市场经济下化学工业发展规划的编制(系列报道之六)
化学工业发展中的化学科学和工程技术
中国化工信息中心教授级高级工程师  朱曾惠
  　美国、欧盟国家和日本分别提出的化学工业长远发展规划具体内容不同，但总体战略目标一致，即实现可持续
发展战略，提高国际竞争能力，将科学技术创新作为基础和关键，并将化学科学和工程技术作为基础中的基础，突
破创新的关键。
　　化学工业产品很多，有多种不同的分类，如按组成分可分为有机化学品、无机化学品等；按功能分可分为通用
化学品（基础化学品）、精细化学品、功能化学品（专用化学品）等；按行业用途分可分为石油化学品、农用化学
品、医药化学品、塑料加工、轮胎等；按产品差异性分可分为通用化学品、类通用化学品、精细化学品、专用化学
品等。各国对化学工业的范围界定也不完全一致，但从化学工业的工艺过程和技术基础看，不论什么产品，不论什
么行业都可以用统一模式来表征（见图1）。
　　化学原料先进行预处理工序：如破碎、筛分、溶解、过滤等，得到精料再进行化学反应，如氧化、还原、羰基
化、磺化、酯化、聚合氯化、加氢、烷基化、电解等，转变为产品、联产品和副产品以及废料，再经过分离工序，
如蒸馏、萃取、结晶等，将产品和联产品及副产品分别纯化为商品或作为进一步化学加工的中间体，未反应的原料
返回反应系统，三废送入排放系统。
　　化学原料有多种来源：无机原料（矿物）、有机原料、生物原料以及空气、水等。
　　预处理、分离：由单元操作组成，多为物理过程。
　　化学反应：由单元工艺组成，为化学过程。
　　化学产品虽多，工艺制造各异，但都是选定一定原料后，经过单元操作和单元工艺的组合集成，在一定的反应
介质、适当的反应条件（如温度、压力、催化剂）下完成制造，必须要有合适的设备和装置、分析监测和控制手段
和方法。可见原料和介质选择、单元操作、单元工艺和监测控制是化学工业的基础技术，美国、欧盟和日本的化学
工业长远发展规划都将它们作为发展化学科学和工程技术的核心内容，是提高化学工业国际竞争力的基础和关键。
　　美国提出的《化学工业2020年技术设想》中将“新的化学科学和工程技术”列为4个主要技术领域之一（其
他3项为供应链管理、信息系统、制造和运营），把化学合成、生物过程和技术以及材料科学和技术作为重点。10
年来针对此重点编制了相关的技术路线图，如催化和生物催化、组合化学、计算化学、计算流体力学、离子液体、
新型工艺过程化学、工艺设备材料技术、分离工程、反应工程、替代介质、工艺过程测量与控制等，并组织研讨会，
陆续发表研讨结果和设想实施情况。
　　欧盟委员会在《欧洲化学的未来：用科学和技术提高欧洲生活质量》中将掌握分子和生命过程作为4大重点中
的2个（其他为关心地球、化学与社会），把催化、超分子化学、生命中化学过程、天然合成应用、清洁工艺作为
需突破的课题，2004年在此基础上出台了《欧洲可持续性化学技术平台——2025年以后的设想》，其中将工业生物
技术、材料技术、反应和工艺过程设计作为3个重点，提出用工业生物技术取代经典的化学生产工艺，明确化学工
业作为过程工业，每种产品制造都要经过“产品开发-过程开发-装置开发和运营-产品贮运-利用-废弃-回收”1个
完整周期，每个步骤都是由各种物理、化学和生物技术组成，各种设备、反应过程和控制操作起着决定性作用，过
程要考虑安全、高效和环境友好。要建立新的合成概念，改善和提高催化转化，扩大利用生物技术加工，并把工艺
过程强化作为不断提高工艺过程和装置效率的关键。
　　日本1997年提出的化学工业技术发展设想中将对基础化学工业实行彻底的工艺技术改造和解决全球性问题的
化学技术作为重点，其后发表的《化学科学技术战略：2025》和实施路线图《新化学科学技术系统及路线图》中考
虑化学工业及其科学技术具有阶层结构的特点，它的发展需要依靠一些共同的技术基础，确定了基础性技术的概念，
将合成、催化、生物技术、聚合、结构控制和纳米技术作为重点。
　　美国提出2020年化学工业技术设想和相关路线图过程中，在政府、产业界和学术界间有了共识，同时也交流
了各自的目标。认为要形成合力，需要有共同的化学工业发展考核和表征的指标。于是成立了国家环境和经济圆桌
会议，开发了5种指标，分别为：
                         材料指标（MI）= 购买材料量（MT）-产品量（MT）/
                                         收入（US＄）-购买材料费用（US＄）

                         水消耗指标（WSI）= 新鲜水用量（m3）/
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　收入（US＄）-购买材料费用（US＄）
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　能量指标（EI）= 净能应用（MJ）/
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　收入（US＄）-购买材料费用（US＄）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　有毒物扩散指标（TDI）= 释放的已知有毒物的总量（MT）/
                                               收入（US＄）-购买材料费用（US＄）

　　　　　　　　　　　　污染物扩散指标（PDI）= 释放的已知污染物的总量（MT）/
                                               收入（US＄）-购买材料费用（US＄）

　　这些指标反映了原材料、能量、用水量、污染物和有毒物排放和产品销售价以及原材料成本之间的关系，可以
作为提高化学工业水平的相关标志。到2020年，上述5个指标参数要降低30%。2020年化学业要达到的总体目标
是：①降低由于生成废物和副产品而造成的原料损失90%；②降低能源强度30%；③减少排放（包括CO2和废气30%）；
④提高C1化合物应用20%，可再生资源应用13%；⑤通过应用新型手段，缩短进入市场时间30%；⑥年增加新产品
数量和应用15%；⑦降低生产成本25%。
　　要达到此目标，化学科学和工程技术将起关键作用。为此美国于1998年以后组织了多个研讨会并出台了多份
技术路线图，以下拟就最近出台的有关催化、工艺过程化学、分离、反应工程、替代介质等问题集中探讨，从而可
看出化学和化学工程对化学工业发展的基础支撑作用。
    一、催化
　　催化是自然界存在的改变化学反应速度的特殊作用，催化剂是一种改变化学反应而其在反应过程中自身不被消
耗掉的物质，只要有化学反应，就存在如何改变反应速度问题，就会有催化剂的研究，催化剂是化学研究中的永久
主题。化学工业生产工艺中70%以上都需用催化剂，新工艺产生和原工艺的改进常常都是围绕催化剂的开发进行的。
美国产量最大的50种化工产品中，有31种产品生产工艺中要用催化剂。美国化学工业界在化学研究中十分重视多
相催化、均相催化、光催化、电催化以及酶催化和仿酯催化等基础研究，并将C-C键和C-H键活化催化剂和提高催
化剂的选择性作为重点，提出要优先开发选择性氧化催化剂，应用于关键性的化学工艺过程（如直接丙烯氧化、烷
烃终端氧化、烷烃脱氢、苯直接转化为苯酚以及有机物用氧直接氧化）。在提高催化选择性方面，要扩大应用对映
体选择催化剂，开发高选择性催化剂用于关键性化学工艺过程（如烯烃环氧化、由丙烷或丙烯制丙烯酸或丙烯腈、
从C4和α-烯烃制甲基丙烯酸等），利用光电、激光、微波等外能来提高选择性，扩大应用于控制聚合物结构和形
态，以及扩大应用形态选择性催化等。理想目标是达到100%选择性，从而可以降低包括精馏分离等单元操作在内
的能耗和成本，并达到高收率和低废物及副产品的产生。在催化方面还强调了工程方面的研究和开发，如催化反应
器的设计和放大、催化剂脱活和再生工艺、反应工程动力学以及反应条件的选择、低纯度单体的聚合催化剂、将太
阳能转换为化学能的催化剂以及催化剂研究的高效方法等。在2000年以后的“2020年设想”研讨会上，特别是在
有关纳米科学和技术的路线图中，对纳米科学在催化方面应用给予了很高的评价，在《纳米材料在化学工业中的经
济效益估价》中对纳米科学在催化剂上应用效果进行了研究，在31种必须采用催化剂生产的化工产品中，其中18
种可以通过纳米技术改进催化剂，选择性平均提高50%。每年可节约成本25亿～40亿美元，节约能耗200～400×
1012 BTU/a。此外还可减少贵金属应用。在石油炼制催化剂方面，每年可节约成本10亿～17亿美元，节约80～200
×1012 BTU/a。
　　为了使21世纪的化学工业走向可持续发展道路，美国化学研究委员会根据《设想》组织了“新型生物催化剂
研讨会”，并提出了1份有关生物催化剂的专题报告，认为新型生物催化剂是可持续发展化学的主要手段，除了它
可以为传统化学工业降低材料、水和能源消耗作贡献外，还可以达到以下一些目标：①生物催化剂比当前所用催化
剂性能更好、更快、更便宜；②可以开发催化剂系统应用于广泛的反应；③可以提高温度稳定性、活性和溶剂兼容
性；④开发分子模型可以更快地进行新型酶的设计等。新型生物催化剂应用须与生物反应器和相应的产物回收组合
形成新的生物工艺（发酵或酶反应）为化学工业开辟可持续发展的途径。
    二、化学反应和反应工程
　　在“2020年设想”中将新化学科学和工程技术列为首项关键领域，其中确定了3个化学科学领域：化学合成、
生物工艺和生物技术、材料技术；3个实施技术领域：工艺过程科学和工程技术、化学测量、计算机技术，并相应
提出了技术路线图，见图2。

　　　　　　　　  技术路线图                2020年达到的主要目标
　　　　　　　　计算机流体力学             领先时间3～5年
                                           缩短工厂故障时间50％～75％
                                         提高分离效率20％
　　　　　　　　催化反应                 提高催化剂发现过程
                                         开发具有选择性100％的催化剂
　　　　　　　　计算化学                 提高功能速度210倍
　　　　　　　　分离                     降低可持续性指标30％
　　　　　　　　结构用材料                 减少能源费用30％
                                         提高开工时间和收率20％
                                         无意外排放
　　　　　　　　材料技术                 降低非再用材料20％
                                         降低CO2排放每千瓦小时30％
　　　　　　　　改变合成途径             降低单位GDP能耗20％
                                         降低分离用能5％～50％
                    图2  化学工业发展关键领域技术路线图

　　改变合成途径，在有机化学品方面提出重点反应是：氧化脱氢、还原和加氢、水解、氯化、羰基化、聚合和缩
聚、烷基化和电解；无机方面是：电解、聚合；单元操作方面主要是分离。
　　在上述领域内，采取替代技术是主要途径，在《新型过程化学技术路线图》中列出以下4个系列：
　　介质的替代：离子液体、液体聚合物、水相系统、高压和超临界CO2、融熔系统和有机液体。
　　物理的反应条件替代：微波、电化学、无线电频率、超声、等离子、辐射、电引发、光电、太阳能、自我装配、
高选择性催化剂、无溶剂。
　　介面反应：固-固（无溶剂）、汽-固、固-液、无溶剂涂层乳化、悬浮。
　　用替代资源合成及加工：替代资源、生物合成路线、生物聚合物、仿生合成材料生物药品。
　　在各种类型的化学品生产中，无论基础化学品、专用化学品、医药和聚合物，各种工艺过程中化学反应器都是
其核心。从近百年的化工生产实际看，反应器、分离器、热交换器、混合器和泵是重点，而反应器亦居首位。因此，
从“设想”和相关的技术路线图上看，亦将反应器与其他单元操作的集成和微型化作为优先突破的重点，如：
    反应器+热交换器：流化床反应器，多管反应器，相变反应器
    反应器+分离器：膜反应器，多相工艺过程
    反应器+混合器：微型反应器，乳化器
    反应器+压力降：压力翼反应器
    极端条件下反应器：微秒反应器，微型反应器，高温，高压，超临界反应器
    三、 分离
　　在化学工业生产中，分离过程与化学反应一样起着重要作用，分离工艺过程在化学工业生产建设投资和生产运
作成本中所占比例很高，都约为40%～70%。因此，分离过程的应用将在很大程度上影响成本、能源消耗和废料生
成。虽然许多分离过程历史悠久，技术已臻成熟，但各种分离技术仍有发展空间，而且将各种单项分离技术进行组
合，形成复合系统已成为发展趋势。根据《2020年技术设想》要求，2000年组成了4个专题研讨会，提出了7项
重点分离技术：吸附、结晶、蒸馏、萃取、膜、分离反应器和离子交换。另外确定2个交叉互动的领域：生物分离
和稀溶液，每个方面都提出了需要优先安排的研究开发项目，其中重要的是：
    吸附方面：主要是吸附剂，为了得到选择性和稳定性提高的新型材料，就要求具有良好的几何构型，要开发新
方法预测吸附剂的功能，促进工艺设计，并能为工业可行性提供示范。
    结晶方面：重点是固/液平衡和晶体成长机制的物理性能数据和分子建模的能力，以及能量度超饱和程度的仪
器工具。
    蒸馏方面：提高对物理现象的了解，改善就地取样、分析和流动可视方法，提高可预测的建模手段。
    萃取方面：重点是新型溶剂，要对此基础性物理过程更好地了解，加强物性数据库。
    膜方面：重点是对直接研究工作进行经济评价，开发膜系统提高可操作性和能力，开发新型膜材料，提高表面
积，降低成本，建立可预测的模型。
    分离反应器方面：重点是新材料开发，经济评价优化分离反应器的应用，并提高设计能力。
    离子交换方面：开发具有更大选择性的新材料，改进再生方法，降低材料成本，创新离子交换设备和复合系统。
    生物分离方面：开发具有活力的生物催化剂，与膜、吸附剂、萃取剂和复合系统结合的分离技术，取得物理性
能数据，扩大预测性建模，保证体内合成，并开发闭路循环的发酵工艺。
    稀溶液方面：提高对物理现象和分子间化学结构的认识，加强物性数据库，改善预测性建模工具，提高包括复
合系统在内的分离技术。
    四、工艺过程的强化
　　工艺过程强化包括强化工艺设备和生产系统以及工艺过程的集成，这是逐步改进和提高工艺和设备效率的关键
性的可行手段。效果涉及占用空间、时间、能源、原材料、安全和环境，它的研究可以是单个元部件，并可以针对
整个生产系统和应用领域，强化的元部件和工艺应用推广需要合适的条件，因此需要配套安排，不同的化学品有不
同的强化策略，如对增值极高的产品（如药品、手性制剂等）就要在新合成基础上进行超小型生产，对产品最终用
途性能的精细工程进行放大开发，对大吨位产品生产重点应对就地的生产控制（将传感器和执行相结合）。从欧洲
2005年提出的可持续化学发展2025年规划中有关工艺强化的研究开发项目，可以看出其中远期的目标。
    中期：提高强化组部件的可靠性和质量
          开发就地工艺过程控制和能源供应
          扩大应用连续性生产工艺
          通过传质/传质，反应/分离集成强化工艺
          创新可靠的风险和效益评估方法
          适用的程序和可操作的供应链管理
          确定能达到最小公用工程需要的设计目标
    远期：适用的强化工艺装备，提高纳米技术应用
          应用自我适应的工艺元部件
          创建强化的产品工程
    在当前化工生产现状下，传统的规模经济，适合于低强度大产量的生产，对强化工艺设备应用，即使在部分生
产中亦常因需要投资等原因难以推行，当然强化工艺设备的成本以及相应的标准等亦是待解决的问题，针对此情况，
欧盟提出了相应措施：
    ● 开发新材料技术和微型加工方法
    ● 提高工艺过程建模能力和计算机辅助设计水平
    ● 提高微流体力学和相关专业水平
    ● 进行反向工艺-产品工程
　　从而将新材料开发与工艺过程元部件结合，达到强化工艺、生产新材料和新产品目的。
　　工艺过程强化对现有生产工艺的改进和提高有着现实意义，无论是设备强化或是工艺方法的强化，可以用于工
艺的局部也可能用于工艺整体。它是一种风险较小的技术改造，有时却能取得较明显的创新效果，但是这种工艺强
化的理念常常被人们忽视。装备强化和工艺强化应当成为创新开发研究的一个主要内容，而工程设计则是推广工艺
过程强化的促进者和实施者。
　　综上所述，化学科学和工程技术要成为化学工业发展的一个关键性的基础需要研究，应用研究和工程开发密切
结合，需要产业部门和学术机构建立共识和合作，而政府部门则应对这种结合和合作给予支持和条件，这里既有市
场拉力也有技术推动，关键在于将两者进行战略性组合。从美国、欧盟和日本的化学工业发展规划制定和组织实施
过程中，每项关键技术的研究开发都通过专家学者和决策者讨论制定出详细的技术路线图，对起始状况、欲达到的
目标或预期结果、各项子课题和相关交叉学科等都明确地提出，而且将各自的关系和需互动的内容也都用图表表明，
是一个建立在共识基础上的推动协同合作的实施计划，因此效果显著。多年来，技术路线图已经成为长远规划编制
的一个组成部份，从内容上看，也是全面了解该技术项目的一份翔实基础材料。