《化工过程强化的发展现状.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工过程强化的发展现状.doc（12页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、化工过程强化的发展现状目 录1.前言22. 发展22.1 起源和历史22.2 以硬件为主的化工过程强化32.3 强调硬件和软件结合的化工过程强化32.4 耦合技术迅速发展32.5 信息技术对化工过程强化发挥越来越大的作用32.6 从实现可持续发展的高度来推动化工过程强化43. 化工过程强化的作用44. 化工过程强化手段分析44.1 化工过程强化设备44.1.1 多功能反应器44.1.2 微反应器54.1.3 旋转盘反应器和超重力反应器54.1.4 新型催化反应器64.1.5 超声波反应器64.2 化工过程强化技术74.2.1 膜技术74.2.2 脉动燃烧干燥技术74.2.3 超临界流体技术74
2、.2.4 离子液体74.2.5 微化工技术84.3 其它方法85. 化工过程强化应用实例95.1 超重力法合成纳米颗粒95.2 悬浮床催化蒸馏的应用(SCD新工艺合成异丙苯)106. 问题与挑战11参考文献121. 前言 我们的生活与化学工业息息相关，医药、塑料、橡胶、汽油等都是化学工业制造的，这些工业是高利润的产业，是国民经济的支柱，但在这些产品的化工生产过程中所存在的高能耗、高污染等问题一直以来都是实现可持续发展首要解决的问题1。强化化工过程使之达到高效、节能和无污染，是解决过程工业带来的“发展-污染”的矛盾和实现可持续发展的有效手段。化工过程强化就是通过技术创新， 改进工艺流程，在实现既
3、定生产目标的前提下，通过大幅度减小生产设备的尺寸、减少装置的数目等方法来使工厂布局更加紧凑合理，单位能耗更低，废料、副产品更少。广义上说，过程强化包括新装置和新工艺方法的发展：一是生产设备的强化，包括新型反应器、新型热交换器、高效填料、新型塔板等；二是生产过程的强化，如反应和分离的耦合（如反应精馏、膜反应、反应萃取等）、组合分离过程（如膜吸收、膜精馏、膜萃取、吸收精馏等）、外场作用（离心场、超声、太阳能等）以及其他新技术（如超临界流体、动态反应操作系统等）的应用等2。所以过程强化是国内外化工界长期奋斗的目标， 也是化学科学和工程研究的主要成果之一。化工过程强化是国内外化工界长期奋斗的目标，近年
4、来更加引起了人们的重视。在美国等许多发达国家，化工过程强化被列为当前化学工程优先发展的三大领域之一。英国将重点放在基础研究上，法国则重视理论模型的建立，德过侧重实验技术和工程研究等，日本在生物工程和新材料的研究方面投入了很大的力量，加拿大和澳大利亚则以资源利用为研究重点等。我国化学工程研究和应用也取得了重大的进展。例如石油工业的崛起大大推动了催化剂、反应工程和精馏技术的发展，核燃料后处理和湿法冶金的发展推动了溶剂萃取技术水平的提高等12。目前，化工过程强化技术已被列为“十一五”首批启动的国家“863”计划的中的项目之一，以实现节能减排。2. 发展随着现代过程工业的发展，产品不断更新，环保要求日
5、益提高，建设生态经济和实现可持续发展的要求更为迫切。因此，人们力图灵活应用化学工程的原理和方法，致力于过程强化，即通过技术创新，改进工艺流程，提高设备效率，使工厂布局更紧凑，单位能耗更低，三废更少。应该说，过程强化是国内外化工界长期奋斗的目标，也是化学科学和工程研究的主要成果之一，化工过程强化被列为当前化学工程优先发展的领域之一。可以说，当前人们对化工过程强化认识达到了前所未有的高度。从最初对化工过程的认识到现在多种多样的化工过程强化技术的产生，化工过程强化经历了许多转变和发展。2.1 起源和历史过程强化的历史最早可追溯到上世纪70年代末。当时，英国化学工业公司首先将此概念用于生产过程，以减少
6、投资。上世纪90年代中期，国际上出现的以节能、降耗、环保、集约化为目标的化工过程强化技术，是当前化学工程优先发展的三大领域之一。2005年7月，在英国召开的第七届世界化学工程学术会议上，过程强化是最热门的研究方向之一。自此，人们对化工过程强化的认识达到前所未有的高度，期望通过过程强化使化学工业的面貌在21世纪发生巨大变化3。2.2 以硬件为主的化工过程强化早年的化工过程强化往往以硬件为主。以精馏、吸收和萃取等化工塔器的内件为例，近二十年来，高效塔板、规整填料和散装填料发明层出不穷，塔内件优化匹配的概念引起了人们的重视。在利用新型塔内件改造原油常减压、乙烯和合成氨等生产装置方面，国内外都已取得了
7、明显的进展，提高了效率，降低了能耗，经济效益显著。然而，化工塔内件性能的改进幅度并不很大。42.3 强调硬件和软件结合的化工过程强化近年来，化工过程的强化更加强调硬件和软件的结合，更加强调科技创新，以追求更高目标。越来越多的研究人员认为，化工过程强化的目标不能只停留在使已有设备挤出百分之几的效率，不能满足于渐进式的变革，而应致力于在设备体积、产业化周期、能耗、物耗和环保等方面使工厂的效率取得突破性的进展。人们期望通过化工过程强化使化学工业的面貌在21世纪取得巨大的变化。2这是极大的挑战，也推动了过程强化取得了一些重大进展，如超重力分离器、高速转盘反应器、整体催化剂、撞击流反应器的成功研发。2.
8、4 耦合技术迅速发展近年来化工过程强化的另一发展趋势是化学科学和工程研究大大促进了诸如催化精馏、膜精馏、吸附精馏、反应萃取、络合吸附、反胶团、膜萃取、发酵萃取、络合吸附、化学吸收和电泳萃取等新型耦合分离技术得到了长足的发展，并成功地应用于生产。这些新型耦合技术综合了多种技术的优点，具有独特的优势4。耦合分离技术还可以解决许多传统的分离技术难以完成的任务，因而在生物工程、制药和新材料等高新技术领域有着广阔的应用前景。由于耦合技术往往比较复杂,设计放大比较困难,因此也推动了化工数学模型和设计方法的研究。2.5 信息技术对化工过程强化发挥越来越大的作用信息技术对化工过程的强化也起着极其重要的作用。以
9、化工分离过程为例，分子模拟提高了预测热力学平衡和传递性质的水平。分子设计加速了高效分离剂的研究和开发。CAD(计算机辅助设计)和AI(人工智能)的应用推动了分离过程和设备的优化设计和优化控制。非平衡级模型的应用避免引人级效率、等板高度等难以确定的参数，特别适用于多元物系的复杂分离过程。功能齐全的CFD(计算流体力学)软件可以对分离设备内的流场进行精确的计算和描述，加深了人们对相际传递过程机理的认识并为设备强化提供了重要信息。先进测试技术如LDV(激光多普勒测速仪)和DPIV(数字激光成像测速仪)等的应用不仅可以验证CFD计算的结果，而且使研究从宏观、平均向微观、瞬时发展，为化工过程强化的多尺度
10、研究创造了条件。此外基于互联网的过程模拟系统也正在迅速发展，具有深远的意义4。2.6 从实现可持续发展的高度来推动化工过程强化传统的过程工业需要许多庞大的原料、中间产品和成品储罐。这不仅增加投资，而且发生事故时，可能造成灾难性后果。在。近年来，化工发展的一个明显趋势是安全、清洁、高效的生产，其最终目标是将原材料全部转化为符合要求的最终产品，实现生产过程的零排放减少对环境的污染。应该指出，强化化工过程使之达到高效、节能和无污染，是解决过程工业带来的“发展一污染”的矛盾和实现可持续发展的有效手段。3. 化工过程强化的作用从化工过程强化的概念上我们可以知道，化工过程强化就是通过技术创新， 改进工艺流
11、程，在实现既定生产目标的前提下，通过大幅度减小生产设备的尺寸、减少装置的数目等方法来使工厂布局更加紧凑合理，单位能耗更低，废料、副产品更少。6如果说绿色化学侧重从化学反应本身来消除环境污染、充分利用资源、减少能源消耗；化工过程强化则强涮在生产能力不变的情况下，在生产和加工过程中运用新技术和设备，极大地减小设备体积或者极大地提高没备的生产能力，显著地提升能量效率，大量地减少废物排放。化工过程强化的主要特点是设备小型化和过程集成化，这正是绿色化学的要求。在1995年第一次化工过程强化国际会议上Ramshaw C.首先提出：“化工过程强化是指在生产能力不变的情况下，能显著减小化工厂体积的措施。”他认
12、为体积减小100倍以上才能称为过程强化。Stankiewica A.I.和Molin J.A.则认为，设备的体积减小两倍以上、每吨产品能耗的显著降低、废物或副产物的大量减小都可以被认定为过程强化。化工过程强化是指在生产和加工过程中应用新技术和新设备，极大地减小设备体积，或者极大地增加设备生产能力，显著提高能量效率，大量地减少废物排放。化工过程强化就是能显著减小体积，高效、清洁、可持续发展的技术。54. 化工过程强化手段分析4.1 化工过程强化设备4.1.1 多功能反应器 多功能反应器将反应与多个化工过程集合在一起，这样不仅节省了投资，还有效地利用了资源，增加了反应速度。比如反应蒸馏将反应和蒸馏
13、集成在一个蒸馏塔内完成，将反应热用于蒸馏，降低了能量消耗，减少了操作费用7；酶膜反应器将催化反应、产物分级、分离与浓缩集于一体，充分发挥了酶的高效催化性和膜的分离优势8；还有奖化学反应与色谱分离耦合构成的色谱反应器。总之，多功能反应器很好地将各种化工过程集于一体，充分发挥了各个化工过程的优点，避免了单个化工过程的缺点，开发更多地新型多功能反应器，更好地强化化工过程将是多功能反应器的发展方向之一。4.1.2 微反应器微型反应器是指体积特别小的反应器，但它又决不是简单的由小型到微型尺度的变化，其最基本的特征是反应单元的微结构化。它一般具有夹心面包式的结构，由带有10100m微通道的几块薄片组成。它
14、能够将混合、换热、催化反应和分离集成在一个反应器中。据报道，德国的“The Institut fiir Mikrotechnik Mainz”开发了一种降膜微型反应器用于甲苯氟化反应，液体以25m左右的薄膜流过微通道，反应器的比表面积高达20,000m2/m3，比传统接触设备高一个数量级。在该反应器中，可以获得收率为20%的单氟甲苯，是鼓泡塔反应器中的4倍，且副产物少7。在微反应器技术的发展过程中，工业界的贡献起到了十分重要的作用，致力于技术革新的公司，如杜邦和BASF等从一开始就积极推动和促进微反应器技术的发展，Merck公司已经利用微反应技术实现了一个过程的工业化，其他还有Schering
15、、DegussaHnls咝及Bayer等公司9。近年来，微反应器技术和科学体积的微型化，将带来设备和基建投资及土地资源的巨大节省。由于能充分利用能量、生产效率高“能耗将显著降低。由于反应迅速、均匀，副反应少，从而能大大减少了副产物的生成，污染环境的废物排放也会显著减少。4.1.3 旋转盘反应器和超重力反应器 （1）旋转盘反应器 利用圆盘的快速旋转，使厚度仅为50200m的液体能在15s的时间内流过反应器；利用集成在旋转圆盘上的换热器，旋转盘反应器可以获得高达100kw/m2的换热速率。因此，这种反应器特别适合快速、强放热反应7。（2）超重力反应器 所谓超重力指的是在比地球重力加速度大得多的环境
16、下，物质所受到的力（包括引力或排斥力）在地球上实现超重力环境的最简便方法是 通过旋转产生离心力而实现，即通过旋转床实现。在超重力环境下，不同大小分子间的分子扩散和相间传质过程均比常规重力场下的要快得多，气液、液液、液固两相在比地球重力场大上百倍至千倍的超重力环境下的多孔介质或孔道中产生流动接触，巨大的剪切力和快速更新的相界面，使相间传质速率比传统的塔器中的提高13个数量级，微观混合和传质过程得到极大强化10。超重力旋转填料床事通过旋转产生的离心力场来实现超重力的一种设备，它强化了“三传一反”、气相压降小、持液量小、物料停留时间短、开停车方便、设备体积小、成本低、安装维修方便、应用范围广，主要应
17、用于氨氮废水的处理、锅炉水脱氧、脱硫除尘研究、精馏、萃取、臭氧氧化、液膜分离、脱除水中有机物、制备纳米粉末、净化硝烟技术等，是这些化工过程在不同程度上提高了效率，节约了能耗，设备体积也比原来的小，占地面积也相应的减小1。将HIGEE成功地用于油田的脱气过程，一个约1米直径的超重力分离器可以代替常用的30米高的真空脱气塔。这很符合过程强化的一个重要概念，即把整个工厂的物理尺度缩小，以达到在投资、能耗、环境、安全等全方位的效益。超重力旋转床虽然具有很多优点，但是它并不是适用于所有的化工生产过程，它的高速旋转需要消耗一定的电量，因此能源的消耗需要综合考虑以达到节能；它比较适合于快反应，因而还要综合考
18、虑反应动力学方面的问题。4.1.4 新型催化反应器在对催化反应器的研究中，产生了如整块蜂窝结构的催化反应器、规整结构的催化反应器、光催化反应器等强化催化反应过程的反应器。整块蜂窝结构的催化反应器使用具有许多相互隔离的、平行的直孔或弯曲孔道的整块蜂窝结构催化剂,催化活性组分以薄膜的形式均匀地分布在孔道的内表面.它的突出优点是流动阻力小,比固定床反应器低23 个数量级;比表面积大,是颗粒状催化剂的1. 54 倍;反应物与催化剂接触的距离短,反应速度快;催化剂上的孔道结构相同且分布均匀,反应物流体在整个反应器内易分布均匀, 不会产生局部过热7。规整结构的催化反应器中的催化剂采用笼式和串珠式结构,或者
19、采用开式错流结构,可方便气体和液体反应物与催化剂接触,在各个催化剂构件之间相互混合。因此,规整结构的催化反应器具有比传统固定床小得多的流动阻力,而在整个反应器内又具有很好的传热和传质能力,可以克服整块蜂窝结构催化反应器取热不便的缺点7。光催化反应器是将光能和催化反应结合在一起的反应器。它利用了太阳能，不但节省了能源，而且不污染环境，维持了生态平衡，强化了化工过程。目前，主要研制的反应器有间歇式方形板反应器，此反应器温度可控，紫外光利用率较高，但不能连续操作；固定床光导纤维反应器，可连续操作，提高了光化学转换的量子效率，催化面积增大，光催化剂分散较好，但光导纤维过细，涂膜和反应器制作不变；多重石
20、英管反应器，次反应器具有光导纤维反应器的一切有点，但光传到困难，石英管末端可能无光照现象1。4.1.5 超声波反应器超声波能量导致的机械效应、空化效应、热效应、微扰效应等物理效应, 能够对超微细颗粒的制备、萃取、催化反应等化工过程产生明显的加强作用11。一些这样的技术在生产和生活中已得到了实际应用, 发挥了较好的经济和社会效益。超声波对系统化学反应的影响包含三个层次的内容: 第一个是对催化剂的影响; 第二个是对化学反应( 动力学) 的影响; 第三个是对溶剂直接的影响, 从而产生对化学反应的连带效应。超声波可以改进和强化化工过程, 起到高效、增产、节能的效果, 且无二次污染, 在化工行业中有相当
21、广阔的应用前景. Trabelsi等利用超声波电解反应器处理含苯酚的废水,取得了令人惊奇的结果。若不使用超声波,反应不能进行;只用超声波而不电解,反应3 h ,苯酚的转化率只有5 %;同时使用540 kHz 超声波和电解,在45 min 内苯酚即100 %被转化,且分解产物中不含有毒的对苯醌7。目前, 超声波对化工过程的强化研究还处于小规模实验阶段, 许多小规模的应用研究尚有待开发到工业规模, 许多因素, 如黏度、温度、密度等, 也会影响到超声波作用的效果. 超声波作用机理的研究尚有待深入, 不断完善, 超声波在不同化工过程中的作用效果还有待于进一步探索与总结11。4.2 化工过程强化技术4.
22、2.1 膜技术膜分离技术自上世纪60年代问世以来，由于具有无相变、设备简单、操作容易、能耗低和无污染等传统分离过程没有的有点而受到广泛关注。目前，膜技术包括反渗透、超过滤、微滤、渗析、电渗析、气体分离、液膜、渗透蒸发、膜反应、膜传感、控制释放及膜蒸馏等众多分支，强化了化工生产中的分离过程，较传统的萃取、蒸馏等分离技术有很大优势。如膜萃取技术可以避免液滴分散在另一液相中引起的夹带现象和随之残生的溶剂损失等问题；同时，由于膜萃取相中两相分开流动，互不影响，因而使萃取剂的选择余地大大放宽，而且还可避免逆流萃取中的反混现象。目前，合成膜的工业规模应用主要有四大领域：（1）分子混合物的分离；（2）活性剂
23、的控制释放；（3）膜反应器中催化剂、微生物及活细胞的固定；（4）能量的储存与转化12。4.2.2 脉动燃烧干燥技术脉动燃烧技术是利用脉动燃烧产生的具有强震荡的高温为其流对物料进行干燥的。实验表明，对咖啡、工业废液等物料的干燥，在0.01s之内即可将其干燥为粉状产品。物料在干燥器内的停留时间短，温度低，有利于保护产品的质量；投资及操作成本低；干燥体积小；但燃烧机理复杂，过程动力学及传热传质特性需进一步研究1。4.2.3 超临界流体技术超临界流体技术作为一种“绿色化”的过程强化方法，不仅可以大大降低化工过程对环境的污染，而且超临界流体的扩散系数远大于普通溶剂，可以显著改善传质效果，从而提高分离、反
24、应等化工过程的效率。超临界流体是指当物质的温度和压力处于临界点以上时所处的状态，它具有许多不同于传统溶剂的独特性质。超临界流体既具有气体黏度小、扩散系数大的特性，又具有液体密度大、溶解能力好的特性，而且在临界点附近流体的性质（密度、黏度、扩散系数、介电常数、界面张力等）有突变性和可调性，可以通过调节温度和压力方便地控制体系的相平衡特性、传递特性和反应特性等，从而使分离、反应等化工过程更加可控。超临界流体结晶技术可用于制备药物、聚合物、催化剂等的超细颗粒。超临界流体色谱技术特别适合于手性药物或天然产物等高附加值物质的分离。超临界流体技术可用于超临界流体萃取、超临界化学反应、半导体的清洗、纺织品印
25、染等多个领域13。如杜邦公司年产1100 t 含氟聚合物的超临界反应装置已正式投产。超临界水氧化反应可用于有毒废水、有机废弃物等的治理，是一种前沿性的环保技术，目前在国内外均已实现工业化。4.2.4 离子液体离子液体是指完全由可运动的阴阳离子组成的室温液体物质，是离子存在的一种特殊形式。与传统分子溶剂和高温融盐相比，离子液体具有特殊的微观结构（如氢键网络结构和不均质的团簇结构等）和复杂的相互作用力（静电库仑力、氢键、范德华力等），在实际应用中展现了其独特的物化性质，在近二十年引起了化学化工领域专家的高度重视。如离子液体不易挥发、液态温度范围宽、溶解性能好、导电性适中和电化学窗口宽，并且具有功能
26、可设计性和多样性，按不同阴阳离子的排列组合，离子液体的种类可达1018之多等。作为新一代的离子介质和催化体系，离子液体在化工、冶金、能源、环境、生物、储能等众多领域逐渐展现了其惊人的应用潜力，并有望取代传统的重污染介质和催化剂，实现21 世纪新一代的绿色化学化工的产业技术革命。我国在离子液体清洁工艺研究方面取得了不少应用成效。如研究开发了以成本低廉的胺类质子酸离子液体作为溶剂和催化剂生产肉桂酸的清洁工艺，于2006年应用于浙江巨化股份有限公司1000吨/年肉桂酸工业生产。研究开发了离子液体催化异构烷烃与烯烃烷基化新工艺，以期替代腐蚀严重、环境污染较大硫酸、氢氟酸传统工艺，在中国石油天然气有限股
27、份公司开展了工业试验。研究开发了离子液体催化合成三聚甲醛的新工艺，2009年在中海石油化学股份有限公司（海南东方）进行中试装置建设和试车，成功地生产出合格的三聚甲醛。研究开发了离子液体催化的乙二醇节能新工艺，在中石化燕山石化建立了连续试验装置，较传统工艺获得了选择性高、稳定性好、能耗低的效果13。4.2.5 微化工技术微化学工程与技术是化工学科前沿，以微反应器、微混合器、微分离器、微换热器等设备为典型代表，着重研究微时空尺度下“三传一反”特征与规律；采用精细化、集成化的设计思路，力求实现过程高效、低耗、安全、可控的现代化工技术，成为国内外学术界和工业界的研究热点。微化工系统是指通过精密加工制造
28、的带有微结构（通道、筛孔及沟槽等）的反应、混合、换热、分离装置，在微结构的作用下，可形成微米尺度分散的单相或多相体系的强化反应和分离过程。与常规尺度系统相比，具有热质传递速率快、内在安全性高、过程能耗低、集成度高、放大效应小、可控性强等优点，可实现快速强放/吸热反应的等温操作、两相间快速混合、易燃易爆化合物合成、剧毒化合物的现场生产等，具有广阔的应用前景。中科院大连化物所开发了集混合、反应、换热于一体的年处理能力达8 万吨的微化工系统已用于磷酸二氢铵工业生产，具有体积小（微单元设备体积均小于6 L）、响应快、移热速度快、过程易控、无振动、无噪声、零排放、产品质量稳定等优点，迄今稳定运行一年多，
29、有效地解决了生产过程的安全、环保与产品质量稳定性等问题13。4.3 其它方法除上面介绍的新设备和新方法外,还有许多其它各有优势的新技术,都可以用来强化化工过程。例如,替代能源、反应蒸馏塔、组合分离技术和非定态操作技术等。利用微波、超声波等替代能源,有时候可以获得意想不到的结果。在常压下,微波等离子体可以将气体瞬间加热到2000,可用于高温分解有毒有害物质和在实验室模拟高温工业过程等,是一种投资和操作费用低、结构紧凑、清洁和环境友好的能源。对许多极性有机化合物参加的化学反应,采用微波加热可使反应速度提高几十至几百倍。利用超声波在加氢反应器中原位清洗催化剂,可使催化剂维持稳定的活性;否则的话,催化
30、剂将逐渐失活7。组合分离就是将原来单独的几种分离操作集成在一个设备内完成,以简化操作,降低成本。例如,用萃取和蒸馏集成在一起的萃取蒸馏代替恒沸蒸馏,由含水15 %的乙醇回收无水乙醇,对一个生产能力为94. 6410 - 5m3/ s (15 US gal/ min) 的过程,萃取蒸馏可比恒沸蒸馏节约450万美元/ a ,并且废水排放量显著减小,对环境无污染。将膜技术和蒸馏技术相结合的膜蒸馏也许是目前研究得最多的组合分离操作,被认为是最有可能取代现在的反渗透和蒸发操作的技术7。反应蒸馏是将反应和蒸馏集成在一个蒸馏塔内完成,当有催化剂存在时,它又被称为催化蒸馏。它的优点是:可以及时地将一个或几个反
31、应产物移走,提高反应选择性,减少副反应;对受化学平衡限制的反应,可以打破平衡的限制,提高原料的利用率;对放热反应,将反应放出的热量用于蒸馏分离,既可使反应器内的温度分布均匀,又可以节约能量;由于将反应器和蒸馏塔集成在一起,减少了设备个数,可以节约设备投资。5. 化工过程强化应用实例5.1 超重力法合成纳米颗粒北京化工大学教育部超重力工程研究中心于1995 年在国际上率先发明了超重力反应沉淀法(简称为超重力法) 合成纳米颗粒新方法, 在国家高技术研究发展计划等的资助下, 探索了气液、液液及气液固超重力法合成纳米颗粒的新工艺, 相继开发出系列纳米颗粒实验室小试合成技术, 并在纳米颗粒工业化制备技术
32、及理论研究方面取得突破性进展。例如, 气液固超重力法用于合成纳米CaCO3 , 可以制备出立方形、链锁状、纺锤形、针状、片状等不同形态的纳米CaCO3 . 在不添加任何晶体生长抑制剂的情况下, 可以制备出平均粒度为1540 nm、分布很窄的纳米立方形CaCO3 颗粒; 在添加特定晶习控制剂的条件下, 可以制备出轴比大于10、单个颗粒平均粒度小于10 nm、分布均匀的链锁状CaCO3等14。实验过程及流程图：实验原料水玻璃的模数为3.13.4，密度为1.3835kg/L,SiO2含量为2728，CO2气体的纯度高于99(体积分数)。将一定浓度的水玻璃溶液静置过滤后置于超重力反应器内，升温至反应温
33、度后，加入絮凝剂和表面活性剂，开启旋转填充床和料液循环泵不断搅拌和循环回流，温度稳定后，通入二氧化碳气体进行反应，同时定时取样测定物料的pH值，pH值稳定后停止进气，结束反应 加酸将料液的pH值调节到预定值，并保温陈化， 陈化时间为所设考察值陈化后，抽滤、洗涤料浆产物，在1 10160下恒温干燥67h。最后研磨、过筛，制得粒度为30nm 的超细二氧化硅粉体工艺流程示于图115。5.2 悬浮床催化蒸馏的应用(SCD新工艺合成异丙苯)催化蒸馏(CD)是将多相催化反应过程和蒸馏分离过程耦台在同一塔内同时进行，使得反应和分离相互促进、相互强化，具有提高反应转化率和选择性、降低能耗和节省投资等优点，在化
34、学工业中越来越获得广泛的应用。但已有的研究表明，在常规的CD过程中，以“催化剂构件”(如“催化剂捆包”、结构型催化剂构件等)方式固定在反应塔中的催化剂利用率较低，原因是制作“催化剂构件”要求催化剂颗粒较大(一般直径应大于1mm)，而在蒸馏的操作条件下，扩散的影响难以克服，因而催化剂的效率难以得到充分发挥 。此外，常规固定床形式的催化蒸馏，还存在“催化剂构件”的制作复杂、装卸和再生不便等缺陷。为了克服常规CD所存在的缺陷，石油化工科学研究院对一种将悬浮床催化反应与蒸馏分离过程耦合而成的新型催化蒸馏过程进行了探索研究。这一新型的催化蒸馏与普通催化蒸馏的区别在于，催化剂不是固定在反应塔中，而是悬浮分
35、散状态，因此被称之为悬浮床催化蒸馏SCD(SuspensionCatalytic Distillation)。SCD的特点是：直接采用粉状催化剂，不必制作“催化剂构件”，催化剂的效率高，催化剂易于取出再生，且悬浮催化剂颗粒的存在还有利于蒸馏过程中气液相间传质的加强SCD新工艺合成异丙苯的实验流程如图2所示。所采用的反应塔为直径34mill的玻璃塔。塔内装有4一狄克松填料，反应段高1 m，提馏段高0.5 m。由于烷基化产物异丙苯和多异丙苯均为重组分，由塔釜采出，塔顶没有产物，故反应塔不需设精馏段，塔顶采用全回流操作。试验时，催化剂与苯经均质器制成悬浮液，经计量泵打人反应段上部。丙烯经减压、稳流和
36、计量后由反应段下部进入反应塔。在反应段中，催化剂受上升蒸汽的搅动作用而在液相中保持悬浮分散状态，并在随液体沿填料表面而下的同时催化苯与丙烯进行烷基化反应。产物异丙苯、少量多异丙苯以及未反应的苯携带催化剂离开反应段后进入提馏段，并经过提馏段(其中大部分苯被提馏回反应段)进入塔釜。塔釜采出液进入分离器进行液固分离。分离得到的催化剂再与苯制成悬浮液循环使用16。图2：SCD新工艺合成异丙苯的实验流程图6. 问题与挑战当前国内外主要关注的一些问题是：(1)在全球范围内,当今化学过程工业的发展主要依赖于兼并、重组和转产高附加值的产品。这基本上是一种基于贸易而不是基于研究、开发的发展策略。受股市价格驱动的
37、公司仅对明确的、短期的商业目标感兴趣,而不愿进行高风险的远期开发项目的投资。(2)许多化工公司的研究和开发工作主要集中在开发新产品,即集中在化学方面。它们对开发新型设备和过程等化学工程问题兴趣不大。一些设备制造商和工程公司通常只选用已得到工业应用的成熟的设备或技术,而不愿冒风险进行开创性的实验。(3)许多大学的化工系面临研究经费短缺和编制被压缩的困境。教授们只能选择一些小型的、低风险的研究项目。这虽能多发表论文,但难以为过程强化做出大的贡献。相对于发达国家,我国化工过程强化的研究和实践尚有差距。我国单位产值能源消耗量比世界先进水平的高得多,我国自主开发的具有重大国民经济意义的新过程数量较少,工
38、业化周期较长,在国际市场上竞争能力较差。在实现可持续发展方面与发达国家的差距更大2。由于化学工程具有多学科交叉的特点,只有化学、化工、机械和信息技术等各学科的协同努力,只有加强基础研究,致力创新,开发具有自主知识产权的新过程、新设备和新软件,才能不断推进化工过程的强化,提高我国的过程工业的水平,实现我国国民经济可持续发展的战略目标。总之，化工过程强化技术目前已经成为实现化工过程高效、安全、环境友好、密集生产，推动社会和经济可持续发展的新兴技术，并且发展迅速，正在逐步改变传统化工那种高耸塔群林立、刺耳噪音不觉、能耗高、污染重的现状，化工过程将会有美好的前景。参考文献：1常凌飞，刘有智 化工过程强
39、化的研究进展 化工中间体，2010,8；2刘雪暖 化工过程强化技术的发展与应用2010,7,8；3中华商务网 化工过程强化技术被寄予厚望 2008,3,3；4费维扬 过程强化的若干新进展 世界科技研究与发展，2004,10；5闵恩泽 分子筛、绿色化学和化工过程强化 中国基础科学，2001,6；6方向晨，黎元生，刘全杰 化工过程强化技术是节能降耗的有效手段 当代化工，2008,2；7张永强，闵恩泽，杨克勇，杜泽学 化工过程强化对未来化学工业的影响，石油炼制与化工，2001,6；8姜忠义 酶膜反应器的现状与展望 膜科学与技术，2003,23(1)：5358；9路勇 化工过程强化与微反应技术 化学教
40、学，2009,7:13；10邹海魁，邵磊，陈建峰 超重力技术进展从实验室到工业化 化工学报，2006,57(8)；11李敬生，沈琴，昌庆，王娟，边选霞 超声波对化工过程的强化作用 西安建筑科技大学学报（自然科学版），2007（8）：564568；12王学松 膜分离现状及发展趋向 化学进展，1994，6（4）：321335；13孙宏伟，陈建峰 我国化工过程强化技术理论与应用研究进展 化工进展，2011，30（1）：115；14邹海魁, 邵磊, 陈建峰 超重力技术进展从实验室到工业化 化工学报，2006，57（8）：18101816；15贾宏,郭锴,郭奋,邹海魁,陈建峰 用超重力法制备纳米二氧化硅 材料科学研究学报 2001，15（1）：12012416闵恩泽，孟祥望，温朗友 新催化材料和化工过程强化 石油炼制与化工，2001，32(9)：16