桌面工厂化工生产的袖珍王国

化工资源深加工与综合利用技术交流研讨会—南京市

提起化工厂，人们就会想到庞大的储罐、耸立的高塔和烟囱。科学家除了不断完善这样的庞然大物之外，还在打造化工生产的袖珍王国。近年来，这种被称为“桌面工厂”的微化工系统正成为科学研究的热点。

那么，什么是微化工系统？“桌面工厂”是否具有可能性？在微小空间又如何进行大批量地生产加工呢？来自清华大学的纪录片对此给出了很好的回答。

1、微化工系统

微化工技术是上世纪90年代初兴起的前沿技术。该技术能促进过程强化和化工系统小型化，提高能源、资源利用效率，达到节能降耗的目的，改善过程的安全性。该技术被认为是21世纪化工产业的革命性技术，微化工技术的成功开发与应用将对化学化工领域产生重大影响。

与传统的间歇式反应釜生产工艺完全不同，微化工技术是在微米级的通道式反应器内进行撞击流化学反应。由于反应器空间非常微小，物料通过碰撞混合非常均匀，接触反应完全，而从可以解决传统工艺反应不彻底及易爆等技术难题。

传统技术量产示意图

微化工技术量产示意图

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2、微化工工艺特征

微反应器的微型化并不仅仅是尺寸上的变化，更重要的是其几何特性决定了微反应器内流体的传递特性和宏观流动特性，并进而导致它具有温度控制好、反应器体积小、转化率和收率高及安全性能好等一系列超越传统反应器的独特的优越性，在化学合成、化学动力学研究和工艺开发等领域具有广阔的应用前景。

在传热方面，微反应器狭窄的通道增加了温度梯度，再加上微反应器的比表面积非常大，大大强化了微反应器的传热能力。在微换热器中，传热系数可达W/（m2·K），比传统换热器的传热系数值至少大一个数量级。

在传质方面，微反应器狭窄的通道，缩短了质量传递的距离和时间。对于微混合反应器来说，传递时间和传递距离的二次方成正比。这就意味着减小通道尺寸将大大缩短扩散时间。静态微混合器通过将流体反复分割和合并，使分子扩散距离减小，反应物在毫秒级范围内即可达到径向完全混合。

微通道内的流体流型为层流，必然导致流体速度在径向上分布不均匀。从微观角度看，流体微元在微通道内轴向存在着返混现象，但由于微反应器的微通道非常狭窄，就单个微通道而言，其轴径比一般远大于，从宏观上仍可视作平推流流动模型，流体流动的返混现象可以忽略。

此外，反应器的微型化使得传统反应器的放大难题迎刃而解。微通道的规整性使得对微反应器的分析和模拟较传统的反应器简单易行，在扩大生产时不再需要对反应器进行尺度放大，只需并行增加微反应器的数量，即所谓的“数增放大”（Numberingup）。

3.微化工技术主要研究热点

微化工技术的核心是微通道反应器。与传统化工工艺相比，微化工技术最重要的是研究开发适合于微反应系统的反应器和快速反应工艺条件。

目前，微化工技术的研究工作主要集中在以下三方面：一是传统化工技术的更新换代，主要集中在石油化工、医药、农药、染料、火（炸）药等领域，主要包括磺化、硝化、直接氟化、氧化、过氧化、酰胺化、重氮化等各类强放热和易燃易爆的气—液和液—液反应过程。二是国家安全领域的研究工作，主要涉及化学激光器微型化、核燃料高效处理、特种材料的安全生产等。三是纳米材料合成等领域，特别是可以将精细化工、医药化工等间歇式、效率较低的合成工艺，将其变为像石油化工那样的可控连续工艺，让反应从几小时缩短到几十秒。

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4、我国微化工技术研发应用情况

我国在微化工技术产业化上已小有成就，可以说该技术发展基本与国际同步。

年5月，中科院大连化学物理研究所率先在中国成立了微化工技术研究组。年6月，他们开发的用于磷酸二氢铵生产的微化工技术在中国石化催化剂长岭分公司年产能8万~10万吨装置上，获得工业化稳定应用，微反应器、微混合器和微换热器体积均小于6升。该项目已经通过了辽宁省及中科院组织的技术鉴定，被专家认定为达到国际领先水平，标志着我国微化工技术应用实现了重大突破。

年清华大学成功开发了膜分散微结构反应器制备单分散纳米碳酸钙的工业装置。其化学工程联合国家重点实验室借鉴膜乳化技术，按照多个微通道串并联原理，设计了膜分散式微结构混合器。该反应器具有混合尺度易于控制、结构简洁、高效、能耗低和处理量大的特点。如以孔径5微米的不锈钢烧结膜为分散介质，在很大相比范围内的相分离可在30秒内完成，单级萃取效率达95%以上。同年，清华大学与山东盛大集团签订技术合作协议，现已建成年产1万吨的微反应生产装置。

年9月，中科院大连化物所与胜利油田中胜环保有限公司合作开发的百吨级、千吨级用于石油磺酸盐生产的微反应技术实现工业应用。

年12月15日，世界规模最大的15万吨/年湿法磷酸净化（PPA）装置在瓮福集团达州基地建成并一次投料成功，产出合格产品，填补了中国磷化工行业微化工技术的空白。

年10月，西安万德能源化学股份有限公司采用自主研发的微反应技术生产的十六烷值改进剂硝酸异辛酯，年产能1万吨，产量居全国首位。

年，清华大学与江苏安邦电化有限公司开发的“氯丙烯氯醇化微反应系统及方法”和“微反应器中用二氯丙醇环化制备环氧氯丙烷的方法”两项发明专利获得国家知识产权局授权。

年6月28日，西安万德能源化学股份有限公司在山东淄博高新区举行10万吨/年硝酸异辛酯（EHN）装置一期工程（4万吨/年）投产仪式，这是全球第一套采用万德能源公司自主知识产权专利技术—微通道硝化反应技术生产十六烷值改进剂硝酸异辛酯的大型装置。该项目一期工程投产后，万德能源化学股份有限公司硝酸异辛酯总产能达到5万吨/年，成为全球第二大柴油十六烷值改进剂生产商。

近年，华东理工大学、南京工业大学也成立了微化工技术研究团队，南工大还与橡胶助剂企业合作，以期改变目前我国橡胶促进剂生产基本采用间歇式工艺的状况，项目开发成功将给橡胶助剂行业绿色、安全、高效生产带来巨大的经济效益和社会效益。

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