化学工业“十二五”规划编制的技术前瞻（下）
可持续性化学的未来——关键创新技术
中国化工信息中心教授级高工 朱曾惠
对未来的关键性的开发：
开发和实施更具有可持续性的化学技术已使工业因受环境影响而减慢了经济增长。例如欧洲化学工业自1990
年以来已增长35%，而其能耗尚保持1990年水平，但CO2排放量下降，由于劳动生产率提高59%（1992~2002）
从而提高了行业的竞争力。
以下9个研究领域的进步可以在未来的10年内为化学工业的可持续性提高做出巨大的贡献。
●白色(工业)生物技术
●工艺过程强化
●多规模工艺设计
●催化工艺过程
●绿色新型溶剂
●新型活化
●新材料
●热经济学
●工业生态学
1. 白色(工业)生物技术
生物基可持续工业化学在国际舆论界享有很高的声誉，当前已有若干开发成果，如：直接利用来自农作物和
树木的原料制备建筑材料、纸张和纺织品；农作物的某些组分（油、纤维等）制成专用化学品、生物降解聚合物；
生物质经基因转化为基础原料的基本成份如CO、H2CH4等，也可通过发酵制乙醇和丙酮等；制备高附加值产品（药
品和农化产品）。
对公众来说，工业生物技术比农业生物技术容易接受。未来化工产品的生产将更多地以生物质为原料，包括
非食用资源。尤其是在以下领域将会有很大进展：开发技术，转化生物质为能源载体和化学品；研究如何进行可
耕地和水资源开发，开拓生物质材料的生产条件；确定可持续性项目效益评价的指标。
2. 工艺过程强化(PI)
工艺过程强化的核心是“投入少、产量大”。工艺过程强化的第一个设计就是通过降低化学装置尺寸减少投
资强度。此概念是由ICI在上世纪七十年代首先提出。DSM公司的“Vrea 2000”工艺就是一个典型案例，它用
20m高的新装置替代了原来高50m的设备。PI作为一种方法包含很广泛的层面，它通过减少扩散限制而充分发挥
物理化学转变的潜力。PI的目的就是用较小、效率更高、价格便宜的设备替代大型、昂贵、效率不高的设备，有
时还将多种单元操作组合在少数设备之中。
在合成化学中，有许多反应常受一些热力学和动力学因素限制影响，使一些转化变慢。一些强化设备就要使
这些转化本身所需要的空间能得到充分的满足，因此出现了许多新型设备，如旋转填充床反应器、紧凑型反应器
-交换器、旋转盘式反应器、旋转套管式反应器、静态混合器等。
进一步创新的工艺过程设计可以通过微型技术和结构元部件来完成，这对开拓新一代高精密度生产元件是空
前的机遇。新的结构性组合性可以用各种材料（抗腐蚀金属、塑料、陶瓷以及常用的玻璃等）制备，通过改善传
质和传热状况，提高了工艺控制能力，给一些可持续工艺带来强化的可能。
． 3. 多规模设计
多规模工艺过程装置都是由“工艺过程强化”组建的大型系统，可以从下面两个事例来说明此概念：
●分流管式反应器由一个微型混合器和一个分流器组成，在其中将反应混合物与不混溶的流体形成连续的液
滴，每个液滴在管式反应器中旋转保持一定的停留时间，用挡板使其不返回混合，最后以液滴聚集在沉降器中，
通过分流管式反应器中试证明了用此工艺制取无机金属盐可以很好地控制颗粒大小，粒子分布范围很狭窄，证明
它是一种具有多种用途的强有力的工艺。Axiva公司用此技术开发了2000t/a专用聚丙烯酸酯工艺，单体和引发
剂由32个微型混合器组成系列进料，再用4个管状静止反应器，最后通过终止管，制成的聚合物性能提高，链
长分布很窄。
●集成式多规模设计，所用模式改变了化学工业设计的一些原则，并不是让应用的设备与操作条件相适应，
工艺过程结构、组成和设备要适应于物理-化学转变。生产装置可以由分散于各地的多样的小型单元组件集成，
如将一些危险中间体（如COCl2，HCNClO2等）在需用的地方就地生产；有机合成的高收率紧凑型设计；多规模
的控制分子量分布的聚合反应；本身安全的工艺和生产；新型活化手段（电化学和光化学过程）；液态配方中产
品均一性；固体配方中产品均一性等。
4. 催化工艺过程
催化是工业化学合成的核心，当前化学工艺过程中75%要用催化剂。高效的均相非均相催化剂、生物催化剂、
光催化剂、电催化剂等可以确保化学反应具有高收率和经济性、避免副产物、减少能源投入。它有三个全球性的
目标：环境安全无污染的新型工艺过程；应用新型原材料资源（如烷烃和可再生资源）；以氢技术为重点的能源
转换。
在合成中扩大和改进催化剂应用有广阔的空间，可以提高收率、降低废料产出、降低能耗。当前许多精细化
学品合成仍然利用经典的有机反应，有些药物和植物保护剂的有效成分合成中废料产出常常是产品的100倍，而
采用催化工艺可以大大降低废料产出，如药品Ibuprofen合成中选用催化工艺每公斤产品生产废料低于1kg而非
催化工艺则达到30kg。
当前面临的挑战是对催化系统进行工程改进而不是开发新型催化剂。如何用催化剂活化甲烷和其他C1原料
已成为一个受关注的领域。
5. 绿色溶剂
超临界液体 超临界CO2已经被认为是一项可以实用的技术，其他超临界液体包括超临界丙烷、超临界二甲
醚等可用于脂肪酸酯加氢，超临界单相加氢的产率比传统的气-液相加氢高100倍。在一个中试装置上用棕榈油
和菜籽油制顶级产品产率可达每小时10kg，超临界丙酮可用作果糖脱水制羟甲基糠醛。超临界水由于羟基团有腐
蚀性可水解残渣回收TDI。超临界液体还可作为创新手段设计颗粒的固态形态学。
离子性液体 是一组低熔点的有机盐，蒸气压很低，在蒸发中无溶剂损失，可以在很大的温度范围内使用，
是一种液体支撑的有机金属催化剂，具有均相催化的优点（高选择性、传热较方便、重复性好）同时又有非均相
催化特点（产品和催化剂分离容易）。Texaco用合成气制醋酸系列产品、Rhone Darlene公司双烯羰酸化中都成
功地应用了此技术。有机氯铝酸盐是另一类可用的离子性液体，已用于α-烯烃齐聚工艺。另一类imidafore烷
基衍生物是室温下的离子性液体，巴斯夫公司用它进行药物中间体的无溶剂生产，提高了产率。离子性液体的缺
点是由于其本身氢键而使粘度过高，对空气和温度敏感。
6. 新型活化
一些能源如紫外光、微波或超声波等可用来在一定范围内提高化学反应的效率，使其更为生态友好。
超声能量（20~100kHz）具有很大效益。在液体中空穴现象崩溃产生强热和高压，可以使高能化学变化发生，
但是将声化学用于工业并非易事。现在已开发大型装置进行经济的超声结晶，可控制晶粒尺寸。超声还可产生短
寿命的可氧化的形式防止藻类生长，含有10ppm臭氧和＜100ppm H2O的水经超声辐射就成为高级的清洁氧化剂。
微波推动的反应时间短，选择性可提高。从反应工程角度看，在放大设计中很有吸引力。在环境清洁方面用
1.2kW微波辐射可以去除PVC中的氯，100%的有机氯可被抽取回收成为HCl，此技术与当前焚化相比更为经济。
用声波可以替代机械研磨用两个相反方向旋转的磨盘，中间相距200?滋m、转速30000rpm，从盘中心进料可磨成
表面无硬壳的纳米粉，此技术比较“卫生”，成本可降低10倍。
电子是用臭氧或H2O2处理污水的绿色替代物，目前最先进的技术是用带有玻璃网状碳电极的流化床进行水
净化，效果理想。
7. 新材料
新材料开发的趋势是生物塑料、自我修复塑料、塑料导体、有机铁磁性材料、功能性聚合物和混杂材料等。
现代化材料的创新有望在能源系统、超薄涂层、微电以及机械系统和建筑材料（质轻、高强度）等领域中得到应
用。
聚合物的应用范畴非常广泛，例如在电子元部件中，聚合物印刷线路可以代替硅，易于回收是其显著特点。
在洗涤剂产业方面，自1997年起170多家企业经国际肥皂和洗涤剂联合会通过有关环境要求，现在正计划
在家用清洁产品方面实行人类和环境风险评价。
能源系统用材料行业发展潜力巨大，包括贮存氢的纳米碳、膜和高温应用的聚合物等。目前已开发出氢贮存
的纳米管，金属有机框架及吸附贮存大量氢。有些氢贮存用金属含量可以贮存本身重2.6%的氢。液态有机混杂体
可作氢贮存、运输和供应系统，有些液态有机混杂体可以直接以蒸汽形态输入质子交换膜燃料电池的阳极，供汽
车使用。
纳米技术受各方重视，但多数研究仍停留在实验室阶段，应当向宏观方向扩展，使之实现工业化。纳米复合
材料10～20年内还难以进入市场，今后一方面要加强基础性研究，另一方面要重视工业相关数据和比较。
8. 热经济学
作为有序运动定义的火用是以熵为基础的热力学概念，它将能量和物质信息融合在一种可以标识的量度中。
火用是一恰当的可持续工业发展概念，因为它可以明确地量化资源减少、废物排放和工艺过程的损耗。它可以量
度投入和产出的物理价值，因此涉及到经济价值，我们可以用火用的量来严格地证明“非可持续性”。
由于在工业应用中的灵活性，火用可能成为一种量化评价的工具。生命期火用分析是一个高级工具，可以比
较不同物质的经典生命期分析。
9. 工业生态学
多数工业当前都严格应用线性生产过程，即提取原料和化石能源→对原材料和能源进行加工→将废料返回自
然系统。工业生态学的目的是要将这种生态系统的循环模式纳入工业生产过程设计，使之能与自然系统相一致。
1992年提出的“工业生态学：工业的环境宣言”中归纳了6条原则：
工业生态系统：不同的产业要进行合作，从而使一个生产工艺过程的废料成为其他工艺过程的原料；
用自然系统来限制平衡工业的投入和产出：在地址、强度和时间性等方面工业要对自然界保持安全，并开发
实时监测的项目和指标；
工业产出脱物质化：在工业生产中降低材料和能源强度；
提高工业工艺过程的效率：重新设计生产过程和模式，最大程度地节约资源；
开发工业生产的可再生能源供应：一个全世界能源系统应具有将工业生态系统作为一个组成部分的功能；
采纳新型工业园区的经济开发政策。当前工业生态园区在多种产业网络试验中实现了上述原则。丹麦的
Kalunborg生态园将能源、蒸汽、水、炼厂气、硫、生物质和液态肥料统一考虑组合，各种废料垃圾也在城市和
各生产单位进行交换，据称原始投资7500万欧元，每年可为参与者节约1500万欧元。
Volune Park是新型工业园区概念，其主要目标是促进和吸引投资，建立一个创造价值的综合网络，包括原
材料供应、下游产品以及相关的服务。园区投资者进行长期协调合作，分享服务并在现有的基础设施而获得利益。
通过将公司战略合作伙伴和客户就地综合集成，园区将为地区的经济发展和支持石化业创造价值做出巨大贡献。