[科普中國]-超重力技術(shù)

簡介

超重力技術(shù)是強(qiáng)化多相流傳遞及反應(yīng)過程的新技術(shù),上個(gè) 世紀(jì)問世以來,在國內(nèi)外受到廣泛的重視,由于它的廣泛適用性以及具有傳統(tǒng)設(shè)備所不具有的體積小、重量輕、能耗低、易運(yùn)轉(zhuǎn)、易維修、安全、可靠、靈活以及更能適應(yīng)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),使得超重力技術(shù)在環(huán)保和材料生物化工等工業(yè)領(lǐng)域中有廣闊的商業(yè)化應(yīng)用前景。

原理超重力工程技術(shù)的基本原理是利用超重力條件下多相流體系的獨(dú)特流動(dòng)行為,強(qiáng)化相與相之間的相對(duì)速度和相互接觸,從而實(shí)現(xiàn)高效的傳質(zhì)傳熱過程和化學(xué)反應(yīng)過程。獲取超重力的方式主要是通過轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備整體或部件形成離心力場,涉及的多相流體系主要包括氣-固體系和氣-液體系。氣相經(jīng)氣體進(jìn)口管由切向引入轉(zhuǎn)子外腔,在氣體壓力的作用下由轉(zhuǎn)子外緣處進(jìn)入填料。液體由液體進(jìn)口管引入轉(zhuǎn)子內(nèi)腔,經(jīng)噴頭淋灑在轉(zhuǎn)子內(nèi)緣上。進(jìn)入轉(zhuǎn)子的液體受到轉(zhuǎn)子內(nèi)填料的作用,周向速度增加,所產(chǎn)生的離心力將其推向轉(zhuǎn)子外緣。在此過程中,液體被填料分散、破碎形成極大的、不斷更新的表面積,曲折的流道加劇了液體表面的更新。這樣,在轉(zhuǎn)子內(nèi)部形成了極好的傳質(zhì)與反應(yīng)條件。液體被轉(zhuǎn)子拋到外殼匯集后經(jīng)液體出口管離開超重機(jī)。氣體自轉(zhuǎn)子中心離開轉(zhuǎn)子,由氣體出口管引出,完成傳質(zhì)與反應(yīng)過程。

所謂超重力指的是在比地球重力加速度(9.8m/s2)大得多的環(huán)境下物質(zhì)所受到的力。研究超重力環(huán)境下的物理和化學(xué)變化過程的科學(xué)稱為超重力科學(xué)，利用超重力科學(xué)原理而創(chuàng)制的應(yīng)用技術(shù)稱為超重力技術(shù)。在地球上，實(shí)現(xiàn)超重力環(huán)境的簡便方法是通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力而模擬實(shí)現(xiàn)。這樣旋轉(zhuǎn)設(shè)備被稱為超重力機(jī)，又稱為旋轉(zhuǎn)填充床。當(dāng)超重力機(jī)用于氣液多相過程時(shí)，氣相為連續(xù)相的氣液逆流接觸，又稱逆流旋轉(zhuǎn)填充床，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。它主要由轉(zhuǎn)子、液體分布器和外殼組成。轉(zhuǎn)子為核心部件，主要作用是固定和帶動(dòng)填料旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)良好的氣液接觸。超重力設(shè)備的工作原理如下：氣相經(jīng)氣體進(jìn)口管引入超重力機(jī)外腔，在氣體壓力的作用下由轉(zhuǎn)子外緣處進(jìn)入填料。液體由液體進(jìn)口管引入轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，在轉(zhuǎn)子內(nèi)填料的作用下，周向速度增加，所產(chǎn)生的離心力將其推向轉(zhuǎn)子外緣。在此過程中，液體被填料分散、破碎形成極大的、不斷更新的微元，曲折的流道進(jìn)一步加劇了界面的更新。液體在高分散、高湍動(dòng)、強(qiáng)混合以及界面急速更新的情況下與氣體以極大的相對(duì)速度逆向接觸，極大地強(qiáng)化了傳質(zhì)過程。而后，液體被轉(zhuǎn)子甩到外殼匯集后經(jīng)液體出口管離開超重力機(jī)，氣體自轉(zhuǎn)子中心離開轉(zhuǎn)子，由氣體出口管引出，完成整個(gè)傳質(zhì)和/或反應(yīng)過程1。

特點(diǎn)雖然超重力技術(shù)是通過離心力場的作用而達(dá)到模擬超重力環(huán)境的目的，但該技術(shù)與傳統(tǒng)的利用離心力進(jìn)行復(fù)相分離或密度差分離有著本質(zhì)的區(qū)別。其技術(shù)核心在于對(duì)于傳遞過程和微觀混合過程的極大強(qiáng)化，因而它應(yīng)用于需要對(duì)相間傳遞過程進(jìn)行強(qiáng)化的多相過程和需要相內(nèi)或擬均相內(nèi)微觀混合強(qiáng)化的混合與反應(yīng)過程。超重力機(jī)所處理的物料可以是氣液、液液兩相，或氣液固三相；氣液可以并流、逆流或錯(cuò)流。無論采用何種形式，超重力機(jī)總是以氣液、液液兩相或氣液固三相在模擬的超重力環(huán)境中進(jìn)行傳遞、混合及反應(yīng)為主要特征。超重力機(jī)具有如下特點(diǎn):設(shè)備尺寸與質(zhì)量大幅縮??；分子混合與傳遞過程高度強(qiáng)化；物料在設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間極短(0.1～1.0s)；易于操作，開停車、維護(hù)與檢修方便等?；谝陨咸攸c(diǎn)，超重力技術(shù)可應(yīng)用于以下工業(yè)過程:熱敏性物料的處理、昂貴物料或有毒物料的處理，選擇性吸收分離，高質(zhì)量納米材料的生產(chǎn)，快速反應(yīng)過程，聚合物脫除單體等1。

發(fā)展歷史離心力場(超重力場) 被用于相間分離,無論在日常生活還是在工業(yè)應(yīng)用上,都已有相當(dāng)長的歷史。但為一項(xiàng)特定的手段用于傳質(zhì)過程的強(qiáng)化,引起工業(yè)界的重視是70 年代末出現(xiàn)的“Higee”, 這是英國帝國化學(xué)公司的ColinRamshaw 教授領(lǐng)導(dǎo)的新科學(xué)小組提出的專利技術(shù)。它的誕生最初是由設(shè)想用精餾分離去應(yīng)征美國太空署關(guān)于微重力條件下太空實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目引起的。理論分析表明, 在微重力條件下,由于g →0 ,兩相接觸過程的動(dòng)力因素即浮力因子△( ρg ) →0 ,兩相不會(huì)因?yàn)槊芏炔疃a(chǎn)生相間流動(dòng)。而分子間力,如表面張力,將會(huì)起主導(dǎo)作用,液體團(tuán)聚,不得伸展,相間傳遞失去兩相充分接觸的前提條件,從而導(dǎo)致相間質(zhì)量傳遞效果很差,分離無法進(jìn)行。反之,“g”越大, △(ρg) 越大,流體相對(duì)滑動(dòng)速度也越大。巨大的剪切應(yīng)力克服了表面張力,可使液體伸展出巨大的相際接觸界面,從而極大地強(qiáng)化傳質(zhì)過程。這一結(jié)論導(dǎo)致了 “Higee”(High“g”)的誕生。

70 年代末至80 年代初,英國帝國化學(xué)工業(yè)公司( ICI) 連續(xù)提出被稱之為“Higee”的多項(xiàng)專利。利用旋轉(zhuǎn)填料床中產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力———超重力,使氣、液的流速及填料的比表面積大大提高而不液泛。液體在高分散、高湍動(dòng)、強(qiáng)混合以及界面急速更新的情況下與氣體以極大的相對(duì)速度在彎曲孔道中逆向接觸,極大地強(qiáng)化了傳質(zhì)過程。傳質(zhì)單元高度降低了1～ 2 個(gè)數(shù)量級(jí),并且顯示出許多傳統(tǒng)設(shè)備所完全不具備的優(yōu)點(diǎn)。從而使巨大的塔器變?yōu)楦叨炔坏? m 的超重機(jī)。因此。超重力技術(shù)被認(rèn)為是強(qiáng)化傳遞和多相反應(yīng)過程的一項(xiàng)突破性技術(shù),被譽(yù)為“化學(xué)工業(yè)的晶體管”和“跨世紀(jì)的技術(shù)”

離心力場(超重力場)被用于相間分離,無論在日常生活還是在工業(yè)應(yīng)用上,都已有相當(dāng)長的歷史。

1925年Myers制作了帶有轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)體的錐形截板式蒸餾桂。

1933年，Plackek發(fā)明了側(cè)面閉合的螺旋式氣液接觸裝置，液體沿螺旋板由內(nèi)向外與逆流流動(dòng)的氣體相接觸。幾年后，該裝置又有所改進(jìn)，使用帶有突起的同心圓筒以增加接觸時(shí)間。

1954年，Chambers開發(fā)了附在旋轉(zhuǎn)平扳上的圓環(huán)構(gòu)成的離心吸收器。

1965年，Vivian將一個(gè)填料塔固定在大離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)臂上，以測定離心加速度對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)表面：液膜傳質(zhì)系數(shù)與加速度的0.41～0.48次方成正比。Vivian是率先利用旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行傳質(zhì)研究的，但沒有提出旋轉(zhuǎn)床域超重力這一概念。

1969年，Todd迸行了離心接觸器的實(shí)驗(yàn)，該接觸器由相隔1英寸的12層環(huán)狀同心篩板組成，在流體流動(dòng)上，與篩板塔相類似。

首次出現(xiàn)超重力概念是20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)的“Higee”，并引起工業(yè)界的重視,這是英國帝國化學(xué)公司的ColinRamshaw教授領(lǐng)導(dǎo)的新科學(xué)小組提出的專利技術(shù)。

誕生最初是由設(shè)想用精餾分離去應(yīng)征美國太空署關(guān)于微重力條件下太空實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目引起的。1976年，美國太空署征求微重力場實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，英國ICI公司（帝國化學(xué)公司）的ColinRamshaw教授等做了化工分離單元操作——蒸餾、吸收等過程中微重力場影響效應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)在零重力的狀態(tài)下，其——液間的傳質(zhì)是不可能的，氣體和液體不能有效地分離，而超重力使液體表面張力的作用相對(duì)變得微不足道，液體在巨大的剪切力作用下被拉升或撕裂成微小的液膜、液絲和液滴，產(chǎn)生巨大的相間接粗面積，因此極大地提高了傳遞速率系數(shù)，而且還使氣液逆流操作的泛點(diǎn)速率提高，大大增加了設(shè)備的生產(chǎn)能力，這些都對(duì)分離過程有力。這一研究成果促成了超重力分離技術(shù)的誕生。

在1981年ICI公司Ramshaw教授申請(qǐng)了世界上第一個(gè)填料式超重力床專利，在之后的幾年時(shí)間（198l～1983年）連續(xù)提出了名為HIGEE(超重力)新技術(shù)的多項(xiàng)專利。

超重力技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)傳質(zhì)過程的強(qiáng)化可以說是一個(gè)質(zhì)的飛躍，20世紀(jì)80年代以來，人們開始意識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)在化工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前世界上許多大的化學(xué)公司都在競相超重力技術(shù)(HighGravityTechnology)進(jìn)行開發(fā)研究，并進(jìn)行了一定的中試或工業(yè)化運(yùn)行。目前已有多個(gè)加壓、常壓、負(fù)壓裝置在運(yùn)行，包括進(jìn)行吸收、解吸、萃取、精餾等操作及實(shí)驗(yàn)。在工程化方面有一定程度的進(jìn)展。

英國Newcastle大學(xué)、美國CaseWesternReserve大學(xué)、美國TexasAustin大學(xué)和美國Washington大學(xué)在超重力裝置的研究開發(fā)中處于世界先進(jìn)水平。

1983年，ICI公司報(bào)道了工業(yè)規(guī)模的HIGEE裝裝置平行于傳統(tǒng)板式塔進(jìn)行乙醇和異丙醇與苯和環(huán)己烷分離，成功運(yùn)行了累計(jì)數(shù)千小時(shí)的情況，肯定了這一新技術(shù)的工程和工藝可行性。

1984年，美國專門從事塔器與塔填料制造，并占有世界重要市場的Glitsch公司于購買了ICI公司的HIGEE專利，并成立了專門的HIGEE研究開發(fā)中心，進(jìn)行了大量研究，并與CaseWesternReserve大學(xué)、washington大學(xué)(密蘇里州)、TaxasAustin州立大學(xué)以及專門從事氣體處理的Fluor公司及氣體研究院(GRI)等建立了合作研究關(guān)系。在能源部大力資助下先后耗費(fèi)了數(shù)千萬美元對(duì)多種系體進(jìn)行了小試、中試和工業(yè)示范裝置的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，取得了長足的進(jìn)展。

1985年，美國海岸警衛(wèi)隊(duì)建立了第一套用于脫除地下污水揮發(fā)組分的超重力裝置，從被污染的地下水中分離出苯、甲苯，由含量200ppb和500ppb脫除到1ppb左右，該裝置成功運(yùn)行了6年。

1987年，美國FlourDaniel公司在新墨西哥州的ELPaso天然氣公司建立了利用二乙醇胺對(duì)含有H2S和CO2的天然氣進(jìn)行選擇吸收H2S的超重力裝置。

1987年7月，Glitsch公司在路易斯安那州進(jìn)行了在不含H2S的氣體中利用二乙醇胺吸收CO2和用三甘醇進(jìn)行天然氣干燥兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，并都獲得了成功。

1989年Glitsch公司宣稱，購買一臺(tái)HIGEE裝置可代替50英尺塔高，相當(dāng)于30塊塔板，是用于對(duì)傳統(tǒng)塔改造，提高產(chǎn)品質(zhì)量的最經(jīng)濟(jì)有效途徑。

CaseWesternReserve大學(xué)的N.C.Gardner教授從1984年開始，先后在Norton公司，Dow公司支持下對(duì)煙氣脫硫和聚和物脫單體進(jìn)行研究。

Martin與Martelli使用旋轉(zhuǎn)填料床(RotatingPackedBed，或RPB)與傳統(tǒng)蒸餾塔連接，采用網(wǎng)狀金屬填充物，對(duì)環(huán)己烷和正庚烷分離系統(tǒng)進(jìn)行測試。

郝靖國在CaseWesternReserve大學(xué)Gardener教授的指導(dǎo)下進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)填料床脫除聚苯乙烯中殘留單體的研究。

英國Newcastle大學(xué)的ColinRamshaw教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，多年一直致力于海水脫氧的研究。

DowChemical公司于1999年開發(fā)了以旋轉(zhuǎn)填料床制備次氯酸的工藝。

另外，國外對(duì)超重力技術(shù)的應(yīng)用研究主要在下述方面:(1)蒸餾、精餾;(2)環(huán)保中的除塵、除霧,煙氣中SO2及有害氣體的去除,液——液分離,液_固分離;(3)吸收,對(duì)天然氣的干燥、脫碳、脫硫,對(duì)CO2的吸收;(4)解吸,從受污染的地下水中吹出芳烴、化學(xué)熱(吸收解吸);(5)旋轉(zhuǎn)電化學(xué)反應(yīng)器及燃料電池(快速去除氣泡,降低超電壓);(6)旋轉(zhuǎn)聚合反應(yīng)器;(7)旋轉(zhuǎn)盤換熱器、蒸發(fā)器;(8)聚合物脫除揮發(fā)物;(9)生物氧化反應(yīng)過程的強(qiáng)化,(傳統(tǒng)的生化反應(yīng)在發(fā)酵罐中進(jìn)行)

國內(nèi)對(duì)于超重力技術(shù)的應(yīng)用研究起步相對(duì)較晚,但也取得了顯著的成果,主要應(yīng)用在油田注水脫氧、制備納米材料、強(qiáng)化除塵過程、強(qiáng)化生化反應(yīng)過程和精餾等方面。在1985年以前對(duì)超重力工程技術(shù)研究基本屬于空白。

1983年汪家鼎院士就在國內(nèi)化學(xué)工程會(huì)議上介紹了ICI所開發(fā)的這項(xiàng)新技術(shù)的情況。

1984年，北京化工大學(xué)與美國CaseWesternReserve大學(xué)就超重力工程技術(shù)的研究開發(fā)確定了合作意向

1988年北京化工大學(xué)鄭沖教授與美國CaseWesternReserve大學(xué)合作，開始進(jìn)行旋轉(zhuǎn)填料床的應(yīng)用。得到化工部和國家科委的高度重視和大力支持，經(jīng)論證，被列為國家八九年度和“八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，也得到了中國自然科學(xué)基金委對(duì)這項(xiàng)高新技術(shù)的基礎(chǔ)研究的支持。

1990年在北京化工大學(xué)建成我國第一個(gè)超重力工程技術(shù)研究中心并開展了一系列的創(chuàng)新性研究工作，多年來，在超重力技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究方面取得了多項(xiàng)國家專利。同時(shí)國內(nèi)其它如浙江工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、天津大學(xué)等高校也對(duì)該技術(shù)相繼進(jìn)行了開發(fā)研究，并取得了顯著的成效。

2001年浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)建炳等教授申請(qǐng)了名為折流式超重力場旋轉(zhuǎn)床裝置的專利，于2004年11月份得到授權(quán)。在超重力工程技術(shù)在精餾方面的應(yīng)用推向了一個(gè)新的高度；而后浙江工業(yè)大學(xué)逐漸申請(qǐng)了數(shù)個(gè)發(fā)明專利和實(shí)用新型專利。而后國內(nèi)市場出現(xiàn)了多家生產(chǎn)超重力精餾機(jī)的公司。

應(yīng)用自20世紀(jì)70年代末以來，隨著超重力技術(shù)的研究發(fā)展，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用。國外對(duì)超重力技術(shù)的應(yīng)用研究主要在下述方面2：

蒸餾、精餾；

環(huán)保中的除塵、除霧，煙氣中二氧化硫及有害氣體的去除，液-液分離，液-固分離；

吸收，對(duì)天然氣的干燥、脫碳、脫硫，對(duì)二氧化碳的吸收；

解吸，從受污染的地下水中吹出芳烴化學(xué)熱(吸收解吸);

旋轉(zhuǎn)電化學(xué)反應(yīng)器及燃料電池(快速去除氣泡，降低超電壓);

旋轉(zhuǎn)聚合反應(yīng)器;

旋轉(zhuǎn)盤換熱器、蒸發(fā)器;

聚合物脫除揮發(fā)物;

生物氧化反應(yīng)過程的強(qiáng)化，傳統(tǒng)的生化反應(yīng)在發(fā)酵罐中進(jìn)行。

國內(nèi)對(duì)于超重力技術(shù)的應(yīng)用研究起步相對(duì)較晚，但也取得了顯著的成果，主要應(yīng)用在制備納米材料、強(qiáng)化除塵過程和強(qiáng)化生化反應(yīng)過程、油田注水脫氧等方面。

制備納米材料納米科學(xué)技術(shù)是20世紀(jì)80年代末產(chǎn)生的、現(xiàn)正在迅猛發(fā)展的新技術(shù)，而以納米技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的納米材料制備技術(shù)在納米技術(shù)的研究中處于核心地位。納米技術(shù)是指用若干分子或原子構(gòu)成的單元———納米微粒，制造材料或微型器件的科學(xué)技術(shù)，是研究尺寸在0.1～100nm的物質(zhì)組成體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及在實(shí)際應(yīng)用中技術(shù)問題的科學(xué)技術(shù)。納米材料是指納米顆粒和由它們構(gòu)成的納米薄膜和固體，其中納米顆粒指的是粒子尺寸為1～100nm的超微粒子，是介于原子、分子與塊狀材料之間尚未被人們充分認(rèn)識(shí)的新領(lǐng)域，是納米技術(shù)中的原材料。與相同組成的微米晶粒材料相比，納米材料在物理及化學(xué)性能上有非常顯著的差異，如具有低密度、高膨脹系數(shù)、高斷裂強(qiáng)度等特性，在微電子、信息、宇航、化工、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù)為21世紀(jì)的核心材料之一。超重力法制備技術(shù)和裝備不但適用于氣-液-固3相反應(yīng)，而且還適用于氣-液和液-液反應(yīng)體系來制備納米材料。北京化工大學(xué)教學(xué)部超重力工程研究中心實(shí)驗(yàn)室在超重力場中成功地合成了平均表觀粒徑在17.5～21.5nm，粒度分布窄的立方形CaCO3納米顆粒;劉建偉等進(jìn)行了超重力制備納米氧化鋅的工業(yè)研究，已成功制備納米氧化鋅;中北大學(xué)超重力工程研究中心以硫酸鈉和氯化鋇為原料，利用超重力法成功制備出粒徑小、分布窄的納米硫酸鋇;北京化工大學(xué)教學(xué)部超重力工程研究中心在成功實(shí)現(xiàn)超重力法合成無機(jī)納米材料的基礎(chǔ)上，發(fā)明了超重力結(jié)晶法制備納米藥物的新方法，采用超重力結(jié)晶法得到了平均粒度為115μm的解熱鎮(zhèn)痛消炎藥———布洛芬重結(jié)晶產(chǎn)品，制得了粒度小于500nm的治療哮喘病的藥物———硫酸沙丁胺醇顆粒，制備了超細(xì)頭孢拉定抗生素藥物粒子，通用性、混懸效果、溶出速率及溶解度要明顯優(yōu)于常規(guī)法產(chǎn)品?？梢姵亓夹g(shù)和裝置具有很強(qiáng)的通用性，是一項(xiàng)平臺(tái)性的高新技術(shù)，可進(jìn)一步推廣至其他納米材料的制備，并預(yù)計(jì)在不久的將來可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

在環(huán)境工業(yè)中的應(yīng)用3.2.1 氣體脫硫。從煙氣中脫除SO2是消除大氣污染、控制SO2排放的一項(xiàng)重要措施。北京化工大學(xué)教育部超重力工程研究中心與國內(nèi)硫酸廠合作，采用亞胺吸收法，進(jìn)行了超重力脫硫的工業(yè)側(cè)線試驗(yàn)，經(jīng)過超重力設(shè)備吸收后，尾氣中SO2含量降至100mg/L(世界銀行標(biāo)準(zhǔn)為300mg/L)。若將單級(jí)超重力脫硫與噴射脫硫器相結(jié)合，可在設(shè)備投資、動(dòng)力消耗、氣相壓降等方面較原有技術(shù)有較大優(yōu)勢。萬冬梅等以氨或碳銨溶液作吸收劑，通過超重力機(jī)，對(duì)硫酸生產(chǎn)中的SO2進(jìn)行脫除。在進(jìn)口氣含SO25000mg/kg的條件下，出口氣中的SO2含量低于200mg /kg，吸收率為93.5%～95%。陳昭瓊等利用超重力場強(qiáng)化傳質(zhì)的新型旋轉(zhuǎn)吸收器，用于煙氣脫硫可獲得較好的脫硫效果，用清水吸收時(shí)的脫硫率為70%～80%;用含有催化劑Mn2+的水溶液吸收時(shí)的脫硫率達(dá)90%～95%。而在直徑300mm的“旋風(fēng)水膜-旋流塔板”二級(jí)脫硫設(shè)備中，用清水作脫硫試驗(yàn)，脫硫率為30%～36%。3.2.2 強(qiáng)化除塵過程。傳統(tǒng)的工業(yè)除塵器在除塵效率和處理量方面隨著工業(yè)除塵標(biāo)準(zhǔn)的提高，已不能滿足環(huán)境保護(hù)的要求。國內(nèi)，北京化工大學(xué)教育部超重力工程研究中心最先將超重力旋轉(zhuǎn)填料床應(yīng)用于除塵。張健等將超重力技術(shù)應(yīng)用于除塵，試驗(yàn)結(jié)果表明，利用超重力技術(shù)的旋轉(zhuǎn)除塵器雖然在平均壓降方面與噴淋塔和電除塵器相比具有一定的劣勢，但其分離效率高達(dá)99.9%，切割粒徑達(dá)到10-8m的數(shù)量級(jí)。張海峰分別采用尼龍絲網(wǎng)和RS鋼紋絲網(wǎng)為填料作了超重力旋轉(zhuǎn)床除塵研究，結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)床對(duì)灰塵的捕集效率達(dá)到99%以上，能夠完全除去3μm以上的顆粒。華北工學(xué)院的張艷輝利用旋轉(zhuǎn)床對(duì)太原二電廠及南風(fēng)集團(tuán)的灰塵進(jìn)行處理，試驗(yàn)結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)床的液氣比為0.21L/m3，液體用量低于任何濕法除塵，但其除塵效率可達(dá)99.9%以上，達(dá)到了工業(yè)除塵裝置的氣體排放標(biāo)準(zhǔn)。超重力技術(shù)成為凈化環(huán)境條件的又一新途徑。

在生物化工中的應(yīng)用生物化工是研究應(yīng)用化學(xué)工程的原理和方法，利用微生物或酶生產(chǎn)人們所需的產(chǎn)品或服務(wù)于人們的特定目的學(xué)科。人們利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)發(fā)酵食品和飲料已有幾千年的歷史。但大多數(shù)的生化反應(yīng)都是好氧反應(yīng)過程。由于好氧微生物的呼吸、基質(zhì)氧化所需要的氧是液相中溶解的氧，因此在好氧發(fā)酵過程中氧的氣液傳質(zhì)十分重要，氧溶解速度成為好氧發(fā)酵過程的限制因素。傳統(tǒng)的生物發(fā)酵是利用生化發(fā)酵罐采用通氣和攪拌來增加氧在發(fā)酵液中的溶解程度以滿足微生物生長的需要。傳統(tǒng)發(fā)酵罐有體積大，投資維護(hù)費(fèi)用高，能耗大等缺點(diǎn)?；诖耍本┗ご髮W(xué)教育部超重力工程研究中心將超重力旋轉(zhuǎn)床和內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，成功開發(fā)了內(nèi)循環(huán)超重力生化反應(yīng)器。在生物化工中，利用超重力技術(shù)進(jìn)行超氧化物歧化酶發(fā)酵和透明質(zhì)酸發(fā)酵等。Takemura等指出，利用4×g水平的加速度處理DNA聚合酶Ⅰ，可使模板DNA聚合酶Ⅰ的Km值減小，Vm值不變。研究結(jié)果表明，超重力處理提高了DNA聚合酶Ⅰ的活性。

在作物育種中的應(yīng)用Soga等通過超重力處理擬南芥、玉米、小蘿卜、黃瓜和紅豆的研究結(jié)果指出，超重力在個(gè)體形態(tài)水平對(duì)植物幼苗的影響主要是抑制幼苗胚軸的伸長。Soga還進(jìn)行了細(xì)胞及分子水平的研究，結(jié)果表明，超重力可使細(xì)胞壁硬度增加，可延長性降低，細(xì)胞中胞壁多糖增加，液泡的pH值上升，細(xì)胞的微管量增加。Bacon報(bào)道，植物對(duì)超重力的反應(yīng)系統(tǒng)不是其重力感受系統(tǒng)，而是位于胞質(zhì)的機(jī)械力感受系統(tǒng)。超重力處理可使基因表達(dá)發(fā)生變化，Kittang等研究發(fā)現(xiàn)，在8000個(gè)擬南芥基因中，超重力處理后有177個(gè)基因表達(dá)發(fā)生了變化。國內(nèi)超重力技術(shù)在作物育種中的應(yīng)用最初研究的是利用離心力對(duì)作物種子進(jìn)行處理的報(bào)道，研究離心后種子的酶及結(jié)構(gòu)特性的改變，如離心力對(duì)蠶豆葉片質(zhì)外體汁液中磷酸己糖異構(gòu)酶活力的影響。李巧英對(duì)超重力處理3種豆類的生理生化機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，超重力處理后，綠豆、大豆和紅小豆3種材料的基因表達(dá)和代謝過程發(fā)生了變化，各材料的代謝水平也發(fā)生變化，超重力處理可作為一種新的育種。方法應(yīng)用于豆類作物育種;楊美紅等進(jìn)行了超重力處理對(duì)苜蓿幼苗、綠豆抗鹽性的研究，發(fā)現(xiàn)合適的超重力可提高苜蓿幼苗抗鹽性。可見探索超重力處理后植物生長發(fā)育的規(guī)律;獲得變異基因，選育優(yōu)良新品種;利用超重力技術(shù)引起遺傳變異，開創(chuàng)作物育種新途徑;通過對(duì)生理生化機(jī)理的研究，為遺傳育種提供理論依據(jù)。

其他方面的應(yīng)用鑒于超重力技術(shù)的特點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)還可應(yīng)用于醫(yī)藥、能源、冶金等工業(yè)過程的分離和反應(yīng)操作，特別適合于低含量組分的分離脫除，及快速反應(yīng)過程等。如聚合物揮發(fā)性組分的脫除。美國CaseWesternReserve大學(xué)的郝靖國在Gardner教授的指導(dǎo)下進(jìn)行了利用超重力機(jī)在聚苯乙烯聚合過程中將苯乙烯單體脫除的研究。另外，利用超重力機(jī)，用油田產(chǎn)出的天然氣吹出水中的氧，使含飽和氧的地表水中的含氧量降至50μg/kg。用超重力機(jī)代替現(xiàn)有裝備技術(shù)，投資可節(jié)省23%，操作費(fèi)用可節(jié)省25%。超重力萃取技術(shù)可用于含胺鹽水的萃取，實(shí)現(xiàn)鹽水的循環(huán)使用等。

地位和作用超重力工程技術(shù)是一項(xiàng)突破性地強(qiáng)化“三傳一反”過程的新技術(shù)，是適用于能源、材料、石油、化工、環(huán)境、生物等多個(gè)部門并可帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的新技術(shù)。由于它具有體積小、重量輕、能耗 低、易運(yùn)轉(zhuǎn)、易維修、安全、可靠、靈活等優(yōu)點(diǎn)，它一旦在某個(gè)行業(yè)部門工業(yè)示范成功后，就能較快得到推廣。由于這項(xiàng)技術(shù)設(shè)備還具有不怕震動(dòng)，可以任意方位安裝，物料在設(shè)備內(nèi)停留時(shí)間短，適合于快速反 應(yīng)和選擇性吸收等特點(diǎn)，因此還可用于一些傳統(tǒng)術(shù)所不能勝任的場合，使這項(xiàng)新技術(shù)有著較傳統(tǒng)的 分離反應(yīng)技術(shù)更為廣闊的應(yīng)用范圍。它被喻為“化學(xué)工業(yè)的晶體管”和“跨世紀(jì)的技術(shù)”是恰當(dāng)?shù)摹Ｋ趪窠?jīng)濟(jì)建設(shè)中的效益難以估量，其地位及影響將由此技術(shù)的逐漸普及而日益提高和加強(qiáng)?？梢灶A(yù)期，在2l世紀(jì)里它將會(huì)成為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的眾多領(lǐng)域中普遍使用并帶來巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的技術(shù)。