作者：李晓岩  发布时间：2011-05-18

　　文章来源：中国化工报

　　中化新网讯  化学工程与技术是当前化学工程学科前沿技术，也是重要的化工过程强化技术之一。微化工技术可实现化工过程节能降耗和化工系统微型化，并能提高过程安全性，已引起欧美等发达国家的高度重视。

　　化学工业中的许多反应属强放热过程，存在爆炸危险，而采用微反应技术能够提高过程反应的效率，改善过程反应的安全性。可以预见，微化工技术的开发与应用，将会改变现有化工设备的性能、体积、能耗和物耗，对化学工业的发展产生重大影响。

　　记者：微化工技术与传统化工工艺的区别是什么？

　　陈光文：微化工技术与传统化工工艺的最大区别是需要研究开发适合于微反应系统的快速反应工艺条件。

　　微化学工程与技术着重研究时空特征尺度在数百微米和数百微秒以下时，化工微型设备的设计、模拟、生产和应用等过程的基本特征和规律。与传统化工设备相比，微化工设备具有高传递速率、直接放大、安全性高、易于控制等优点，可实现化工过程的连续和高度集成，适应分散与柔性生产的要求。微反应技术具有强传热和传质能力，可大幅度提高反应过程中资源和能量的利用效率，实现化工过程的强化、微型化和绿色化。在微尺度的化工系统中，传统的“三传一反”理论需要修正、补充和创新；许多宏观的规律可能不再适用。因此，微尺度下的表面和界面效应，微过程的测量、分析、控制等基础研究尤为重要。

　　化工过程中进行的化学反应受传递速率或本征反应动力学控制或两者共同控制。就瞬时和快速反应而论，在传统尺度反应设备内进行时，受传递速率控制。而微尺度反应系统内由于传递速率呈数量级式提高，因此这类反应过程的速率将会大幅度提高。例如目前工业应用的烃类硝化反应时间一般在数十分钟至数小时，但在微反应器内可采用绝热硝化并同时改变工艺条件，这类反应的时间可缩短至数秒。

　　记者：微化工技术将解决传统化工生产中的哪些问题？

　　陈光文：传统化工过程主要依靠设备及装置大型化来降低产品成本。相关数据显示，2010年我国单位GDP能耗是美国的3倍、日本的5倍，虽然其中存在国家能源结构和产业结构等因素的差异，然而单就能反映一个国家化学工业发展水平的重要标志——乙烯工业的规模与水平而言，我国乙烯工业的单位能耗是日本的1.6倍。

　　当前，我国化学工业依然存在着设备庞大、资源利用率低、能耗高、污染重、产品质量差，新设备、新过程设计放大能力弱，过程调控难等诸多问题，难以适应可持续发展的需要。由于技术和装备落后，特别是在设备放大和过程调控方面存在许多问题，我国化工生产过程安全性较差。2005年吉林石化分公司双苯厂“11·1”爆炸及其所引发的松花江重大水污染就是一起沉痛的悲剧事件。

　　随着化学工业对能源、环境和资源需求的不断增长这些问题将愈加尖锐，能否有效解决这些问题，已成为我国化学工业能否实现新型工业化的关键。 而微化工技术由于可以实现化工过程节能降耗和化工系统微型化并能提高过程安全性，因此成为解决上述问题的有效途径。

　　记者：当前国内外微化工技术的研究热点集中在哪些方面？

　　陈光文：在微化工系统中，由于时空特征尺度微细化带来的过程特性变化，微化工技术的发展不仅在技术领域中构成了重大挑战，也为科学领域带来许多新问题。

　　微化工技术难点包括微反应系统的结构优化设计，先进制造、装配与密封技术，参数测量技术（无接触测量技术），系统自动控制技术，催化剂的壁载或填充技术，微反应器防腐技术等。目前，微反应器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，涉及行业包括石油化工，医药、农药、染料、火炸药等精细化工，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、含能材料的安全生产等；三是纳米材料合成等领域。

　　记者：微化工技术对于解决目前我们面临的资源、能源、环境问题有什么现实意义？

　　陈光文：微化工技术是上世纪90年代初兴起的前沿技术，它集微机电系统设计思想和化学化工基本原理于一体，移植集成电路和微传感器制造技术于一体的一种高新技术。由于微化工设备的内部通道特征尺度通常在几十微米至数百微米，流体薄层间距离极短，通过流体微团的介观黏性变形和分子扩散，可实现反应物料间的超快速微观混合；流体与器壁间有很大的接触面积，能显著提高流体间的换热效率，可实现反应过程的原位高效换热，其传热、传质能力较常规尺度提高1～3个数量级。另外，由于通道特征尺度小于火焰传播的临界尺度及微反应器内反应物持有量小，因而具有内在安全性，将其应用于快速混合、强放热及易燃易爆的反应过程，能显著提高过程的安全性，并可实现连续化操作；由于微化工设备结构的模块化，可实现直接放大（设备单元并联），可快速推进实验室成果的实用化进程。因此采用微反应技术可大幅度提高反应过程中的资源和能量的利用效率，减小过程系统的体积或提高单位体积的生产能力，实现化工生产过程安全、过程强化、微型化和绿色化。

　　微化工系统具有高度集成的模块化结构，可实现就地、按需生产与供货，消除了储运带来的系列问题，同时也使分散资源得到了充分合理利用，对人类生命、环境安全、资源与能源综合利用具有十分重要的意义，微化工技术的发展将会对化工领域产生重大影响。近十年来，微化工技术已迅速发展成为过程强化领域的典型范例之一。

　　记者：未来5~10年间，微化工技术最有可能在哪些方面获得突破？微化工技术的介入会给传统化工生产会带来哪些可以预知的变革？ 

　　陈光文：微化工技术最有希望的应用领域主要包括空间探索等国家安全以及传统化工技术的更新换代。前者如火星“化工厂”、微型核反应堆（高效传热、高效燃料后处理技术）、微型化学激光器、微推进器、高能炸药的安全生产等；化工过程则包括高效传热传质设备（微混合器、微换热器、微热泵、微分离器等）、精细高值化工产品（尤其是强放热、易燃易爆过程、危险品生产等，如磺化、硝化、氟化、氧化、重氮化、过氧化、酰胺化等）、材料高通量制备（催化材料、纳米材料、功能材料等）、微型氢源和燃料电池（车载系统）、微型化集成技术（反应、换热、分离高度集成）、二氧化碳捕集技术以及基于微反应技术的新过程开发与应用。预计在未来5~10年，微反应技术将会在精细化工、纳米材料等领域率先得到应用。

　　自上世纪90年代初开始，微化工技术就引起了美国、德国、法国、日本、英国等发达国家的广泛关注，各国政府都相继制订研究计划，以推进微反应技术的实用化进程。由于微化工技术的研究初期主要集中在高校和科研机构的实验室，产业界虽有关注但介入不多，因此对微化工系统的放大和集成技术的研究机会少，大大减缓了微化工技术的实用化进程。经过10多年的研发与宣传推广工作，目前世界微化工技术已处于应用前夜。

　　记者：我国微化工技术研究正在开展哪些工作？

　　陈光文：中科院大连化物所的科研团队于2000年率先开始了微化工技术的研究，至今已形成集微加工技术平台、微化学工程与技术的基础研究及应用开发于一体的研发体系。 大连化物所开发的千瓦级质子交换膜燃料电池所用的微型氢源系统，具有启动快、一氧化碳含量低、比功率高等优点，为我国氢能及燃料电池的多元化发展奠定了技术基础。该所开发的用于液-液混合的万吨级微混合系统，成功地进行了工业侧线实验。他们利用微反应器具有的高效传热、传质能力，使二硝基氯苯的合成时间明显缩短。作为我国微化工技术开发的另一阵地，清华大学化学工程联合国家重点实验室借鉴膜乳化技术，于2005年成功开发了以万吨级膜分散微结构反应器制备单分散纳米碳酸钙的工业装置。

　　虽然取得了上述成果，但目前我国的微化工技术研究佣处于刚刚起步分阶段，在许多领域的研究工作还有待于深入进行，与工业应用相结合的能力相对较弱。我国若能在微化工技术研究初期就与产业界合作，可加速微化工技术的产业化进程，在过程放大和系统集成方面积累经验，推进我国在微化工技术领域的研究。可以预见，这一新的前沿科学将会获得迅速发展，同时也将确立我国在这一新学科领域的学术地位。同时，该新兴学科的发展和渗透，势必带动相关领域的调整和发展，为我国建立新的学科结构、特色和优势发挥重大的作用。

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