微化工：從“越大越好”到“小而高效”

　　微化工技術作為化工過程強化的重要手段之一，兼具過程強化和小型化的優(yōu)勢，具有強熱傳質(zhì)性能、安全性好、過程易于控制和直接放大等特點，可顯著提高過程的安全性、生產(chǎn)效率，快速推進實驗室成果的實用化進程。微反應能夠顛覆傳統(tǒng)化工工藝“越大越好”的思維模式，為化學工業(yè)發(fā)展模式的變革提供了重要啟示。這是11月16～17日于江蘇南京召開的2017微化工工藝優(yōu)化工程設計及設備應用研討會上，與會專家給出的結論。

 

 

　　當前，我國環(huán)保安全監(jiān)管日趨嚴格，特別是國家安監(jiān)總局加強了對18類危險工藝的重點監(jiān)管，對化工生產(chǎn)提出了更高的安全要求。上?；莺突律锟萍加邢薰究偨?jīng)理馬兵博士表示，與傳統(tǒng)工藝技術相比，微反應技術可以將反應器體積縮小1000倍，反應器換熱效率提升1000倍，傳質(zhì)提高100倍，反應時間可以精確控制，且從實驗室到工業(yè)化生產(chǎn)無放大效應，有助于化工生產(chǎn)實現(xiàn)安全、環(huán)保、高效。

 

　　清華大學化學系研究員徐建鴻教授表示，在傳統(tǒng)化學工業(yè)中，制藥、精細化學品和化工中間體的合成大多在間歇或半間歇釜式反應器內(nèi)進行，但其存在明顯缺陷。如裝料、卸料等輔助操作耗時、過程不連續(xù)；由于傳統(tǒng)釜式反應器的熱質(zhì)傳遞能力較弱，導致其產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差、對強放熱反應的控制能力差。而微反應器內(nèi)部通道特征尺度在微尺度范圍（10～500μm），遠小于傳統(tǒng)反應器的特征尺寸，比表面積大、傳熱傳質(zhì)效果好、可以精確控制反應條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)率等，為實現(xiàn)化工過程高效安全和精細化工產(chǎn)品關鍵技術革新提供重要支撐。

 

　　“以微化工設備為核心的化工系統(tǒng)，能夠在微米或亞毫米級受限空間內(nèi)操作化工過程，通過減小體系的流動或分散尺度強化混合、傳遞和反應過程，提高過程效率和安全性，可將實驗室成果快速可靠運用于工業(yè)過程，具有熱質(zhì)傳遞速率快、內(nèi)在安全性高、過程能耗低、集成度高、放大效應小、可控性強等優(yōu)點，技術更新快、產(chǎn)品升級快、成本低、安全性好，在機械、電子、材料、生物、醫(yī)學、化學等領域得到了廣泛應用。”徐建鴻告訴記者。

 

 

　　河北工業(yè)大學化工學院教授張月成認為，微反應技術是減少廢液排放、強化過程安全、降低能源消耗的一種有效途徑。對于18類重點監(jiān)管危險工藝中的大部分工藝，采用微反應技術能夠很好地實現(xiàn)本質(zhì)安全。模塊化、智能化、靈活的連續(xù)流微反應工藝結合了連續(xù)反應和間歇反應的優(yōu)點，促使化學反應能做到更快；反應器中停留的化學品量很少，易于控制，促使化學化工過程更安全；快速有效的混合，精確控制停留時間與反應溫度，提高了化學反應的轉(zhuǎn)化率和選擇性；同時微反應過程得到強化，減少溶劑使用量。如疊氮化反應、格氏反應、硝化反應、氧化反應、串聯(lián)反應、羥醛縮合反應等過程，均可采用連續(xù)流微反應工藝，實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、安全和環(huán)保。

 

　　中國科學院大連化學物理研究所研究員、國家自然科學杰出青年基金獲得者陳光文表示，化工過程強化技術的發(fā)展與進步給相關的化工行業(yè)注入了新的動力和活力。微反應技術作為一種有效的過程強化技術，已在國內(nèi)外得到成功應用。在國外，德國拜耳、巴斯夫、瑞士龍沙、美國康寧等公司相繼成立了專門負責微化工技術的部門，研發(fā)并推廣其微型化工設備產(chǎn)品。在國內(nèi)，大連化物所開發(fā)的微通道反應技術已實現(xiàn)8萬噸/年磷酸二氫銨生產(chǎn)的工業(yè)運行、5000噸/年氫氧化鎂阻燃劑中試和萬噸級石油磺酸鹽生產(chǎn)的工業(yè)示范運行試驗；清華大學化學工程聯(lián)合國家重點實驗室借鑒膜乳化技術，成功開發(fā)出萬噸級膜分散微結構反應器制備單分散納米碳酸鈣和15萬噸/年的濕法磷酸凈化的工業(yè)裝置。這些充分證明了微化工技術在工業(yè)規(guī)模應用上的可行性和優(yōu)越性。

 

 

　　陳光文表示，盡管近十幾年來，微化工技術的發(fā)展非常迅速，但也要清醒地認識到，雖然對于某些反應過程，微反應器是首選的裝置，但仍然有一部分反應不適合在微化工系統(tǒng)內(nèi)進行。微化工技術作為一個新興領域，尚有許多問題亟待深入研究，如微反應系統(tǒng)的結構優(yōu)化設計和先進制造技術、系統(tǒng)自動控制技術以及微反應器防腐防堵塞技術、工業(yè)化應用等問題。“微反應器的應用是有條件的，這與化學反應原理，以及對溫度和流速等反應條件的控制緊密相關，并非只要使用了微反應器就能夠提高生產(chǎn)效率、選擇性更好、減少‘三廢’、無安全問題。”馬兵強調(diào)。

 

　　“這需要相關企業(yè)進行深入實質(zhì)性合作，針對不同類型的化工過程或反應類型開展長周期的工業(yè)應用示范運行，積累經(jīng)驗，為微化工技術的設計、放大與運行提供理論依據(jù)。”陳光文表示，“十三五”時期，要加強力量攻克微反應技術難點，相關企業(yè)需要大力加強微化學工程與技術的基礎與應用基礎研究，解決微化學工程與技術領域的關鍵共性科學問題。在國家層面上，應加大力度向企業(yè)推薦推廣微反應技術等可實現(xiàn)化工過程強化、過程安全和節(jié)能減排等先進的化工技術。（記者 耿明月）

 

　　轉(zhuǎn)自：中國化工報