微化工:从“越大越好”到“小而高效” - 汶颢股份
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微化工:从“越大越好”到“小而高效”

微化工技术作为化工过程强化的重要手段之一,兼具过程强化和小型化的优势,具有强热传质性能、安全性好、过程易于控制和直接放大等特点,可显著提高过程的安全性、生产效率,快速推进实验室成果的实用化进程。微反应能够颠覆传统化工工艺“越大越好”的思维模式,为化学工业发展模式的变革提供了重要启示。这是11月16~17日于江苏南京召开的2017微化工工艺优化工程设计及设备应用研讨会上,与会专家给出的结论。

强化反应过程
  当前,我国环保安全监管日趋严格,特别是国家安监总局加强了对18类危险工艺的重点监管,对化工生产提出了更高的安全要求。上海惠和化德生物科技有限公司总经理马兵博士表示,与传统工艺技术相比,微反应技术可以将反应器体积缩小1000倍,反应器换热效率提升1000倍,传质提高100倍,反应时间可以精确控制,且从实验室到工业化生产无放大效应,有助于化工生产实现安全、环保、高效。
  清华大学化学系研究员徐建鸿教授表示,在传统化学工业中,制药、精细化学品和化工中间体的合成大多在间歇或半间歇釜式反应器内进行,但其存在明显缺陷。如装料、卸料等辅助操作耗时、过程不连续;由于传统釜式反应器的热质传递能力较弱,导致其产品质量稳定性差、对强放热反应的控制能力差。而微反应器内部通道特征尺度在微尺度范围(10~500μm),远小于传统反应器的特征尺寸,比表面积大、传热传质效果好、可以精确控制反应条件、提高产品质量和产率等,为实现化工过程高效安全和精细化工产品关键技术革新提供重要支撑。
  “以微化工设备为核心的化工系统,能够在微米或亚毫米级受限空间内操作化工过程,通过减小体系的流动或分散尺度强化混合、传递和反应过程,提高过程效率和安全性,可将实验室成果快速可靠运用于工业过程,具有热质传递速率快、内在安全性高、过程能耗低、集成度高、放大效应小、可控性强等优点,技术更新快、产品升级快、成本低、安全性好,在机械、电子、材料、生物、医学、化学等领域得到了广泛应用。”徐建鸿告诉笔者。

适用多种反应
  河北工业大学化工学院教授张月成认为,微反应技术是减少废液排放、强化过程安全、降低能源消耗的一种有效途径。对于18类重点监管危险工艺中的大部分工艺,采用微反应技术能够很好地实现本质安全。模块化、智能化、灵活的连续流微反应工艺结合了连续反应和间歇反应的优点,促使化学反应能做到更快;反应器中停留的化学品量很少,易于控制,促使化学化工过程更安全;快速有效的混合,精确控制停留时间与反应温度,提高了化学反应的转化率和选择性;同时微反应过程得到强化,减少溶剂使用量。如叠氮化反应、格氏反应、硝化反应、氧化反应、串联反应、羟醛缩合反应等过程,均可采用连续流微反应工艺,实现高效、经济、安全和环保。
  中国科学院大连化学物理研究所研究员、国家自然科学杰出青年基金获得者陈光文表示,化工过程强化技术的发展与进步给相关的化工行业注入了新的动力和活力。微反应技术作为一种有效的过程强化技术,已在国内外得到成功应用。在国外,德国拜耳、巴斯夫、瑞士龙沙、美国康宁等公司相继成立了专门负责微化工技术的部门,研发并推广其微型化工设备产品。在国内,大连化物所开发的微通道反应技术已实现8万吨/年磷酸二氢铵生产的工业运行、5000吨/年氢氧化镁阻燃剂中试和万吨级石油磺酸盐生产的工业示范运行试验;清华大学化学工程联合国家重点实验室借鉴膜乳化技术,成功开发出万吨级膜分散微结构反应器制备单分散纳米碳酸钙和15万吨/年的湿法磷酸净化的工业装置。这些充分证明了微化工技术在工业规模应用上的可行性和优越性。

技术难题尚存
  陈光文表示,尽管近十几年来,微化工技术的发展非常迅速,但也要清醒地认识到,虽然对于某些反应过程,微反应器是首选的装置,但仍然有一部分反应不适合在微化工系统内进行。微化工技术作为一个新兴领域,尚有许多问题亟待深入研究,如微反应系统的结构优化设计和先进制造技术、系统自动控制技术以及微反应器防腐防堵塞技术、工业化应用等问题。“微反应器的应用是有条件的,这与化学反应原理,以及对温度和流速等反应条件的控制紧密相关,并非只要使用了微反应器就能够提高生产效率、选择性更好、减少‘三废’、无安全问题。”马兵强调。
  “这需要相关企业进行深入实质性合作,针对不同类型的化工过程或反应类型开展长周期的工业应用示范运行,积累经验,为微化工技术的设计、放大与运行提供理论依据。”陈光文表示,“十三五”时期,要加强力量攻克微反应技术难点,相关企业需要大力加强微化学工程与技术的基础与应用基础研究,解决微化学工程与技术领域的关键共性科学问题。在国家层面上,应加大力度向企业推荐推广微反应技术等可实现化工过程强化、过程安全和节能减排等先进的化工技术。

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