微化工：從“越大越好”到“小而高效”

　　微化工技術(shù)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(yīng)能夠顛覆傳統(tǒng)化工工藝“越大越好”的思維模式，為化學(xué)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(shè)計及設(shè)備應(yīng)用研討會上，與會專家給出的結(jié)論。

 

 

　　當(dāng)前，我國環(huán)保安全監(jiān)管日趨嚴(yán)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(shù)相比，微反應(yīng)技術(shù)可以將反應(yīng)器體積縮小1000倍，反應(yīng)器換熱效率提升1000倍，傳質(zhì)提高100倍，反應(yīng)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(yīng)，有助于化工生產(chǎn)實現(xiàn)安全、環(huán)保、高效。

 

　　清華大學(xué)化學(xué)系研究員徐建鴻教授表示，在傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)中，制藥、精細(xì)化學(xué)品和化工中間體的合成大多在間歇或半間歇釜式反應(yīng)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(yīng)器的熱質(zhì)傳遞能力較弱，導(dǎo)致其產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差、對強放熱反應(yīng)的控制能力差。而微反應(yīng)器內(nèi)部通道特征尺度在微尺度范圍（10～500μm），遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)反應(yīng)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(yīng)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(xì)化工產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)革新提供重要支撐。

 

　　“以微化工設(shè)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(yīng)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(yīng)小、可控性強等優(yōu)點，技術(shù)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(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。”徐建鴻告訴記者。

 

 

　　河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院教授張月成認(rèn)為，微反應(yīng)技術(shù)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(yīng)技術(shù)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(yīng)工藝結(jié)合了連續(xù)反應(yīng)和間歇反應(yīng)的優(yōu)點，促使化學(xué)反應(yīng)能做到更快；反應(yīng)器中停留的化學(xué)品量很少，易于控制，促使化學(xué)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(yīng)溫度，提高了化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性；同時微反應(yīng)過程得到強化，減少溶劑使用量。如疊氮化反應(yīng)、格氏反應(yīng)、硝化反應(yīng)、氧化反應(yīng)、串聯(lián)反應(yīng)、羥醛縮合反應(yīng)等過程，均可采用連續(xù)流微反應(yīng)工藝，實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、安全和環(huán)保。

 

　　中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員、國家自然科學(xué)杰出青年基金獲得者陳光文表示，化工過程強化技術(shù)的發(fā)展與進步給相關(guān)的化工行業(yè)注入了新的動力和活力。微反應(yīng)技術(shù)作為一種有效的過程強化技術(shù)，已在國內(nèi)外得到成功應(yīng)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(fù)責(zé)微化工技術(shù)的部門，研發(fā)并推廣其微型化工設(shè)備產(chǎn)品。在國內(nèi)，大連化物所開發(fā)的微通道反應(yīng)技術(shù)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(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室借鑒膜乳化技術(shù)，成功開發(fā)出萬噸級膜分散微結(jié)構(gòu)反應(yīng)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(shù)在工業(yè)規(guī)模應(yīng)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(shù)的發(fā)展非常迅速，但也要清醒地認(rèn)識到，雖然對于某些反應(yīng)過程，微反應(yīng)器是首選的裝置，但仍然有一部分反應(yīng)不適合在微化工系統(tǒng)內(nèi)進行。微化工技術(shù)作為一個新興領(lǐng)域，尚有許多問題亟待深入研究，如微反應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和先進制造技術(shù)、系統(tǒng)自動控制技術(shù)以及微反應(yīng)器防腐防堵塞技術(shù)、工業(yè)化應(yīng)用等問題。“微反應(yīng)器的應(yīng)用是有條件的，這與化學(xué)反應(yīng)原理，以及對溫度和流速等反應(yīng)條件的控制緊密相關(guān)，并非只要使用了微反應(yīng)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(guān)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(yīng)類型開展長周期的工業(yè)應(yīng)用示范運行，積累經(jīng)驗，為微化工技術(shù)的設(shè)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(yīng)技術(shù)難點，相關(guān)企業(yè)需要大力加強微化學(xué)工程與技術(shù)的基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究，解決微化學(xué)工程與技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵共性科學(xué)問題。在國家層面上，應(yīng)加大力度向企業(yè)推薦推廣微反應(yīng)技術(shù)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(shù)。（記者 耿明月）

 

　　轉(zhuǎn)自：中國化工報