我國(guó)化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)理論與應(yīng)用研究進(jìn)展探討

摘要：化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)是節(jié)能減排的重要途徑。文章簡(jiǎn)要介紹了化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)途徑，闡述了靜態(tài)混合反應(yīng)器、膜催化反應(yīng)器、反應(yīng)蒸餾、超臨界萃取和超聲波反應(yīng)器等化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)?；み^(guò)程的最終目標(biāo)是將原材料全部轉(zhuǎn)換為符合要求的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的零排放。

關(guān)鍵詞：化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)；化工裝置；化學(xué)反應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）29-0005-02

“十二五”期間國(guó)家制定了節(jié)能減排的目標(biāo)，化工界刮起了一陣低碳經(jīng)濟(jì)節(jié)能減排的熱風(fēng)。如何在化工生產(chǎn)過(guò)程中有效地降低能耗，是科學(xué)家、工程師以及化工企業(yè)管理者的共同目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們既可以從化學(xué)反應(yīng)本身入手，尋找新的催化劑和工藝過(guò)程，也可以從反應(yīng)器和設(shè)備入手，采用新的技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)化工過(guò)程的強(qiáng)化。其中，化工過(guò)程強(qiáng)化是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過(guò)程節(jié)能減排、降低能耗的有效手段。

1 超重力強(qiáng)化技術(shù)

1.1 超重力技術(shù)概述

超重力是指在比地球重力加速度大得多的環(huán)境下物質(zhì)所受到的力。地球環(huán)境下，可采用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力的方式實(shí)現(xiàn)超重力，其中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的設(shè)備有旋轉(zhuǎn)填充床及超重力機(jī)等?？偨Y(jié)而言，超重力技術(shù)常被視為用于強(qiáng)化傳遞與多相反應(yīng)過(guò)程的一項(xiàng)突破性技術(shù)。

1.2 超重力技術(shù)的理論研究

自21世紀(jì)以來(lái)，越來(lái)越多知名學(xué)者置身于超重力技術(shù)理論研究中，分析發(fā)現(xiàn)，這些學(xué)者大都圍繞超重力環(huán)境的“三傳一反”規(guī)律為中心開(kāi)展超重力技術(shù)理論研究，具體體現(xiàn)在：鄭沖基于前人研究成果之上構(gòu)建填料空間內(nèi)飛行液滴、液膜及夜線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)與傳質(zhì)方程；陳建峰等人圍繞RPB內(nèi)水脫氧過(guò)程開(kāi)展傳質(zhì)模型化研究，同時(shí)對(duì)液相傳質(zhì)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理計(jì)算，之后構(gòu)建起完整的便液滴傳質(zhì)模型；此外，陳建峰組織成立課題組，并帶領(lǐng)課題組成員對(duì)RPB中的分子混合性能開(kāi)展系統(tǒng)性研究，同時(shí)借助偶氮化反應(yīng)體系分析歸納超重力環(huán)境下的分子混合規(guī)律，并依托于聚并-分散模型反映RPB內(nèi)的分子混合情況。

1.3 超重力技術(shù)的應(yīng)用

與其他國(guó)家相比，我國(guó)關(guān)于超重力技術(shù)的研究與應(yīng)用相對(duì)成熟。1994年，陳建峰教授最早開(kāi)展超重力技術(shù)研究，并借助相關(guān)設(shè)備發(fā)現(xiàn)超重力環(huán)境下微觀分子混合強(qiáng)化百倍特征現(xiàn)象，此外陳建峰敢于突破傳統(tǒng)思想的束縛，指出超重力強(qiáng)化分子混合與反應(yīng)結(jié)晶過(guò)程的新技術(shù)和新思想，隨后超重力技術(shù)正式引入我國(guó)工業(yè)化生產(chǎn)中，為提高我國(guó)工業(yè)化生產(chǎn)效率，增強(qiáng)我國(guó)工業(yè)化生產(chǎn)質(zhì)量發(fā)揮了重要積極效應(yīng)。

另外，陳建峰還將超重力技術(shù)引入二苯甲烷二異氰酸脂生產(chǎn)過(guò)程中，自此以后相同時(shí)間內(nèi)，二苯甲烷二異氰酸脂生產(chǎn)產(chǎn)量由16萬(wàn)噸/年增加至30萬(wàn)噸/年，并且二苯甲烷二異氰酸脂生產(chǎn)能源消耗量也下降了30%。由此可見(jiàn)，超重力技術(shù)不僅具有增產(chǎn)降耗的作用，而且還能夠起到良好的節(jié)能減排效應(yīng)。

2 微化工技術(shù)

2.1 微化工技術(shù)的基礎(chǔ)研究

近年來(lái)，我國(guó)微化工技術(shù)突飛猛進(jìn)發(fā)展，相繼出現(xiàn)諸多新型微化工設(shè)備，其中很多學(xué)者集中于微結(jié)構(gòu)構(gòu)型、特征尺度及表/界面效應(yīng)等方面進(jìn)行微化工技術(shù)的基礎(chǔ)研究，為我國(guó)微化工技術(shù)的發(fā)展具有顯著推動(dòng)意義。

微尺度下幾種流動(dòng)作用力競(jìng)爭(zhēng)背景下，微化工設(shè)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(tǒng)化工設(shè)備中的分散尺度小1～2個(gè)量級(jí)。同時(shí)，受多相體系內(nèi)環(huán)流與界面擾動(dòng)等現(xiàn)象的影響，致使物流、熱流遷移速度大大較快，使得微設(shè)備內(nèi)的熱質(zhì)傳遞效果更為顯著。通過(guò)分析這一現(xiàn)象可得出結(jié)論，氣-液、液-液、氣-液-液及液-液-固體系的傳質(zhì)系數(shù)均高于傳統(tǒng)設(shè)備1～2個(gè)量級(jí)，單臺(tái)設(shè)備內(nèi)傳質(zhì)Murphee效率高于90%，可對(duì)體積傳熱系統(tǒng)提高1～2個(gè)量級(jí)。

2.2 微化工技術(shù)的應(yīng)用研究

微分散設(shè)備內(nèi)制備納米碳酸鈣技術(shù)已成功應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，這一舉措為工業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)每年新增利潤(rùn)高達(dá)千萬(wàn)元；另外，中科院構(gòu)建了集混合、反應(yīng)、換熱于一體的微化工系統(tǒng)，并將其投入碳酸二氫銨工業(yè)生產(chǎn)中，這樣以來(lái)既解決了碳酸二氫銨工業(yè)生產(chǎn)中的安全、環(huán)保問(wèn)題，而且還為kW級(jí)PEMFC用微型氫源系統(tǒng)的形成提供了有力支持。分析發(fā)現(xiàn)，微化工系統(tǒng)具備一系列優(yōu)點(diǎn)，包括體積小、過(guò)程易控、移熱速度快、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、零排放等。

3 離子液體技術(shù)

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(yùn)動(dòng)的陰陽(yáng)離子構(gòu)成的室溫液體物質(zhì)。隨著化工技術(shù)快速發(fā)展，離子液體越來(lái)越深受化學(xué)化工領(lǐng)域?qū)W者的重視，并投入大量的時(shí)間與精力用于研究離子液體不易揮發(fā)、溶解性能好、導(dǎo)電性適中等問(wèn)題。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，離子液體具有良好的市場(chǎng)前景，其能夠替代傳統(tǒng)重污染介質(zhì)與催化劑，并有望成為推動(dòng)21世紀(jì)新一代綠色化學(xué)化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命的重要?jiǎng)恿Α?/p>

3.2 離子液體的基礎(chǔ)理論

截止當(dāng)前，國(guó)內(nèi)關(guān)于離子溶液的研究已近百年，并構(gòu)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(guó)內(nèi)化學(xué)化工領(lǐng)域?qū)W者對(duì)離子液體微觀結(jié)構(gòu)與物化性質(zhì)的認(rèn)識(shí)仍處于模糊不清狀態(tài)，以此成為離子液體工業(yè)應(yīng)用發(fā)展的重要影響因素。其中不少學(xué)者借助量子化學(xué)與分子模擬相結(jié)合的方法對(duì)離子液體體系的微觀結(jié)構(gòu)與其性能間的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性研究，結(jié)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(duì)于氫鍵作用而言，能夠跨越單個(gè)離子、離子簇及離子對(duì)形成三維擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而造成離子液體局部結(jié)構(gòu)不均一性，以此對(duì)離子液體反應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。除此之外，還存在諸多學(xué)者從多個(gè)方面研究離子液體基礎(chǔ)理論，為推動(dòng)離子液體的發(fā)展發(fā)揮著重要意義。

3.3 離子液體在工業(yè)中的應(yīng)用

隨著我國(guó)對(duì)離子液體相關(guān)性研究不斷加強(qiáng)，促使離子液體研究逐漸趨于工業(yè)應(yīng)用階段發(fā)展，我國(guó)已形成數(shù)十家單位或企業(yè)專(zhuān)門(mén)研究離子液體，其中河南利華、蘭州凱迪等企業(yè)已從事離子液體研究多年，并成功推出多種離子液體產(chǎn)品。21世紀(jì)初，我國(guó)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(jié)省了成本，又規(guī)避了大污染、大腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。此外，離子液體還在三聚甲醛工業(yè)生產(chǎn)、肉硅酸工業(yè)生產(chǎn)等環(huán)節(jié)中得到廣泛應(yīng)用。

4 超聲波反應(yīng)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(yīng)，如機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)、熱效應(yīng)、微擾效應(yīng)等，廣泛應(yīng)用于化工、冶金、材料、食品環(huán)境等各行業(yè)。對(duì)化工過(guò)程，超聲波的特殊效應(yīng)可強(qiáng)化制粒過(guò)程、提取過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程、流體力學(xué)過(guò)程、質(zhì)量傳遞過(guò)程和熱量傳遞過(guò)程等，它不僅加快了化工過(guò)程的反應(yīng)速度，而且可以改變化學(xué)反應(yīng)方向，因此超聲波技術(shù)是一門(mén)很有潛力的學(xué)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(xì)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(qiáng)化萃取、超濾等提取過(guò)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?xì)浠衔铮馆腿r(shí)間從原來(lái)的48h縮短到5h并且收率超過(guò)80%。因此，利用開(kāi)發(fā)超聲波的特殊效應(yīng)將會(huì)使許多化工生產(chǎn)過(guò)程得到強(qiáng)化。

超聲波在液體中可以產(chǎn)生微小的空穴?？昭ㄔ诒帕训乃查g產(chǎn)生高溫和高壓而形成特殊的環(huán)境，并由此引起流體劇烈震動(dòng)，使超聲波反應(yīng)器可以顯著加快某些化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)速率的提高可達(dá)到幾倍到幾百倍。

5 結(jié)語(yǔ)

近些年來(lái)，化工過(guò)程強(qiáng)化越來(lái)越受到人們的重視。展望未來(lái)，會(huì)有更多的工藝過(guò)程通過(guò)化工強(qiáng)化來(lái)大幅度減少設(shè)備體積、節(jié)省投資、降低能耗和減少環(huán)境污染。這樣才符合節(jié)能減排、低碳環(huán)保的科學(xué)理念，才能滿(mǎn)足生態(tài)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的要求。

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