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最強(qiáng)強(qiáng)化技術(shù)——微界面技術(shù)
來源：石化產(chǎn)業(yè)觀察 2021-11-23
導(dǎo)讀：南京延長反應(yīng)技術(shù)研究院以南京大學(xué)張志炳教授團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的微界面反應(yīng)強(qiáng)化技術(shù)（簡稱微界面技術(shù)）為核心，結(jié)合化學(xué)制造及相關(guān)領(lǐng)域的最新成果，開發(fā)了綠色低碳反應(yīng)工藝和化學(xué)制造平臺。
來源：《中國石油和化工產(chǎn)業(yè)觀察》雜志
南京延長反應(yīng)技術(shù)研究院以南京大學(xué)張志炳教授團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的微界面反應(yīng)強(qiáng)化技術(shù)（簡稱微界面技術(shù)）為核心，結(jié)合化學(xué)制造及相關(guān)領(lǐng)域的最新成果，開發(fā)了綠色低碳反應(yīng)工藝和化學(xué)制造平臺。在不改變原料和催化劑配方的情況下，微界面技術(shù)可重塑化學(xué)制造新工藝，突破已有技術(shù)和專利墻的圍堵，具有顛覆性意義。微界面技術(shù)聚焦存量、兼顧新建化學(xué)與生物制造過程的核心工藝和關(guān)鍵裝備的變革性創(chuàng)新，著眼效率提高、節(jié)能降碳和本質(zhì)安全提升，最大程度地消除化學(xué)制造過程高壓高危、高能耗物耗、高排放、高投資、低效率和低效益問題，已在煉油石化、精細(xì)化工、新材料、食品醫(yī)藥、生物發(fā)酵和環(huán)境治理等領(lǐng)域普遍應(yīng)用。中國石化集團(tuán)原高級副總裁和總工程師、中國工程院院士曹湘洪以書面形式評價(jià)：“這是到目前為止世界上最有推廣應(yīng)用潛力的化工過程強(qiáng)化技術(shù)?！?br style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;"/>該技術(shù)起源要追溯到20年前。張志炳團(tuán)隊(duì)為某化工企業(yè)進(jìn)行技術(shù)服務(wù)時(shí)，企業(yè)提出，在不增加反應(yīng)器數(shù)量的情況下，能否將烷烴純氧氧化攪拌釜式反應(yīng)器的產(chǎn)能提升到原產(chǎn)能的3倍。在詳細(xì)分析反應(yīng)器的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和效率控制機(jī)制后，張志炳提出，在保持溫度、壓力、物料配比、催化劑等工藝條件不變的前提下，對攪拌式鼓泡反應(yīng)器進(jìn)行微界面?zhèn)髻|(zhì)強(qiáng)化技術(shù)改造，可以通過數(shù)量級地提高傳質(zhì)效率進(jìn)而使反應(yīng)速率倍增。這個(gè)技術(shù)思路被業(yè)主采納。經(jīng)過幾個(gè)月設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試，改造一次性開車成功。經(jīng)檢測，反應(yīng)器產(chǎn)能提高到原來的4倍左右，反應(yīng)工段噸產(chǎn)品電耗同比降低，氧氣消耗降低了40%左右。微界面技術(shù)以湍流流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，經(jīng)過近20年的不斷完善進(jìn)入第三代技術(shù)。團(tuán)隊(duì)研發(fā)出可滿足不同反應(yīng)工況需求的系列化反應(yīng)器平臺和微界面核心組件，實(shí)現(xiàn)了多相反應(yīng)體系氣-液、液-液、液-固相間能量交換與轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了對氣、液顆粒的高效破碎和界面的精確調(diào)控。微界面核心組件可依據(jù)要求，將反應(yīng)體系的氣-液、液-液、氣-液-固、氣-液-液、液-液-固等多相界面的尺度由普通反應(yīng)器的厘米-毫米大小破碎成微米/納米大小，使界面分子的傳遞效率實(shí)現(xiàn)數(shù)量級的躍升（10～103之間），反應(yīng)效率隨之顯著甚至成倍提高。同時(shí)，由于反應(yīng)體系相界面尺度達(dá)到微米/納米級，引發(fā)了微納化學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)一步加速化學(xué)進(jìn)程和提高轉(zhuǎn)化深度。在此基礎(chǔ)上，反應(yīng)器及附屬設(shè)備壓力可大幅下降，反應(yīng)溫度可適當(dāng)下調(diào)，反應(yīng)停留時(shí)間縮短，物料過量率降低。直接效果是：能耗降低、物耗降低、排放降低，安全性提高、效益提高。實(shí)現(xiàn)了真正意義上的綠色低碳生產(chǎn)。微界面技術(shù)在化學(xué)與生物制造領(lǐng)域具有廣泛適用性。以下列舉不同領(lǐng)域的典型產(chǎn)業(yè)化案例。精細(xì)化工領(lǐng)域間甲基苯甲酸生產(chǎn)——江蘇某企業(yè)原采用國外工藝生產(chǎn)間甲基苯甲酸，產(chǎn)品出口歐美、東南亞等地。該裝置以空氣為氧源進(jìn)行高溫氧化反應(yīng)，一直以來物耗能耗高、生產(chǎn)成本高、環(huán)境污染重，被當(dāng)?shù)卣袨殛P(guān)停企業(yè)。2011年，該企業(yè)決定采用微界面技術(shù)升級生產(chǎn)線。在未進(jìn)行中試情況下，參照老工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)，該企業(yè)直接進(jìn)行微界面反應(yīng)-精細(xì)分離一體化生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)，并經(jīng)過兩年努力超越預(yù)定目標(biāo)：主產(chǎn)品收率提高24%，能耗物耗下降20%左右，水耗下降90%以上，折合二氧化碳減排30%以上，空氣的氧利用率從原工藝的62%提高到96%以上，噸產(chǎn)品綜合生產(chǎn)成本下降32%左右。該企業(yè)新裝置投運(yùn)半年內(nèi)，美日的兩條同類生產(chǎn)線宣布永久關(guān)閉。廣東某公司一套15萬噸/年柴油脫硫精制裝置設(shè)計(jì)壓力偏低（6兆帕），無法滿足國六柴油精制脫硫生產(chǎn)要求，處于停產(chǎn)狀態(tài)。2020年采用微界面技術(shù)改造，在低壓下生產(chǎn)出合格國六柴油，一次開車成功。由直餾低硫柴油生產(chǎn)國六柴油，若采用與國際先進(jìn)的柴油加氫技術(shù)相同的催化劑，反應(yīng)壓力必須在6兆帕以上，反應(yīng)溫度高于340攝氏度。采用微界面技術(shù)，反應(yīng)壓力和溫度分別為3.1兆帕和327攝氏度，反應(yīng)效率提升30%以上，能耗物耗降低10%以上。與上馬新裝置相比，投資降低25%左右。對于混合高硫柴油精制脫硫，壓力5兆帕就可實(shí)現(xiàn)采用國際柴油加氫技術(shù)9兆帕以上的產(chǎn)品指標(biāo)。若國內(nèi)柴油煉制裝置均采用微界面技術(shù)改造，可為煉油企業(yè)增收至少100億元以上。環(huán)保領(lǐng)域高鹽高毒農(nóng)藥廢水處理——四川某公司是我國草甘膦、雙甘膦農(nóng)藥重點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)之一，每年排放百萬噸高鹽高濃度有機(jī)磷廢水，治理難度大。2019年，該公司將微界面技術(shù)用于廢水預(yù)處理裝置，一次投產(chǎn)成功。運(yùn)行顯示，改造后的裝置與國內(nèi)外濕法氧化技術(shù)相比，操作壓力可從8兆帕降到4兆帕，溫度由220攝氏度降到180攝氏度，且反應(yīng)效率提升，工段能耗下降20%以上。噸廢水處理設(shè)備投資可降低50%以上。生物新材料領(lǐng)域聚乳酸單體生產(chǎn)——聚乳酸是可完全降解生物新材料，既可用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，也可用作醫(yī)療器械。聚乳酸單體丙交酯生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)一直被歐美等壟斷，我國只能高價(jià)購買產(chǎn)品。包括中科院在內(nèi)的多家研發(fā)單位歷時(shí)20余年雖然取得了較大進(jìn)展，但丙交酯生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)的寡聚、合成、精細(xì)分離、儲運(yùn)等方面仍有較多難題。自2020年9月開始，團(tuán)隊(duì)與河南某生物公司合作，運(yùn)用微界面反應(yīng)強(qiáng)化技術(shù)配以精細(xì)分離技術(shù)，設(shè)計(jì)建設(shè)的年產(chǎn)5000噸聚合級丙交酯示范裝置試產(chǎn)成功。裝置現(xiàn)已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)出完全滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的5000噸聚合級丙交酯產(chǎn)品，不僅產(chǎn)品質(zhì)量全面達(dá)標(biāo)，更重要的是技術(shù)流程短、裝置高度集約化和自動化，噸產(chǎn)品投資比國際同類技術(shù)降低50%以上，噸產(chǎn)品能耗、物耗和成本降低更多，整個(gè)生產(chǎn)過程基本實(shí)現(xiàn)零排放。該裝置全部核心技術(shù)與關(guān)鍵裝備具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，試產(chǎn)成功標(biāo)志著我國突破了技術(shù)封鎖，并反超國際現(xiàn)有技術(shù)水平，為聚乳酸全面國產(chǎn)化和占領(lǐng)技術(shù)國際制高點(diǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。丁醇、辛醇（簡稱丁辛醇）是重要的化工原料，我國年產(chǎn)量約600萬噸。長期以來，我國丁辛醇生產(chǎn)幾乎100%被跨國公司的專利技術(shù)壟斷，生產(chǎn)企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)、增效等正常的技術(shù)升級行為均受到制約。2021年4月，團(tuán)隊(duì)開發(fā)設(shè)計(jì)建立了年產(chǎn)近萬噸級的中試裝置，以新型卡賓配體金屬為羰基化合成催化劑，以一臺超高效微界面反應(yīng)器配套超級浮閥塔板分離系統(tǒng)為羰基化平臺，一次開車成功。經(jīng)12個(gè)月運(yùn)行，所有關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均大大優(yōu)于跨國公司技術(shù)，一舉捅破了長期被跨國公司引領(lǐng)的技術(shù)天花板。該裝置可在1.1～1.3兆帕低壓下反應(yīng)，原料利用率和反應(yīng)效率更高，節(jié)能減碳效果顯著。目前已開發(fā)出20萬噸/年、30萬噸/年、40萬噸/年等規(guī)模的整套工業(yè)化工藝包。微界面技術(shù)還可為我國雙碳戰(zhàn)略提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。以100萬噸/年高硫柴油加氫制國VI標(biāo)準(zhǔn)柴油生產(chǎn)裝置為例，采用微界面技術(shù)改造后，可在兩年左右收回全部投資，每年直接減少二氧化碳排放5萬噸左右，噸柴油產(chǎn)品碳排放降至0.006噸二氧化碳/噸柴油產(chǎn)品，遠(yuǎn)低于煉油企業(yè)單位產(chǎn)品碳排放限額先進(jìn)值小于等于0.022噸二氧化碳/噸煉油產(chǎn)品的國家標(biāo)準(zhǔn)，碳排放強(qiáng)度優(yōu)于國際先進(jìn)水平。
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