我國化工過程強化技術理論與應用研究進展探討

摘要：化工過程強化技術是節能減排的重要途徑。文章簡要介紹了化工過程強化技術及其實現途徑，闡述了靜態混合反應器、膜催化反應器、反應蒸餾、超臨界萃取和超聲波反應器等化工過程強化技術。化工過程的最終目標是將原材料全部轉換為符合要求的產品，實現生產過程的零排放。

關鍵詞：化工過程強化技術；化工裝置；化學反應

中圖分類號：TQ02 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）29-0005-02

“十二五”期間國家制定了節能減排的目標，化工界刮起了一陣低碳經濟節能減排的熱風。如何在化工生產過程中有效地降低能耗，是科學家、工程師以及化工企業管理者的共同目標。為了實現這一目標，我們既可以從化學反應本身入手，尋找新的催化劑和工藝過程，也可以從反應器和設備入手，采用新的技術和設備，實現化工過程的強化。其中，化工過程強化是實現化工生產過程節能減排、降低能耗的有效手段。

1 超重力強化技術

1.1 超重力技術概述

超重力是指在比地球重力加速度大得多的環境下物質所受到的力。地球環境下，可采用旋轉產生離心力的方式實現超重力，其中進行旋轉的設備有旋轉填充床及超重力機等?？偨Y而言，超重力技術常被視為用于強化傳遞與多相反應過程的一項突破性技術。

1.2 超重力技術的理論研究

自21世紀以來，越來越多知名學者置身于超重力技術理論研究中，分析發現，這些學者大都圍繞超重力環境的“三傳一反”規律為中心開展超重力技術理論研究，具體體現在：鄭沖基于前人研究成果之上構建填料空間內飛行液滴、液膜及夜線的運動與傳質方程；陳建峰等人圍繞RPB內水脫氧過程開展傳質模型化研究，同時對液相傳質系統進行科學合理計算，之后構建起完整的便液滴傳質模型；此外，陳建峰組織成立課題組，并帶領課題組成員對RPB中的分子混合性能開展系統性研究，同時借助偶氮化反應體系分析歸納超重力環境下的分子混合規律，并依托于聚并-分散模型反映RPB內的分子混合情況。

1.3 超重力技術的應用

與其他國家相比，我國關于超重力技術的研究與應用相對成熟。1994年，陳建峰教授最早開展超重力技術研究，并借助相關設備發現超重力環境下微觀分子混合強化百倍特征現象，此外陳建峰敢于突破傳統思想的束縛，指出超重力強化分子混合與反應結晶過程的新技術和新思想，隨后超重力技術正式引入我國工業化生產中，為提高我國工業化生產效率，增強我國工業化生產質量發揮了重要積極效應。

另外，陳建峰還將超重力技術引入二苯甲烷二異氰酸脂生產過程中，自此以后相同時間內，二苯甲烷二異氰酸脂生產產量由16萬噸/年增加至30萬噸/年，并且二苯甲烷二異氰酸脂生產能源消耗量也下降了30%。由此可見，超重力技術不僅具有增產降耗的作用，而且還能夠起到良好的節能減排效應。

2 微化工技術

2.1 微化工技術的基礎研究

近年來，我國微化工技術突飛猛進發展，相繼出現諸多新型微化工設備，其中很多學者集中于微結構構型、特征尺度及表/界面效應等方面進行微化工技術的基礎研究，為我國微化工技術的發展具有顯著推動意義。

微尺度下幾種流動作用力競爭背景下，微化工設備中存在多種分散流型，包括擠出分散流型、滴出分散流型、射流分散流型及層流分散流型，從而能夠形成液滴或氣泡，即通常比傳統化工設備中的分散尺度小1～2個量級。同時，受多相體系內環流與界面擾動等現象的影響，致使物流、熱流遷移速度大大較快，使得微設備內的熱質傳遞效果更為顯著。通過分析這一現象可得出結論，氣-液、液-液、氣-液-液及液-液-固體系的傳質系數均高于傳統設備1～2個量級，單臺設備內傳質Murphee效率高于90%，可對體積傳熱系統提高1～2個量級。

2.2 微化工技術的應用研究

微分散設備內制備納米碳酸鈣技術已成功應用于工業化生產，這一舉措為工業化生產企業每年新增利潤高達千萬元；另外，中科院構建了集混合、反應、換熱于一體的微化工系統，并將其投入碳酸二氫銨工業生產中，這樣以來既解決了碳酸二氫銨工業生產中的安全、環保問題，而且還為kW級PEMFC用微型氫源系統的形成提供了有力支持。分析發現，微化工系統具備一系列優點，包括體積小、過程易控、移熱速度快、產品質量穩定、零排放等。

3 離子液體技術

3.1 離子液體概述

離子液體作為離子存在的一種特殊形式，指的是完全由可運動的陰陽離子構成的室溫液體物質。隨著化工技術快速發展，離子液體越來越深受化學化工領域學者的重視，并投入大量的時間與精力用于研究離子液體不易揮發、溶解性能好、導電性適中等問題。通過研究發現，離子液體具有良好的市場前景，其能夠替代傳統重污染介質與催化劑，并有望成為推動21世紀新一代綠色化學化工產業技術革命的重要動力。

3.2 離子液體的基礎理論

截止當前，國內關于離子溶液的研究已近百年，并構建起特有的理論研究框架，然而受多方面原因的影響，致使國內化學化工領域學者對離子液體微觀結構與物化性質的認識仍處于模糊不清狀態，以此成為離子液體工業應用發展的重要影響因素。其中不少學者借助量子化學與分子模擬相結合的方法對離子液體體系的微觀結構與其性能間的關系進行相關性研究，結果顯示，離子液體體系中除涉及靜電力外，還存在氫鍵與范德華力之間的相互作用，對于氫鍵作用而言，能夠跨越單個離子、離子簇及離子對形成三維擴展網絡結構，從而造成離子液體局部結構不均一性，以此對離子液體反應產生顯著影響。除此之外，還存在諸多學者從多個方面研究離子液體基礎理論，為推動離子液體的發展發揮著重要意義。

3.3 離子液體在工業中的應用

隨著我國對離子液體相關性研究不斷加強，促使離子液體研究逐漸趨于工業應用階段發展，我國已形成數十家單位或企業專門研究離子液體，其中河南利華、蘭州凱迪等企業已從事離子液體研究多年，并成功推出多種離子液體產品。21世紀初，我國正式將離子液體引入清潔工藝中，即由離子液體代替硫酸或氫氟酸，這樣既節省了成本，又規避了大污染、大腐蝕現象的發生。此外，離子液體還在三聚甲醛工業生產、肉硅酸工業生產等環節中得到廣泛應用。

4 超聲波反應器

超聲波是一種頻率高于20kHz的彈性波，由于其頻率極高，因而具有一般聲波所不具備的特殊效應，如機械效應、空化效應、熱效應、微擾效應等，廣泛應用于化工、冶金、材料、食品環境等各行業。對化工過程，超聲波的特殊效應可強化制粒過程、提取過程、化學反應過程、流體力學過程、質量傳遞過程和熱量傳遞過程等，它不僅加快了化工過程的反應速度，而且可以改變化學反應方向，因此超聲波技術是一門很有潛力的學科。超聲波的控粒作用不僅可以使大顆粒被粉碎成為高度均勻的微細顆粒，還可以使小顆粒聚集成大顆粒，以便于去除。超聲波可以強化萃取、超濾等提取過程，Mauro Mecozzi等以乙酸作為萃取劑利用超聲波輔助萃取海底淤泥中的碳氫化合物，使萃取時間從原來的48h縮短到5h并且收率超過80%。因此，利用開發超聲波的特殊效應將會使許多化工生產過程得到強化。

超聲波在液體中可以產生微小的空穴。空穴在迸裂的瞬間產生高溫和高壓而形成特殊的環境，并由此引起流體劇烈震動，使超聲波反應器可以顯著加快某些化學反應，反應速率的提高可達到幾倍到幾百倍。

5 結語

近些年來，化工過程強化越來越受到人們的重視。展望未來，會有更多的工藝過程通過化工強化來大幅度減少設備體積、節省投資、降低能耗和減少環境污染。這樣才符合節能減排、低碳環保的科學理念，才能滿足生態經濟和可持續發展的要求。

參考文獻

[1] 多項化工過程強化技術獲應用[J].河南化工，2008，

（4）.

[2] 唐黎明，郝敏.撞擊流技術在石油化工領域應用研究

進展[J].化工進展，2009，（S1）.

[3] 陳清林，陳曉暉，高學農，華賁.可逆反應過程耦合

強化策略研究[J].華北電力大學學報（自然科學

版），2007，（2）.

[4] 馬空軍，賈殿贈，孫文磊，包文忠，趙文新，靳冬

民.物理場強化化工過程的研究進展[J].現代化工，

2009，（3）.

[5] 閆蓉，仇汝臣.噴射式液液混合器與靜態混合器復合

應用研究[J].山東化工，2011，（2）.

[6] 張永強，閔恩澤，楊克勇，杜澤學.化工過程強化

對未來化學工業的影響[J].石油煉制與化工，2001，

（6）.

[7] 李敬生，沈琴，昌慶，王娟，邊選霞.超聲波對化工

過程的強化作用[J].西安建筑科技大學學報（自然科

學版），2007，（4）.

[8] 郭雨，劉有智，李裕，石國亮，董秀芳.國內過程強

化設備在超細粉體制備中的應用進展[J].化學工業與

工程技術，2005，（5）.

作者簡介：范金皓（1980—），男，山東五蓮人，山東新和成藥業有限公司工程師，研究方向：化工安全生產。