加载中…我国化工过程强化技术理论与应用研究进展
(2012-04-21 19:27:54)摘 要 ：化工过程强化技术被认为是解决化学工业“高能耗、高污染和高物耗”问题的有效技术手段，可望从
根本上变革化学工业的面貌。经过多年的基础研究和技术开发，我国在化工过程强化技术方面形成了自己的特
色与优势。本文综述了我国在超重力技术、微化工技术、等离子体技术。
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关键词：化工过程强化；超重力；微化工；等离子体。
化学工业是我国国民经济的支柱产业，为我国社会经济发展和国防建设提供了重要基础材料和能源，创造了高达20%的GDP，约占工业总产值的30%。但同时它也是我国工业污染的主要来源和能源消耗大户之一，其废水排放量居全国工业废水排放总量之首位，约占19.7%，能源消费量约占全国能源消费总量的16.4%。与发达国家相比，我国的化学工业存在“高耗、高污染和高物耗”的现实问题，严重制约着我国化学工业的可持续发展。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”问题的最有效技术手段之一，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。近年来，经过老中青几代科学家的共同努力，我国在化工过程强化领域取得了令人瞩目的进展，某些自主研发的过程强化技历经源头创新、理论构建等长期基础研究的积累，再经技术完善，直至最终实现工业应用，为推动我国化学工业的发展和进步做出了显著贡献。下文对我国化工过程强化技术的进展进行综述。
1 超重力强化技术
1.1超重力技术简介
所谓超重力指的是在比地球重力加速度（9.8m/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）。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。
1.2 超重力技术的理论研究
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。早期的研究者对RPB 内的液相总体积传质系数进行了研究，发现其体积传质系数比传统的填料塔提高一个数量级，为8×10－4 m/s 左右。在可视化研究的基础上，郑冲等]建立了填料空间内飞行液滴、液膜和液线的运动和传质方程，得到了以上形式存在的空间液体的传质系数的表达式。陈建峰等对RPB 内水脱氧过程进行了传质的模型化研究，计算出了液相传质系数，后进一步研究提出了更为精确的一个变液滴传质模型，以本菲尔溶液吸收CO2 为工作体系，对RPB 内的传质过程进行了模拟与实验研究，计算获得的出口气体CO2 浓度和实验真实值的误差在±10%以内，首次从理论模型上诠释了RPB 内传质过程的端效应区非均匀性行为。陈建峰课题组率先对RPB 中的分子混合性能进行了系统性研究，采用偶氮化反应体系研究了超重力环境下的分子混合规律，利用聚并-分散模型描述了RPB 内的分子混合状况[6]；采用碘化物-碘酸盐体系对RPB 内的分子混合进行了研究，通过团聚模型计算出RPB 的分子混合时间在10－4 s 数量级；针对无预混物料在RPB 丝网填料上的湍流混合、扩散及反应行为进行了数值模拟研究，建立了RPB 内液体微元流动的物理模型，应用k -? 湍动模型进行模拟计算，对于所涉及的化学反应过程，建立了瞬时封闭模型，模拟结果与实验结果吻合良好[8]；发现采用预混合进料后，旋转床中的离集指数大大下降，表明这种进料方式的分子混合性能优良，认为预混进料改善了旋转床的宏观混合和介观混合性能，从而提高了分子混合效率。
2 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[24-25]。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[26-28]。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。
3 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。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（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。
3.1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[51-52]、氮[53]和二氧化碳[54]，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[53，55]。等离子体煤转化[56]、等离子体甲烷转化[51-52]、等离子体二氧化碳转化[54]、等离子体醇或醚转化[57-58]等方面也掀起了世界性的研究热潮。尤其在冷等离子体制氢方面，由于冷等离子体启动方便、可以在室温下操作、机动性好等优点，被认为是为燃料电池等供氢的优
选方案[58]。
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[59－60]。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[60]。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。需要加强等离子体发生方式的创新研究，使得等离子体由传统的宏观、微观尺度意义上的发生过程转变到纳米尺度，从而能够以高能效的振动激发模式活化分子，从根本上提高等离子体有机合成反应的能效。2006 年，Liu 等[61]正式发表了关于等离子体与分子筛催化反应类比性的思考，希望借助于模拟分子筛内自然强静电场，实现在纳米尺度上高效发生等离子体的目标。这一方面的研究还需要加强与物理、电子器件等方面的多学科合作，以期尽快取得突破。
根本上变革化学工业的面貌。经过多年的基础研究和技术开发，我国在化工过程强化技术方面形成了自己的特
色与优势。本文综述了我国在超重力技术、微化工技术、等离子体技术。
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关键词：化工过程强化；超重力；微化工；等离子体。
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选方案[58]。
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