1.2　超重力环境模拟实现的手段

在地球上，通过旋转产生离心力可模拟实现超重力环境。我们将这种经特殊设计的旋转设备统称为超重力装备，简称为超重力机。最早的模拟设备为Rotating Packed Bed（旋转填充床，简称为RPB）或Higee（High“g”中High和“g”的发音，g=9.8m/s2，即High gravity）。超重力机这一名称，是Higee的意译。由于习惯和用途的不同，超重力装备还有旋转床、旋转床反应器、超重力反应器等称谓。利用超重力环境下可高度强化传递和分子混合的特性，往往可以将高达几十米的巨大的化工塔式设备用高不及两米的超重力机替代。因此，超重力技术被认为是强化传递和多相反应过程的一项突破性技术，超重力机也被誉为“化学工业的晶体管”。

超重力装备所处理的介质是多种多样的，根据不同需要可以是气液或液液两相，又可以是气液固三相（如用水除尘，多相反应和发酵等）；气液可以并流或逆流，也可以是错流。无论怎样变化，超重力装备总是以气液、液液两相或气液固三相等在模拟的超重力环境中的多孔填料或孔道内，进行质量传递、混合与反应为其主要特征。

当超重力装备用于气液多相过程时，其气相为连续相的气液逆流接触的旋转填充床的基本结构如图1-1所示。它主要由转子、液体分布器和外壳组成。核心部分为转子，其主要作用是固定和带动填料旋转，实现良好的气液接触和分子混合。气相经气体进口管引入旋转填充床外腔，在气体压力的作用下由转子外缘处进入填料。液体由液体进口管引入转子内腔，经液体分布器淋洒在转子内缘上。进入转子的液体受到转子内填料的作用，周向速度增加，所产生的离心力将其推向转子外缘。在此过程中，液体被填料分散、破碎形成极大的、不断更新的表面，曲折的流道更加剧了表面的更新。液体在高分散、高湍动、强混合以及界面快速更新的情况下与气体以极大的相对速度在弯曲孔道中逆向接触，极大地强化了传质过程。而后，液体被转子甩到外壳汇集后经液体出口管离开超重力机。气体自转子中心离开转子，由气体出口管引出，完成整个传质或反应过程。

图1-1　逆流旋转填充床结构示意图

虽然超重力技术的实质是通过离心力模拟超重力环境的，但该技术与传统的利用离心力进行多相分离或密度差分离有着本质的区别。它的核心在于对传递过程和分子混合过程的极大强化，因而它应用于需要对相间传递过程进行强化的多相分离过程，和需要相内或拟均相内分子混合强化的混合与反应过程。过程强化是一个具有高度革新内涵的概念，它的目的是把整个工厂的物理尺度缩小，以达到在投资、能耗、环境、安全等全方位的效益。

概括地说，超重力机具有如下特点：极大地缩小了设备尺寸与重量；极大地强化了传递过程；物料在设备内的停留时间极短（100ms～1s）；易于操作，易于停开车，维护与检修方便；可垂直、水平或任意方向安装，不怕颠簸，可安装于运动载体上；快速而均匀的分子混合等等。基于以上特点，超重力技术可应用于以下特殊过程：热敏性物料的处理（利用停留时间短）；昂贵物料或有毒物料的处理（利用机内残留量少）；选择性吸收分离（利用传递效率高和停留时间短）；高质量纳米材料的生产和高选择性反应（利用快速而均匀的分子混合特性）；高黏体系脱挥，如聚合物脱除单体（利用传递效率高）等等，因此，具有广阔的工业应用前景。