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北極星水處理網訊:摘要：化工過程強化技術被認為是解決化學工業「高能耗、高汙染和高物耗」問題的有效技術手段，可望從根本上變革化學工業的面貌。經過多年的基礎研究和技術開發 ，我國在化工過程強化技術方面形成了自己的特色與優勢。本文綜述了我國在超重力技術、膜過程耦合技術、微化工技術、磁穩定床技術、等離子體技術、離子液體技術、超臨界流體技術 、微波輻射技術等典型過程強化技術方面的進展。
關鍵詞：化工過程強化；超重力；膜過程耦合；微化工；
引言
化學工業是我國國民經濟的支柱產業，為我國社會經濟發展和國防建設提供了重要基礎材料和能源 ，創造了高達20％的 GDP，約佔工業總產值的30％。但同時它也是我國工業汙染的主要來源和能源消耗大戶之一，其廢水排放量居全國工業廢水排放總量之首位 ，約佔1 9％，能源消費量約佔全國能源消費總量 的 16％。與發達國家相比，我國的化學工業存在「高能耗 、高汙染和高物耗」的現實問題 ，嚴重製約著我國化學工業的可持續發展。
20世紀 90年代中期，國際上出現的以節能、降耗 、環保、集約化為目標的化工過程強化技術，是可望解決化學工業「高能耗、高汙染和高物耗」問題的最有效技術手段之一，被歐美等發達國家列為當前化學工程優先發展的三大領域之一。化工過程強化技術是指瓶頸過程中的混合 、傳遞或反應過程速率顯著提升和系統協調 ，大幅度減小。化工過程的設備尺寸 ，簡化工藝流程 ，減少裝置數量，使單位能耗 、廢料 、副產品顯著減少的新技術 。
1 超重力強化技術
1．1超重力技術簡介
所謂超重力指的是在比地球重力加速度 (9.8 m2／s)大得多的環境下物質所受到的力。在地球上， 實現超重力環境的簡便方法是通過旋轉產生離心力而模擬實現。這樣的旋轉設備被稱為超重力機。
在超重力環境下，不同物料在複雜流道中流動接觸，強大的剪切力將液相物料撕裂成微小的膜、 絲和滴 ，產生巨大和快速更新的相界面 ，使相傳質速率比在傳統的塔器中提高 1～3個數量級，分子混合和傳質過程得到高度強化。同時，氣體的線速度也可以大幅度提高，這使單位設備體積的生產效率提高 1～2個數量級，設備體積可以大幅縮小。因此，超重力技術被認為是強化傳遞和多相反應過程的一項突破性技術。
1．2 超重力技術的應用
我國超重力技術的研究已在世界上處於領先地位。1994年北京化工大學陳建峰等發現了超重力環境下微觀分子混合強化百倍特徵現象，據此原創性提出了超重力強化分子混合與反應結晶過程的新思想與新技術。隨後進行了成功的工業化開發 ，建立了 8條超重力法製備納米顆粒的工業生產線 ， 其中納米碳酸鈣 (平均粒徑 30nm)生產線產能達到1萬噸／年，產品遠銷歐美等國家和地區。這一進展被國際評論為 「應用於固體合成發展歷史上的一個重要裡程碑 」。陳建 峰課題組還將超重力技術成功應用於寧波萬華聚氨酯有限公司等的二苯甲烷二異氰酸酯 (MDI)生產過程 。技術改造後使其產能從16萬噸 ／年提高到30萬噸／年 ，過程節能30％，產品雜質顯著下降，技術推廣應用後MDI總產能達到90萬噸／年。超重力技術還被用於納米藥物 (5000噸／年 )、 納米分散體、丁基橡膠等產品的製備或生產中以及碳纖維、生物可降解高分子等高黏體系的脫揮等工業過程 。工業實踐已充分展示：超重力技術具有顯著的過程增產、節能減排、降耗和提升產品質量的功效。
1.3超重力技術展望
經過30年的發展 ，已證明超重力技術是一項極富前景和競爭力的過程強化技術，具有微型化、 高效節能、產品高質量和易於放大等顯著特徵 ，符合當代過程工業向資源節約型、環境友好型模式轉變的發展潮流。超重力強化技術在傳質和／或分子混合限制的過程及一些具有特殊要求的工業過程 (如高黏度、熱敏性或 昂貴物料的處理)中具有突出優勢 ，可廣泛應用於吸收、解吸、精餾、聚合物脫揮、乳化等 單元操作過程及納米顆粒的製備、磺化、聚合等反 應過 程和 反應 結 晶過程 。
2膜過程耦合技術
膜分離技術是多學科交叉結合、相互滲透 的產 物，特別適合於現代工業對節能、低品位原材料再 利用和消除環境汙染的需要，成為實現經濟可持續發展戰略的重要組成部分。近年來，膜及膜技術的研究推動了膜過程耦合技術的發展 ，如將膜分離技術與反應過程結合起來，形成新的膜耦合過程，已經成為膜分離技術的發展方向之一 。基於膜材料的設計與製備、膜反應器的開發、膜過程的模型與實驗研究等方面的研究， 目前我國已成功開發出成套的反應一膜分離耦合系統，並在化工與石油化工、生物化工等領域得到了推廣應用。隨著研究的深入，膜過程與其它單元操作過程相耦合 ，如結晶、反應精餾 、萃取等。將膜過程與其它過程有機結合形成新的膜耦合過程，不僅能降低設備投資與能耗 ，而且能提高過程效率。耦合過程中存在諸多的科學與技術難題，關鍵是如何運用化學工程的理論和方法及材料科學與技 術 ，研究耦合過程的協調機理，實現物質傳遞與反應過程的匹配和調控 ，形成過程耦合強化基礎理論 ，實現耦合系統的高效運行 。
3微化工技術
微化學工程與技術是化工學科前沿 ，以微反應器 、微混合器、微分離器、微換熱器等設備為典型代表，著重研究微時空尺度下 「三傳一反」特徵與規律；採用精細化、集成化的設計思路，力求實現過程高效、低耗、安全、可控的現代化工技術，成為國內外學術界和工業界的研究熱點。微化工系統是指通過精密加工製造的帶有微結構 (通道、篩孔及溝槽等 )的反應、混合、換熱、分離裝置，在微結構的作用下可形成微米尺度分散的單相或多相體系的強化反應和分離過程。與常規尺度系統相比，具有熱質傳遞速率快、內在安全性高、過程能耗低、集成度高、放大效應小、可控性強等優點，可實現快速強放／吸熱反應的等溫操作、兩相問快速混合、易燃易爆化合物合成 、劇毒化合物的現場生產等，具有廣闊的應用前景 。
3.1 微化工技術的基礎研究
最近十年是微化工技術 的快速發展期 ，國內外研究者們開發了多種新型微化工設備。通過對其內部微結構構型、特徵尺度及表／界面效應的研究，為從新視角認識微化工過程共性規律和實現微尺度下 「三傳一反」耦合過程的理性解耦和建立微化學工程理論體系提供了借鑑與指導。在微尺度下幾種流體作用力的競爭下，微化工設備內存在擠出、滴 出、射流和層流等 4種分散流型，比傳統化工設備 中的分散尺度小 1～2個量級。由於多相體系內存在環流與界面擾動等現象，可加快物流、熱流的遷移速度，強化微設備內的熱質傳遞效果，結果表明氣．氣一 液一液及液一液一固體系的體積傳質係數 (Ka)均比傳統設備高 1～2 個量級以上 ，單臺設備內傳質效率可達90％以上，而體積傳熱係數也可提高 1～2個量級。
3.2 對微化工技術的展望
微化工技術經過10多年的研發與宣傳推廣工作，很多傳統化工觀念也正發生改變 ，人類對多相 流體系的認識也逐漸 由米、毫米 向微米 、亞微米過渡，隨著對微尺度下多相流動、混合、傳遞和反應過程的基本規律被不斷揭示，新型化工設備的不斷發展，過程的綠色、安全和高效有望實現。微化工技術的成功開發與應用將會改變現有化工設備的性能、體積、能耗和物耗，將是現有化工技術和設備製造的一項重大突破 ，也將會對整個化學化工領域產 生重 大影 響 。
作為一個新興學科方向，有許多問題尚待深入研究。如微設備內複雜的多相流行為及調控規律：包括微分散的內在機理及物理模型的建立，多相流體的表界面性質 、傳遞規律、混合特性；微尺度下動態界面行為，發展新型測試技術和方法 (無接觸測量技術)；發展新型的微化工設備和工藝；微反應器中納米催化劑的制各及反應特性與規律；微反應器的結構優化設計、並行放大規律與系統集成；微換熱器的整體性能與結構優化等。
4磁穩定床技術
4.1 磁穩定床簡介
磁穩定床是磁流化床的特殊形式 ，它是在軸向、不隨時間變化的空間均勻磁場下形成的只有微弱運動的穩定床層 ，床層表現為固定床形式 ，當有流體流過時床層像活塞一樣膨脹 ，床層疏鬆、穩定 、無氣泡 ，這種膨脹的流化床就是磁穩定床 。磁穩定床兼有固定床和流化床的許多優點。磁穩定床較好地克服 了流化床反應器因其返混嚴重而使轉化率偏低 、顆粒容易被帶出的缺點，而且顆粒的裝卸非常便利；磁場的作用能有效地控制相間返混 ，均勻的空隙度又使床層內部不易出現溝流 ；磁穩定床彌補了固定床反應器使用小粒子時導致的壓 降過大、放熱反應容易出現局部熱點的缺點；同時磁穩定床可以在較寬範圍內穩定操作，還可以充分破碎氣泡改善相問傳質 。磁穩定床是不同領域知識結合形 成新思想的典範 ，是種新型的床層形式。
4．2磁穩定床的工業應用
目前磁穩定床在石油化工、生物化工和環境工程等領域較常規流化床反應器和固定床反應器 已顯示出很大 的優越性，今後還將在納米催化、生物製藥等領域獲得廣泛的應用。石油化工科學研究院與中石化巴陵分公司合作進行的磁穩定床己內醯胺加氫精制研究取得了突破性進展。以非晶態合金為催化劑 ，在磁穩定床反應器中對 30％的己內醯胺水溶液進行加氫精制，與工業上常用的釜式反應器相比，加氫效果提高10~50倍 ，催化劑耗量可以降低 70％，經濟效益顯著 。目前，磁穩定床己內醯胺加氫精制新技術已在石家莊化纖有限責任公司成功實現工業化應用
4.3 磁穩定床技術的問題與展望
磁穩定床反應器的應用目前也存在一些限制，尚需在下列領域繼續深入開展研究工作。① 研製開發磁性催化劑。催化劑應具有良好的鐵磁性，在磁場中易於磁化，去掉磁場時催化劑剩磁應較少 。催化劑應具有良好的低溫反應活性。②均勻穩定磁場的放大及磁穩定床反應器的工程放大。③由於磁穩定床特殊性，必需找到床層狀態與磁場、催化劑物性、流體流量之問的定量關係。④ 磁穩定床的理論研究有待進一步加深 。今後還應在局部流體力學性能、傳熱特性和傳熱機理、傳質機理及反應器模型等方面進行更為深入的研究。
5等離子體技術
等離子體即電離氣體，是電子、離子、原子、分子或 自由基等粒子組成的集合體，通常通過外加電場使氣體分子離解或電離產生。無論氣體是部分電離還是完全電離 ，其中的正電荷總數和負電荷總數在數值上總是相等的。按等離子體中帶電粒子 能量 (通常用電子溫度表示 )的相對高低 ，可將等離子體分為：高溫等離子體，即電子溫度在數十電子伏特 (1eV=l1600K)以上的等離子體 ；低溫等離子體 ，即電子溫度在數十電子伏特以下的等離子 體 。
5．1 等離子體強化化工過程技術進展
等離子體富含的各種粒子等幾乎都為活潑的化學活性物質。等離子體特別適合於一些熱力學或動力學不利的反應等，可以非常有效地活化一些穩定的小分子，如 甲烷、氮 和二氧化碳 ，甚至可以使一些反應的活化能變為負值。這一特點使得等離子體在一些特 殊無機物 (如金屬氮化物 、金屬磷化物、金屬碳化物 、人造金 剛石等 )合成強化方面得到 泛的應用 。尤其在冷等離子體制氫方面 ，由於冷等離子體啟動方便、可以在室溫下操作、機動性好等優點，被認為是為燃料電池等供氫的優選方案 。
等離子體目前在有機合成反應強化方面的優勢目前還不顯著。多數有機反應熱力學不存在困難， 等離子體轉化僅針對有限的幾個相對惰性的小分子，如甲烷、二氧化碳。等離子體有機反應產物大多數要比反應物活潑，因此二次反應大量存在，如果停留時間長，等離子體有機反應多以鏈反應方式進行，甚至形成焦油類大分子，單一目標產物選擇性低。需要加強等離子體發生方式的創新研究，使得等離子體由傳統的宏觀、微觀尺度意義上的發生過程轉變到納米尺度，從而能夠以高能效的振動激發模式活化分子，從根本上提高等離子體有機合成 反應的能效。這一方面 的研究還需要 加強與物理、電子器件等方面的多學科合作，以期儘快取得突破。
5．2 等離子體技術的問題與展望
為解決制約等離子體強化化工過程進一步快速發展的瓶頸問題 ，需要加強以下等離子體相關基礎研究。①等離子體總體物理、化學性質與等離子體各組成組分物理、化學性質關係 。②等離子體相關多尺度結構及其傳遞與反應特性。隨著等離子體相關多尺度結構及其傳遞與反應特性研究的進展， 傳統等離子體定義和方法不一定能適應發展要求，但要在理論方面取得實質突破，在熱力學和動力學兩方面都還存在相當大的困難。⑧實現電子溫度(能量 )、電子密度 、激發態物質能量參數 、自由基及其密度等的選擇可控是等離子體學科未來發展的必然要求。發展在線實時的等離子體診斷技術是等離子體強化化工過程發展的重要一環。等離子體強化化工過程作為一個交叉科學技術 ，為化學工作者解決目前化工生產存在的能源 、資源與環境問題提供了新方法、新思路 。等離子體強化化工過程存在大量理論和實際應用兩方面的創新發展機會，潛在的經濟效益和社會效益十分顯著 。
6離子液體技術
6．1 離子液體簡介
離子液體是指完全由可運動的陰陽離子組成的室溫液體物質，是離子存在的一種特殊形式與傳統分子溶劑和高溫融鹽相比，離子液體具有特殊的微觀結構 (如氫鍵網絡結構和不均質的團簇結構等)和複雜的相互作用力 (靜 電庫侖力、氫鍵、範德華力等 )，在實際應用中展現了其獨特的物化性質，在近二十年引起了化學化工領域專家的高度重視 。如離子液體不易揮發、液態溫度範圍寬、溶解性能好、導電性適中和電化學窗口寬，並且具有功 能可設計性和多樣性，按不同陰陽離子的排列組合， 離子液體的種類可達 1O 之多種。作為新一代的離子介質和催化體系，離子液體在化工、冶金、能源 、 環境、生物 、儲能等眾多領域逐漸展現了其驚人的應用潛 力 ，並有望取代傳統的重汙染介質和催化劑 ， 實現 21世紀新一代的綠色化學化工的產業技術革命。目前，世界各國已經投入大量的人力財力進行離子液體研究 ，努力建立一個全面系統的離子液體工業化應用平臺，儘早突破離子液體工業化進程的發展「瓶頸 」。
7超臨界流體技術
超臨界流體技術作為一種「綠色化」的過程強化方法，不僅可以大大降低化工過程對環境的汙染，而且超臨界流體的擴散係數遠大於普通溶劑，可以顯著改善傳質效果，從而提高分離、反應等化工過程的效率引。為此 ，各國紛紛投入大量人力物力對超臨界流體技術開展研究。
7．1 超臨界流體技術研究進展
早在1822年 Cagniard就發現了臨界現象的存在 ，1869年 Andrews測定了 CO2的臨界參數 ，1879 年 Hanny和 Hogarth發現超臨界流體對固體具有溶解能力，為超臨界流體技術應用提供了依據 。雖然從發現臨界現象至今已有一百多年的歷史 ，但其迅猛發展只是近三十多年的事情。隨著近年來理論和應用研 究的深入開展 ，超臨界流體已廣泛應用於萃取、反應、造粒、色譜、清洗等技術過程，並在化工、醫藥、食品、環保、材料等領域顯示出廣闊的應用前景。
7．1．1 超臨界流體萃取
超臨界流體萃取技術是研究最多的一種 。前期 研 究主要側 於理論方面 ，包括對超臨界流體密度和黏度等的測定和關聯 、對超臨界狀態下相平衡數據的測定和熱力學模型的建立、對超臨界狀態下萃取過程傳質動力學的研究等。近年來許多研究者還從微觀上研究了超臨界狀態下的分子相互作用 ，嘗試從分子水平上解釋選擇性的機理 。在應用方面 ，超臨界流體萃取技術主要用於天然產物中有效成分的提取，也可用於金屬離子和農藥等痕量組分的脫除。
7．1．2 超臨界流體化學反應
超臨界流體化學反應是以超臨界流體作為反應介質或作為反應物的反應 ，超臨界流體的獨特性質使其在反應速率、收率和轉化率、催化劑活性和壽命及產物分離等方面較傳統方法均有顯著改善。超臨界 CO2中的化學反應包括氧化、加氫、烷基化、羰基化、聚合和酶催化反，研究者不僅從理論上對反應機理和反應動力學，反應體系相行為和分子間相互作用對反應的影響等進行 了廣泛的研究 ，而且進行了產業化探 索，如杜邦公司年產 1100t含氟聚合物的超臨界反應裝置 己正式投產 。超臨界水氧化反應可用於有毒廢水、有機廢棄物等的治理，是一種前沿性的環保技術 ，目前在國內外均已實現工業化 。此外 ，由於當前的能源危機 ，超 (近 )臨界水中生物質的轉化反應也引起了人們的重視 ，但目前這方面 的研究尚處於初級階段 。
7．1．3 超臨界流體的其它應用
超臨界流體結晶技術可用於製備藥物、聚合物、催化劑等的超細顆粒。超臨界流體色譜技術特別適合於手性藥物或天然產物等高附加值物質的分離。此外，超臨界流體技術還可用於半導體的清洗、 紡織品印染等多個領域。
8微波技術
8．1 微波場強化質量傳遞和化學反應的原理
微波是頻率在300MHz~300GHz，即波長在1mm～100cm範圍內的一種電磁波。微波能強化質量傳遞和化學反應 ，一般認為是基於微波的熱效應和非熱效應 。微波加熱的方式主要源於物質內部分子吸收電磁能後所產生數十億次的偶極振動而產生的大量熱能來實現的，即 「內加熱」。這種由分子間振動所產生的「內加熱 」能將微波轉變為熱能，可以直接激發物質問的反應。與常規的加熱相比，微波具有加熱速度快、均勻、無溫度梯度存在、能瞬時達到高溫、熱量損失小等優勢 。此外，不的物質具有不同的電介質性質 ，從而有不同的吸收微波能力，這特徵又使微波輻射具有選擇性加熱特點。此外，微波還存在非熱效應。當把物質置於微波場，其電場能使分子極化，其磁場力又能使 這些帶 電粒子遷移和旋轉，加劇了分子間的擴散運動 ，提高了分子的平均能量，降低了反應的活化能，可大大提高化學反應速度。
8．1．1 微波輻射強化傳質過程
微波場可以有效提高物質的傳輸和擴散。實驗表明：微波輻射使色譜流出峰變陡和增高，提高物質穿透色譜柱的速度，這是由於微波輻射激發了物質分子的極化從而加快分子的傳遞速度 。應用微波場強化蒸汽提取香精油的分離過程，在微波蒸汽擴散提取過程中，傳質係數是傳統蒸汽提取過程中的6倍。
8．1．2 微波輻射強化化學反應
微波技術可以加快化學反應速率，改變化學反應歷程，獲得新的反應產物，實現某些常規方法不能進行的反應。目前 ，微波輔助合成已成功應用於烷 基化、皂化 、烯烴加成 、磺化 、氧化 環合以及負碳離子縮合等諸多反應
8．1。3 微波輻射在微晶合成上的應用
在晶體的合成方面，由於微波具有選擇性加熱的特點 ，能夠製備超細粉末而又避免傳統加熱常引起的團聚，有利於形成粒徑分布窄、形態均一的納米粒子 。
9結 語
我國化學工業迫切需要向資源節約型和環境友好型發展模式轉變，而針對複雜化工體系利用過程強化技術來推動和促進這一轉變過程則是化學工業的必由之路。通過過程強化技術開發新型、高效的生產工藝，或對傳統工藝進行改 造和升級，使過程的能耗、物耗和廢物排放大幅度減少，必將從根本上變革化學工業的面貌。
我國的化工過程強化技術近年來雖然取得了長足的進步，但仍然存在某些需要重視的問題：① 針對我國資源和化工行業特點的原創性的過程強化工藝技術不足 ，缺乏對行業發展具有重要意義的創新技術和成果 ；②對複雜體系的本徵規律有待進一步的認識 ；尚缺 乏完善的理論體系指導化工過程強化技術的開發 ；③與化學、材料 、機械 、信息等學科的融合不足也制約了化工過程強化技術的發展 。相信隨著化學工業的發展，在學術界和工業界 的共同努力下，經過長期基礎研究的積累，這些問題將逐漸得以克服，使我國的化工過程強化技術邁上一個新的水平。
原標題:面向未來的化工創新技術：微化工、超重力、超臨界、膜過程耦合……
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