化工过程强化的发展现状

化工过程强化的发展现状

目录

1.前言 (2)

2. 发展 (2)

2.1 起源和历史 (2)

2.2 以硬件为主的化工过程强化 (3)

2.3 强调硬件和软件结合的化工过程强化 (3)

2.4 耦合技术迅速发展 (3)

2.5 信息技术对化工过程强化发挥越来越大的作用 (3)

2.6 从实现可持续发展的高度来推动化工过程强化 (4)

3. 化工过程强化的作用 (4)

4. 化工过程强化手段分析 (4)

4.1 化工过程强化设备 (4)

4.1.1 多功能反应器 (4)

4.1.2 微反应器 (5)

4.1.3 旋转盘反应器和超重力反应器 (5)

4.1.4 新型催化反应器 (6)

4.1.5 超声波反应器 (6)

4.2 化工过程强化技术 (7)

4.2.1 膜技术 (7)

4.2.2 脉动燃烧干燥技术 (7)

4.2.3 超临界流体技术 (7)

4.2.4 离子液体 (7)

4.2.5 微化工技术 (8)

4.3 其它方法 (8)

5. 化工过程强化应用实例 (9)

5.1 超重力法合成纳米颗粒 (9)

5.2 悬浮床催化蒸馏的应用(SCD新工艺合成异丙苯) (10)

6. 问题与挑战 (11)

参考文献 (12)

1.前言

我们的生活与化学工业息息相关，医药、塑料、橡胶、汽油等都是化学工业制造的，这些工业是高利润的产业，是国民经济的支柱，但在这些产品的化工生产过程中所存在的高能耗、高污染等问题一直以来都是实现可持续发展首要解决的问题[1]。强化化工过程使之达到高效、节能和无污染，是解决过程工业带来的“发展-污染”的矛盾和实现可持续发展的有效手段。

化工过程强化就是通过技术创新，改进工艺流程，在实现既定生产目标的前提下，通过大幅度减小生产设备的尺寸、减少装置的数目等方法来使工厂布局更加紧凑合理，单位能耗更低，废料、副产品更少。广义上说，过程强化包括新装置和新工艺方法的发展：一是生产设备的强化，包括新型反应器、新型热交换器、高效填料、新型塔板等；二是生产过程的强化，如反应和分离的耦合（如反应精馏、膜反应、反应萃取等）、组合分离过程（如膜吸收、膜精馏、膜萃取、吸收精馏等）、外场作用（离心场、超声、太阳能等）以及其他新技术（如超临界流体、动态反应操作系统等）的应用等[2]。所以过程强化是国内外化工界长期奋斗的目标，也是化学科学和工程研究的主要成果之一。

化工过程强化是国内外化工界长期奋斗的目标，近年来更加引起了人们的重视。在美国等许多发达国家，化工过程强化被列为当前化学工程优先发展的三大领域之一。英国将重点放在基础研究上，法国则重视理论模型的建立，德过侧重实验技术和工程研究等，日本在生物工程和新材料的研究方面投入了很大的力量，加拿大和澳大利亚则以资源利用为研究重点等。我国化学工程研究和应用也取得了重大的进展。例如石油工业的崛起大大推动了催化剂、反应工程和精馏技术的发展，核燃料后处理和湿法冶金的发展推动了溶剂萃取技术水平的提高等[1~2]。目前，化工过程强化技术已被列为“十一五”首批启动的国家“863”计划的中的项目之一，以实现节能减排。

2. 发展

随着现代过程工业的发展，产品不断更新，环保要求日益提高，建设生态经济和实现可持续发展的要求更为迫切。因此，人们力图灵活应用化学工程的原理和方法，致力于过程强化，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。应该说，过程强化是国内外化工界长期奋斗的目标，也是化学科学和工程研究的主要成果之一，化工过程强化被列为当前化学工程优先发展的领域之一。可以说，当前人们对化工过程强化认识达到了前所未有的高度。从最初对化工过程的认识到现在多种多样的化工过程强化技术的产生，化工过程强化经历了许多转变和发展。

2.1 起源和历史

过程强化的历史最早可追溯到上世纪70年代末。当时，英国化学工业公司首先将此概念用于生产过程，以减少投资。上世纪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，是当前化学工程优先发展的三大领域之一。2005年7月，在英国召开的第七届世界化学工程学术会议上，过程强化是最热门的研究方向之一。自此，人们对化

工过程强化的认识达到前所未有的高度，期望通过过程强化使化学工业的面貌在21世纪发生巨大变化[3]。

2.2 以硬件为主的化工过程强化

早年的化工过程强化往往以硬件为主。以精馏、吸收和萃取等化工塔器的内件为例，近二十年来，高效塔板、规整填料和散装填料发明层出不穷，塔内件优化匹配的概念引起了人们的重视。在利用新型塔内件改造原油常减压、乙烯和合成氨等生产装置方面，国内外都已取得了明显的进展，提高了效率，降低了能耗，经济效益显著。然而，化工塔内件性能的改进幅度并不很大。[4]

2.3 强调硬件和软件结合的化工过程强化

近年来，化工过程的强化更加强调硬件和软件的结合，更加强调科技创新，以追求更高目标。越来越多的研究人员认为，化工过程强化的目标不能只停留在使已有设备挤出百分之几的效率，不能满足于渐进式的变革，而应致力于在设备体积、产业化周期、能耗、物耗和环保等方面使工厂的效率取得突破性的进展。人们期望通过化工过程强化使化学工业的面貌在21世纪取得巨大的变化。[2]这是极大的挑战，也推动了过程强化取得了一些重大进展，如超重力分离器、高速转盘反应器、整体催化剂、撞击流反应器的成功研发。

2.4 耦合技术迅速发展

近年来化工过程强化的另一发展趋势是化学科学和工程研究大大促进了诸如催化精馏、膜精馏、吸附精馏、反应萃取、络合吸附、反胶团、膜萃取、发酵萃取、络合吸附、化学吸收和电泳萃取等新型耦合分离技术得到了长足的发展，并成功地应用于生产。这些新型耦合技术综合了多种技术的优点，具有独特的优势[4]。耦合分离技术还可以解决许多传统的分离技术难以完成的任务，因而在生物工程、制药和新材料等高新技术领域有着广阔的应用前景。由于耦合技术往往比较复杂,设计放大比较困难,因此也推动了化工数学模型和设计方法的研究。

2.5 信息技术对化工过程强化发挥越来越大的作用

信息技术对化工过程的强化也起着极其重要的作用。以化工分离过程为例，分子模拟提高了预测热力学平衡和传递性质的水平。分子设计加速了高效分离剂的研究和开发。CAD(计算机辅助设计)和AI(人工智能)的应用推动了分离过程和设备的优化设计和优化控制。非平衡级模型的应用避免引人级效率、等板高度等难以确定的参数，特别适用于多元物系的复杂分离过程。功能齐全的CFD(计算流体力学)软件可以对分离设备内的流场进行精确的计算和描述，加深了人们对相际传递过程机理的认识并为设备强化提供了重要信息。先进测试技术如LDV(激光多普勒测速仪)和DPIV(数字激光成像测速仪)等的应用不仅可以验证CFD计算的结果，而且使研究从宏观、平均向微观、瞬时发展，为化工过程强化的多尺度研究创造了条件。此外基于互联网的过程模拟系统也正在迅速发展，具有深远的意义[4]。