探讨我国石油化工绿色化学与工程方面取得的成就

化工工程本科毕业论文:《探讨我国石油化工绿色化学与工程方面取得的成就》

摘要:2003年国际上更加重视绿色化学与技术的研究开发,绿色化学被认为是应用于解决全球环保问题的多学科交叉的科学与工程.中石化己内酰胺生产中三套绿色新工艺从基础研究到工业化,证明我国科技人员具有开发崭新工艺以推动跨越式技术进步的能力.美国实现了从玉米工业化生产1,3-丙二醇和聚乳酸热塑体,表明从可再生资源生产大宗有机化工产品不仅技术可行,而且经济合理,具有里程碑意义.最后回顾了2003年在离子液体、超临界反应工程和化工过程强化等领域的进展,这些领域都是可能导致绿色石化新工艺的科技前沿.

引言

回顾2003年,在石油化工绿色化学与工程方面,国内外均取得了广泛的进展,其中具有重要意义的事件有:

(1)国际上召开了三次重要的绿色化学会议,进一步强调了绿色化学的重要性;

(2)在国内,绿色石油化工技术,特别是在己内酰胺生产中一系列绿色化学技术实现了从基础研究到工业化的突破性进展;

(3)从可再生植物资源生产大宗有机化工产的技术工业化,表明这条途径不仅技术可行而且经济合理.

1.国际上对绿色化学更加重视的一年

美国化学会于2003年9月在纽约举行的年会中,在“绿色化学:应用于解决全球环境问题的多学科的科学和工程”专题会议上,美国化学会主席Elsa Reichmanis在主旨报告中指出:能源、气候变化、人类健康和生物多样性相互深层次地交织在一起,而且与重大的经济、政治和社会问题相关联.美国化学会深信化学和化学工程能创新性地提供解决这些问题的答案,这些答案需要化学与工程采取与以往不同的途径去获得.在会议上,美国化学工程师学会主席Dianne Dorland也讲话,认为“绿色”一词不只是环保人员所专注,今天世界日益关心社区、国家和未来的可持续发展,因此,她深信作为化学家和化学工程师对全世界关心的问题肩负着特殊的使命,并且不能只停留在概念上,而要转化为实际行动[1].

2003年5月国际工程学会在美国Sandestin主办了“绿色工程:定义原则”(Green Engineering: Defining the Principle)的会议,目的是确定一套绿色工程的原则以指导工

程师在设计产品和工艺时,使其符合企业、政府和社会的需要,这包括了成本、安全、使用性能和对环境的影响.最后发表了“工程师工作框架的Sandestin原则”,提出了在工程项目中为全面实现绿色工程,工程师要遵循的9条原则.这9条原则是:(1)整体考虑工艺过程和产品,使用系统分析与集成的方法来评估对环境的影响;(2)保障并改善自然生态系统,同时也要保护人类健康和生活安宁;(3)在工程活动中考虑整个生态循环;(4)尽可能保障所有的物质和能量安全并良性地输入和输出;(5)尽可能减少对自然资源的消耗;(6)努力减少废物产生;(7)在对当地地理和人文认知的基础上,开发和实施工程解决方案;(8)革新、创造和发明技术以实现可持续发展,在传统和主流工艺之上,创造性地提出工程解决方案;(9)让股东和社会共同积极参与工程解决方案的开发[2].

2003年3月,在日本东京举行了“第一届绿色和可持续发展化学国际会议”( The First International Conference on Green & Sustainable Chemistry,简称GSC TOKYO-2003).GSC要求创造发明的化学技术,可以减少日益枯竭的原料的消耗,在整个产品的生产和使用过程中减少废物的排放,保障人类健康、安全和保护环境.会议上企业界、学术界和政府部门从经济、贸易、教育、科技等各方面介绍了经验和设想,最后发表了“GSC东京宣言”(GSC Tokyo Statements).

2.国内绿色石化技术研发取得突出进展的一年

在国家科技部973项目、国家自然科学基金委员会重大基础研究项目和中石化集团公司联合资助、组织领导下,经过全国有关科技人员十几年的努力,2003年中石化终于在重要化纤单体己内酰胺生产绿色化学技术的研究与开发中取得3项重要创新成果,实现了跨越式技术进步,其中有的成果属于原始性创新,为进一步集成为具有国际竞争力的成套先进技术奠定了基础. 2?1钛硅分子筛氨氧化制环己酮肟“原子经济反应”新工艺

在己内酰胺生产中,关键的一步是从环己酮制造环己酮肟.根据国外采用钛硅分子筛催化氧化环己酮的发展动态,石油化工科学研究院1995年首先采用“重排-改性”新方法,研究成功活性优异、具有新颖空心结构的HTS型钛硅分子筛,1999年在长岭炼油化工有限公司投入工业生产;与中石化巴陵石化分公司合作开发了“单釜连续淤浆床反应器-无机膜过滤”新工艺,建设了600吨/年中试装置,克服了分子筛沉积在管线上、分子筛失活等一系列技术难点,最后成功地持续运转.由于采用“原子经济反应”,一步合成环己酮肟,避免了引进工艺中复杂的氨氧化、加氢与羟胺反应等步骤,实现了采用新反应带来的跨越式技术进步,新工艺反应步骤少、流程短、反应条件温和、投资运行成本低,经济和社会效益好.在中试基础上,一套7万吨/年工业装置已建成投产.

2?2非晶态镍合金/磁稳定床己内酰胺加氢精制新工艺

石油化工科学研究院从1984年起与东北大学材料系、复旦大学化学系合作,通过学科

交叉把冶金工业中的骤冷法制备非晶态合金与化学中制备骨架合金的方法相结合,在克服了非晶态合金热稳定性差、新体系共熔点高等一系列困难后,终于研制成功SRNA-4

等非晶态骨架镍合金,加氢活性显著高于工业上普遍使用的雷尼镍合金,在长岭炼油化工有限公司生产并在己内酰胺加氢精制釜式反应器中工业应用成功,显示了它的优越性.

此外,利用SRNA-4非晶态镍合金具有铁磁性的特点,开发了磁稳定床己内酰胺加氢精制新工艺.磁稳定流化床是流化床反应器的一种特殊形式,它是在不随时间变化的轴向均匀外加磁场下形成的固相只有微弱运动的固定流化床,兼有流化床和固定床的优点.把非晶态骨架镍合金的高加氢活性、铁磁性与磁稳定流化床相结合,就形成了原创性构思的新工艺.经过小型试验、中试冷模试验后,在中石化巴陵分公司建成一套6000吨/年的工业示范装置,反应段内径仅300 mm,高4 m,而空速可高达30~50 h-1,为一般固定床的

20~30倍.与原采用的釜式反应器相比,杂质加氢脱除的效果提高3~5倍,催化剂耗量降低50%以上,而且动力消耗较少,只是整个投资稍有增加.由于己内酰胺质量提高,可用于高速纺丝中,提高了产品售价.目前一套采用这一新工艺的3?5万吨/年己内酰胺工业装

置已在石家庄化纤股份公司建成投产,一套7万吨/年己内酰胺工业装置正在中石化巴陵分公司建设.

2?3环己烷仿生催化氧化新工艺

多年来仿生催化一直是催化领域中的重要研究方向,但未能实现工业应用.湖南大学对“金属卟啉催化环己烷羟基化中环己酮形成机理”的基础研究,导致开发成功了具有原创性的环己烷仿生催化氧化新工艺.1999年中石化巴陵分公司和中石化巴陵石化公司与湖南大学合作,通过大量实验室实验、中试和5万吨/年工业试验,实现了“环己烷仿生

催化氧化新工艺”工业化.与现有引进的无催化剂环己烷氧化工艺相比,具有明显优

势:(1)单程转化率提高了2倍,大幅度降低了环己烷循环量,从而减少能耗,降低生产成本;(2)选择性高,环己醇、环己酮和过氧化物的选择性可达90%以上,其中醇、酮占75%以上.这样氧化物只需少量碱分解、中和,大大降低了废碱液的产生和污染物的排放.在

原有装置扩能改造时,只需少量投资即可使生产能力翻一番,同时降低生产成本.

上述这些成果形成了开发己内酰胺生产绿色化学成套技术的基础.与此同时,还开展了苯加氢制环己烷催化蒸发新工艺和环己酮肟固定床气相重排新工艺的研究.这样,再经过几年的努力,即有可能形成生产己内酰胺的绿色化学成套技术.

上述三项绿色化学技术研究开发成功的经验,对于今后开发其他石油化工绿色新工艺也具有重要意义:

(1)加强了信心.我国科技人员有能力开发成功具有自主知识产权和国际竞争能力的、先进独特的绿色化学技术,不仅能减少投资、降低成本,带来巨大经济效益,而且能有效地