微化工技術(shù)的研究與應(yīng)用

賈洪亮（鄭州幼兒師范高等專科學(xué)校，河南 鄭州 450000）

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微化工技術(shù)的研究與應(yīng)用

賈洪亮（鄭州幼兒師范高等?？茖W(xué)校，
河南 鄭州 450000）

摘要：微化工技術(shù)是近20年間興起的多學(xué)科交叉的科技前沿技術(shù)，涉及化學(xué)、材料、物理、化工、機(jī)械、電子、控制學(xué)等各種工程技術(shù)和學(xué)科。微化工技術(shù)包括微熱、微反應(yīng)、微分離、微分析等系統(tǒng)。微化工技術(shù)順應(yīng)了可持續(xù)發(fā)展與高技術(shù)發(fā)展的需要，普通化工過程通常依靠大型化來達(dá)到降低產(chǎn)品成本的目的，微化工過程則注重于高效、快速、靈活、輕便、易裝卸、易控制、易直接放大及高度集成，由于特征尺度的微型化，微化工技術(shù)的發(fā)展不僅在技術(shù)領(lǐng)域中構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)，也為科學(xué)領(lǐng)域帶來許多全新的問題，它的發(fā)展也將會(huì)對(duì)整個(gè)化工領(lǐng)域產(chǎn)生革命性影響。

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)；微化工技術(shù)；具體應(yīng)用

0 引言

我國(guó)傳統(tǒng)的化工行業(yè)需要依靠擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模來降低成本，但是微化工技術(shù)打破了這個(gè)格局，微化工的特點(diǎn)是靈活輕便，能夠極大的突破國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)工業(yè)形式，解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)中生產(chǎn)控制難度大、生產(chǎn)場(chǎng)地要求寬闊等問題，在一定程度上能夠優(yōu)化資源的配置，并保證生產(chǎn)過程中的安全可靠，同時(shí)還改善了化學(xué)反應(yīng)對(duì)環(huán)境的污染，目前微化工技術(shù)已經(jīng)開始向微化工設(shè)備開發(fā)應(yīng)用中邁進(jìn)。

1 微化工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的工作模式相比，微化工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)比較突出，是一種符合當(dāng)前工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的技術(shù)模式。下面從該技術(shù)的發(fā)展實(shí)際情況層面上入手，分別從多個(gè)角度對(duì)微化工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行闡述。

（1）微化工技術(shù)給我們最大的感受就是能顯著縮短反應(yīng)時(shí)間和縮小反應(yīng)系統(tǒng)的體積。讓反應(yīng)時(shí)間從幾小時(shí)、幾十小時(shí)縮短到幾十秒，甚至幾秒，讓體積龐大的傳統(tǒng)反應(yīng)容器瘦身至以升、毫升為單位的微反應(yīng)器。例如，德國(guó)默克公司曾通過微化工技術(shù)將格利雅試劑酮還原反應(yīng)時(shí)間從數(shù)小時(shí)降至幾秒鐘；我國(guó)中石化公司催化劑長(zhǎng)嶺分公司磷酸二氫銨生產(chǎn)微化工系統(tǒng)產(chǎn)能可達(dá)8萬噸，但系統(tǒng)中各設(shè)備的體積只有幾升。

（2）可以從根本上體現(xiàn)出精確控制化學(xué)反應(yīng)的作用?；瘜W(xué)反應(yīng)在微反應(yīng)器中的反應(yīng)時(shí)間主要體現(xiàn)在時(shí)間以及物料這個(gè)兩個(gè)層面上。并且通過與傳統(tǒng)工作模式相比較發(fā)現(xiàn)，該工作模式的優(yōu)勢(shì)比較明顯。因?yàn)閭鹘y(tǒng)化工技術(shù)在進(jìn)行化工反應(yīng)的過程中，需要將反應(yīng)進(jìn)行擴(kuò)大，并且更多的反應(yīng)時(shí)間都浪費(fèi)在時(shí)間以及物料上，時(shí)間很難計(jì)算精確，可是在微反應(yīng)工作過程中，通過單一化管道來體現(xiàn)流動(dòng)性原則，反映出流動(dòng)特性。在記錄反應(yīng)時(shí)間時(shí)，需要將記錄的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間努力精確到秒。因?yàn)樵谶M(jìn)行微化工分析的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，如果及時(shí)的吸收這些熱量，便可以保證溫度始終處在規(guī)定范圍中。這能夠有效的提高記錄數(shù)據(jù)的精確程度，也因?yàn)槲⒎磻?yīng)器自身體積比較小，可以讓化學(xué)反應(yīng)物料的使用量控制在最小的范圍內(nèi)，提高物料使用的效率，科學(xué)的減少了物料用量對(duì)工作質(zhì)量產(chǎn)生的影響，減少了誤差。

（3）適應(yīng)節(jié)能減排，綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境友好的發(fā)展趨勢(shì)。經(jīng)過多年來的不斷發(fā)展和完善，與傳統(tǒng)化工技術(shù)相比較，微化工技術(shù)使用的物料用量比較少，能有效的節(jié)約成本，減少“三廢”的排放，提高資源的利用率。微化工技術(shù)為異地危險(xiǎn)品運(yùn)輸提供了方便，由于耗費(fèi)物料少，進(jìn)而減少了運(yùn)輸量和運(yùn)輸過程中泄漏等污染問題的發(fā)生。微化工技術(shù)的發(fā)展不僅有效的提高了能源的利用率，提升了企業(yè)的日常工作效率，還在一定程度上解決了企業(yè)日常排污的問題，對(duì)保護(hù)環(huán)境也具有一定的作用，符合現(xiàn)代社會(huì)節(jié)能環(huán)保、綠色發(fā)展、環(huán)境友好的要求，也符合未來化工行業(yè)的發(fā)展方向。

（4）化學(xué)工業(yè)中的許多反應(yīng)屬?gòu)?qiáng)放熱過程，存在爆炸危險(xiǎn)。如果化學(xué)反應(yīng)過程缺少相應(yīng)的保障，則可能因?yàn)樽杂苫葐栴}產(chǎn)生爆炸，所以傳統(tǒng)工作模式下操作人員的安全保障是十分關(guān)鍵的。而采用微反應(yīng)技術(shù)可以控制自由基爆炸風(fēng)險(xiǎn)，能夠提高過程反應(yīng)的效率，改善過程反應(yīng)的安全性，整個(gè)化學(xué)反應(yīng)是安全且可靠的。這是由于微化工設(shè)備的內(nèi)部通道特征尺度通常在幾十微米至幾百微米，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物料間的超快速微觀混合；流體與器壁間有很大的接觸面積，能顯著提高流體間的換熱效率，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的原位高效換熱，其傳熱、傳質(zhì)能力較常規(guī)尺度提高1～3個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，由于通道特征尺度小于火焰?zhèn)鞑サ呐R界尺度且微反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物持有量小，因而具有內(nèi)在安全性，將其應(yīng)用于快速混合、強(qiáng)放熱及易燃易爆的反應(yīng)過程，能顯著提高過程的安全性，并可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作。

（5）由于微化工設(shè)備結(jié)構(gòu)的模塊化，易于實(shí)現(xiàn)直接放大（設(shè)備單元并聯(lián)），可快速推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室成果的實(shí)用化進(jìn)程。由此可見，采用微反應(yīng)技術(shù)可大幅度提高反應(yīng)過程中的資源和能量的利用效率，減小過程系統(tǒng)的體積或提高單位體積的生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程安全、過程強(qiáng)化、微型化和綠色化。

（6）微化工系統(tǒng)呈模塊結(jié)構(gòu)、并行分布式進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)就地、按需生產(chǎn)與供貨，同時(shí)也使分散資源得到充分合理的利用，這對(duì)人類生命、環(huán)境安全及資源綜合利用具有十分重要的意義。

2 微化工技術(shù)在化學(xué)反應(yīng)中未來的發(fā)展前景

（1）微化工技術(shù)的創(chuàng)新之處在于，它極大的節(jié)省了化學(xué)反應(yīng)時(shí)間以及對(duì)空間的合理利用。微化工技術(shù)可以將化學(xué)反應(yīng)時(shí)間縮短至幾十秒。并且在反應(yīng)空間中，微化工技術(shù)的反應(yīng)容器體積也可以縮小至以升或毫升為單位的體積。這就使得微化工技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)的過程中，更加的安全、環(huán)保，形成了一種新的化工行業(yè)生產(chǎn)方式。為此它的應(yīng)用前景十分廣泛。

（2）近幾年，微化工技術(shù)發(fā)展迅速，在不同的領(lǐng)域里都顯示出它的優(yōu)勢(shì)，在材料制備和微尺度分散等方面取得了一定成果，可以預(yù)見，微化工技術(shù)的成功開發(fā)與應(yīng)用將會(huì)對(duì)整個(gè)化學(xué)化工領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。在未來的5--10年內(nèi)，微反應(yīng)技術(shù)將會(huì)在精細(xì)化工、納米材料以及基于微反應(yīng)技術(shù)的新過程等領(lǐng)域獲得較廣泛的應(yīng)用。

（3）微化工技術(shù)與傳統(tǒng)化工工藝的最大區(qū)別是需要研究開發(fā)適合于微反應(yīng)系統(tǒng)的快速反應(yīng)工藝條件。由于化學(xué)反應(yīng)過程大多為復(fù)雜反應(yīng)體系，因此需深入研究主、副反應(yīng)的本征動(dòng)力學(xué)以及反應(yīng)過程行為，優(yōu)化工藝條件以提高主反應(yīng)速率、控制副反應(yīng)速率，最終提高目的產(chǎn)物的選擇性，這也是目前微反應(yīng)技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用需要攻克的難關(guān)之一。

（4）雖然我國(guó)在微化工技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，但由于在研究初期科研單位就積極與工業(yè)生產(chǎn)單位開展合作，加速了我國(guó)微化工技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，形成了一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微化工專利技術(shù)，產(chǎn)業(yè)化成績(jī)初步顯現(xiàn)。例如，清華大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室借鑒膜乳化技術(shù)，成功開發(fā)出萬噸級(jí)膜分散微結(jié)構(gòu)反應(yīng)器制備單分散納米碳酸鈣的工業(yè)裝置，大連化物所開發(fā)的已穩(wěn)定工業(yè)運(yùn)行的8萬噸/年磷酸二氫銨微化工系統(tǒng)，大連化物所與勝利油田中勝環(huán)保有限公司合作開發(fā)的百千噸級(jí)用于石油磺酸鹽生產(chǎn)的微反應(yīng)技術(shù)等均實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，這就充分證明了微化工技術(shù)在工業(yè)規(guī)模上的可行性。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，微化工技術(shù)通過20年的不斷發(fā)展，已經(jīng)取得了一定的成果。但作為新興的高科技化學(xué)工業(yè)技術(shù)，微化工技術(shù)還處在初期研發(fā)的階段，化工行業(yè)內(nèi)部對(duì)于這種新型化工生產(chǎn)方式認(rèn)可度不強(qiáng)。其原因一方面在于微化工技術(shù)一些高難度問題尚未得到圓滿解決，因此仍需要不斷深化微化工技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)研究和理論研究，學(xué)術(shù)界應(yīng)與工業(yè)界積極合作，開展各種類型反應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用示范工程，共同推進(jìn)微化工技術(shù)的工業(yè)進(jìn)程，使之產(chǎn)業(yè)化，同時(shí)將微化工技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其參與到其他行業(yè)中，為推動(dòng)化學(xué)工業(yè)與其他工業(yè)共同發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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