我国化工过程强化技术理论与应用研究进展探讨

摘要：化工过程强化技术是节能减排的重要途径。文章简要介绍了化工过程强化技术及其实现途径，阐述了静态混合反应器、膜催化反应器、反应蒸馏、超临界萃取和超声波反应器等化工过程强化技术。化工过程的最终目标是将原材料全部转换为符合要求的产品，实现生产过程的零排放。

关键词：化工过程强化技术；化工装置；化学反应

中图分类号：TQ02 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）29-0005-02

“十二五”期间国家制定了节能减排的目标，化工界刮起了一阵低碳经济节能减排的热风。如何在化工生产过程中有效地降低能耗，是科学家、工程师以及化工企业管理者的共同目标。为了实现这一目标，我们既可以从化学反应本身入手，寻找新的催化剂和工艺过程，也可以从反应器和设备入手，采用新的技术和设备，实现化工过程的强化。其中，化工过程强化是实现化工生产过程节能减排、降低能耗的有效手段。

1 超重力强化技术

1.1 超重力技术概述

超重力是指在比地球重力加速度大得多的环境下物质所受到的力。地球环境下，可采用旋转产生离心力的方式实现超重力，其中进行旋转的设备有旋转填充床及超重力机等。总结而言，超重力技术常被视为用于强化传递与多相反应过程的一项突破性技术。

1.2 超重力技术的理论研究

自21世纪以来，越来越多知名学者置身于超重力技术理论研究中，分析发现，这些学者大都围绕超重力环境的“三传一反”规律为中心开展超重力技术理论研究，具体体现在：郑冲基于前人研究成果之上构建填料空间内飞行液滴、液膜及夜线的运动与传质方程；陈建峰等人围绕RPB内水脱氧过程开展传质模型化研究，同时对液相传质系统进行科学合理计算，之后构建起完整的便液滴传质模型；此外，陈建峰组织成立课题组，并带领课题组成员对RPB中的分子混合性能开展系统性研究，同时借助偶氮化反应体系分析归纳超重力环境下的分子混合规律，并依托于聚并-分散模型反映RPB内的分子混合情况。

1.3 超重力技术的应用

与其他国家相比，我国关于超重力技术的研究与应用相对成熟。1994年，陈建峰教授最早开展超重力技术研究，并借助相关设备发现超重力环境下微观分子混合强化百倍特征现象，此外陈建峰敢于突破传统思想的束缚，指出超重力强化分子混合与反应结晶过程的新技术和新思想，随后超重力技术正式引入我国工业化生产中，为提高我国工业化生产效率，增强我国工业化生产质量发挥了重要积极效应。

另外，陈建峰还将超重力技术引入二苯甲烷二异氰酸脂生产过程中，自此以后相同时间内，二苯甲烷二异氰酸脂生产产量由16万吨/年增加至30万吨/年，并且二苯甲烷二异氰酸脂生产能源消耗量也下降了30%。由此可见，超重力技术不仅具有增产降耗的作用，而且还能够起到良好的节能减排效应。

2 微化工技术

2.1 微化工技术的基础研究

近年来，我国微化工技术突飞猛进发展，相继出现诸多新型微化工设备，其中很多学者集中于微结构构型、特征尺度及表/界面效应等方面进行微化工技术的基础研究，为我国微化工技术的发展具有显著推动意义。

微尺度下几种流动作用力竞争背景下，微化工设备中存在多种分散流型，包括挤出分散流型、滴出分散流型、射流分散流型及层流分散流型，从而能够形成液滴或气泡，即通常比传统化工设备中的分散尺度小1～2个量级。同时，受多相体系内环流与界面扰动等现象的影响，致使物流、热流迁移速度大大较快，使得微设备内的热质传递效果更为显著。通过分析这一现象可得出结论，气-液、液-液、气-液-液及液-液-固体系的传质系数均高于传统设备1～2个量级，单台设备内传质Murphee效率高于90%，可对体积传热系统提高1～2个量级。

2.2 微化工技术的应用研究

微分散设备内制备纳米碳酸钙技术已成功应用于工业化生产，这一举措为工业化生产企业每年新增利润高达千万元；另外，中科院构建了集混合、反应、换热于一体的微化工系统，并将其投入碳酸二氢铵工业生产中，这样以来既解决了碳酸二氢铵工业生产中的安全、环保问题，而且还为kW级PEMFC用微型氢源系统的形成提供了有力支持。分析发现，微化工系统具备一系列优点，包括体积小、过程易控、移热速度快、产品质量稳定、零排放等。

3 离子液体技术

3.1 离子液体概述

离子液体作为离子存在的一种特殊形式，指的是完全由可运动的阴阳离子构成的室温液体物质。随着化工技术快速发展，离子液体越来越深受化学化工领域学者的重视，并投入大量的时间与精力用于研究离子液体不易挥发、溶解性能好、导电性适中等问题。通过研究发现，离子液体具有良好的市场前景，其能够替代传统重污染介质与催化剂，并有望成为推动21世纪新一代绿色化学化工产业技术革命的重要动力。

3.2 离子液体的基础理论

截止当前，国内关于离子溶液的研究已近百年，并构建起特有的理论研究框架，然而受多方面原因的影响，致使国内化学化工领域学者对离子液体微观结构与物化性质的认识仍处于模糊不清状态，以此成为离子液体工业应用发展的重要影响因素。其中不少学者借助量子化学与分子模拟相结合的方法对离子液体体系的微观结构与其性能间的关系进行相关性研究，结果显示，离子液体体系中除涉及静电力外，还存在氢键与范德华力之间的相互作用，对于氢键作用而言，能够跨越单个离子、离子簇及离子对形成三维扩展网络结构，从而造成离子液体局部结构不均一性，以此对离子液体反应产生显著影响。除此之外，还存在诸多学者从多个方面研究离子液体基础理论，为推动离子液体的发展发挥着重要意义。

3.3 离子液体在工业中的应用

随着我国对离子液体相关性研究不断加强，促使离子液体研究逐渐趋于工业应用阶段发展，我国已形成数十家单位或企业专门研究离子液体，其中河南利华、兰州凯迪等企业已从事离子液体研究多年，并成功推出多种离子液体产品。21世纪初，我国正式将离子液体引入清洁工艺中，即由离子液体代替硫酸或氢氟酸，这样既节省了成本，又规避了大污染、大腐蚀现象的发生。此外，离子液体还在三聚甲醛工业生产、肉硅酸工业生产等环节中得到广泛应用。

4 超声波反应器

超声波是一种频率高于20kHz的弹性波，由于其频率极高，因而具有一般声波所不具备的特殊效应，如机械效应、空化效应、热效应、微扰效应等，广泛应用于化工、冶金、材料、食品环境等各行业。对化工过程，超声波的特殊效应可强化制粒过程、提取过程、化学反应过程、流体力学过程、质量传递过程和热量传递过程等，它不仅加快了化工过程的反应速度，而且可以改变化学反应方向，因此超声波技术是一门很有潜力的学科。超声波的控粒作用不仅可以使大颗粒被粉碎成为高度均匀的微细颗粒，还可以使小颗粒聚集成大颗粒，以便于去除。超声波可以强化萃取、超滤等提取过程，Mauro Mecozzi等以乙酸作为萃取剂利用超声波辅助萃取海底淤泥中的碳氢化合物，使萃取时间从原来的48h缩短到5h并且收率超过80%。因此，利用开发超声波的特殊效应将会使许多化工生产过程得到强化。

超声波在液体中可以产生微小的空穴。空穴在迸裂的瞬间产生高温和高压而形成特殊的环境，并由此引起流体剧烈震动，使超声波反应器可以显著加快某些化学反应，反应速率的提高可达到几倍到几百倍。

5 结语

近些年来，化工过程强化越来越受到人们的重视。展望未来，会有更多的工艺过程通过化工强化来大幅度减少设备体积、节省投资、降低能耗和减少环境污染。这样才符合节能减排、低碳环保的科学理念，才能满足生态经济和可持续发展的要求。

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作者简介：范金皓（1980―），男，山东五莲人，山东新和成药业有限公司工程师，研究方向：化工安全生产。