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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。
微界面强化反应技术简介微界面强化反应技术是一种利用微观界面的特性来增强化学反应效率和选择性的技术。
在化学领域，界面反应一直是研究的热点之一，因为界面反应在许多化学过程中起着重要的作用。
微界面强化反应技术利用微观尺度的界面特性，通过调控反应物的分子间相互作用，提高反应速率和选择性，从而实现高效的化学反应。
微界面的特性微界面是指两种不同相的物质相接触的界面，如气液界面、液液界面和固液界面等。
微界面具有以下特性：1.高表面积：微界面相较于宏观界面具有更高的表面积，这是由于在微观尺度下，界面的形状更加复杂，因此单位体积内的界面面积更大。
2.分子扩散：微界面上的分子扩散速率更快，这是由于微界面上的分子受到更多的表面作用力的影响，从而增加了分子的迁移速率。
3.分子吸附：微界面上的分子吸附能力更强，这是由于微界面的高表面积和表面能的影响。
吸附作用可以促进反应物分子的聚集，从而加速反应的进行。
微界面强化反应技术的原理微界面强化反应技术通过调控微界面的特性，实现对化学反应的增强。
其原理包括以下几个方面：1.分子扩散增强：微界面上的分子扩散速率更快，可以通过增加微界面的面积和调控界面形态来增强分子的扩散。
例如，可以利用纳米材料构建高表面积的微界面，或者利用界面活性剂等分子自组装技术调控界面形态。
2.分子吸附增强：微界面上的分子吸附能力更强，可以通过引入吸附剂或调控界面表面性质来增强分子的吸附。
例如，可以利用功能化材料或表面修饰技术改变界面的亲疏水性，从而增强分子在界面上的吸附能力。
3.界面反应促进：微界面上的界面反应速率更快，可以通过调控界面的催化活性或调控界面的电荷分布来促进界面反应的进行。
例如，可以利用纳米催化剂提高界面的催化活性，或者利用电化学方法调控界面的电荷分布。
应用案例微界面强化反应技术在许多化学领域都有广泛的应用。
以下是几个典型的应用案例：1.催化剂设计：利用微界面强化反应技术可以设计出高效的催化剂。
《化学反应过程及设备》期末复习题一、单项选择题1.在反应设备内，任取一尺度远小于反应器内物料体积的微元单位，在微元内不存在组成和温度的差异，且整个反应器内的物料均达到分子尺寸的均匀，这种体系称为（）体系。
（）。
A．均相体系 B．液相体系C．恒温体系 D．绝热体系2.一反应关键组分A的转化率为96%，对A产物的选择性为75%，则该反应中A的收率为（）。
A．0.77 B．0.75C．0.74 D．0.723.某反应的温度由300K上升10K时，反应速率常数增大为原来的4倍，如果此反应的温度由400K上升10K时，反应速率常数增大为400K时的（）4倍A．＜ B．=C．＞ D．无法判断4.可逆反应达到平衡状态时，正、逆反应的速率的关系为：r正（）r逆。
A．＜ B．=C．＞ D．无法判断5.等温恒容条件下，某不可逆反应的达到一定转化率所需的反应时间与初始浓度有关，初始浓度越高，所需时间越短，那么该反应为（）。
A．零级B．一级C．二级 D．三级6.不同停留时间的质点之间的混合称为（）。
A．返混B．混合C．扩散 D．凝聚7.对于反应 A+B→R+S，对于A、B都是一级反应，当配料比大到反应中消耗的B组分可以忽略，该反应可以视为（）。
A．零级 B．一级C．二级 D．三级8.物料围绕搅拌轴做圆周运动，称为切向流或环向流，特别是切线流严重时，釜内液体在离心力的作用下，会沿着釜内壁上升，中心液面下降，形成一个大的漩涡，即出现（）。
A．扩散 B．打漩C．对流 D．涡流9.气固相催化剂反应的7个步骤里，可能存在最难进行的一步，即其阻力最大、速度最慢，其它步骤的速度都很大，可瞬间达到平衡状态。
速度最慢的这一步称为（）。
A．扩散步骤B．控制步骤C．表面反应步骤 D．吸附步骤10.以颗粒（非球形颗粒）体积相等的球体的直径表示的颗粒直径，称为（）直径。
A．体积相当 B．外表面积相当C．比表面积相当 D．平均11.均相反应的基本特点是反应体系已达到（ ）尺度上的均匀混合（ ）。
聚合物共混多相体系相界面研究摘要：本文着重总结了聚合物共混多想体系相界面的研究情况，分析了影响相界面性质的因素，阐述了相界面形成的原因，并对聚合物多相体系相界面研究的未来进行展望。
随着多种聚合物的研究和生产，单一的聚合物早已不能满足人类发展的需要，通过共混产生的多相聚合物应运而生。
多相聚合物的研究的基础之一，是多相聚合物界面研究。
界面的性质和特点决定了多相体系的性质和特点。
聚合物共混物的形态主要由两个动力学过程决定: 一个是剪切条件下颗粒的破裂过程, 另一个是颗粒的归并过程。
多相聚合物体系的相归并, 又称相聚集, 指热力学不相容的聚合物共混体系, 发生相分离后, 分散相粒子发生有效碰撞, 分散颗粒聚集而长大的过程[1]。
在聚合物材料科学中, 界面是一个非常重要的基本问题, 如粘接领域中粘接剂在界面的作用, 以及多相共混物中不同相区间界面相互作用通过研究不同聚合物材料间的粘接过程, 发现对于热力学相容的聚合物分子, 不同聚合物分子链经过界面向对方本体扩散至足够距离, 从而产生缠结。
界面层的形成多相聚合物体系相间界面层的形成可分为两步: 第一步是相间相互接触, 第二步是聚合物大分子链段之间相互扩散。
增加相间的接触面积有利于链段的相互扩散, 提高相间的作用力。
在混炼过程中为了加相间的接触面积, 提高分散程度, 可以采用有效的混炼机械、IPN 技术或添加增容剂等方法[2]。
相间相互接触时即发生链段之间的相互扩散。
当聚合物大分子具有相近的活性时, 大分子的链段就以相近的速度相互扩散; 若大分子的活性相差悬殊, 则发生单向扩散。
扩散的推动力是混合熵即链段的热运动。
若混合过程吸热, 熵增加最终为混合热所抵消。
扩散使聚合物的相界面两边产生明显的浓度梯度。
相界面以及相界面两边具有浓度梯度的区域构成了相间的界面层[3]。
复合体系中微观相界面对材料性能的影响近年已有不少使用无机刚性粒子对高分子进行增韧改性的研究, 在这些研究中大多因使用特殊的偶联剂处理无机刚性粒子表面, 获得了具有较高韧性和较好刚性的高分子复合材料[4]。
微化工技术在化学反应中的应用进展1赵玉潮，张好翠，沈佳妮，陈光文，袁权中国科学院大连化学物理研究所，辽宁大连（116023）E-mail：gwchen@摘 要：微化工技术是当前化学工程领域的研究前沿与热点。
本文就微化工技术在均相、气-液和液-液两相反应体系中的应用，结合具体研究范例阐释微反应器内进行化学反应的可行性。
与传统化工设备相比，微化工技术及其设备具有很大的开发潜力和广泛的应用前景。
关键词：微化学工程；微化工技术；综述；微反应器；微混合器；微通道中图分类号：TQ 032 文献标识码：A随着社会的不断发展和人类生活水平的持续提高，对产品种类与数量的需求不断增加，促进了现代过程工业飞速发展；同时对环保要求日益提高，建设安全、经济、生态和实现可持续发展的要求更为迫切。
21世纪化学工业发展的一个趋势就是安全、清洁、高效、节能和可持续性，尽可能地将原材料全部转化为符合要求的最终产品，实现生产过程的零排放。
要达到这一目标，既可以从化学反应本身着手，通过采用新的催化剂或合成路线来实现，即化学的方法；又可以从化学工程角度出发，采用新的设备或技术，通过强化化工生产过程来实现，即工程的方法(过程强化)[1~3]。
20世纪90年代初，顺应可持续与高技术发展的需要催生了微化工技术的发展[4~9]，其主要研究对象为特征尺度在数微米到数百微米间的微化工系统，由于系统尺度的微细化使得各种化工流体的传热、传质性能与常规系统相比有较大程度的提高[10~12]，即系统微型化可实现化工过程强化这一目标。
自微反应器面世以来，微反应技术的概念就迅速引起相关领域专家的浓厚兴趣和关注，欧美、日本、韩国和中国等都非常重视这一技术的研究与开发，主要研究机构包括Dupont公司、MIT、美国西北太平洋国家实验室(PNNL)、IMM、FZK、BASF、Bayer、Axiva、Merck、Shell、UOP、京都大学、东京大学、九州大学、Pohang、中科院大连化学物理研究所、清华大学和华东理工大学等。
1 试述位错反应及其能否进行的条件。
答：由几个位错合成为一个新位错或由一个位错分解为几个新位错的过程称为位错反应。
位错反应能否进行，取决于两个条件：⑴几何条件，即反应前各位错的柏氏矢量之和应等于反应后的柏氏矢量之和。
⑵能量条件，即反应后各位错的总能量应小于反应前的总能量。
由于位错的能量正比于柏氏矢量的平方，故此条件可写为22b b>∑∑后前2 解释在固熔强化效果上间隙机制优于置换机制的原因。
答：间隙式熔质原子的强化效果一般要比置换式熔质原子更显著。
这是因为间隙式熔质原子往往择优分布在位错线上，形成间隙原子“气团”，将位错牢牢钉扎住，从而造成强化。
相反，置换式熔质原子往往均匀分布，虽然由于熔质和熔剂原子尺寸不同，造成点阵畸变，从而增加位错运动的阻力，但这种阻力比间隙原子气团的钉扎力小得多，因而强化作用也小得多。
3 简述纯金属晶体长大的机制及其与固－液界面结构的关系。
答：晶体长大机制是指晶体微观长大方式，它与液－固界面结构有关。
具有粗糙界面得物质，因界面上约有50％的原子位置空着，这些空位都可接受原子，故液体原子可以单个进入空位与晶体相连接，界面沿其法线方向垂直推移，呈连续式长大。
具有光滑界面的晶体长大，不是单个原子的附着，而是以均匀形核的方式，在晶体学小平面上形成一个原子层厚的二维晶核与原界面形成台阶，单个原子可以在台阶上填充，使二维晶核侧向长大，当该层填满后，则在新的界面上形成新的二维晶核，继续填满，如此反复进行。
若晶体的光滑界面存在有螺型位错的露头，则该界面称为螺旋面，并形成永不消失的台阶，原子附着到台阶上使晶体长大。
4 脱熔分解与调幅分解在形成析出相时最主要的区别是什么？答：两者在形成析出相时最主要的区别在于形核驱动力和新相的成分变化。
脱熔分解时，形成新相要有较大的浓度起伏，新相与母相的成分相比较有突变，因而产生界面能，这也就需要较大的形核驱动力以克服界面能，亦即需要较大的过冷度。
而对调幅（Spinodal）分解，没有形核过程，没有成分的突变，任意小的浓度起伏都能形成新相而长大。
异种金属界面强化机制
异种金属界面强化机制是指在金属材料中，当不同种类的金属相遇或交界时，会产生一种强化效应，从而提高材料的性能。
这种强化机制可以从多个角度来解释和理解。
首先，从微观角度来看，异种金属界面强化机制可以通过晶界强化和位错吸引来解释。
当不同种类金属相遇时，晶界的存在可以阻碍位错的移动，从而增加材料的强度。
此外，不同金属之间的原子间作用力的差异也会导致位错在界面处的吸引，进而产生强化效应。
其次，从宏观角度来看，异种金属界面强化机制也可以通过相变强化来解释。
当两种不同金属相遇时，可能会形成新的相或晶粒结构，从而改善材料的力学性能。
例如，通过界面反应形成的金属间化合物相或者固溶体相可以增强材料的硬度和强度。
此外，还可以从界面应力和位错堆积等方面来解释异种金属界面强化机制。
不同金属的晶格参数不同，当它们相遇时会产生界面应力，这种应力会影响材料的力学性能。
同时，位错在异种金属界面处的堆积也会导致材料的强化效应。
总的来说，异种金属界面强化机制是一个复杂而多方面的现象，涉及到晶界强化、相变强化、界面应力等多种因素。
深入理解和掌
握这一机制对于设计和制备高性能金属材料具有重要意义。
