化学工业过程强化进展　　过程强化（Ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）是指用更小、更便宜、更高效设备或将多个单元操作组合在一种或较少的部件或装备，取代原有工艺中大型、昂贵、耗能的设备及工艺的技术。２００３年春季，美国化学工程师学会（ＡＩＣｈＥ）在新奥尔良举行过程强化专题会议。该学会会刊《化学工程进展》（ＣＥＰ）１０月份发表专文，对化学工业中过程强化的现状、发展中存在障碍及发展的建议做了较系统地阐述。现将有关内容摘编报道如下。早期开发　　20世纪70年代后期，ICI公司首先提出过程强化的概念，作为降低生产系统投资的1种途径。该公司开发的HiGee技术，采用旋转装置，可对两相系统（液/液、或液/汽）施加大的离心力，强化传质，分离效率极大提高，从而可用较小装置代替蒸馏塔。该技术在几年内即进行了转让。我国胜利油田于1997年用1.5m的旋转汽提塔替代原有高30m的真空蒸馏塔。2001年，陶氏化学在次氯酸工艺中采用HiGee技术旋转填充床反应器。　　更早些时候，也有现被视为过程强化的实例（甚至有些技术在这个概念产生前就已经商业化）。伊士曼化学公司甲醇酯化生产醋酸甲酯工艺便是其中之一，该工艺在塔型反应器中使用液相催化剂，将反应和精馏整合在同一容器内。该装置于20世纪70年代后期在Kingsport工厂建成。另一实例是静态混合器，在管道中实现液体的混合和输送，该技术首先由壳牌申请专利，后由苏尔寿和其他公司实现商业化。　　反应蒸馏是另一类型的早期过程强化。CDTech开发的“Texas 袋茶（Texas teabag）”技术，在蒸馏塔最适宜部位嵌入离子交换树脂催化剂，获得1种非常有效的甲醇和异丁烯反应生产MTBE的工艺。　　过程强化的应用不仅用于化学生产工艺，也用于医药和精细化学品领域。DSM建成的“线内整体反应器”，将结构催化剂置于管线内，与传统的搅拌釜式混合器和填料床反应器结合装置相比，反应器体积可降低两个数量级。　　HEX指一系列紧凑型热交换器/反应器系统，包括使用印刷电路技术生产的板柜式、板翅式和模块式微型热交换器/反应器系统。在某些精细化工工艺中使用HEX系统，可使反应时间从数小时减至数分钟，副产物生成减少75%。但目前，该技术尚未实现工业化。新型技术　　微型反应器  　　美国一些组织正在研究微型反应器技术的应用，主要集中在燃料电池中重整和氢气发生技术。如太平洋西北国家实验室开发的Sub-Watt发电系统，将催化燃烧器、甲醇重整器、蒸发器和热交换器整合到体积小于20mm3的微型系统，可以产生燃料电池用的富氢气流。　　我国大连化学物理研究所正在对以甲醇为原料、在微型管道自热重整反应器制备氢气的技术进行研究。反应器通过化学蚀刻不锈钢和铝制成，由于尺寸小，传热和传质都得到极大提高。　　FMC和Steven技术研究所合作研究在微型管道反应器中氢直接氧化生成过氧化氢的技术，该反应为高放热反应，且可能会发生爆炸。这种反应器横截面积小，具有极高的表面积体积比，可极大地提高传质和传热，因此允许管壁淬火以消除热失控及伴随的爆炸。　　微型渗透蒸发工艺  　　路易斯安那技术大学正在对两种乙醇和水微型系统渗透蒸发膜进行测试。以计算机流体动力学（CFD）模型为基础，研究人员设想该化学微型系统扩散距离短，可以缩短分离所需的接触时间。　　精馏新技术  　　RCD工程公司开发了1项蒸馏新技术，旨在解决产品管路从1种产品切换到另1种产品时复杂多变的烃类组成问题。这种不确定的混合物被称为“Transmix”。通常需用两座塔来进行这种复杂的精馏，为了降低投资，该公司试用了分壁塔（divided-wall column）。但分壁塔是为单一进料组分设计，而Transmix是不断变化的。为此RCD提出使用不带再沸器和冷凝器的前置塔，将塔顶和塔底产物分别在主塔适当部位引入。　　反应精馏  　　目前，反应精馏仅用于副反应不显著的系统。RCD工程公司设计出带有侧流再沸器和冷凝器的反应精馏塔，具有较高的选择性，现已取得专利。　　德国斯图加特大学、巴斯夫和苏尔寿化学技术公司的1个联合研究组，正在研究以乙醇和醋酸为原料，在填充固体催化剂的精馏塔中合成醋酸乙酯的技术。对几种不同模型研究发现，该技术可以获得与实验室很一致的结果。　　美国纽约城市大学研究了塔式反应器中合成醋酸甲酯的技术。研究人员计算机模拟中发现该反应可能存在多重稳态，通过对主要变量进行分析，开发出消除多重稳态的控制结构。　　反应蒸发  　　斯图加特大学和巴斯夫正在研究不使用甲醇助剂制备不含固体高浓度甲醛的技术。该技术采用反应蒸发技术，在迅速破坏甲醛与聚氧亚甲基二醇平衡的同时，防止高分子量加成产物的生成，从而避免了固体的产生。　　盘式和板式反应器  　　英国纽卡斯尔大学正在对旋转盘式反应器（SDRs）进行研究，这种反应器可用于缩聚、自由基、离子型聚合等反应，因聚合在旋转产生的薄膜中完成，较传统搅拌釜反应器聚合速率明显提高，分子量分布也得以改善。　　研究人员还将SDRs用于反应结晶连续生产纳米/微米粒子。反应液从旋转盘中心引入，在旋转盘上形成扩散距离很短的高剪切力膜，同时实现微混合（Micromixing）。由于在SDRs中微混合时间较粒子聚集成团时间短，利于形成很细的粒子。粒子形状可通过改变SDRs旋转速度和反应物加料速度等参数进行控制。　　另外，研究人员还开发出SDRs实时液流分析技术。　　Smith Kline Beecham采用SDRs对某一工艺进行了研究，结果表明，反应时间可降低千倍，留存量减少百倍，杂质减少93%。　　该大学研究人员还对板式催化反应器（CPRs）在费-托合成中的应用进行了研究。CPRs的一面粘附催化剂，另一面与传热液体接触，这种设计确保催化剂的热量被有效转移，整个装置处于等温状态。研究人员称，CPRs作为变换器和F-T反应器可改善液态烃生产的经济性，反应系统体积可减少至传统反应系统的1/2～1/4，很适合中小型气田。试验工厂研究　　作为英国政府和4家化学公司联合资助的现场过程强化计划（OSPRI）的一部分，BHR Solutions开发出1种灵活的、可移动的试验装置，用以验证过程强化的应用。该装置将用于研究现在使用搅拌反应釜的4种工艺，包括：浓盐酸酸化有机酸钠盐；水处理化学品生产中的短链聚合；三烷基膦阻燃剂生产中，醇钠与氧氯化磷的取代反应；农用化学品中间体生产中，用硫酸和硝酸钠进行的磺化/硝化反应。　　以上都是工业上很重要的工艺，但由于缺乏工艺数据无法实现完整设计，可用OSPRI装置补充所需数据。　　OSPRI将设计为：可考虑困难的结构材料问题；自包含、可重构造、可连续或半连续操作；仅需标准的现场服务；具有连续监测、记录工艺状况的全部仪表等。为满足以上要求，BHR正在研究1种灵巧、可重构静态混合器反应系统。发展动力及障碍　　促进过程强化发展的主要动力有：1.新产品及强化的产品  过程强化最强大动力是可以生产其他方式难以生产的新产品；2.化学角度的改良  某些新型反应器可精确地控制反应环境，从而提高化学品收率、反应转化率及产品纯度，降低原料损失、能耗、提纯要求和废物处理费用；3.安全性提高  尤其对需要减少危险物质存留的工艺过程；4.加工过程的改进;5.节能、环保;6.降低投资;7.改善公司形象；8.对客户有利  过程强化后，可实现及时制造，快速按订单生产。尽管有诸多优势，过程强化推进仍存在很大阻力。1.工厂所有者是比较保守的  即使潜在利益非常诱人，公司管理人员希望尝试新技术前看到全规模的使用实例。2.间歇生产不易采用连续工艺  制药业的工业生产建立在实验室工艺放大的基础上，且制定了制造规范。生产工艺一旦建立，就很难改变。应用过程强化需要全新的思路，在开发阶段化学工作者就需用不同的实验室设备。3.现有过程强化单元操作和工艺有限。4.需要制定新设备的设计规范。5.过程强化应用中可能存在堵塞问题  微型/迷你反应器及其他微型设备对传质传热有利，但在某些工业应用中，可能存在堵塞问题。6.公众对过程强化认识不足，相关教育跟不上。   发展建议
   发展建议 　 迄今为止只有少数过程强化技术显示出经济或其他优势，吸引人们在新厂建设或改建中采用，尚需进一步开发适用性、可推广的技术，另外由于此类技术过于新颖，难以进行评估。因此，工业、学术和政府机构需要采取多种途径积极主动合作，形成全球范围的过程强化联盟。1.确定过程强化的主要需求，并进行交流  若一项新技术具有较大经济优势，潜在使用者就会优先参与其开发，并予以实施。当过程强化的主要动机在安全、节能及环境等方面，而新技术的经济优势不足以抵消投资和实施风险时，便会出现问题。工程师和科研人员应看到现有工艺的长期性风险，将工艺操作人员的注意力转移到新的技术。2.宣传过程强化开发和实施的成功实例  通过技术会议发表演讲、政府部门组织研讨会及出版物对过程强化成就进行宣传。3.对化学工程师进行过程强化科技培训  包括相关的基础性研究、模型开发及形成过程强化概念思想的其他知识。4.鼓励有价值、但存在风险的新技术的开发、试验及工业化  政府部门对困难课题的新型解决方案提出建议开发、示范和实施的要求，并提供部分经费刺激开发。5.鼓励设备中间商开发试验室及中试规模的过程强化，这有利于培训新一代工程师，也利于过程强化的放大。（全文完）