走进PI ——欧洲工艺过程强化规划借鉴
中国化工信息中心教授级高工 朱曾惠
工艺过程强化显著成效
石化工业和通用化学品：提高整体能源效率，在10～20年内提高5%，30～40年内提高20%。
精细化学工业和制药工业：可降低总成本，并通过提高收率来降低能耗，在5~10年内降低20%，10~15年降
50%。
食品制造工业：可提高除水工艺的能源效率，5～10年内提高25%，10～15年提高35%；通过整体价值链工艺
强化降低成本，10年内降30%，40年内可降60%。
日用消费食品工业：在保存过程中提高能源效率，10年内提高10%～15%，40年内提高30%～40%，还可增加产
能，40年内增长60%。
近100年来，化学工业和化学工程都得到快速发展，但同时也着面临巨大挑战。化学工业面临的挑战主要是
非再生原料可利用程度紧缩、能源价格上扬、环境和安全问题日益严重，而化学工程方面也正在寻求新的发展模
式。当前，工艺过程强化（Process Intensification，PI）正受到广泛关注，它已被视为
一种技术工具库，包
含许多工艺过程改进的实例。经过多年深入探讨，PI的定义主要出现了以下几种表述：
年 代 概 念
1983 发明紧凑装置，降低主要装置的规模和安装成本
1986 是一种降低化学装置尺寸并保证可以达到预定生产目标的战略
2000 是对设备和技术的创新开发，使化学制造及加工得到很大改进，显著缩小设备容积和
能耗或废料生成，成为价廉、安全和可持续的技术
2003 提供技术替代大型昂贵、能源密集的设备或工艺，将一种较为小型化、廉价、高效的
操作或是多种操作组合应用于较少的部件（或一个设备）中
2008（ERPI） 在工艺过程和设备设计中提出创新性原则，使工艺和价值链效率建设、投资和运营的
成本、质量、废料生成、工艺安全等有明显改善（通常大于2倍）
2008 是化学研究和化学工程开发中的一种工艺和产品创新的集成方法，在不定因素增加的
情况下仍可保持可持续获利
一、PI的定义与内涵
欧洲化学工业委员会（CEFIC）在2009年提出的欧洲工艺过程强化路线图中将PI定义为：
工艺过程强化（PI）在工艺和设备设计中提供了极具创新性的原则（“模式变化”），可以大幅度提高（通常
高于2倍）工艺过程和产业链的效率、降低投资和生产成本、提高质量、减少废料并提高安全性。
PI带来的效益可以由“可持续事业的3P理念来体现（见图1），3P指地球（Planet）、人民（People）、效益
（Profit）。PI包括两种基础性技术：一是硬件技术，如新型设备等；二是软件技术，如各种新型加工方法（见
图2）。
二、基础和原则
PI的目的是“大幅度地提高设备和工艺过程的效率”。在过去开发一种工艺过程往往局限于其本身内在的动
力学因素，不能超过其质量、能量和动量的传递范畴。而当前传递现象和单元操作的旧模式需要应对新的挑战，
因此在化学工程中涉及到时间和空间的极限：装置和分子。从反应器和装置宏观尺度上看，单元操作难以考虑集
成的正面影响，例如在反应分离中，反应和分离相结合能使可逆反应的转化率提高到100%。有人提出将单元设备
的概念转变为单元功能。但是一个化学工艺过程常常由几个工艺过程组合而成，单元功能的概念也难以完全解决
新的问题，因此，“协同性”和“集成”在从分子到装置之间的各种尺度（规模）中都应予考虑。鉴于此，《工业
和工程化学研究》（Industrial of Engineering Chemistry Research）100周年纪念特刊上发表专文评论《工艺
过程强化的基础：结构、能源、协调性、时间》，并提出了PI的4条基本原则：
原则1：分子内和分子间的事物的效率最大化；
原则2：要让每个分子都有相同的被加工处理的机会；
原则3：在每种尺度（规模）中优化驱动力，并使该驱动力施用的比表面最大化；
原则4：每个组成工艺过程的协同效应最大化。
上述4条原则也是PI的目标，其中内容又涉及四个方面，关系可见图3。
三、PI的战略
2007年9月在芬兰召开的 “保护全球环境的化学”研讨会上，芬兰科学会发布了“化学工业和材料工业的
工艺过程强化，可持续技术的一种途径”报告，认为PI是化学工业发展的新模式，并提出了PI的主要战略：
战术1 多功能化
这是一种新的设计方法，各单元操作必须相容。
反应蒸馏：可用于石化行业中多种装置，能改变狭窄的操作窗口，具适中的灵活性。
混合分离：可以与膜反应偶合，但由于当前膜性能尚不高，常在介质温和、要求不高的精细化工和生物化工
中应用。
静态混合器：常用于化工和材料工业，包括有反应发生的状态下，但其性能一般。
整体反应器：可与催化剂、酶等结合，在环型反应器应用较多，有些是属于外部环行系统，Air Product
公司将其用于改造加氢反应器，使反应器能力提高10～50倍。
色谱反应器：工业中应用仿真移动床，如荷兰帝斯曼公司已在其Delft工厂应用。
战术2 热力学（主要针对溶剂）
新型溶剂主要指超临界液体（SCF）和离子液体。目前仅限于专门应用，SCF并不是一种良好的溶剂而且价格
较贵，而离子液体的毒性尚未进行评价。从发展趋势看，无溶剂工艺将是最终方向。机械化学和反应挤出是可发
展的无溶剂工艺。
战术3 替代能源
微波、磁场、电力场等离子光等在工业中应用仍较少，重力场应用（如旋转碟式反应器、旋转填充床和管式
反应器）都在开发中，但尚未被广泛采用，其优势在于设备尺寸较小。
战术4 小型化（或微缩尺寸）
从提高力场向微型化学技术发展。微型反应器的发展很快，如微型管道、微型膜等，应用范围包括由间歇式
向连续生产转变、改变新的操作条件、最终产品性能的控制以及对新法规的适应等。
四、涉及的专业和学科
PI涉及所有的单元操作相关的专业和学科（如化学反应工程、分离技术、固体处理和加工、聚合物和塑料加
工和食品加工等）。它们又分为：一般专业学科，如工艺过程强化、过程系统工程、工艺过程优化等；基础性学
科，如热力学工程、传递现象、流体力学等；适用性专业学科，如工艺过程控制、计算机流体力学等。
由此可见，PI的目标指在通过专业学科间的密切合作，使工艺过程能在新的概念基础上得到改进，它和工艺
过程优化、过程系统工程相比有显著的区别（工艺工程优化只是针对现有概念基础上的业绩改进，主要采用建模
和数字方法；工艺过程系统工程是在现有和新概念基础上多种尺度集成，通过建模、软件来实现）。工艺过程强
化的实施必须要从全局视野出发，侧重于实验、现象和界面研究，考虑相关的专业和学科，并且需要通力合作才
能取得成效。
五、PI技术的实际应用
Andrzej Stanhiewicz教授于2008年5月20日发表的TUDelff报告《什么是工艺过程强化》中指出一些实
用的PI技术应用可能和实际效果，例如：
各种微型结构的元部件可以用于反应热交换、混合、分离等（如微通道反应器），帝斯曼公司已将其应用于
精细化工生产过程，微型通道交换器也被开发成功。
微波辐射可以应用于反应、产品工程、聚合物加工（如固化、焊接）、食品加工（如糊化、干燥），如聚苯乙
烯球可由微波在通用反应器中生产，连续式微波干燥器也已问世。
旋转填充床（超重力部件）可用于反应、蒸馏、吸收、汽提、纳米材料制造（沉淀），陶氏化学公司的HOCl
工艺中用旋转真充床作反应汽提，装置仅为原来的1/40，中国用此生产CaCO3，纳米粒子能力达1万t/a。
在许多常用反应工艺中，PI都可取得提高收率的效果（见表1）。
表1 化学反应中PI的作用分析 %
反 应 现有工艺收率 用PI改进收率
双烯加成环化 77.9 97.3
芳烷烃氧化 12 80
甲氧基氨基硅烷还原 — 100
2-辛醇过氧化物氧化 3 93
不饱和脂肪酸酯（长链）的环氧化 48 92
2-碘硝基苯伍尔曼偶联 <1.5 70.4
六、欧洲化学工业路线图和行动计划
欧洲化学工业正面临新的挑战，其中突出的问题为国际竞争力。CEFIC认为PI是提高竞争力的关键，也是化
学工业实施可持续发展战略的一条现实途径。因此，CEFIC于2007年开始组织研究，并于2009年9月先后提出
了欧洲PI路线图和行动计划。
CEFIC组织数十名各国专家针对化学工业（包括石化、精细化工和食品加工等行业）情况进行系统分析，提
出所面临的问题，并有针对性地系统收集了世界范畴适用的先进技术（包括设备和方法）。从1000多种技术中挑
选出可以在化学工业中适用的72项作了详细描述介绍和评价，其中结构改进的元部件技术11项，混合功能组合
23项，各种能源替代技术25项，对每项技术实施带来的效益作出评价（如提高收率、降低成本、减化操作、节
约能耗、减少排放等），确定其中46项为推广重点，同时对化学工业各部门实施后可能取得的成果作出估计。
PI技术的实现需要配套相关的技术开发和研究，进行放大和工业化方面的各项工作，要加强基础性和战略性
研究、应用研究和开发研究。对于一些通用性技术（如建模、控制等），价值链的优化以及知识推广和人员培训
都应纳入计划，通过协调合作取得成效。
在2008年中欧盟PI工作组的重点是建立规划的指标和执行，各产业部门的相关团队则在总体规划基础上开
发各个的路线图，并公开发表，推动总体目标的实现。规划（包括路线图执行计划、PI选出技术的介绍和评价、
各行业PI路线图以及Quick Span数据库）提出后得到各方承认，并按其活动特点将财政支持纳入财务资源之中，
从政府津贴、银行贷款、各项资助等一直延伸到各种投资，各相关部门则致力合作，长期进行新技术和新设备的
开发。
欧盟有关PI规划的资料共200~300页，内容全面翔实，本文难以全面概述，将另行介绍。