化工研究进展 徐伟箭

作为一个新兴学科方向，有许多问题尚待深入 研究。如微设备内复杂的多相流行为及调控规 律： 包括微分散的内在机理及物理模型的建立， 多相流 体的表界面性质、传递规律、混合特性； 微尺度下 动态界面行为，发展新型测试技术和 方法（无接触 测量技术）；发展新型的微化工 设备和工艺；微反应 器中纳米催化剂的制备及 反应特性与规律；微反应 器的结构优化设计、 并行放大规律与系统集成；微 换热器的整体性 能与结构优化等。
磁稳定床的理论研究

目前对磁稳定床反应器已经形成了系统的研 究，研究内容包括流体力学、传质、传热等方 面。 对磁稳定床流体力学的研究多集中在相速 度、相含 率、压力降、操作状态以及气泡特性 方面，且以宏 观流体力学特性研究居多。前人 的研究发现一 般情况下磁稳定床的气液、液固 传质速率比普通流 化床高，并且随着磁场强度 的增加而增加。在 气固体系中，在恒定的气速 下，传热速率随着磁场 强度的增加而增加。

低温等离子体已经广泛应用于材料、信息、能 源、化 工、冶金、机械、军工和航天等领域。依 照等离子体 的粒子温度，低温等离子体又分为热 等离子体（平衡 态等离子体）和冷等离子体（非 平衡态等离子体）。 热等离子体中，电子温度与离 子、中性粒子温度相等， 一般在 5×103～2×104 K。 在冷等离子体中，电子 温度（可高达 1×104 K以 上）远大于离子、中性粒子 温度（常温上下）。这 一非平衡性，对一些合成反应 极为重要，一方面 电子具有足够高的能量以使反应物 分子激发、离 解或电离；另一方面，反应体系又得以 保持低温， 乃至接近室温，反应容易实现，因此有着 广泛的 应用或应用前景。
4 磁稳定床技术
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磁稳定床是磁流化床的特殊形式，它是 在轴 向、不随时间变化的空间均匀磁场 下形成的只有微 弱运动的稳定床层，床 层表现为固定床形式，当 有流体流过时 床层像活塞一样膨胀，床层疏松、 稳定、 无气泡，这种膨胀的流化床就是磁稳定 床。 磁稳定床兼有固定床和流化床的许 多优点。

磁稳 定床较好地克服了流化床反应器因其返混严重而 使转化率偏低、颗粒容易被带出的缺点，而且颗 粒的 装卸非常便利；外加磁场的作用能有效地控 制相间返 混，均匀的空隙度又使床层内部不易出 现沟流；磁稳 定床弥补了固定床反应器使用小粒 子时导致的压降过 大、放热反应容易出现局部热 点的缺点；同时磁稳定 床可以在较宽范围内稳定 操作，还可以充分破碎气泡 改善相间传质。磁稳 定床是不同领域知识结合形成新 思想的典范，是 一种新型的床层形式。
微化工技术的应用研究

清华大学开发的微分散设备内制备纳米碳酸 钙技术 实现了工业化应用，达到了万吨级的年生产 规模，每 年为企业新增销售收入千万元以上。开发 出的膜分散、 微槽分散和微筛孔阵列分散等工业级 微萃取设备，已 在原油脱酸、己内酰胺制备工艺中 的酸团萃取、磷酸 净化等过程中得到中试以上规模 应用，还实现了中试 级甲苯法己内酰胺制备反应选 择性的提高。
化工过程强化


20 世纪 90 年代中期，国际上出现的以节能、 降耗、环保、集约化为目标的化工过程强化 技术， 是可望解决化学工业“高能耗、高污 染和高物耗” 问题的有效技术手段之一，被 欧美等发达国家 列为当前化学工程优先发展 的三大领域之一。 化 工过程强化技术是指瓶颈过程中的混合、 传递或 反应过程速率显著提升和系统协调， 大幅度减小化工过程的设备尺寸，简化工艺 流程，减少装置 数量，使单位能耗、废料、 副产品显著减少的新 技术。
5 等离子体技术



等离子体即电离气体，是电子、离子、原子、 分子或 自由基等粒子组成的集合体，通常通过外加 电场使气 体分子离解或电离产生。无论气体是部分电离还是完 全电离，其中的正电荷总数和负电 荷总数在数值上总 是相等的。 按等离子体中带电 粒子能量（通常用电子温度表示） 的相对高低， 可将等离子体分为：高温等离子体，即 电子温度 在数十电子伏特（1 eV=11600 K）以上的等 离子 体； 低温等离子体，即电子温度在数十电子伏特 以下的等 离子体。
1 超重力强化技术



所谓超重力指的是在比地球重力加速度 （9.8 m/s2）大得多的环境下物质所受 到的力。 在地球上， 实现超重力环境的简便方法 是通过旋转产生离心 力而模拟实现。 这样的旋转设备被称为超重力机 （hige device）或旋转填充床（rotating packed bed， RPB）。


从反应特性来看，等离子体无机合成机理相对 简单， 一般是利用等离子体分解无机盐（如碳酸盐、 氢氧化 物等）制备氧化物，或者利用等离子体促成 含金属键 的形成，多是经过一步或者有限数步反应 完成，且形 成产物在等离子体条件下相对稳定，二 次反应有限。 等离子体无机合成过程中，成核和晶 体生长可不受热 力学限制，通常要比热焙烧快很多。 与热焙烧方法相 比，热化学方法能耗、物耗可能也 要远高于等离子体 合成。等离子体无机合成近年来热点主要是特殊无机 物（如氮化物）和金属或金属 氧化物催化剂的制备。 冷等离子体可以代替氢 或化学还原剂直接用于还原金 属离子，获得高分散 的催化剂。

近年来，随着对超重力环境下流体流动 和流体 力学特性的逐渐了解，超重力技 术的理论研究主要 集中在超重力环境下 的“三传一反”规律（传质、 混合和反 应耦合规律等）方面。
超重力技术展望


经过 30 年的发展，已证明超重力技术是一项 极富前景和竞争力的过程强化技术，具有微型 化、 高效节能、产品高质量和易于放大等显著 特征，符 合当代过程工业向资源节约型、环境 友好型模式转 变的发展潮流。 超重力强化技术在传质和/或分子混合限制的 过程及一些具有特殊要求的工业过程（如高黏 度、 热敏性或昂贵物料的处理）中具有突出优 势，可广 泛应用于吸收、解吸、精馏、聚合物 脱挥、乳化等 单元操作过程及纳米颗粒的制备、 磺化、聚合等反 应过程和反应结晶过程


在超重力环境下，不同物料在复杂流道中流动 接触，强大的剪切力将液相物料撕裂成微小的 膜、 丝和滴，产生巨大和快速更新的相界面， 使相间传 质速率比在传统的塔器中提高 1～3 个数量级，分子 混合和传质过程得到高度强化。 同时，气体的线速 度也可以大幅度提高，这使 单位设备体积的生产效 率提高 1～2 个数量级， 设备体积可以大幅缩小。 因 此，超重力技术被认为是强化传递和多相反 应过程 的一项突破性技术
磁稳定床的工业应用

目前磁稳定床在石油化工、生物化工和 环境工 程等领域较常规流化床反应器和 固定床反应器已显 示出很大的优越性， 今后还将在纳米催化、生物制 药等领域 获得广泛的应用。
磁稳定床技术的问题与展望



磁稳定床反应器的应用目前也存在一些限制， 尚需 在下列领域继续深入开展研究工作。 ① 研制开 发磁性催化剂。催化剂应具有良好的铁磁性， 在磁 场中易于磁化，去掉磁场时催化剂剩磁应较少； 催 化剂应具有良好的低温反应活性。 ② 均匀稳定磁场 的放大及磁稳定床反应器的工程放大。 ③ 由于磁稳 定床特殊性，必需找到床层状态与磁场、 催化剂物 性、流体流量之间的定量关系。 ④ 磁稳定床的理论 研究有待进一步加深。 今后还应在局部流体力学性 能、传热特性和传热机理、 传质机理及反应器模型 等方面进行更为深入的研究。

由于多相体系内存在环流与界面扰动 等 现象，可加快物流、热流的迁移速度， 强化微设 备内的热质传递效果，结果表 明气-液、液-液、气- 液-液及液-液-固体 系的体积传质系数（Ka）均比传 统设备 高 1～2 个量级以上，单台设备内传质 Murphee 效率可达 90%以上，而体积传 热系数也可 提高 1～2 个量级。
微化工技术的基础研究

近十年是微化工技术的快速发展期，国内外 研究者们开发了多种新型微化工设备。通过对 其内 部微结构构型、特征尺度及表/界面效应 的研究，为 从新视角认识微化工过程共性规律 和实现微尺度下 “三传一反”耦合过程的理性 解耦和建立微化学工 程理论体系提供了借鉴与 指导。 在微尺度下几种流体作用力的竞争下， 微化工 设备内存在挤出、滴出、射流和层流等 4 种分散流 型，可形成直径在 5～1000 μm 且 分散高度均匀的 液滴或气泡，比传统化工设备 中的分散尺度小 1～2个量级。

等离子体目前在有机合成反应强化方面的优 势目前还 不显著。多数有机反应热力学不存在困难， 等离子体 转化仅针对有限的几个相对惰性的小分 子，如甲烷、 二氧化碳。等离子体有机反应产物大 多数要比反应物 活泼，因此二次反应大量存在，如 果停留时间长，等 离子体有机反应多以链反应方式 进行，甚至形成焦油 类大分子，单一目标产物选择 性低。
3 微化工技术

微化学工程与技术是化工学科前沿，以 微反应 器、微混合器、微分离器、微换 热器等设备为典型 代表，着重研究微时 空尺度下“三传一反”特征与 规律；采 用精细化、集成化的设计思路，力求实 现 过程高效、低耗、安全、可控的现代 化工技术，成 为国内外学术界和工业界 的研究热点 。

微化工系统是指通过精密加工制造的带有微 结构（通 道、筛孔及沟槽等）的反应、混合、换热、 分离装置， 在微结构的作用下，可形成微米尺度分 散的单相或多 相体系的强化反应和分离过程。 与常规尺度系统相比， 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，可实现快 速强放/吸热反应的等温 操作、两相间快速混合、易燃 易爆化合物合成、剧 毒化合物的现场生产等，具有广 阔的应用前景。

基于膜材料的 设计与制备、膜反应器的 开发、膜过程的模型与实 验研究等方面 的研究，目前我国已成功开发出成套 的 反应-膜分离耦合系统，并在化工与石油 化工、生 物化工等领域得到了推广应用。 如： 基于反应-膜分离耦合技术的盐水 连续精制新工艺 ，基于反应-膜分离耦合 的乳酸新工艺 基于反应-膜分离耦合的 生物质发酵工艺 。
对微化工技术的展望

微化工技术经过 10 多年的研发与宣传推广工 作，很多传统化工观念也正发生改变，人类对 多相 流体系的认识也逐渐由米、毫米向微米、 亚微米过 渡，随着对微尺度下多相流动、混合、 传递和反应 过程的基本规律被不断揭示，新型 化工设备的不断 发展，过程的绿色、安全和高 效有望实现。微化工 技术的成功开发与应用将 会改变现有化工设备的性 能、体积、能耗和物 耗，将是现有化工技术和设备 制造的一项重大 突破，也将会对整个化学化工领域产生重大影 响。
等离子体强化化工过程技术进 展

等离子体富含的各种粒子等几乎都为活泼的 化学活性物质。等离子体特别适合于一些热力 学或 动力学不利的反应等，可以非常有效地活 化一些稳 定的小分子，如甲烷、氮和二氧化碳， 甚 至可以使一些反应的活化能变为负值。这一 特点使 得等离子体在一些特殊无机物（如金属 氮化物、 金属磷化物、金属碳化物、人造金刚 石等）合成 强化方面得到广泛的应用。等离子 体煤转 化、等离子体甲烷转化、等离子体二氧 化 碳转化、等离子体醇或醚转化等方面也掀 起了世界性的研究热潮。


中科院大连化物所开发了集混合、反应、换热 于一体 的年处理能力达 8 万吨的微化工系统已用于 磷酸二氢 铵工业生产，具有体积小（微单元设备体 积均小于 6 L）、响应快、移热速度快、过程易控、 无振动、无 噪声、零排放、产品质量稳定等优点， 迄今稳定运行 一年多，有效地解决了生产过程的安 全、环保与产品 质量稳定性等问题；还成功开发了 集甲醇氧化重整、 CO 选择氧化、甲醇催化燃烧、 原料汽化、微换热等 子系统为一体的 kW 级 PEMFC 用的微型氢源系统，具 有体积小、启动快、CO 含 量低、比功率高等优点。
2 膜过程耦合技术


膜分离技术是多学科交叉结合、相互渗 透的产 物，特别适合于现代工业对节能、 低品位原材料再 利用和消除环境污染的 需要，成为实现经济可持续 发展战略的 重要组成部分。 近年来，膜及膜技术的 研究推动了膜过 程耦合技术的发展，如将膜分离技 术与 反应过程结合起来，形成新的膜耦合过 程，已 经成为膜分离技术的发展方向之 一。