化工与装备导论课总结报告(化工过程强化)

化工与装备导论结课报告

——对化工过程强化的初步了解化工61 刘佳明2161500015 2016年12月17日

目录

一、背景 (1)

二、过程强化的基本原理及意义 (1)

三、过程强化的基本思路及技术 (1)

1.新式设备的应用 (1)

2.物理场强化技术 (2)

3.微化工技术 (2)

4.数据集成计算 (3)

5.寻找替代能源 (4)

小结 (4)

四、现存问题及前景展望 (4)

参考文献 (5)

一、背景

化工工业是我国国民经济的重要支柱之一，多年来发展迅猛。但是它所带来的环境污染、能源消耗、安全事故频发等问题却逐渐凸显。化工工业的发展逐步进入瓶颈期，甚至有人说化工工业已成为夕阳产业。

过程强化概念的出现，及相关理论的研究和相关技术的实际应用为化工工业发展开辟了新的发展道路，让化工工业再次找到了光明的前景。过程强化技术的发展和进一步应用是化工工业迈向未来的必然要求，是化工工业发挥继续应有作用的基础与前提。它于对化学反应过程本身的研究一同成为使化工向能源节约型、环境友好型的绿色、安全化工发展的必然途径。

二、过程强化的基本原理及意义

化工过程强化技术是在实现生产目标的前提下，通过物理和化学手段，显著提升瓶颈过程速率，大幅度减少设备尺寸和数目，简化工艺流程，使工厂布局更加紧凑合理，单位能耗、废料、副产品显著减少的技术，即通过技术创新，改进工艺流程，提高设备效率，使工厂布局更紧凑，单位能耗更低，三废更少，实现化学工程的微型高效。它以设备计算软件为支持，数学模拟为重要手段，过程优化和工艺过程研究为主线。它通过物理场强化、微化工工艺、膜过程耦合、超临界流体、数据集成计算等技术，显著增强化工生产中传质、传热、传动效率，加快化学反应的速率并使其转化率充分提高；力求达到使生产原料全部转化为产品，实现零排放；同时又能够避免传统工艺中的诸多不安全因素，显著降低化工生产中的安全风险。

三、过程强化的基本思路及技术

1.新式设备的应用

过程强化设备包括静态混合反应器、微型反应器、规整结构催化反应器。

静态混合反应器即通过一定的特殊结构，使流体被迫发生性态的变化，以使流体充分快速混合的设备。它的结构紧凑，传质、传热、传动性能好，转化率高，全密闭无污染，安全性能好。解决了传统釜式反应器内部物料局部过热、设备笨重难以维修等问题。易于实现高效连续生产。

微型反应器的特征尺寸在数百微米内，能够实现微米尺度分散的单项或多项

体系的强化反应和分离过程。它的放大效应小，易于实现实验室成果的快速转化，操作条件易于控制，安全可靠。且使微米尺度下的反应转化率、选择性和得率均得到明显提高。可实现快速强吸放热反应的等温操作、两相间快速混合、危险化合物合成，具有广阔的应用前景。

规整结构催化反应器即将催化剂直接设计在反应器中，将催化剂与反应器深度整合，具有比表面积大、压力降低和扩散距离短，能够提高催化剂效率等优点，且不存在催化剂磨损和分离的问题。同时具备了填充床反应器和流化床反应器的优点。

2.物理场强化技术

物理场强化作用包括电磁场强化技术、微波强化技术、超声强化技术、超重力场强化技术等。这些技术通过改变物料微观特性及相界面特性等，显著提高了物料间的接触面积，改善传质效果，提高化学反应速率及转化率。

磁场能降低物质表面张力进而加快蒸发速率，并减少液膜对气体扩散的阻力，使气体分子更容易穿过液相薄膜至液相主体，强化气体吸收过程；能影响物系相对挥发度继而影响气液平衡；能强化气液传质过程，并具有良好的调节和控制特性；能明显改善物系的分离性能。电场的极化效应会影响物质分子间力，加快蒸发速率；同样能够强化气体吸收。电磁场能够使极性分子从原来的随机分布状态转向依照电场的极性排列取向，而高频交变电磁场能够使这些取向按交变电磁场的频率不断变化，造成分子的运动和相互摩擦产生热量。它的特点在于热效应显著，能使被作用的物料温度显著升高，其研究目前主要集中在微波方向。超声场在实验中也展现出了相似的作用。但目前以上几种技术手段大部分仍处于研究和探索阶段，很多机理并不十分清楚，有待进一步发掘。

微波场与超重力场强化技术目前已相对成熟。

微波作为电磁场的一种，在加热物质时对分子极性有选择性，对生物质有细胞破裂的作用，有可能改变共沸物的沸点和组成，并且耗能低、易于控制，在强化萃取过程、干燥过程、吸附/脱附过程、蒸发蒸馏过程、反应精馏等方面都已被证明有显著效果及良好的应用前景。

超重力强化技术是指采用旋转填充床等设备，通过离心的方式使物体承受远高于地球自身重力加速度的加速度。在超重力环境中，不同物料在复杂流到中相互接触，受巨大的剪切力而分散成极小的单位，产生巨大而快速更新的相界面，极大提高传质效率和生产效率。并且，超重力技术可以使设备小型化，节约生产成本。

我国超重力强化技术起步较早，陈建峰率领我国在超重力强化技术上突飞猛进，一路领先，处国际领先水平。在微波强化技术上，我国也发展迅速。

3.微化工技术

微化工技术，即为化学工程与技术，以微反应器、微混合器、微分离器、微换热器、微传感器、微执行器等设备为典型代表，着重研究维时空尺度下“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。

对于单通道而言，当通道的特征尺度减小时，单位体积（或面积）上的传热、传质的能力得到增强。因而在微混合器中的混合时间极短，可达毫秒级。同时，微化工系统中的比表面积巨大，传热传质面积大大增加，因而可实现强方热反应的等温操作及快速混合过程。并且在微化工系统中易于对过程进行较为精确的理论描述与模拟。

若进行单元的并行处理，放大过程相当于通道数目的叠加，而避免了放大效应带来的长时间高成本的投入，可实现科研成果的快速转化。并且由于通道相对独立，可实现生产的自由分配，提高经济效益。此外，若进行芯片集成用于阵列检测，将极大地提高检测速率，节约检测试剂，节约人力物力，显著降低实验成本，缩短试验周期。

若对系统进行并行处理，应用微电子工艺，可进行系统的高度集成，实现系统的实时监测控制，实现其快速响应。对于常需间歇进行的化工过程，由于微反应器中的反应速率提高，物料停留时间段，采用微反应器可使其连续进行，并且显著抑制副反应的发生，提高了转化率和目的产物的选择性，具有较高的时空收率。同时由于尺度微小，可以极大地减少产生爆炸的可能性，即使泄露或爆炸，影响范围也极为有限。

对于生产运输来说，由于微反应系统采用模块式分布，具有便携的特点，可随地进行生产，避免了储存运输过程中的不安全因素。

4.数据集成计算

褚秀玲在《化工过程强化的理论与实践初探》一文中指出：模拟是化工过程强化的重要手段；设备计算软件为化工过程强化提供支持。由于实践检验的高成本高投入高风险性，必须依靠数据模拟计算提供先期支持，但由于化工过程的交互性与严重非线性，化工建模成为难点。在大数据时代，任正非说“谁能拥有大量数据的处理能力，谁就是赢家。”这同样适用于化工过程强化乃至整个化工技术的发展。在黄铁垓等的《数据挖掘在化学化工中的研究进展》一文中指出，在大数据时代，数据挖掘对化工行业发展具有重要的意义，他能利用关联规则、分类、聚类等分析方法从大量无序的、存在噪声的、冗余的或缺损的数据中提取出有用的潜在信息，并为进一步的研究提供数据支撑。

并且，数据挖掘技术具有丰富的算法，能够以任意精度逼近任意非线性映射，对处理含噪声和非线性数据具有较大优势，也具有高效率和可并行性等特点……它为化工建模提供了新的思路。