法，突破裝備大型化關鍵技術  5
三、創制系列超重力反應強化新工藝，實現大規模工業應用 6
第三節 展望 9
一、在工業催化中的應用 9
二、在聚合反應過程中的應用  9
三、在化工生產本質安全工藝和流程再造中的應用 10
四、在納米材料及納米分散體制備中的應用  10
參考文獻 11

第二章　超重力反應器內的流體力學行為 / 13
第一節 超重力反應器內流體流動現象及描述  13
一、流體在填料中的流動形態  13
二、液體在填料中的不均勻分布 14
三、液體在空腔區中的流動形態 16
第二節 超重力反應器內流體流動的特征參數  17
一、旋轉填充床內液相流動特征 17
二、旋轉填充床內氣相流動特征 24
第三節 超重力反應器內填料的持液量 30
一、持液量及測量方法概述  30
二、旋轉填充床內持液量研究  31
第四節 超重力反應器內液體的停留時間 36
參考文獻 37

第三章　超重力反應器的設計原理與方法 / 40
第一節 超重力反應器的總體設計思路 40
第二節 超重力反應器的結構設計  41
一、主要部件的幾何尺寸的確定 41
二、轉鼓的結構設計及強度計算 43
第三節 超重力反應器功率計算 45
第四節 超重力反應器結構及其發展  46
一、超重力反應器結構發展  47
二、新型超重力反應器 49
參考文獻 53

第四章　液-液體系超重力反應強化及工業應用 / 55
第一節　分子混合及其模型化  55
一、分子混合的概念與顯微可視化  55
二、分子混合實驗研究 58
三、超重力反應器分子混合模型 64
第二節 超重力縮合反應強化及工業應用 70
一、縮合反應概述  70
二、超重力縮合反應新工藝  73
三、工業應用與成效  76
第三節　超重力磺化反應強化及工業應用 77
一、磺化反應概述  77
二、超重力磺化反應新工藝  79
三、工業應用與成效  86
第四節　超重力聚合反應強化  86
一、聚合反應概述  86
二、超重力聚合反應新工藝  87
第五節　超重力烷基化反應強化 94
一、烷基化反應概述  94
二、超重力烷基化反應強化新工藝  95
第六節　超重力鹵化反應強化 103
一、鹵化反應概述  103
二、超重力鹵化反應新工藝  105
參考文獻 112

第五章　氣-液體系超重力反應強化及工業應用 / 115
第一節　超重力反應器內傳質行為及模型化 115
一、超重力反應器內氣- 液傳質行為研究 115
二、超重力反應器內傳質行為的模型化  117
三、超重力反應器內氣- 液兩相流動的CFD模擬 125
第二節　超重力反應吸收  130
一、超重力反應脫除CO2 131
二、超重力反應脫除H2S 140
三、超重力反應脫除SO2 148
四、超重力反應脫除NOx 153
第三節　超重力反應分離耦合 158
一、超重力反應分離耦合技術生產次氯酸  158
二、超重力反應分離耦合技術在液化氣脫硫醇中的應用 159
第四節　超重力氧化反應  160
一、超重力氧化環己烷制備環己酮 161
二、超重力高級氧化技術 162
參考文獻 165

第六章　氣-固體系超重力反應工程 / 171
第一節　超重力反應器內氣- 固多相體系流體力學特性可視化研究 171
一、超重力反應器內氣- 固多相體系流體流動可視化觀測 172
二、氣相流場的可視化分析  176
三、氣相流場的影響因素的實驗結果分析  178
第二節　旋轉填充床內氣相流動的CFD 模擬研究 182
一、旋轉填充床內氣相流動模型的建立  182
二、旋轉填充床內氣相流場CFD 模擬 187
三、操作參數對氣相流動特征的影響 190
四、氣相停留時間分布的模擬 196
第三節　氣-固多相體系超重力催化反應的研究及應用 205
一、旋轉填充床內氣-固催化反應模型的建立 206
二、旋轉填充床內氣-固催化反應特性 211
參考文獻 216

第七章　氣-液-固體系超重力反應工程 / 219
第一節　超重力反應器中有機相強化K2CO3/KHCO3溶液吸收CO2 219
一、苯體積分數、轉速的影響 220
二、氣相與液相流量的影響  222
三、溫度、NaClO濃度的影響 222
四、關聯式建立 223
五、三種有機相吸收CO2效果對比 224
第二節　超重力催化α-甲基苯乙烯加氫 225
第三節　超重力蒽醌法制雙氧水 228
第四節　超重力催化氧化脫硫 231
一、廢堿液催化氧化脫硫的原理 232
二、各種因素對脫硫效果的影響 232
第五節　超重力生化反應  236
一、內循環超重力機 236
二、旋轉填充床強化胞外多糖A發酵性能研究 237
參考文獻 244

第八章　超重力反應結晶及工業應用 / 246
第一節　超重力反應結晶制備納米材料的基本原理 247
一、液相法納米粒子形成過程分析 247
二、超重力法制備納米材料的基本原理  249
第二節　氣-液-固相超重力反應結晶制備納米粉體 249
一、超重力法制備納米碳酸鈣的原理與工藝 250
二、超重力法制備納米碳酸鈣過程特性研究 251
三、操作參數的影響 252
四、納米碳酸鈣的形貌控制  254
五、不同納米碳酸鈣制備方法的比較 255
第三節　氣-液相超重力反應結晶制備納米粉體 255
一、超重力法制備納米氫氧化鋁的原理與工藝 256
二、鋁酸鈉溶液的碳分分解過程分析 257
第四節　液-液相超重力反應結晶制備納米粉體 261
一、液-液相超重力法制備納米金屬 261
二、液-液相超重力法制備納米金屬氧化物 264
三、液-液相超重力法制備納米金屬氫氧化物 269
四、液-液相超重力法制備其他組分納米材料 271
五、液-液相超重力法制備納米復合材料 278
第五節　超重力法規?；a納米粉體 281
一、超重力法規?；a納米碳酸鈣 282
二、超重力法制備納米氫氧化鎂 283
第六節　超重力反應結晶萃取相轉移制備納米分散體及其應用 284
一、超重力反應原位萃取相轉移法制備納米分散體 285
二、超重力反應結晶/ 萃取相轉移法制備納米分散體 293
三、納米分散體的應用 297
參考文獻 302

索 引 / 308