北京化工大学-超重力课程设计
北化化工原理课程设计
北化化工原理课程设计一、课程目标知识目标：1. 掌握化工原理中流体流动与输送、热量传递和质量传递的基本理论；2. 了解北化化工原理课程中涉及的单元操作原理及其应用；3. 掌握化学工程中的典型工艺流程及设备。
技能目标：1. 能够运用流体力学、传热学和传质学原理分析化工过程中的实际问题；2. 学会运用单元操作原理设计简单的化工工艺流程；3. 培养运用化工原理解决实际问题的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对化工原理学科的兴趣，激发学习热情；2. 培养学生的团队协作精神和沟通能力，提高合作解决问题的能力；3. 增强学生的环保意识，认识到化工技术在可持续发展中的重要性。
课程性质：本课程为化学工程与工艺专业核心课程，旨在使学生掌握化工原理的基本理论、方法和技能。
学生特点：学生具备一定的化学基础，具有较强的逻辑思维能力和动手能力。
教学要求：结合课程性质和学生特点，注重理论与实践相结合，培养学生的实际操作能力和工程观念。
通过本课程的学习，使学生能够将所学知识应用于实际工作中，为我国化工行业的发展贡献力量。
后续教学设计和评估将围绕上述具体学习成果展开。
二、教学内容1. 流体流动与输送：涵盖流体静力学、流体动力学、管道与阀门等内容，结合课本第二章进行教学。
- 流体静力学：压力、压强、流体作用力等概念；- 流体动力学：流体运动方程、伯努利方程、流体阻力等；- 管道与阀门：管道类型、流体输送设备、阀门种类及选用。
2. 热量传递：包括热传导、对流和辐射等原理，结合课本第三章进行教学。
- 热传导：热传导方程、热阻、热绝缘材料等；- 对流：对流换热量、Nu数、流体与固体表面的对流换热；- 辐射：辐射定律、热辐射计算、辐射换热器。
3. 质量传递：涉及传质方程、扩散、对流传质等，结合课本第四章进行教学。
- 传质方程：质量守恒方程、Fick定律；- 扩散：扩散系数、扩散传质计算；- 对流传质：对流传质系数、对流传质计算。
4. 单元操作原理及设备：包括沉降、过滤、吸收、蒸馏等，结合课本第五章进行教学。
超重力反应强化技术及工业应用
超重力反应强化技术及工业应用初广文;邹海魁;曾晓飞;王洁欣;陈建峰【摘要】面向国家节能减排和产业转型升级的重大需求,围绕超重力反应强化新方向,以“新理论-新装备-新技术-工业应用”为主线,经过近30年的系统创新研究,开创了超重力反应工程新学科方向,发明了超重力强化反应结晶、多相反应及反应分离等系列新工艺,取得了国际原创性的成果.在新材料、化工、海洋工程、环保等流程工业领域成功实现了大规模工业应用,产生了显著的节能、减排、高品质化和增产成效.【期刊名称】《北京化工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(045)005【总页数】7页(P33-39)【关键词】超重力技术;反应过程强化;反应结晶;多相反应;反应分离【作者】初广文;邹海魁;曾晓飞;王洁欣;陈建峰【作者单位】北京化工大学化学工程学院教育部超重力工程研究中心,北京100029;北京化工大学化学工程学院教育部超重力工程研究中心,北京 100029;北京化工大学化学工程学院教育部超重力工程研究中心,北京 100029;北京化工大学化学工程学院教育部超重力工程研究中心,北京 100029;北京化工大学化学工程学院教育部超重力工程研究中心,北京 100029【正文语种】中文【中图分类】TQ021引言超重力技术源于美国太空宇航实验，英国帝国化学公司新学科研究组Ramshaw等[1]于1979年提出了“Higee(high gravity)”概念，利用旋转填充床(rotating packed bed，RPB)模拟超重力环境，诞生了超重力分离技术。
如图1所示，旋转填充床主要由转子和壳体组成。
通过转子旋转产生离心加速度模拟超重力环境，可以使流经转子填料的液体受到强烈的剪切力作用而被撕裂成极细小的液滴、液膜和液丝，从而提高相界面积和界面更新速率，使相间传质过程得到强化。
图1 旋转填充床结构示意图Fig.1 Schematic illustration of the rotating packed bed北京化工大学教育部超重力工程研究中心郑冲教授于1989年正式开始与美国合作，开展超重力技术基础与分离技术研究。
超重力技术——精选推荐
超重力技术：担当提质降耗重任化工过程强化已被列为化学工程优先发展的领域，而超重力技术是其中最受关注的关键技术之一。
采用超重力技术可在降低物耗能耗的同时，生产出更高质量的产品。
该技术具有广泛的适用性，有望担当起提质降耗、节能减排的重任，因而成为21世纪过程工业强化的主导技术之一。
前沿技术获得重点扶持北京化工大学化学工程学院院长、教育部长江学者特聘教授陈建峰博士介绍，超重力技术的开发研究始于20世纪70年代末，它是利用比地球重力加速度大得多的超重力环境，对传质、传热过程和微观混合过程进行强化的新兴技术。
利用该技术可大幅度提高化学反应的转化率和选择性，显著缩小反应器或分离设备的体积，简化工艺、流程，实现过程的高效节能，减少污染排放，提高产品质量。
“十一五”期间，我国首批启动的“863”重点项目“化工反应过程强化技术”专项，围绕一种关键材料和3项强化技术设立了6个研究课题，其中就有两个涉及超重力技术。
国家科技部对此设定了具体目标：完成气液、液液和气液固等多相反应过程超重力强化新技术和装备的开发，建成工业示范装置；采用超重力反应分离过程强化技术等，开发建设24万吨/年的大型MDI（二苯基甲烷二异氰酸酯）工业示范生产线，实现能耗降低20%以上、产能提高30%，产品的各项性能指标需优于现有装置。
起步较早确立领先地位国外在该领域的研究工作侧重于超重力分离技术的应用开发，重点研究项目包括超重力精馏分离、超重力吸收分离、超重力解吸分离等技术，并在化工、能源领域实现了工业化应用。
我国较早开始了这项前沿技术的研究，在世界超重力技术的研究和应用开发领域占有重要地位，在超重力反应工程等方面具有国际领先水平。
以北京化工大学教育部超重力工程研究中心为例。
该中心从1990年起，一直从事这一高新技术的开发和工业化应用工作，取得了一系列成果并实现产业化，有多种技术和产品出口欧盟、美国、新加坡等国家和地区，确立了我国在国际超重力技术领域的核心地位。
超重力技术及其应用
(1) 热敏性物料的处理 (利用停留时间 短) ;
(2) 昂贵物料或有毒物料的处理 (机内残 留量少) ;
(3) 选择性吸收分离 (利用停留时间短和 被分离物质吸收动力学的差异进行分离) ;
(4) 高质量纳米材料的生产 (利用快速而 均匀的微观混合特性) ;
(1) 超重力法制备纳米材料[5～9] 。纳米材 料是指由极细晶粒组成的 、特征维度尺寸在纳米 数和生物等多种颗粒材料 。纳米 材料与相同组成的微米晶粒材料相比 ,在物理、 化学性质及性能上有着非常显著的差异。例如 , 纳米材料具有低密度 、高膨胀系数 、低饱和磁化 率 、低扩散激活能 、高扩散系数 、高断裂强度 、高 比热和低熔点等特性。纳米材料的概念在 80 年 代中期被确立后 ,世界上许多国家先后对这种新 材料给予了极大的关注 ,它已成为材料科学和凝 聚态物理领域中的热点。纳米材料在微电子 、 信息 、宇航 、国防 、化工 、冶金 、生物 、医药 、光学 等诸多工业领域中有很广泛的应用前景 ,被誉 为 21 世纪的新核心材料之一 。
3 国家 863 高科技发展计划项目 王玉红 ,北京化工大学超重力工程技术中心 ,博士 ,100029 北京
市朝阳区北三环东路 15 号 ,北京化工大学化工系 102 信箱。
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总第 274 期 金 属 矿 山 1999 年第 4 期
去两相充分接触的前提条件 ,从而导致相间质 量传递效果很差 ,分离无法进行 。反之 ,“g” 越大 , △(ρg) 越大 ,流体相对滑动速度也越大 。 巨大的剪切应力克服了表面张力 ,可使液体伸 展出巨大的相际接触界面 ,从而极大地强化传 质过程 。这一结论导致了“Higee”( High“g”) 的诞生 。
北京化工大学 超重力技术及应用 课程论文
存档日期：存档编号:北京化工大学研究生课程论文课程名称：超重力技术及应用课程编号：ChE541任课教师：邵磊完成日期：2014年12月28日专业：化学工程与技术学号：2014200082姓名：王晨曦成绩：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿超重力法渣油催化加氢生产轻质油品摘要随着原油的重质化、劣质化（硫、氮、金属杂质含量增加），以及环保法规的日益严格，对炼油企业生产清洁油品并做到清洁生产的要求越来越高。
渣油加氢技术在解决这些问题时献出了诸多优点，因此受到人们愈来愈多的关注[1]。
渣油加氢处理主要是脱除杂原子化合物的过程，加氢裂化过程除了脱除杂原子化合物，主要是生产轻质馏分油。
本文针对渣油加氢技术的重要性和应用情况，以及超重力技术的优点，提出了在超重力条件下对渣油催化加氢的构想。
通过分析超重力条件对催化加氢过程中传质的强化，论述了该设想的可行性。
关键词：超重力；渣油；催化加氢目录摘要 (I)1超重力技术简介 (1)2构想超重力技术应用于渣油催化加氢 (1)3可行性论述 (2)4参考文献 (3)1、超重力技术简介超重力指的是在比地球重力加速度大得多的环境下物质所受到的力，在化工过程中常通过旋转产生离心力而模拟实现。
超重力工程技术的基本原理[2]是利用超重力条件下多相流体系的独特流动行为,强化相与相之间的相对速度和相互接触,从而实现高效的传质传热过程和化学反应过程。
获取超重力的方式主要是通过转动设备整体或部件形成离心力场,涉及的多相流体系主要包括气-固体系和气-液体系。
在超重力环境下，气体的线速度也可以大幅度提高，同时液体表面张力的作用相对变得微不足道，并且强大的离心力使液体在巨大的剪切力和撞击下被拉伸成极薄的膜、细小的丝和微小的液滴，产生巨大的相间接触面积，使相间（如气-液）传质过程得到高度强化，从而减小扩散阻力，加速相际间的传质速率[3]，单位设备体积的生产效率能够提高1～2个数量级，尤其适合生产附加值较高的产品。
超重力技术及应用
0.15 0.15 0.15
0 1.5 1.5
0 450 500
0 11 17
νL δ 4.20 10 2 af ω R
8
ν— 动力学粘度
L — 体积流量 af — 填料比表面积
0.15 0.15 0.15
0.15
1.5 1.5 1.5
1.5
600 750 900
1050
16 4 2
14
ω— 角速度 R — 转子半径
10
超重力技术的原理
•实质：通过旋转产生离心力来模拟超重力
•特征：超重力机以气液、液液两相或气液固三 相在模拟的超重力环境中，多孔填料或孔道内， 进行混合、传质与反应为其主要特征 •核心：对传递和微观混合过程的极大强化
•应用：需要对相间传递过程进行强化的多相过 程，和需要相内或拟均相内微观混合强化的混 合与反应过程
研究领域：油田注水脱氧、酵母发酵、HClO生产、纳米颗粒 19 制备、选择性吸收H2S、MDI生产、脱除SO2……
超重力反应与分离新技术
基础理论
超重力环境下流体流动规律 超重力分子混合机制 超重力传质规律与模型化
超重力反应强化
无机反应 有机反应 聚合反应 吸收/解吸 高粘聚合物脱挥 精馏与汽提 萃取 纳米分散体颗粒 纳微结构药物 纳米材料应用（器件与制品）
设备 液相流动推动力 液泛速度 气液两相停留时 间 填料比表面积 传质比表面积 传质单元高度 设备体积与重量 填料塔 重力g 低 长10-10s 小10-100m2/m3 小 高1-2m 大 超重力机 离心力10-103g 高 短1-100ms 大100-1000m2/m3 大 低1-3cm 小
13
(4) 不易起泡，适于处理表面活性物质；
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超重力隔壁精馏塔分离三组分结构设计摘要超重力技术是强化多相流传递及反应过程的新技术，由于它的广泛适用性以及具有传统设备所不具有的体积小、重量轻、能耗低、易运转、易维修、安全、可靠、灵活以及更能适应环境等优点，使得超重力技术在环保和材料生物化工等工业领域中有广阔的商业化应用前景。
精馏是石油化工等工业过程中应用最广泛的单元操作之一，但其存在能耗高、热力学效率低的问题。
隔壁塔作为完全热耦合的一种特殊结构，可以在一个塔壳内同时完成三组分的分离，具有设备投资少、能耗低的特征。
本文尝试将两种结构结合，强强联合下产生超重力隔壁精馏塔，希望得到更加高效的分离效率。
关键词：超重力；隔壁塔；超重力隔壁精馏塔目录1超重力 (1)1.1旋转填料床结构及特点 (1)1.2旋转床分类 (2)2精馏 (3)2.1精馏过程及特点 (3)2.2隔壁塔 (4)3超重力精馏的提出 (5)4超重力隔壁精馏塔结构设计 (5)5可行性 (6)参考文献 (8)1超重力通过旋转产生离心力来模拟超重力。
超重力机以气液、液液两相或气液固三相在模拟的超重力环境中，多孔填料或孔道内，进行混合、传质与反应为其主要特征。
对传递和微观混合过程的极大强化。
1.1旋转填料床结构及特点超重力实现的过程中使用最多的是旋转填料床。
旋转填料床是利用高速旋转的填料形成超重力场并对通过填料的汽液进行无限切割，使其表面不断更新的高效分离设备。
其主要结构包括外壳、转子和液体分布器。
设备的核心部分是转子，其主要作用是固定填料并带动其旋转，实现良好的气液接触与微观混合。
转子一般由上下盘片和转鼓构成，通过轴与电机连接。
轴与旋转填料床外壳用轴承连接并加以密封，防止汽、液向外渗漏。
转子在轴的带动下以每分钟数百至数千转的速度旋转。
图1 超重力实现方式通过多年对旋转填料床的基础理论研究和应用研究，发现旋转填料床有以下特点：（l）在相同的操作条件下，与常用的板式塔、填料塔相比，传质单元高度可降低1-2个数量级，体积传质系数可提高1-3个数量级，设备的体积可缩小10倍以上；（2）气液通量可得到极大提高，气体、液体通量可相应增大到很大而不产生液泛；（3）填料空隙率一般在90%以上，远大于普通的填料塔。
在高通量下，气相压降一般比相同传质单元数的普通填料塔还低，所以能耗比较小；（4）持液量比较小，液体在转子内的停留时间很短，适合处理一些热敏性、昂贵或者有毒的物料；（5）体积较小，重量轻，可以垂直、水平或任意方向安装，不怕震动与颠簸，适用于舰船、飞行器等运动物体或高度、大小受限制的场合；（6）占地面积和体积大幅度减小，不仅节省大量的基建投资，而且设备的重量轻、维修方便、可缩短检修工期。
设备费用比传统塔设备大幅度减小，有利于降低产品成本；（7）开停车容易，几分钟就可以达到稳定。
1.2旋转床分类目前，旋转床的结构一般分为立式和卧式两种，它主要由转子、密封、填料、壳体、液体分布器等部分组成。
转子是其核心部分，转子有不同的结构形式，一般由多孔填料构成，通过转轴与电机连接，以每分钟数百转至数千转的速度旋转，提供超重力环境。
工作时气相经气体进口管由切向进入转子外腔，在气体压力的作用下由转子外缘处进入填料，液体由液体进口进入转子内腔，经液体分布器喷头喷洒在转子内缘上，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液膜，曲折的流道更是加剧了液体表面的更新，液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的情况下与气体以极大的相对速度在填料孔道中逆向接触，极大地强化了传质过程。
而后，液体被转子抛到外壳汇集后经液体出口管离开旋转填料床，气体自转子中心离开转子，由气体出口管引出，在此过程中完成传质、传热及反应过程。
图2 旋转填料床结构2精馏2.1精馏过程及特点精馏是指利用溶液中各组分相对挥发度的差异，经过多次部分冷凝与汽化，使组分得以分离的化工单元操作过程。
精馏是目前应用最广的一类液体混合物分离方法，其具有如下特点:(l)通过精馏分离可以直接获得所需要的产品，而吸收。
萃取等分离方法，由于有外加的溶剂，需进一步使所提取的组分与外加组分再进行分离，因而精馏操作流程通常较为简单。
(2)精馏分离的适用范围广，它不仅可以分离液体混合物，而且可用于气态或固态混合物的分离。
例如，可将空气加压液化，再用精馏方法获得氧。
氮等产品;再如，脂肪酸的混合物，可用加热使其熔化，并在减压下建立汽液两相系统，用精馏方法进行分离。
(3)精馏过程适用于各种浓度混合物的分离，而吸收。
萃取等操作，只有当被提取组分浓度较低时才比较经济。
(4)精馏操作是通过对混合液加热建立汽液两相体系的，所得到的气相还需要再冷凝液化。
因此，精馏操作耗能较大。
精馏过程中的节能是个值得重视的问题。
精馏作为现代工业应用最广的分离技术之一，目前已具有一定的基础理论研究和相当成熟的工程设计经验。
精馏是石油化工、有机化工、精细化工、制药等行业生产过程中最重要的单元之一，是产品分离、提纯的重要手段，在生产中对产品质量、生产效率、能耗等具有举足轻重的影响。
随着化学工业、石油化工、环境工业等领域的不断发展，精馏分离过程的处理量大、操作连续化等优势得以充分发挥，但其高能耗、体积庞大等特点，在大型工业化生产过程中无可避免地遇到高能耗、大体积、大投资等与产品的高纯度的矛盾。
因此，如何解决产品达到高纯度和精馏装置的高能耗之间的矛盾就成为目前精馏学科和工程研究开发的主要目标。
2.2隔壁塔隔壁塔作为精馏设备的一种，有着节能的优势。
隔壁塔（Dividing Wall Column，简称DWC）属于完全热耦合的特殊类型。
分壁精馏塔实质就是在塔内部增设一个竖立的隔板，将常规精馏塔的内部一分为二，在一个精馏塔内同时完成传质和传热过程。
与完全热耦合精馏塔相比，分壁精馏塔将完全热耦合精馏塔的预分馏塔与主塔组合在同一个精馏塔内，这样的结构省去了一个再沸器和一个冷凝器，从而节省了设备投资，同时由于热量在同一个塔内重复循环利用，因此也节省了能耗。
图3 隔壁塔工艺流程图隔壁塔分为4个区域，1区为AB/BC的与分离塔，为预分馏段。
通过2区得到较纯的A，并为1、4区提供液相回流，为公共精馏段。
通过3区得到较纯的C，并为1、4区提供气相回流，为公共提馏段。
通过4区得到B，为侧线采出段。
3超重力精馏的提出汽液传质设备如填料塔、板式塔等，已广泛地应用于化学及相关工业。
而在这些传质设备中，液体的流动一般是依靠重力作用实现的，由于重力场引力较弱，液膜流动缓慢，传质系数较低，导致填料塔、板式塔等传质设备体积庞大、生产强度低。
随着现代化工工业生产规模不断扩大，设备体积也越来越大，设备投资费用、操作费用及设备的维修费用不断攀升，己大大限制了经济效益的提高。
长期以来，人们从以下三个方面不断地研究汽液两相传质的强化。
一是通过改进设备结构，以改善两相流动和接触。
二是引入质量分离剂，提出各种耦合或复合型传质分离技术。
三是引入能量分离剂(如磁场、电场、超声波)，实现目标组分分离。
强化汽液两相传质过程的目的是最大限度地提高单位体积设备的传质通量、缩小设备尺寸、简化工艺流程、降低投资成本和操作费用，实现低耗高效的工业生产，以提高化学工业及相关产业的经济效益。
超重力不仅使液体的表面张力变得微不足道，而且液体在巨大剪切力的作用下被拉伸成膜成丝成滴，产生出巨大的相间接触面积。
因此极大地提高了传质速率，也提高汽液逆流操作的泛点气速，这一切都对分离与操作有利。
4超重力隔壁精馏塔结构设计考虑到超重力技术中旋转填料床和精馏中的隔壁塔设备在各自领域都有着很大的优势，那他们两个能不能结合起来形成一种新的设备？达到更好的节能优势呢个？设计超重力隔壁精馏塔需要考虑以下问题：1）塔整体如何设计？2）如何在旋转床中实现隔壁塔中的隔板效果？3）如何实现旋转机的中间进料？于是设计了图4所示的超重力隔壁精馏塔，虚线为液体经过路线，实线为气体经过路线，在塔内气液两相逆流接触，以达到更好的传质效果。
1.液相回流2.导向板3.液相回流4.塔顶采出A5.冷凝器6.侧线采出B7.液体分布器8.挡板9.挡板10.气体分布器11.进料管12.塔釜采出C 13.再沸器图4 超重力隔壁精馏过程示意图5可行性（1）在基础研究方面，研究者发现了旋转填充床区别于传统塔器设备最突出的特征——旋转填充床的端效应区，即在转子内缘环形区域传质效率数倍于转子主体区（转子内除去端效应区的部分）。
因此在上图左右两端（相当于公共精馏段和公共提馏段）的旋转机利用导流板将液体汇集到中心区域，充分利用端效应来增加传质效率。
（2）在中间部分（相当于预分馏段和侧线采出段）的旋转机的设计采用隔壁塔的设计方法，为了使隔壁塔中的隔壁能在旋转机中起到分离气液两相的作用，中间部分旋转机用卧式旋转机，在适当位置加入隔板，并在远离中心端设置气相分配器，将气体按照一定的比例分配到左右两个区域（预分馏段和侧线采出段）。
为了能在中间部分（预分馏段）进料，在其中适当位置加入导流管，直接将液体送入旋转机内部。
（3）超重力隔壁塔与普通旋转机相比，能够一次分离三组分，效率更好。
而且普通的旋转机完成三组分精馏，会至少需要两个旋转机，因此需要两个蒸发器和两个冷凝器，而超重力隔壁塔只需要一个蒸发器和一个冷凝器就可以，节省了一个一个蒸发器和一个冷凝器的设备费用。
而且使用一个蒸发器和一个冷凝器对蒸汽和冷凝介质的利用率更高。
（4）超重力隔壁塔与普通隔壁塔相比，由于使用了超重力技术，传质效率更好，因此设备尺寸大大减小，减少了设备费用。
参考文献[1]陈阳,超重力精馏技术[J].化学中间体,2013,4:24-28.[2]罗勇,初广文等,导向板式旋转填充床的创新设计及其基础研究[R].2015中国化工学会第1分会场,2015[3]栗秀萍等，超重力精馏的应用与发展[J].化学中间体,2010,7:14-17.[4]雷锋斌，新型精馏旋转床的基础理论及应用研究[J].中北大学学报,2009,30（3）:261-266[5]高鑫,初广文等,新型多级逆流式超重力旋转床精馏性能研究[J].北京化工大学学报,2010,30（4）:1-5[6]Hong Zhao, Lei Shao, Jian-Feng Chen. High-Gravity Process IntensificationTechnology andApplication. Chemical Engineering Journal, 2010, 156: 588-593[7]陈建峰,郭锴,郭奋,邵磊等,超重力技术及应用－新一代反应与分离技术.北京：化学工业出版社,2002,7[8]邹海魁,初广文,赵宏,向阳,陈建峰,面向环境应用的超重力反应器强化技术—从理论到工业化[J].中国科学:化学, 2014, 44(9):1413–1422。