化工过程强化关键技术丛书--超重力反应工程

《超重力反应工程》是《化工过程强化关键技术丛书》的一个分册。本书提出并阐述了超重力强化分子混合与反应过程的新思想，系统论述了超重力反应工程的基本原理、反应强化技术的典型工业应用案例及成效，以启发研究思路，帮助产业技术人员更加科学地选择反应强化技术路线。全书共八章，包括超重力反应工程的创新发展历程，超重力反应器内的流体力学行为、装备设计原理与方法，液-液、气-液、气-固、气-液-固等多相反应及反应结晶过程强化原理和成效，并对超重力反应强化技术未来的发展方向和热点应用领域进行了展望。
《超重力反应工程》是作者及其团队在超重力强化液-液、气-液、气-液-固等多相反应领域的新理论、新工艺、新工业成果的研究结晶，是国家科技进步奖、国家技术发明奖、国家自然科学基金重大项目、“973”计划、“863”计划等多项国家项目的系统总结，其中涉及的多项原创性技术达到国际领先水平，并实现了大规模工业应用，效果显著。本书可作为相关领域的科研和工程技术人员的参考书，也可供化工、材料、环境、生物等相关专业本科生、研究生学习参考。

陈建峰，中国工程院院士（2015），北京化工大学教授，博士生导师。现任有机无机复合材料国家重点实验室主任，教育部超重力工程研究中心主任。1986年浙江大学本科毕业，1992年获浙江大学博士学位，1994年6月浙江大学博士后出站至北京化工大学工作。曾任美国凯斯西储大学客座/兼职教授，新加坡南洋理工大学环境科技研究院研究员。兼任/曾任世界化工联盟（WCEC）执委，国家“863”计划纳米材料与器件主题专家组召集人，国家重点研发计划专家组成员，中国工程院院刊Engineering执行主编，国际杂志Reaction?Chemistry?&?Engineering、Chemical?Engineering?&?Technology等编委。化学工程专家，长期从事纳米材料和超重力技术领域的研究。提出微观混合反应工程理论，在国际上率先提出并开拓了超重力反应工程新领域，并实现大规模工业应用，为我国超重力技术由合作跟踪到国际工业引领的转变做出了突出贡献。曾主持国家自然科学基金委重大项目、创新研究群体项目、国家“863”计划重点项目等。发表SCI论文400余篇，授权发明专利160余件。作为第一完成人，获国家技术发明奖二等奖2项、国家科技进步奖二等奖1项，另作为主要完成人获国家技术发明奖二等奖、国家专利金奖和国家级教学成果奖一等奖各1项等。获全国首届创新争先奖、何梁何利基金创新奖、全国优秀教师等荣誉。
初广文，北京化工大学教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。现任北京化工大学教育部超重力工程研究中心常务副主任。主要研究方向为超重力反应器工程，致力于超重力反应器的科学基础、新结构到工程应用的系统创新研究。兼任中国化工学会过程模拟及仿真专业委员会委员、化工过程强化专业委员会委员。以第一完成人获教育部技术发明一等奖1项，另获国家技术发明奖二等奖和国家科技进步奖二等奖各1项、省部级一等奖3项。
邹海魁，北京化工大学教授，博士生导师。主要研究方向为化学反应工程和纳米材料。研究内容涉及与超重力技术相关的基础研究、超重力反应与分离新工艺的开发及工业应用。作为负责人承担多项国家科技部和自然科学基金委项目。获国家技术发明奖和科技进步奖二等奖各1项、北京市科学技术奖和科技进步奖一等奖各1项、中国高校科技发明一等奖和二等奖各1项、中国石油和化学工业联合会科学技术奖一等奖2项等。

超重力技术是较早实现工业化应用的过程强化技术之一，与传统化工技术相比，具有传递效率高（数千倍）、设备体积小、占地少、气相压小、液体利用率高、能耗低等优势，是节能减排降耗及资源有效利用的一流技术，是大型化工装置小型化、微型化的核心技术。目前，超重力技术已经在化工、能源、材料、环境、生物技术等领域实现了广泛应用。超重力强化的化工过程科学与技术是目前国际关注的前沿发展方向之一。 本书作为《化工过程强化关键技术丛书》的分册之一，由北京化工大学陈建峰院士编著，系统全面地介绍和论述了超重力反应工程的原理、研究进展和典型工业应用案例，可帮助工程技术人员科学选择反应强化技术路线，“举一反三”，产生成效。本书的出版有望正确引导超重力反应强化技术的研发和产业化应用，对促进我国流程工业节能减排和绿色发展产生积极影响。

反应工程主要研究在工业上实现化学反应时所面临的工程技术问题，涵盖反应技术开发、反应过程优化、反应器设计与工业放大的相关理论及方法论，它在化工、冶金、材料、轻工、医药等诸多过程工业发展中发挥了举足轻重的作用。过程工业创造了巨大的经济效益，为人类社会发展做出了重要贡献，但随着人们对全球资源、能源、环境、健康等问题的日益关注，过程工业的可持续发展面临重大挑战。特别是，物质转化过程中涉及大量的受混合/传递速率限制的复杂快速反应过程，因工业放大过程中反应器内的混合/传递速率及其分布发生改变，导致反应选择性和目标产品收率（包括产品结构质量）下降，产生显著的负面放大效应，最终导致了过程工业的高物耗、高能耗、高污染“三高”问题。为此，亟须发展“从分子到工厂”的分子反应工程理论及其过程强化新方法、新技术和工业应用新工艺，以丰富反应工程学科基础理论和反应过程强化技术内涵，推动过程工业的提质增效、节能减排和可持续发展。
源于美国太空宇航试验的超重力技术是典型的过程强化技术之一。1979年，英国帝国化学公司Ramshaw博士等提出了“Higee（high gravity）”的概念，标志着超重力强化技术的诞生。在地球上，科学家利用旋转填充床模拟实现超重力环境。旋转填充床主要由转子和壳体组成，转子旋转可使流经转子填料的液体受到强烈的剪切力作用而被撕裂成极细小的液滴、液膜和液丝，从而提高相界面积和界面更新速率，使相间传质过程得到强化。
1988年，北京化工大学教育部超重力工程研究中心（以下简称超重力中心）郑冲教授等与美国凯斯西储大学合作开展了超重力技术基础与分离技术研究。1994年，陈建峰院士基于分子混合（早期又称微观混合）反应过程的理论研究，提出了超重力强化分子混合与反应过程的新思想，开拓了超重力反应强化新方向，带领团队以“新理论-新装备-新技术-工业应用”为主线，经过二十多年系统性创新研究，开创并形成了超重力反应工程新学科方向。发明了超重力强化多相反应的系列新工艺，包括液-液、气-液、气-液-固等体系，取得了系列原创性的研究成果；通过与企业合作，成功实现了在化工、新材料、海洋工程、环境工程等过程工业领域中的大规模工业应用，产生了显著的节能、减排、高品质化和增产成效。通过超重力中心两代科研人员的努力，成功实现了由合作跟踪到创新并跑再到工业引领的跨越式发展。
本书是中国化工学会组织编写的《化工过程强化关键技术丛书》的分册之一，旨在通过对超重力反应工程的基本原理及工业应用成效的系统介绍，正确引导超重力反应强化技术的研发和产业化应用。希望通过本书的出版发行，促进我国过程工业的节能减排和绿色发展。
本书由北京化工大学陈建峰院士带领超重力中心团队集体完成，系统全面地介绍和论述了超重力反应工程的原理、研究进展和典型工业应用案例，可帮助工程技术人员科学选择反应强化技术路线。本书共八章：第一章超重力反应工程概论（陈建峰院士执笔），重点论述超重力反应强化技术的基本原理、特点优势、发展历程、适用体系及工业成效，并就超重力强化技术的未来发展方向进行了展望；第二章超重力反应器内的流体力学行为（罗勇副教授执笔），重点论述反应器内流体流动现象及描述方法、流体力学特性、持液量及停留时间等；第三章和第四章超重力反应器的设计原理与方法、液-液体系超重力反应强化及工业应用（初广文教授执笔），主要论述超重力反应器的总体设计思路与结构设计方法，超重力反应器分子混合和模型化以及缩合、磺化、聚合、烷基化、卤化等液-液体系超重力反应强化原理与典型工业应用成效；第五章气-液体系超重力反应强化及工业应用（邹海魁教授执笔），主要论述超重力反应器内传质行为及模型化、反应吸收、反应分离耦合、氧化等气-液体系超重力反应强化原理及典型工业应用成效；第六章气-固体系超重力反应工程（张亮亮副教授执笔），主要论述气-固多相体系流体力学特性、气相流动的数值模拟、气-固催化反应研究及应用等；第七章气-液-固体系超重力反应工程（孙宝昌教授执笔），主要论述超重力技术在催化加氢、催化氧化、生化反应等气-液-固三相体系的过程强化和成效；第八章超重力反应结晶及工业应用（王洁欣教授和曾晓飞教授执笔），主要论述超重力强化反应结晶的基本原理、超重力反应结晶法制备纳米粉体、超重力反应结晶/萃取法制备纳米分散体及工业应用等。
本书的主要内容是北京化工大学超重力团队在国家自然科学基金委（杰青、优青、创新群体、重大项目等）、科技部（“863”计划、支撑计划、重点研发计划）等国家有关部门支持下完成的研究成果。所列举的典型工业应用案例，是在中石化、中石油、万华化学等相关企业合作下完成的。本书的成果是超重力中心集体智慧和劳动的结晶。
本书具有内容系统全面、基础理论与应用实践结合紧密的特点，可作为相关领域的科研人员和工程技术人员的参考书，也可作为高等院校化工、材料、环境、能源、生物等相关专业本科生、研究生教材。
由于作者水平有限，本书难免存在疏漏，恳请有关专家和读者不吝指正。

著者  　
2020年2月 

第一章　超重力反应工程概论 / 1
第一节　超重力强化技术简介  2
第二节 超重力反应工程 3
一、创建跨尺度分子混合反应工程模型，提出超重力反应强化新途径 4
二、建立超重力反应器科学放大方法，突破装备大型化关键技术  5
三、创制系列超重力反应强化新工艺，实现大规模工业应用 6
第三节 展望 9
一、在工业催化中的应用 9
二、在聚合反应过程中的应用  9
三、在化工生产本质安全工艺和流程再造中的应用 10
四、在纳米材料及纳米分散体制备中的应用  10
参考文献 11

第二章　超重力反应器内的流体力学行为 / 13
第一节 超重力反应器内流体流动现象及描述  13
一、流体在填料中的流动形态  13
二、液体在填料中的不均匀分布 14
三、液体在空腔区中的流动形态 16
第二节 超重力反应器内流体流动的特征参数  17
一、旋转填充床内液相流动特征 17
二、旋转填充床内气相流动特征 24
第三节 超重力反应器内填料的持液量 30
一、持液量及测量方法概述  30
二、旋转填充床内持液量研究  31
第四节 超重力反应器内液体的停留时间 36
参考文献 37

第三章　超重力反应器的设计原理与方法 / 40
第一节 超重力反应器的总体设计思路 40
第二节 超重力反应器的结构设计  41
一、主要部件的几何尺寸的确定 41
二、转鼓的结构设计及强度计算 43
第三节 超重力反应器功率计算 45
第四节 超重力反应器结构及其发展  46
一、超重力反应器结构发展  47
二、新型超重力反应器 49
参考文献 53

第四章　液-液体系超重力反应强化及工业应用 / 55
第一节　分子混合及其模型化  55
一、分子混合的概念与显微可视化  55
二、分子混合实验研究 58
三、超重力反应器分子混合模型 64
第二节 超重力缩合反应强化及工业应用 70
一、缩合反应概述  70
二、超重力缩合反应新工艺  73
三、工业应用与成效  76
第三节　超重力磺化反应强化及工业应用 77
一、磺化反应概述  77
二、超重力磺化反应新工艺  79
三、工业应用与成效  86
第四节　超重力聚合反应强化  86
一、聚合反应概述  86
二、超重力聚合反应新工艺  87
第五节　超重力烷基化反应强化 94
一、烷基化反应概述  94
二、超重力烷基化反应强化新工艺  95
第六节　超重力卤化反应强化 103
一、卤化反应概述  103
二、超重力卤化反应新工艺  105
参考文献 112

第五章　气-液体系超重力反应强化及工业应用 / 115
第一节　超重力反应器内传质行为及模型化 115
一、超重力反应器内气- 液传质行为研究 115
二、超重力反应器内传质行为的模型化  117
三、超重力反应器内气- 液两相流动的CFD模拟 125
第二节　超重力反应吸收  130
一、超重力反应脱除CO2 131
二、超重力反应脱除H2S 140
三、超重力反应脱除SO2 148
四、超重力反应脱除NOx 153
第三节　超重力反应分离耦合 158
一、超重力反应分离耦合技术生产次氯酸  158
二、超重力反应分离耦合技术在液化气脱硫醇中的应用 159
第四节　超重力氧化反应  160
一、超重力氧化环己烷制备环己酮 161
二、超重力高级氧化技术 162
参考文献 165

第六章　气-固体系超重力反应工程 / 171
第一节　超重力反应器内气- 固多相体系流体力学特性可视化研究 171
一、超重力反应器内气- 固多相体系流体流动可视化观测 172
二、气相流场的可视化分析  176
三、气相流场的影响因素的实验结果分析  178
第二节　旋转填充床内气相流动的CFD 模拟研究 182
一、旋转填充床内气相流动模型的建立  182
二、旋转填充床内气相流场CFD 模拟 187
三、操作参数对气相流动特征的影响 190
四、气相停留时间分布的模拟 196
第三节　气-固多相体系超重力催化反应的研究及应用 205
一、旋转填充床内气-固催化反应模型的建立 206
二、旋转填充床内气-固催化反应特性 211
参考文献 216

第七章　气-液-固体系超重力反应工程 / 219
第一节　超重力反应器中有机相强化K2CO3/KHCO3溶液吸收CO2 219
一、苯体积分数、转速的影响 220
二、气相与液相流量的影响  222
三、温度、NaClO浓度的影响 222
四、关联式建立 223
五、三种有机相吸收CO2效果对比 224
第二节　超重力催化α-甲基苯乙烯加氢 225
第三节　超重力蒽醌法制双氧水 228
第四节　超重力催化氧化脱硫 231
一、废碱液催化氧化脱硫的原理 232
二、各种因素对脱硫效果的影响 232
第五节　超重力生化反应  236
一、内循环超重力机 236
二、旋转填充床强化胞外多糖A发酵性能研究 237
参考文献 244

第八章　超重力反应结晶及工业应用 / 246
第一节　超重力反应结晶制备纳米材料的基本原理 247
一、液相法纳米粒子形成过程分析 247
二、超重力法制备纳米材料的基本原理  249
第二节　气-液-固相超重力反应结晶制备纳米粉体 249
一、超重力法制备纳米碳酸钙的原理与工艺 250
二、超重力法制备纳米碳酸钙过程特性研究 251
三、操作参数的影响 252
四、纳米碳酸钙的形貌控制  254
五、不同纳米碳酸钙制备方法的比较 255
第三节　气-液相超重力反应结晶制备纳米粉体 255
一、超重力法制备纳米氢氧化铝的原理与工艺 256
二、铝酸钠溶液的碳分分解过程分析 257
第四节　液-液相超重力反应结晶制备纳米粉体 261
一、液-液相超重力法制备纳米金属 261
二、液-液相超重力法制备纳米金属氧化物 264
三、液-液相超重力法制备纳米金属氢氧化物 269
四、液-液相超重力法制备其他组分纳米材料 271
五、液-液相超重力法制备纳米复合材料 278
第五节　超重力法规模化生产纳米粉体 281
一、超重力法规模化生产纳米碳酸钙 282
二、超重力法制备纳米氢氧化镁 283
第六节　超重力反应结晶萃取相转移制备纳米分散体及其应用 284
一、超重力反应原位萃取相转移法制备纳米分散体 285
二、超重力反应结晶/ 萃取相转移法制备纳米分散体 293
三、纳米分散体的应用 297
参考文献 302

索 引 / 308