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这8项化工技术,正在大放异彩

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01、超重力强化技术

超重力指的是在比地球重力加速度(9.8米/平方秒)大得多环境下所受到的力。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。这样的旋转设备被称为超重力机。

在超重力环境下,不同物料在复杂流道中接触。强大的剪切力将液相物料撕裂成微小的膜、丝和滴,产生快速更新的相界面,使相传质速率比在传统塔器提高1~3个数量级,分子混合和传质过程得到高度强化。同时,气体线速度也大幅度提高,使单位设备体积的生产效率提高1~2个数量级,设备体积大幅缩小。因此,超重力技术被认为是强化传递和多相反应过程的突破性技术。

超重力技术已被用于纳米药物、纳米分散体、丁基橡胶等的制备或生产,以及碳纤维、生物可降解高分子等高黏体系的脱挥等工业过程。工业实践已充分证实,超重力技术具有显著过程增产、节能减排、降耗和提升产品质量的功效,符合当代过程工业向资源节约型、环境友好型转变的发展潮流。超重力强化技术在传质、分子混合限制过程及具有特殊要求工业过程(如高黏度、热敏性或昂贵物料处理)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。

我国的超重力技术研究在世界上已处于领先地位。北京化工大学陈建峰课题组发现了超重力环境下微观分子混合强化百倍特征现象,据此原创性提出了超重力强化分子混合与反应结晶过程的新思想与新技术。

随后,该课题组进行了工业化开发,建立了8条超重力法制备纳米颗粒工业生产线,其中纳米碳酸钙(平均粒径30纳米)生产线产能达到1万吨/年。

此举被国际评论为“应用于固体合成发展历史上的重要里程碑”。课题组还将超重力技术成功应用于浙江宁波万华聚氨酯有限公司二苯甲烷二异氰酸酯项目,使其产能从16万吨/年提高到30万吨/年,过程节能30%,产品杂质显著下降。

02、膜过程耦合技术

膜分离技术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。

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,已成为膜分离技术的发展方向之一。

该技术目前发展的关键是如何运用化学工程理论和方法、材料科学与技术研究耦合过程的协调机理,实现物质传递与反应过程的匹配和调控,实现耦合系统的高效运行。

目前我国已成功开发出成套反应-膜分离耦合系统,在石油化工、生物化工等领域得到推广应用。

随着研究的深入,膜过程与其它单元操作过程(结晶、反应精馏、萃取等)耦合,不仅能降低设备投资与能耗,而且能提高过程效率。

03、微化工技术

微化工技术以微反应器、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规律。

微化工系统是指通过精密加工制造带有微结构(通道、筛孔及沟槽等)的反应、混合、换热、分离装置,在微结构作用下形成微米尺度分散单相或多相体系的强化反应或分离过程。与常规尺度系统相比,微化工系统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,用于易燃易爆化合物合成、剧毒化合物现场生产等,具有广阔的应用前景。

微化工设备内存在挤出、滴出、射流和层流4种分散流型,比传统化工设备的分散尺度小1~2个量级。

由于多相体系存在环流与界面扰动等现象,可加快物流、热流的迁移速度,强化微设备的热质传递效果。实验表明,气-液-液及液-液-固体系的体积传质系数均比传统设备高1~2个量级以上,单台设备内传质效率可达90%以上,体积传热系数也提高了1~2个量级。

微化工技术的成功开发与应用将改变现有化工设备的性能、体积、能耗和物耗,对整个化学化工领域产生重大影响。目前该领域尚有部分问题需要深入研究,如微设备内复杂多相流行为及调控规律等。

04、磁稳定床技术

磁稳定床是磁流化床的特殊形式,兼有固定床和流化床的优点,较好地克服了流化床因返混严重造成转化率偏低、颗粒容易被带出的缺点,又弥补了固定床使用小粒子时压降过大、放热反应容易出现局部热点的缺点,同时可在较宽范围内稳定操作,充分破碎气泡改善相间传质。

目前磁稳定床在石化、生物化工和环境工程等领域已显示出明显的优越性,今后还将应用于纳米催化、生物制药等领域。

中石化石油化工科学研究院与中石化巴陵分公司合作研发的磁稳定床己内酰胺加氢精制已取得突破性进展——以非晶态合金为催化剂,在磁稳定床反应器中对30%的己内酰胺水溶液进行加氢精制。其结果与工业常用的釜式反应器相比,加氢效果提高10~50倍,催化剂耗量降低70%,经济效益显著。

磁稳定床反应器的应用目前存在一些限制,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研究。

05、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。

无论是部分电离还是完全电离,气体中正电荷总数和负电荷总数是相等的。

按等离子体带电粒子能量的相对高低,可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。等离子体所含粒子大多为活泼的化学活性物质。等离子体特别适合于热力学或动力学不利的反应,可有效活化稳定的小分子,如甲烷、氮和二氧化碳,甚至可使反应的活化能变为负值。

这一特点使等离子体在一些特殊无机物(金属氮化物、金属磷化物、金属碳化物、人造金刚石等)合成强化方面广泛应用。尤其在冷等离子体制氢方面,由于启动方便、可在室温操作、机动性好等优点,被认为是燃料电池供氢的优选方案。

等离子体目前在有机合成反应方面的优势还不显著,需要加强等离子体发生方式的创新研究,使等离子体的发生过程转变到纳米尺度,从而能够以高能效振动模式激发活化分子,从根本上提高等离子体有机合成反应的能效。

06、离子液体技术

离子液体是指完全由可运动阴阳离子组成的室温液体,是离子存在的特殊形式。

与传统分子溶剂和高温融盐相比,离子液体具有特殊的微观结构(氢键网络结构和不均质团簇结构等)和复杂的相互作用力(静电库仑力、氢键、范德华力等),在实际应用中展现了独特的物化性质。离子液体不易挥发、液态温度范围宽、溶解性能好、导电性适中以及电化学窗口宽,具有功能可设计性和多样性。

作为新一代离子介质和催化体系,离子液体在化工、冶金、能源、环境、生物、储能等领域逐渐展现出惊人的应用潜力,有望取代传统的重污染介质和催化剂,实现21世纪新一代绿色化学化工产业技术革命。

目前,各国已投入大量人力财力进行离子液体研究,努力建立全面系统的离子液体工业化应用平台,尽早突破离子液体工业化进程的发展瓶颈。

07、超临界流体技术

高于临界温度和临界压力的流体是超临界流体。超临界流体处于气液不分状态,没有明显气液分界面,既不是液体也不是气体。

由于超临界流体处于超临界状态,对温度和压力的改变十分敏感,具有十分独特的物理性质。它的黏度低、密度大,有良好的流动、传质、传热和溶解性能,因此被广泛用于节能、天然产物萃取、聚合反应、超微粉和纤维的生产、喷料和涂料、催化过程和超临界色谱等领域。将超临界流体应用到这些领域中的技术统称为超临界流体技术。

研究表明,在超临界条件下的化学反应,其反应选择性、反应速率、化学平衡以及催化剂使用寿命等表现出传统反应无法企及的优势。利用超临界二氧化碳既作反应物又作反应溶剂的特点,可将二氧化碳转换为环碳酸酯、聚碳酸酯、甲醇等高附加值产品。

超临界二氧化碳对氢气、氧气等有较好溶解力,可用于催化加氢、催化氧化等反应。超临界二氧化碳催化加氢生成甲酸、甲酸甲酯等,为解决温室效应问题提供了新方向。超临界水氧化反应可用于有毒废水、有机废弃物的治理,是一种前沿性环保技术,目前在国内外均已实现工业化。

此外,超临界流体结晶技术可用于制备药物、聚合物、催化剂等超细颗粒。超临界流体色谱技术适合于手性药物、天然产物等高附加值物质的分离。超临界流体技术还可用于半导体清洗、纺织品印染等多个领域。

08、微波技术

微波是频率在300兆赫兹~300吉赫兹,即波长在1毫米~100厘米的电磁波。

微波能强化质量传递和化学反应,加热主要通过源于物质内部分子吸收电磁能后数十亿次偶极振动产生的大量热能实现,可直接激发物质间反应。与常规加热相比,微波具有加热速度快、均匀、无温度梯度存在、瞬时达到高温、热量损失小等优势。

此外,不同物质具有不同微波吸收能力,使得微波具有选择加热的特点。微波还具有非热效应,把物质置于微波场,其电场能使分子极化,其磁场能使带电粒子迁移旋转,加剧分子间扩散运动,提高了分子平均能量,降低反应活化能,大大提高了反应速度。

微波技术可改变化学反应历程,进而获得新的产物,实现常规方法不能进行的反应。

目前,微波辅助合成已成功应用于烷基化、皂化、烯烃加成、磺化、氧化环合以及负碳离子缩合等诸多反应。

在晶体合成方面,由于微波具有选择加热的特点,能在避免传统加热引起的团聚下制备超细粉末,有利于形成粒径分布窄、形态均一的纳米粒子。

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