超重力技术及应用

本书《超重力技术及应用》自2003年1月版问世，已经历了17个春秋。随着全球科技日新月异的发展，太空技术、人工智能、绿色制造等新技术正在改变与影响着人们的生活，人类面临前所未有的挑战和机遇，科技创新成为全球经济的重要引擎。

作为源于太空试验的超重力技术，近年来也取得了突破性快速发展，在石油化工（主流程）高端化学品制造、纳米新材料制造、海洋工程、环保工程、能源开采工程、医药等领域均实现了世界首台/套的工业化应用，成为一种流程工业过程强化的平台性技术，世界上各国学术机构和公司的研发热潮再次掀起，中国已成为超重力技术国际工业应用的引领国家，受到了国际同行们的广泛关注。

为总结17年来超重力技术的理论和应用的进展，使人们能从工业案例中“举一反三”，推广应用，北京化工大学*超重力工程研究中心团队以超重力技术研究所取得的理论成果和工业应用为创作基础，对版《超重力技术及应用》进行了全面修订和补充更新。

主要修订补充内容有：

① 在超重力装备设计原理方面，增加超重力装备的结构型式方面的内容，以阐明超重力装备结构的新发展；

② 在超重力法制备纳米材料及工业应用方面，增加了超重力法制备纳米分散体及纳米药物及相应的应用两个章节内容，以论述在纳米材料制备方面取得的新进展和应用情况；

③ 将上一版中超重力水脱氧技术、超重力技术在环境工业中的应用、超重力技术在生物化工中的应用等内容合并到超重力过程强化技术及工业应用篇章中，分别作为超重力反应过程及分离过程强化技术两章中内容。

本书是团队集体智慧和劳动的结晶，包括已毕业和在校的所有研究生，在此表示衷心感谢。

限于编著者的学识，书中还会存在诸多不妥和不足，恳请有关专家和读者不吝指正。

陈建峰

该书主要介绍超重力技术的基本概念，超重力旋转床的设计及计算，超重力环境下流体力学与传递过程，超重力法制备纳米材料技术，超重力脱氧技术，超重力技术在环境工业中的应用，超重力技术在生物化工中的应用和超重力技术在其他领域中的作用等。适合从事化学工程研究，生产及其应用的技术人员及相关专业高等院校师生阅读。

陈建峰，北京化工大学化学工程学院，教授 院长，陈建峰，男，工学博士，教授，博士生导师，*“长江学者奖励计划”特聘教授（2002），国家杰出青年基金获得者（2003），国家自然科学基金委创新研究群体学术带头人，国家科技部创新团队学术带头人。学科专业：化学反应工程。主要研究方向为：化工过程强化（超重力技术）、纳米材料。

1986年浙江大学本科毕业，1992年在浙江大学获博士学位，1994年6月从浙江大学博士后出站，1994年6月至北京化工大学工作，1996年晋升为教授，1997年被评聘为博士生导师。1997年－1998年在美国Case Western Reserve大学化工系任客座教授，1999年－2000年在新加坡南洋理工大学环境科技研究院任研究员。

现任北京化工大学化工学院院长，有机无机复合材料国家重点实验室主任，*超重力工程研究中心主任，国家“863”计划新材料领域纳米材料与器件主题专家组召集人，国家工业领域“节能减排”总体专家组成员，中国颗粒学会副理事长，中国化工学会常务理事兼化学工程专业委员会副主任，中国材料学会青年委员会常务理事；加拿大《The Canadian Journal of Chemical Engineering》副主编、美国《Ind.& Eng Chem. Res.》、欧洲《Chemical Engineering and Processing: Process Intensification》、《Chemical & Engineering Technology》、《Particuology》、《化工学报》、《功能材料》等十种刊物编委。

主持承担过国家自然科学基金委重大项目、创新研究群体项目、国家“863”重点项目、国家科技攻关计划重点项目、国家高技术产业化示范工程项目等系列国家重大、重点项目和国际公司合作项目。共申请国际发明专利16件（授权6件）、国家发明专利150余件（授权60余件），在AIChE J.，Chem. Eng. Sci.，Ind. Eng. Chem. Res.，Advanced Materials，Small，Biomaterials，Nanotechnology等化工和材料类刊物上发表学术论文400余篇，其中SCI论文230余篇，被SCI论文引用2000余次，出版专著2部，译著1部。

获何梁何利创新奖（2008），并作为完成人，获国家技术发明奖二等奖（2002）、国家科学技术进步奖二等奖（2007）共2次，省部级一等奖5次、二等奖2次，获北京市教学成果奖一等奖共2次，并获国家石油与化学工业科技图书奖一等奖，美国DOW化学研究员基金奖，第八届中国青年科技奖，第八届中国高校霍英东青年教师奖，国家“863”计划十五周年突出贡献先进工作者，全国先进教师和北京市创新标兵称号等荣誉。

第1篇超重力技术原理

第1章导论

1.1超重力技术的基本概念3

1.2超重力环境模拟实现的手段3

1.3超重力技术的发展历史与现状5

1.4超重力技术的研究和应用范畴7

参考文献10

第2章超重力环境下的流体力学、混合与传递过程

2.1流体流动现象及描述12

2.1.1液体在填料中的流动形态12

2.1.2液体在填料中的不均匀分布12

2.1.3液体在空腔区中的流动形态14

2.2旋转填充床内流体力学特性15

2.2.1液体流动模型15

2.2.2液膜厚度16

2.2.3液滴直径17

2.2.4液体在填料中的平均径向速度18

2.2.5持液量18

2.2.6液膜在填料丝网上流动的Re计算20

2.2.7液泛20

2.2.8气相压降21

2.2.9旋转填充床内气液流动的CFD模拟22

2.3旋转填充床内流体停留时间实验测定29

2.3.1实验方法30

2.3.2液量与液体平均停留时间31

2.3.3气量与液体平均停留时间31

2.3.4转速与液体平均停留时间32

2.3.5方差33

2.3.6停留时间与持液量34

2.4旋转填充床内气液传递过程与传质模型34

2.4.1液相控制的传质过程34

2.4.2气相控制的传质过程35

2.4.3气液两相控制传质过程35

2.4.4平均体积传质系数实验值的计算36

2.4.5气液传质过程模型化37

2.4.6旋转填充床气液传质过程的CFD模拟41

2.5内构件对旋转填充床气相压降和传质的影响46

2.5.1液体分布器形式47

2.5.2液体初始分散状态对逆流旋转填充床压降的影响47

2.5.3液体初始分散状态对逆流旋转填充床传质的影响48

2.5.4液体的初始分散对传质影响的经验关联49

2.6填料内支撑对逆流旋转填充床传质过程的影响49

2.6.1填料内支撑对液膜控制传质过程的影响49

2.6.2填料内支撑对气膜控制传质过程的影响52

2.7错流旋转填充床的传质特性54

2.7.1体积传质系数实验值的计算模型55

2.7.2理论计算与试验结果的对比58

2.8旋转填充床的分子混合现象及模型化61

2.8.1分子混合的概念与理论研究61

2.8.2分子混合的实验研究63

2.8.3宏观混合对分子混合的影响66

2.8.4黏性流体的分子混合68

2.8.5分子混合特征时间69

2.8.6分子混合模型72

2.8.7超重力环境下的分子混合-反应耦合模型75

参考文献82

第2篇超重力装备设计原理

第3章超重力装备的结构型式

3.1概述87

3.2超重力装备结构发展88

3.3新型超重力装备90

3.3.1液液预混式旋转填充床90

3.3.2气液高能效旋转填充床91

3.3.3多级逆流式旋转填充床92

3.3.4多功能旋转填充床93

3.3.5高黏体系脱挥旋转填充床93

参考文献95

第4章超重力旋转填充床装备的设计及计算

4.1旋转填充床的总体设计思路97

4.2旋转填充床的结构设计与计算98

4.2.1主要部件的几何尺寸的确定98

4.2.2功率计算及电机的选择100

4.2.3转鼓的结构设计及强度计算104

参考文献110

第3篇超重力法制备纳米材料及工业应用

第5章超重力法制备纳米粉体及工业应用

5.1纳米材料的制备方法概论113

5.1.1纳米粉体材料固相法制备113

5.1.2纳米粉体材料液相法制备115

5.1.3纳米粉体的气相法制备117

5.1.4其他合成方法118

5.2纳米材料工业性制备技术要素119

5.2.1纳米粉体材料工业性制备过程的特殊性119

5.2.2纳米粉体制备的工程分析119

5.3超重力法制备纳米材料的基本原理121

5.3.1液相法纳米粒子形成过程分析121

5.3.2超重力法制备纳米材料基本原理122

5.4超重力法制备纳米粉体材料及其应用123

5.4.1气液固相超重力法制备技术及应用实例123

5.4.2气液相超重力法制备技术及应用实例134

5.4.3液液相超重力法制备技术及应用实例142

5.4.4纳米粉体的应用146

5.4.5超重力法制备纳米粉体材料的发展前景149

参考文献149

第6章超重力法制备纳米分散体及工业应用

6.1超重力反应原位萃取相转移法制备纳米分散体151

6.1.1技术路线151

6.1.2超重力反应原位萃取相转移法制备透明纳米碳酸钙油相分散体152

6.1.3超重力反应原位萃取相转移法制备透明纳米银分散体158

6.2超重力反应结晶/萃取相转移法制备纳米分散体171

6.2.1技术路线171

6.2.2纳米Mg(OH)2分散体172

6.2.3纳米金属颗粒分散体178

6.2.4纳米金属氧化物颗粒分散体179

6.3纳米分散体的应用及其有机无机复合材料181

6.3.1纳米分散体在玻璃用防晒隔热节能膜中的应用181

6.3.2纳米分散体在光学材料中的应用182

6.3.3纳米分散体在润滑体系中的应用184

参考文献188

第7章超重力法制备纳米药物及工业应用

7.1药物颗粒分子构型的量子化学理论研究192

7.2超重力反溶剂沉淀技术193

7.2.1头孢呋辛酯194

7.2.2水飞蓟宾201

7.2.3非诺贝特205

7.3超重力反应沉淀技术207

7.3.1硫酸沙丁胺醇207

7.3.2阿奇霉素（反应沉淀法）217

7.4超重力反应与反溶剂沉淀耦合技术219

7.5超重力分子自组装沉淀技术222

7.5.1阿奇霉素（自组装技术）222

7.5.2阿托伐他汀钙230

7.6超重力连续乳化技术242

参考文献245

第4篇超重力过程强化技术及工业应用

第8章超重力反应过程强化技术及工业应用

8.1超重力缩合反应强化技术及应用253

8.1.1超重力缩合新工艺254

8.1.2超重力缩合反应强化技术的工业应用255

8.2超重力反应分离耦合强化技术生产次氯酸255

8.3超重力催化反应强化技术256

8.4超重力电化学反应强化技术260

8.4.1超重力电化学反应技术的原理与装置261

8.4.2超重力环境中离子液体电沉积铝技术261

8.5超重力聚合反应强化技术268

8.5.1超重力聚合强化技术在丁基橡胶合成中的应用270

8.5.2超重力聚合反应的模型化274

8.6超重力磺化反应强化技术275

8.6.1磺化反应原理276

8.6.2超重力磺化反应强化新工艺277

8.6.3超重力液相磺化反应强化制备石油磺酸盐的工业示范282

8.7超重力高级氧化过程强化技术283

8.7.1HAOP处理有机废水的工艺283

8.7.2HAOP处理苯酚废水284

8.7.3HAOP处理印染废水286

8.7.4HAOP处理制药废水288

8.7.5HAOP处理聚丙烯酰胺废水291

8.7.6HAOP处理焦化废水293

8.8超重力生物反应强化技术294

8.8.1生化过程的氧传递294

8.8.2生化反应器298

8.8.3超重力生物发酵工艺306

参考文献314

第9章超重力分离过程强化技术及工业应用

9.1超重力水脱氧技术319

9.1.1水脱氧技术概论及应用320

9.1.2超重力水脱氧技术原理322

9.1.3超重力油田注水脱氧技术及工业化应用322

9.1.4超重力锅炉水脱氧技术327

9.2超重力技术在废水处理中的应用331

9.2.1超重力技术在尿素水解工艺中的应用331

9.2.2超重力技术在碳氨废水处理中的应用332

9.3超重力技术在气体处理中的应用332

9.3.1超重力脱硫(SO2)技术332

9.3.2超重力脱硫化氢新工艺及工业应用342

9.3.3超重力法捕集CO2技术345

9.3.4超重力除尘技术349

9.3.5超重力法分离NH3/CO2工艺及技术358

9.4超重力精馏技术362

9.4.1基本结构与原理363

9.4.2连续精馏实验流程364

9.4.3连续精馏操作条件对分离效率的影响365

9.5超重力脱挥技术370

9.5.1超重力脱挥技术特点370

9.5.2超重力脱挥传质模型371

9.5.3超重力脱挥技术的工业应用376

参考文献378

第10章展望

10.1催化反应过程381

10.2聚合反应过程381

10.3“超重力 ”法透明纳米分散体的制备及应用382

该书主要介绍超重力技术的基本概念，超重力旋转床的设计及计算，超重力环境下流体力学与传递过程，超重力法制备纳米材料技术，超重力脱氧技术，超重力技术在环境工业中的应用，超重力技术在生物化工中的应用和超重力技术在其他领域中的作用等。适合从事化学工程研究，生产及其应用的技术人员及相关专业高等院校师生阅读。

陈建峰，北京化工大学化学工程学院，教授 院长，陈建峰，男，工学博士，教授，博士生导师，*“长江学者奖励计划”特聘教授（2002），国家杰出青年基金获得者（2003），国家自然科学基金委创新研究群体学术带头人，国家科技部创新团队学术带头人。学科专业：化学反应工程。主要研究方向为：化工过程强化（超重力技术）、纳米材料。

1986年浙江大学本科毕业，1992年在浙江大学获博士学位，1994年6月从浙江大学博士后出站，1994年6月至北京化工大学工作，1996年晋升为教授，1997年被评聘为博士生导师。1997年－1998年在美国Case Western Reserve大学化工系任客座教授，1999年－2000年在新加坡南洋理工大学环境科技研究院任研究员。

现任北京化工大学化工学院院长，有机无机复合材料国家重点实验室主任，*超重力工程研究中心主任，国家“863”计划新材料领域纳米材料与器件主题专家组召集人，国家工业领域“节能减排”总体专家组成员，中国颗粒学会副理事长，中国化工学会常务理事兼化学工程专业委员会副主任，中国材料学会青年委员会常务理事；加拿大《The Canadian Journal of Chemical Engineering》副主编、美国《Ind.& Eng Chem. Res.》、欧洲《Chemical Engineering and Processing: Process Intensification》、《Chemical & Engineering Technology》、《Particuology》、《化工学报》、《功能材料》等十种刊物编委。

主持承担过国家自然科学基金委重大项目、创新研究群体项目、国家“863”重点项目、国家科技攻关计划重点项目、国家高技术产业化示范工程项目等系列国家重大、重点项目和国际公司合作项目。共申请国际发明专利16件（授权6件）、国家发明专利150余件（授权60余件），在AIChE J.，Chem. Eng. Sci.，Ind. Eng. Chem. Res.，Advanced Materials，Small，Biomaterials，Nanotechnology等化工和材料类刊物上发表学术论文400余篇，其中SCI论文230余篇，被SCI论文引用2000余次，出版专著2部，译著1部。

获何梁何利创新奖（2008），并作为完成人，获国家技术发明奖二等奖（2002）、国家科学技术进步奖二等奖（2007）共2次，省部级一等奖5次、二等奖2次，获北京市教学成果奖一等奖共2次，并获国家石油与化学工业科技图书奖一等奖，美国DOW化学研究员基金奖，第八届中国青年科技奖，第八届中国高校霍英东青年教师奖，国家“863”计划十五周年突出贡献先进工作者，全国先进教师和北京市创新标兵称号等荣誉。