精馏技术的创新研究

传质与分离工程，对普通人而言，是一个遥远而陌生的名词。其实，我们的衣食住行，都与这一科学领域有着密不可分的关系。日常生活所需的食品，医药、香料、服装，乃至大到汽车轮胎，小到DVD光盘的生产制造，都离不开这一领域的精馏分离，提纯等技术的支持。

传质与分离工程领域的这些技术，往往是相关工业生产中的核心环节和关键所在。可是，在聚氯乙烯工业，太阳能、医药等关系国计民生的重大基础领域，其分离核心技术却往往掌握在国外企业手中，极大地制约了我国相关产业的发展。

近年来，传质与分离工程领域的这种“瓶颈“现象有了明显突破，精馏等技术更达到了国际领先水平，其工业应用不仅取得了巨大的经济效益，更产生了显著的社会效益和环境效益，也为其他领域的技术创新和产业化提供了很好的示范和借鉴。

这一影响深远的突破，北京化工大学传质与分离工程研究中心主任李群生教授功不可没。从1987年硕士毕业后来到北京化工大学工作，到如今成为传质与分离工程领域的权威专家，默默耕耘二十载，荣誉和掌声没有改变他脚踏实地，深入实践的一贯作风。当记者联系李教授时，他正远在千里之外的徐州，为新的太阳能发电项目采集数据、总结经验。新能源的时代，他又一次站在了科技潮头。没有对于荣誉或成就的刻意追求，在看似枯燥而艰辛的科研工作中，李群生教授体验到的是发自内心的纯粹快乐。正如他的科研方向一一分离精馏技术所追求的，亦是纯而又纯的目标。

“点”的深入：精馏技术的创新

在化工、石化，轻工、医药等领域的生产中，精馏是极其重要的分离操作。而高粘度、易自聚和含固体颗粒等特殊物系的精馏，一直是困扰生产的关键难题。这些特殊物系在精馏时，由于物料在塔板上流动困难，极易发生堵塔、液泛现象，不仅导致精馏塔的分离效率低下，常常伴随着物料损耗和环境污染，严重的甚至造成爆聚、爆炸事故，对安全生产构成了极大威胁。长期在工业生产第一线工作的工人，最担心的就是精馏塔的操作。而对于这一难题，国内外均未有很好的解决方法。

精馏不仅是保证安全生产的重要环节之一，还是提高产品质量的关键所在。产品纯度的提高――往往是细微的小数点后的突破，就会成为克敌制胜，攻占市场的法宝。李群生教授，就是解决这世界性工业难题，追求更高精纯境界的人。

李教授瞄准高粘度物科精馏这一世界性难题，从最初的设想，到理论推导、实验研究，再到工业开发和应用，经历了一个漫长的过程。其中艰辛，如鱼饮水，冷暖自知。

从进入科研领域开始，李群生教授就一直注重从实践中发现问题，再从理论到实践解决问题。这形成了他独特的科研风格和理念。在研究精馏过程时，李群生发现，液体在传统的精馏塔板上流动时，在液流的上、下游之间存在着较大液面梯度，这是推动液体在塔板上流动的动力，但也容易造成堵塔，液泛等现象。在深入进行塔板上流体力学研究的基础上，他首先在理论上创造性地提出了使液体在精馏塔板上进行“零梯度流动”的构思，建立了塔板上液体“零梯度流动”的数学模型。

这一理论构想的现实化，就是他自行设计的高效导向筛板――通过导向孔密度与方向的变化，将一定上升气体的动量分配给塔板上不同区域内流动的液体，以获得较均匀的速度分布。液体流速分布的数学模型，就是解决最为关键的导向孔的设计问题。通过求解这一模型，对塔板上每一个指定区域，都得到一个与该区域导向孔密度与转角相对应的液体速度场。适当调整导向孔的排布，就可以控制塔板上液体的流场，进一步对导向孔相关的参数进行优化，可以使液体在塔板上均匀一致地向前流动，甚至接近于”活塞流”，从而最大限度地提高塔板效率，增加通量、减少压降。

科研成果不是李群生教授的最终目标。实验室成功的下一步，是工业开发应用。通过对高粘度等特殊物系共性问题的基础研究，李群生博士建立了一整套导向孔开设的设计方法和计算软件，发明了高效导向筛板塔，可适用于高粘度、易自聚、含固体颗粒等特殊物系的精馏，解决了这一世界性的工业生产难题。

高效导向筛板塔应用于工业生产，其效果可谓之“奇迹”。

1998年7月，云南云维股份有限公司聚醋酸乙烯脱醋酸乙烯单体的高粘度物料精馏塔率先采用高效导向筛板塔，不仅彻底解决了堵塔、液泛的问题，同时还提高了塔分离效率和公司经济效益。使用前，精馏塔安全运行周期为4～6个月；使用后，迄今已正常稳定运行9年(未进行大修检修)，仅此一项每年为该公司带来5D0余万元的经济效益。本技术与国际先进的日本可乐丽公司相比，生产能力提高50％，分离效率提高20％，而该公司的塔运转周期仅为1年。

2000年，高效导向筛板塔在与国际著名的分离过程开发商格里希(Glitch)公司和苏尔寿(sulzer)公司的竞争中取胜，成功地在上海石化5万吨/a碳五分离装置上进行了应用，使该装置的生产周期由原来的15～25天，提高到360天以上。不仅实现了全周期安全生产不停机，还扭转了运行长期亏损的局面，利润几乎是逐年翻番，仅2005年就盈利8000多万元，彻底解决了该装置自1992年投产以来8年间因严重自聚而不能正常生产的难题。碳五馏分作为乙烯生产的副产品，可用于制造高级轮胎、香料、高品质光盘等，应用前景广阔。但在生产过程中难以精馏提纯，只能作为废弃物排放，不仅浪费资源，而且严重污染环境。上海石化应用精馏新技术后变废为宝，同时实现了节水、节能、节支、减排、减耗、扩产、环保的目标。

在含固体颗粒物料精馏方面，高效导向筛板塔已在我国食用酒精生产行业大面积推广应用。发酵醪精馏塔的生产周期从4～6个月延长至18个月以上，同时，生产能力提高约60％，分离效率提高约20％。世界著名的纤维素酒精研究者，美国密歇根帅立大学(Michigan State University)的Bruce E.Dale教授已和李群生教授达成了理论与技术的合作意向。

春华秋实。李群生教授脚踏实地的耕耘换来了应得的荣誉。精馏新技术被中国石油与化学工业协会组织的专家委员会鉴定为“达到国际领先水平”，获得省部级科技进步一等奖，二等奖各2项，以及2004年国家科技进步二等奖。在国际学术会议上作大会特邀报告1次，发表学术论文160余篇，其中60多篇被SCl、EI收录；申请国家专利7项，已获授权4项。

精馏新技术的开发应用不仅保障了安全生产，提高了经济效益，更为重要的是，节能减排效果显著，其环境效益难以估算。我国目前正致力于建设节约型、环保型的可持续发展社会，李群生教授精馏新技术的贡献在科研领域可谓是一面旗帜。如今，这一技术已在我国国有大中型企业的1000多座塔上进行了成功的推广应用，均一次开车成功。据其中10家企业的统计，仅2003年至2006年累计取得直接经济效益24.3亿元推广后节省12万多吨标煤和近7000万

吨冷却水；减少化学物料排放21.6万吨。

精馏新技术的科研过程体现出一系列的创新闪光点塔板流体力学研究――零梯度流动数学模型――高效导向筛板塔一技术集成软件包――大规模工业应用，李群生教授不仅创造性地解决了精馏这一世界性的工业生产难题，也为科研其他领域的创新应用提供了很好的示范。之所以能够取得如此成就，李群生教授说“主要是在一个点上深入研究做下去，默默积累，自然就成功了。”朴实的话语，却道出了他成功的秘诀。潜入深山，自有宝玉，难得的是默默积累的过程和坚韧不拔的毅力。

2007年～2008年，李群生教授在美国麻省理工学院(MIT)，华盛顿州立大学(WSU)做访问学者，他关于高效分离精馏技术和新能源的报告在美国科学界引起了轰动。访问结束时，美国以高薪高职挽留他，甚至已经下了聘书，他还是回国了。李群生所看重的，是我国工业领域中分离技术发展的广阔空间和需求，这也是他一向的科研理念：不仅要出成果，更要将成果引向应用领域，真正惠民利国。

“面”的拓展：应用领域的变革

传质与分离工程属于化工领域，但在实践应用中，各行各业都离不开这一领域的支持。李群生教授在分离技术上的突破性贡献，就在整体上引领了聚氯乙烯、化工、轻工，医药。石油，酒精、化肥、生物、环保等领域的变革。

聚氯乙烯是我国重要的工业领域之一。随着李群生教授发明的高效分离技术―一适用于氯乙烯单体精馏的抗自聚新型高效导向筛板精馏塔，复合孔径高效导向筛板及相应的操作方法――的引入，电石法聚氯乙烯工艺逐渐摆脱了高污染、高能耗的传统缺点，显示出相对的成本优势。同时，一直困扰聚氯乙烯产品品质的关键因素――氯乙烯单体纯度，也从99.8％提高到99.99％以上，大大提高了聚氯乙烯工业产品的价值。在当前我国电石法聚氯乙烯占到全国产量绝大多数的情况下，这项高效分离新技术更具推广价值。它大大提高了氯乙烯产品的质量，降低了杂质含量，提高了整个氯乙烯的技术水平，实现了安全生产、节能减排，绿色环保的目标。

在服装领域，高档服装面料的浆料采用聚乙烯醇制造。这项技术过去一直为国外企业所垄断，我国只能高价进口。同样是采用了高效分离新技术后，我国不仅生产出品种多样化的浆料，还以更优异的品质、更优惠的价格出口国外，为我国高档服装的生产销售开创了新的局面。

而在聚乙烯醇的其他生产领域，一个简单的数字对比就足以说明问题。聚乙烯醇作为高粘度物料，在精馏过程中，每次发生堵塔现象都要清除物料，全面停车检修。每次开停车损耗为三，四百万元，同时极易引起前序聚合釜的爆聚、爆炸等事故，全国五，六十套聚乙烯醇生产线，每条线、每个月都要停车一、两次。经济损失，物料损耗，环境污染、严重爆炸事故……所有这些现象，在采用李群生教授研发的高粘度物料精馏技术及高效导向筛板塔后几乎全部消失了。如今，该技术在我国聚乙烯醇行业的应用几乎达到100％。迄今为止所有应用装置均未发现堵塔，液泛现象，未发生重大安全事故。塔运行周期大为延长，扩产达到50％～100％。其显著的经济效益、环境效益堪称我国聚乙烯醇工业领域的划时代变革。

在医药领域，山东德州天宇化工公司更是一个知名的范例。天字公司的主导产品是丙炔醇(生产医药的中间体)，纯度为98.5％，价格3.5万/吨，利润微薄，依然打不开销路。而国际著名的联邦德国巴斯夫公司生产的丙炔醇纯度达99％，价格为6.5万/吨，却几乎占据了全部的国内市场。0.5％的纯度差距，让天宇化工公司走到了濒临破产的边缘。走投无路之际，公司负责人找到了李群生教授，进行丙炔醇生产精馏塔的技术改造。一年以后，天宇公司的丙炔醇纯度上升到99.8％，价格为6万元/吨，不仅重新夺回国内市场，还进一步进军国外市场。而全部投资改造的费用仅为十几万元。

科研领域，李群生教授在分离精馏技术的“点”上深入研究j工业应用中，他以“点”带“面”，使分离新技术在相关领域得到了广泛的推广应用，不仅解决了企业的技术难题，得到了更高的技术指标，而且取得了良好的经济效益、社会效益和环保效益。在他带领下的传质与分离工程研究中心，在精馏塔、吸收塔技术改造、丝网除雾技术，超临界流体萃取技术，结晶技术、换热技术、膜分离技术等方面形成了强力优势，成为众多企业发展的有力技术后盾和依托。他不满足于将实验成果束之高阁，而是进一步致力于科研成果的开发应用和产业化，这一切，都源于他对科研工作的理念――学以致用，惠民利国。

学以致用：脚踏实地的理念

谈到对科研工作的认识时，李群生反复强调，要搞清楚科学研究的最终目标。他认为，无论理论基础研究还是应用基础研究，都应该以发挥作用为目标。理论基础研究解决重大基础理论问题，可以为科技发展、人类进步打下基础，在宏观上指导应用基础研究。而应用基础研究关键在于“应用”，也就是说，科研成果最终要产业化，要体现在工业生产中实现效益。

从李群生自身的科研来看，可以说他将理论基础研究和应用基础研究很好地结合在了一起，走出了一条基础理论一一实践应用――大规模工业应用的产业化道路。李教授课题组的同事们已经习惯了这种科研模式，从最初的理论设想到求证，从设计图纸上的每一道线条、每一个数据，到企业应用时的现场指导、数据采集，每一个环节，李群生都是亲历亲为，严谨求实。经过理论――实践――理论――应用的循环，力求尽善尽美地完善科研成果和配套技术。

这种脚踏实地的风格，李群生归功于导师张泽廷教授的影响。张泽廷教授是我国培养的第一位化工领域的博士后，在教导学生时兼重理论基础和实践应用。李群生将二者融会贯通，在理论创新与工业应用方面都起到了很好的示范作用。可是，李群生说，他在产业化方面有所成就很幸运，因为背后有一批信任他，支持他的人。北京化工大学一向注重科研成果产业化，致力于企业和科研工作者之间的沟通交流。相关合作企业和课题组同事也给予他充分的信任和支持。

有感于自身经历，李教授认为，高校和科研机构作为科研创新主力，产业化至关重要。高科技成果产业化会带来巨大的经济效益、社会效益和环境效益。虽然教师推行产业化有诸多现实困难，但是，只要把握最关键的两点――一是与企业的沟通交流，二是持之以恒的毅力，“学以致用，惠民利国”达到最终目标就一定能够实现。

为了践行这一科研理念，李群生强调科研选题要准确，要有实际意义，并且在结题时尽量体现出这种意义。近年来，有鉴于世界能源危机和环境危机，新能源的浪潮正在兴起。而李群生教授目前正在进行的研究――太阳能发电和生物柴油中关键的分离技术，也正和新能源密切相关，对我国未来的能源产业和环境工业将产生深远的影响。

在全球光伏产业链中，高纯度硅料是光伏企业生产太阳能电池所需要的核心原料。因此，高纯度硅料的合成、精

制、提纯，生产也就成为光伏产业集群中最上游的产业。超纯多晶硅的提纯、规模生产及副产品回收则是关键的技术难题，也是我国最为欠缺的。我国硅资源丰富，具备先天优势，但长期以来，我国生产的硅粉以1万元/吨的价格出口日欧，掌握核心生产技术的国外企业则以350万元/吨的价格将成品多晶硅卖给我国。留给我们的只是资源消耗和环境污染。

有鉴于此，李群生提出，致力于多晶硅生产过程中多级精馏技术及设备的研究与开发，将已经应用成功的化工精馏技术移植到多晶硅生产中来，对我国多晶硅生产降低能耗，提高质量、进一步提高我国多晶硅生产的核心竞争力具有重要的意义。为此，他带领的课题组研制出了先进的多级精馏技术和设备，对传统工艺进行了11项革新，在包括中国最大的多晶硅厂――徐州中能在内的8家企业进行了示范性应用。不仅能够提炼出纯度高达99.9999％～99.9999999％的超纯多晶硅，而且实现了生产过程中废弃物的循环利用、贯穿生产线的节能和清洁生产。一位企业领导激动地说：”只要李教授能给我们提供技术支持，我就敢保证能够打败国外企业，让中国的硅片进军世界市场。”

从2007年开始探索研究，到2008年设计投入使用，多晶硅生产应用时间还不足两年，但已经开始出口目欧，显示出巨大的应用前景。太阳能作为可再生新能源，其绿色环保的特色正预示了未来的产业发展方向。曾经有国外科学家论证指出，一块260英里见方的太阳能发电板，就足够供应全球电量需求。而精馏新技术的应用及其产业化，将使我国生产的多晶硅质量符合目前和未来太阳能电池和超大规模集成电路的要求，成为解决电力和能源紧缺问题不可或缺的要素。李教授说，大约用2～3年时间，中国的多晶硅生产将实现大规模产业化，而太阳能发电也可以进入千百万户百姓家。

同样基于能源危机，生物柴油也是目前学界研究的热点。最新技术是利用海藻来制造柴油。一般海藻的生长周期为半年，而李群生教授和他的团队研发出一种海藻助长营养物，将培养周期缩短为一个星期。海藻一方面可以高效生产新型生物柴油，一方面吸收二氧化碳，减少温室效应。在能源危机、全球气候变暖等问题甚至有可能演变为政治危机的今天，这一技术无疑意义重大，影响深广。

之所以选择多晶硅与生物柴油作为科研课题，基于李群生教授对于新能源的独特认识。他说：“新能源和节能减排问题，既是经济效益问题，也是政治任务。我国经济快速发展，但节能减排和环境保护不尽如人意。一般来说，应用精馏新技术可以节能30％～70％，应该进一步加大推广应用和产业化的力度。”

基础理论研究――实践应用改进――大规模工业产业化，是李群生始终坚持的道路。多年来，他先后完成了横向、纵向科研项目100余项，研究成果曾在全国几十家国有大中型企业中进行了1000多项成功工业应用，取得了重大的经济，环境和社会效益。如今，“学以致用”的科研理念也继续指导着他未来的科研方向。李教授说，未来的研究重点有二一方面继续开展基础理论研究，主要是继续研究传质分离的机理、测定相平衡数据和预测模型同时重视应用基础研究，在基础理论指导下对设备、技术进行改进和提高，力图将产业化做得更好、更深入。

2007年，李群生教授成为国务院政府特殊津贴获得者。对此殊荣，李教授的感受是”受之有愧”，他觉得自己更需要静下心来，持之以恒，踏踏实实做工作。

对李群生来说，别人眼中枯燥艰苦的科研工作却别有一番意趣。历经漫长的煎熬后，终于有所收获的一刹那，他享受的是发自内心的纯粹的快乐。这种快乐赋予了他超平常人的毅力。从1993年独立主持科研工作开始，每天从早六点到深夜两点都在工作，十几年间，每天的平均工作时间高达17个小时!超负荷的工作量之外，更加让人惊叹的是十几年如一日的坚韧不拔的毅力。这非常人所能为的一切，在李群生教授这儿，只是一句朴实无华的陈述一一脚踏实地，持之以恒。