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。

陳建峰，中國工程院院士（2015），北京化工大學教授，博士生導師。現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。化學工程專家，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。現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。 鄒海魁，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、中國高校科技發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CO2131
二、超重力反應脫除H2S140
三、超重力反應脫除SO2148
四、超重力反應脫除NOx153
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CO2219
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
第五節超重力法規模化生產納米粉體281
一、超重力法規模化生產納米碳酸鈣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