超重力技術(shù)是較早實(shí)現工業(yè)化應用的過(guò)程強化技術(shù)之一，與傳統化工技術(shù)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(yōu)勢，是節能減排降耗及資源有效利用的一流技術(shù)，是大型化工裝置小型化、微型化的核心技術(shù)。目前，超重力技術(shù)已經(jīng)在化工、能源、材料、環(huán)境、生物技術(shù)等領(lǐng)域實(shí)現了廣泛應用。超重力強化的化工過(guò)程科學(xué)與技術(shù)是目前國際關(guān)注的前沿發(fā)展方向之一。 本書(shū)作為《化工過(guò)程強化關(guān)鍵技術(shù)叢書(shū)》的分冊之一，由北京化工大學(xué)陳建峰院士編著(zhù)，系統全面地介紹和論述了超重力反應工程的原理、研究進(jìn)展和典型工業(yè)應用案例，可幫助工程技術(shù)人員科學(xué)選擇反應強化技術(shù)路線(xiàn)，“舉一反三”，產(chǎn)生成效。本書(shū)的出版有望正確引導超重力反應強化技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應用，對促進(jìn)我國流程工業(yè)節能減排和綠色發(fā)展產(chǎn)生積極影響。

反應工程主要研究在工業(yè)上實(shí)現化學(xué)反應時(shí)所面臨的工程技術(shù)問(wèn)題，涵蓋反應技術(shù)開(kāi)發(fā)、反應過(guò)程優(yōu)化、反應器設計與工業(yè)放大的相關(guān)理論及方法論，它在化工、冶金、材料、輕工、醫藥等諸多過(guò)程工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了舉足輕重的作用。過(guò)程工業(yè)創(chuàng  )造了巨大的經(jīng)濟效益，為人類(lèi)社會(huì )發(fā)展做出了重要貢獻，但隨著(zhù)人們對全球資源、能源、環(huán)境、健康等問(wèn)題的日益關(guān)注，過(guò)程工業(yè)的可持續發(fā)展面臨重大挑戰。特別是，物質(zhì)轉化過(guò)程中涉及大量的受混合/傳遞速率限制的復雜快速反應過(guò)程，因工業(yè)放大過(guò)程中反應器內的混合/傳遞速率及其分布發(fā)生改變，導致反應選擇性和目標產(chǎn)品收率（包括產(chǎn)品結構質(zhì)量）下降，產(chǎn)生顯著(zhù)的負面放大效應，最終導致了過(guò)程工業(yè)的高物耗、高能耗、高污染“三高”問(wèn)題。為此，亟須發(fā)展“從分子到工廠(chǎng)”的分子反應工程理論及其過(guò)程強化新方法、新技術(shù)和工業(yè)應用新工藝，以豐富反應工程學(xué)科基礎理論和反應過(guò)程強化技術(shù)內涵，推動(dòng)過(guò)程工業(yè)的提質(zhì)增效、節能減排和可持續發(fā)展。
源于美國太空宇航試驗的超重力技術(shù)是典型的過(guò)程強化技術(shù)之一。1979年，英國帝國化學(xué)公司Ramshaw博士等提出了“Higee（high gravity）”的概念，標志著(zhù)超重力強化技術(shù)的誕生。在地球上，科學(xué)家利用旋轉填充床模擬實(shí)現超重力環(huán)境。旋轉填充床主要由轉子和殼體組成，轉子旋轉可使流經(jīng)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(zhì)過(guò)程得到強化。
1988年，北京化工大學(xué)教育部超重力工程研究中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)超重力中心）鄭沖教授等與美國凱斯西儲大學(xué)合作開(kāi)展了超重力技術(shù)基礎與分離技術(shù)研究。1994年，陳建峰院士基于分子混合（早期又稱(chēng)微觀(guān)混合）反應過(guò)程的理論研究，提出了超重力強化分子混合與反應過(guò)程的新思想，開(kāi)拓了超重力反應強化新方向，帶領(lǐng)團隊以“新理論-新裝備-新技術(shù)-工業(yè)應用”為主線(xiàn)，經(jīng)過(guò)二十多年系統性創(chuàng  )新研究，開(kāi)創(chuàng  )并形成了超重力反應工程新學(xué)科方向。發(fā)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(chuàng  )性的研究成果；通過(guò)與企業(yè)合作，成功實(shí)現了在化工、新材料、海洋工程、環(huán)境工程等過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域中的大規模工業(yè)應用，產(chǎn)生了顯著(zhù)的節能、減排、高品質(zhì)化和增產(chǎn)成效。通過(guò)超重力中心兩代科研人員的努力，成功實(shí)現了由合作跟蹤到創(chuàng  )新并跑再到工業(yè)引領(lǐng)的跨越式發(fā)展。
本書(shū)是中國化工學(xué)會(huì )組織編寫(xiě)的《化工過(guò)程強化關(guān)鍵技術(shù)叢書(shū)》的分冊之一，旨在通過(guò)對超重力反應工程的基本原理及工業(yè)應用成效的系統介紹，正確引導超重力反應強化技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應用。希望通過(guò)本書(shū)的出版發(fā)行，促進(jìn)我國過(guò)程工業(yè)的節能減排和綠色發(fā)展。
本書(shū)由北京化工大學(xué)陳建峰院士帶領(lǐng)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(jìn)展和典型工業(yè)應用案例，可幫助工程技術(shù)人員科學(xué)選擇反應強化技術(shù)路線(xiàn)。本書(shū)共八章：第一章超重力反應工程概論（陳建峰院士執筆），重點(diǎn)論述超重力反應強化技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)優(yōu)勢、發(fā)展歷程、適用體系及工業(yè)成效，并就超重力強化技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望；第二章超重力反應器內的流體力學(xué)行為（羅勇副教授執筆），重點(diǎn)論述反應器內流體流動(dòng)現象及描述方法、流體力學(xué)特性、持液量及停留時(shí)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(yè)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(yè)應用成效；第五章氣-液體系超重力反應強化及工業(yè)應用（鄒?？淌趫坦P），主要論述超重力反應器內傳質(zhì)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(yè)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(xué)特性、氣相流動(dòng)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(shù)在催化加氫、催化氧化、生化反應等氣-液-固三相體系的過(guò)程強化和成效；第八章超重力反應結晶及工業(yè)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(yè)應用等。
本書(shū)的主要內容是北京化工大學(xué)超重力團隊在國家自然科學(xué)基金委（杰青、優(yōu)青、創(chuàng  )新群體、重大項目等）、科技部（“863”計劃、支撐計劃、重點(diǎn)研發(fā)計劃）等國家有關(guān)部門(mén)支持下完成的研究成果。所列舉的典型工業(yè)應用案例，是在中石化、中石油、萬(wàn)華化學(xué)等相關(guān)企業(yè)合作下完成的。本書(shū)的成果是超重力中心集體智慧和勞動(dòng)的結晶。
本書(shū)具有內容系統全面、基礎理論與應用實(shí)踐結合緊密的特點(diǎn)，可作為相關(guān)領(lǐng)域的科研人員和工程技術(shù)人員的參考書(shū)，也可作為高等院?；?、材料、環(huán)境、能源、生物等相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生、研究生教材。
由于作者水平有限，本書(shū)難免存在疏漏，懇請有關(guān)專(zhuān)家和讀者不吝指正。

著(zhù)者  　
2020年2月 

陳建峰，中國工程院院士（2015），北京化工大學(xué)教授，博士生導師?，F任有機無(wú)機復合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任，教育部超重力工程研究中心主任。1986年浙江大學(xué)本科畢業(yè)，1992年獲浙江大學(xué)博士學(xué)位，1994年6月浙江大學(xué)博士后出站至北京化工大學(xué)工作。曾任美國凱斯西儲大學(xué)客座/兼職教授，新加坡南洋理工大學(xué)環(huán)境科技研究院研究員。兼任/曾任世界化工聯(lián)盟（WCEC）執委，國家“863”計劃納米材料與器件主題專(zhuān)家組召集人，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃專(zhuān)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(xué)工程專(zhuān)家，長(cháng)期從事納米材料和超重力技術(shù)領(lǐng)域的研究。提出微觀(guān)混合反應工程理論，在國際上率先提出并開(kāi)拓了超重力反應工程新領(lǐng)域，并實(shí)現大規模工業(yè)應用，為我國超重力技術(shù)由合作跟蹤到國際工業(yè)引領(lǐng)的轉變做出了突出貢獻。曾主持國家自然科學(xué)基金委重大項目、創(chuàng  )新研究群體項目、國家“863”計劃重點(diǎn)項目等。發(fā)表SCI論文400余篇，授權發(fā)明專(zhuān)利160余件。作為第一完成人，獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎2項、國家科技進(jìn)步獎二等獎1項，另作為主要完成人獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎、國家專(zhuān)利金獎和國家級教學(xué)成果獎一等獎各1項等。獲全國首屆創(chuàng  )新?tīng)幭泉?、何梁何利基金?chuàng  )新獎、全國優(yōu)秀教師等榮譽(yù)。
初廣文，北京化工大學(xué)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(xué)教育部超重力工程研究中心常務(wù)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(xué)基礎、新結構到工程應用的系統創(chuàng  )新研究。兼任中國化工學(xué)會(huì )過(guò)程模擬及仿真專(zhuān)業(yè)委員會(huì )委員、化工過(guò)程強化專(zhuān)業(yè)委員會(huì )委員。以第一完成人獲教育部技術(shù)發(fā)明一等獎1項，另獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎和國家科技進(jìn)步獎二等獎各1項、省部級一等獎3項。
鄒?？?，北京化工大學(xué)教授，博士生導師。主要研究方向為化學(xué)反應工程和納米材料。研究?jì)热萆婕芭c超重力技術(shù)相關(guān)的基礎研究、超重力反應與分離新工藝的開(kāi)發(fā)及工業(yè)應用。作為負責人承擔多項國家科技部和自然科學(xué)基金委項目。獲國家技術(shù)發(fā)明獎和科技進(jìn)步獎二等獎各1項、北京市科學(xué)技術(shù)獎和科技進(jìn)步獎一等獎各1項、中國高?？萍及l(fā)明一等獎和二等獎各1項、中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì )科學(xué)技術(shù)獎一等獎2項等。

《超重力反應工程》是《化工過(guò)程強化關(guān)鍵技術(shù)叢書(shū)》的一個(gè)分冊。本書(shū)提出并闡述了超重力強化分子混合與反應過(guò)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(shù)的典型工業(yè)應用案例及成效，以啟發(fā)研究思路，幫助產(chǎn)業(yè)技術(shù)人員更加科學(xué)地選擇反應強化技術(shù)路線(xiàn)。全書(shū)共八章，包括超重力反應工程的創(chuàng  )新發(fā)展歷程，超重力反應器內的流體力學(xué)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(guò)程強化原理和成效，并對超重力反應強化技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向和熱點(diǎn)應用領(lǐng)域進(jìn)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(lǐng)域的新理論、新工藝、新工業(yè)成果的研究結晶，是國家科技進(jìn)步獎、國家技術(shù)發(fā)明獎、國家自然科學(xué)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(chuàng  )性技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平，并實(shí)現了大規模工業(yè)應用，效果顯著(zhù)。本書(shū)可作為相關(guān)領(lǐng)域的科研和工程技術(shù)人員的參考書(shū)，也可供化工、材料、環(huán)境、生物等相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生、研究生學(xué)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(shù)簡(jiǎn)介  2
第二節 超重力反應工程 3
一、創(chuàng  )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(xué)放大方法，突破裝備大型化關(guān)鍵技術(shù)  5
三、創(chuàng  )制系列超重力反應強化新工藝，實(shí)現大規模工業(yè)應用 6
第三節 展望 9
一、在工業(yè)催化中的應用 9
二、在聚合反應過(guò)程中的應用  9
三、在化工生產(chǎn)本質(zhì)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(xué)行為 / 13
第一節 超重力反應器內流體流動(dòng)現象及描述  13
一、流體在填料中的流動(dòng)形態(tài)  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(dòng)形態(tài) 16
第二節 超重力反應器內流體流動(dòng)的特征參數  17
一、旋轉填充床內液相流動(dòng)特征 17
二、旋轉填充床內氣相流動(dòng)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(shí)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(fā)展  46
一、超重力反應器結構發(fā)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(yè)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(shí)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(yè)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(yè)應用與成效  76
第三節　超重力磺化反應強化及工業(yè)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(yè)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(yè)應用 / 115
第一節　超重力反應器內傳質(zhì)行為及模型化 115
一、超重力反應器內氣- 液傳質(zhì)行為研究 115
二、超重力反應器內傳質(zhì)行為的模型化  117
三、超重力反應器內氣- 液兩相流動(dòng)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(shù)生產(chǎn)次氯酸  158
二、超重力反應分離耦合技術(shù)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(huán)己烷制備環(huán)己酮 161
二、超重力高級氧化技術(shù) 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(xué)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(dòng)可視化觀(guān)測 172
二、氣相流場(chǎng)的可視化分析  176
三、氣相流場(chǎng)的影響因素的實(shí)驗結果分析  178
第二節　旋轉填充床內氣相流動(dòng)的CFD 模擬研究 182
一、旋轉填充床內氣相流動(dòng)模型的建立  182
二、旋轉填充床內氣相流場(chǎng)CFD 模擬 187
三、操作參數對氣相流動(dòng)特征的影響 190
四、氣相停留時(shí)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(guān)聯(lián)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(huán)超重力機 236
二、旋轉填充床強化胞外多糖A發(fā)酵性能研究 237
參考文獻 244

第八章　超重力反應結晶及工業(yè)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(guò)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(guò)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(guò)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(chǎn)納米粉體 281
一、超重力法規?；a(chǎn)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