面向未來的化工創(chuàng)新技術(shù)：微化工、超重力、超臨界、膜過程耦合……

水處理網(wǎng)訊:摘要：化工過程強(qiáng)化技術(shù)被認(rèn)為是解決化學(xué)工業(yè)“高能耗、高污染和高物耗”問題的有效技術(shù)手段，可望從根本上變革化學(xué)工業(yè)的面貌。經(jīng)過多年的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā) ，我國在化工過程強(qiáng)化技術(shù)方面形成了自己的特色與優(yōu)勢(shì)。本文綜述了我國在超重力技術(shù)、膜過程耦合技術(shù)、微化工技術(shù)、磁穩(wěn)定床技術(shù)、等離子體技術(shù)、離子液體技術(shù)、超臨界流體技術(shù) 、微波輻射技術(shù)等典型過程強(qiáng)化技術(shù)方面的進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：化工過程強(qiáng)化；超重力；膜過程耦合；微化工；

引言

化學(xué)工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，為我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)提供了重要基礎(chǔ)材料和能源 ，創(chuàng)造了高達(dá)20％的 GDP，約占工業(yè)總產(chǎn)值的30％。但同時(shí)它也是我國工業(yè)污染的主要來源和能源消耗大戶之一，其廢水排放量居全國工業(yè)廢水排放總量之首位 ，約占1 9％，能源消費(fèi)量約占全國能源消費(fèi)總量 的 16％。與發(fā)達(dá)國家相比，我國的化學(xué)工業(yè)存在“高能耗 、高污染和高物耗”的現(xiàn)實(shí)問題 ，嚴(yán)重制約著我國化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

20世紀(jì) 90年代中期，國際上出現(xiàn)的以節(jié)能、降耗 、環(huán)保、集約化為目標(biāo)的化工過程強(qiáng)化技術(shù)，是可望解決化學(xué)工業(yè)“高能耗、高污染和高物耗”問題的最有效技術(shù)手段之一，被歐美等發(fā)達(dá)國家列為當(dāng)前化學(xué)工程優(yōu)先發(fā)展的三大領(lǐng)域之一?；み^程強(qiáng)化技術(shù)是指瓶頸過程中的混合 、傳遞或反應(yīng)過程速率顯著提升和系統(tǒng)協(xié)調(diào) ，大幅度減小?；み^程的設(shè)備尺寸 ，簡化工藝流程 ，減少裝置數(shù)量，使單位能耗 、廢料 、副產(chǎn)品顯著減少的新技術(shù) 。

1 超重力強(qiáng)化技術(shù)

1．1超重力技術(shù)簡介

所謂超重力指的是在比地球重力加速度 (9.8 m2／s)大得多的環(huán)境下物質(zhì)所受到的力。在地球上， 實(shí)現(xiàn)超重力環(huán)境的簡便方法是通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力而模擬實(shí)現(xiàn)。這樣的旋轉(zhuǎn)設(shè)備被稱為超重力機(jī)。

在超重力環(huán)境下，不同物料在復(fù)雜流道中流動(dòng)接觸，強(qiáng)大的剪切力將液相物料撕裂成微小的膜、 絲和滴 ，產(chǎn)生巨大和快速更新的相界面 ，使相傳質(zhì)速率比在傳統(tǒng)的塔器中提高 1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，分子混合和傳質(zhì)過程得到高度強(qiáng)化。同時(shí)，氣體的線速度也可以大幅度提高，這使單位設(shè)備體積的生產(chǎn)效率提高 1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，設(shè)備體積可以大幅縮小。因此，超重力技術(shù)被認(rèn)為是強(qiáng)化傳遞和多相反應(yīng)過程的一項(xiàng)突破性技術(shù)。

1．2 超重力技術(shù)的應(yīng)用

我國超重力技術(shù)的研究已在世界上處于領(lǐng)先地位。1994年北京化工大學(xué)陳建峰等發(fā)現(xiàn)了超重力環(huán)境下微觀分子混合強(qiáng)化百倍特征現(xiàn)象，據(jù)此原創(chuàng)性提出了超重力強(qiáng)化分子混合與反應(yīng)結(jié)晶過程的新思想與新技術(shù)。隨后進(jìn)行了成功的工業(yè)化開發(fā) ，建立了 8條超重力法制備納米顆粒的工業(yè)生產(chǎn)線 ， 其中納米碳酸鈣 (平均粒徑 30nm)生產(chǎn)線產(chǎn)能達(dá)到1萬噸／年，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷歐美等國家和地區(qū)。這一進(jìn)展被國際評(píng)論為 “應(yīng)用于固體合成發(fā)展歷史上的一個(gè)重要里程碑 ”。陳建 峰課題組還將超重力技術(shù)成功應(yīng)用于寧波萬華聚氨酯有限公司等的二苯甲烷二異氰酸酯 (MDI)生產(chǎn)過程 。技術(shù)改造后使其產(chǎn)能從16萬噸 ／年提高到30萬噸／年 ，過程節(jié)能30％，產(chǎn)品雜質(zhì)顯著下降，技術(shù)推廣應(yīng)用后MDI總產(chǎn)能達(dá)到90萬噸／年。超重力技術(shù)還被用于納米藥物 (5000噸／年 )、 納米分散體、丁基橡膠等產(chǎn)品的制備或生產(chǎn)中以及碳纖維、生物可降解高分子等高黏體系的脫揮等工業(yè)過程 。工業(yè)實(shí)踐已充分展示：超重力技術(shù)具有顯著的過程增產(chǎn)、節(jié)能減排、降耗和提升產(chǎn)品質(zhì)量的功效。

1.3超重力技術(shù)展望

經(jīng)過30年的發(fā)展 ，已證明超重力技術(shù)是一項(xiàng)極富前景和競(jìng)爭力的過程強(qiáng)化技術(shù)，具有微型化、 高效節(jié)能、產(chǎn)品高質(zhì)量和易于放大等顯著特征 ，符合當(dāng)代過程工業(yè)向資源節(jié)約型、環(huán)境友好型模式轉(zhuǎn)變的發(fā)展潮流。超重力強(qiáng)化技術(shù)在傳質(zhì)和／或分子混合限制的過程及一些具有特殊要求的工業(yè)過程 (如高黏度、熱敏性或 昂貴物料的處理)中具有突出優(yōu)勢(shì) ，可廣泛應(yīng)用于吸收、解吸、精餾、聚合物脫揮、乳化等 單元操作過程及納米顆粒的制備、磺化、聚合等反 應(yīng)過 程和 反應(yīng) 結(jié) 晶過程 。

2膜過程耦合技術(shù)

膜分離技術(shù)是多學(xué)科交叉結(jié)合、相互滲透 的產(chǎn) 物，特別適合于現(xiàn)代工業(yè)對(duì)節(jié)能、低品位原材料再 利用和消除環(huán)境污染的需要，成為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。近年來，膜及膜技術(shù)的研究推動(dòng)了膜過程耦合技術(shù)的發(fā)展 ，如將膜分離技術(shù)與反應(yīng)過程結(jié)合起來，形成新的膜耦合過程，已經(jīng)成為膜分離技術(shù)的發(fā)展方向之一 ?；谀げ牧系脑O(shè)計(jì)與制備、膜反應(yīng)器的開發(fā)、膜過程的模型與實(shí)驗(yàn)研究等方面的研究， 目前我國已成功開發(fā)出成套的反應(yīng)一膜分離耦合系統(tǒng)，并在化工與石油化工、生物化工等領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用。隨著研究的深入，膜過程與其它單元操作過程相耦合 ，如結(jié)晶、反應(yīng)精餾 、萃取等。將膜過程與其它過程有機(jī)結(jié)合形成新的膜耦合過程，不僅能降低設(shè)備投資與能耗 ，而且能提高過程效率。耦合過程中存在諸多的科學(xué)與技術(shù)難題，關(guān)鍵是如何運(yùn)用化學(xué)工程的理論和方法及材料科學(xué)與技 術(shù) ，研究耦合過程的協(xié)調(diào)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)傳遞與反應(yīng)過程的匹配和調(diào)控 ，形成過程耦合強(qiáng)化基礎(chǔ)理論 ，實(shí)現(xiàn)耦合系統(tǒng)的高效運(yùn)行 。

3微化工技術(shù)

微化學(xué)工程與技術(shù)是化工學(xué)科前沿 ，以微反應(yīng)器 、微混合器、微分離器、微換熱器等設(shè)備為典型代表，著重研究微時(shí)空尺度下 “三傳一反”特征與規(guī)律；采用精細(xì)化、集成化的設(shè)計(jì)思路，力求實(shí)現(xiàn)過程高效、低耗、安全、可控的現(xiàn)代化工技術(shù)，成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。微化工系統(tǒng)是指通過精密加工制造的帶有微結(jié)構(gòu) (通道、篩孔及溝槽等 )的反應(yīng)、混合、換熱、分離裝置，在微結(jié)構(gòu)的作用下可形成微米尺度分散的單相或多相體系的強(qiáng)化反應(yīng)和分離過程。與常規(guī)尺度系統(tǒng)相比，具有熱質(zhì)傳遞速率快、內(nèi)在安全性高、過程能耗低、集成度高、放大效應(yīng)小、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)快速強(qiáng)放／吸熱反應(yīng)的等溫操作、兩相問快速混合、易燃易爆化合物合成 、劇毒化合物的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)等，具有廣闊的應(yīng)用前景 。

3.1 微化工技術(shù)的基礎(chǔ)研究

最近十年是微化工技術(shù) 的快速發(fā)展期 ，國內(nèi)外研究者們開發(fā)了多種新型微化工設(shè)備。通過對(duì)其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)構(gòu)型、特征尺度及表／界面效應(yīng)的研究，為從新視角認(rèn)識(shí)微化工過程共性規(guī)律和實(shí)現(xiàn)微尺度下 “三傳一反”耦合過程的理性解耦和建立微化學(xué)工程理論體系提供了借鑒與指導(dǎo)。在微尺度下幾種流體作用力的競(jìng)爭下，微化工設(shè)備內(nèi)存在擠出、滴 出、射流和層流等 4種分散流型，比傳統(tǒng)化工設(shè)備 中的分散尺度小 1～2個(gè)量級(jí)。由于多相體系內(nèi)存在環(huán)流與界面擾動(dòng)等現(xiàn)象，可加快物流、熱流的遷移速度，強(qiáng)化微設(shè)備內(nèi)的熱質(zhì)傳遞效果，結(jié)果表明氣．氣一 液一液及液一液一固體系的體積傳質(zhì)系數(shù) (Ka)均比傳統(tǒng)設(shè)備高 1～2 個(gè)量級(jí)以上 ，單臺(tái)設(shè)備內(nèi)傳質(zhì)效率可達(dá)90％以上，而體積傳熱系數(shù)也可提高 1～2個(gè)量級(jí)。

3.2 對(duì)微化工技術(shù)的展望

微化工技術(shù)經(jīng)過10多年的研發(fā)與宣傳推廣工作，很多傳統(tǒng)化工觀念也正發(fā)生改變 ，人類對(duì)多相 流體系的認(rèn)識(shí)也逐漸 由米、毫米 向微米 、亞微米過渡，隨著對(duì)微尺度下多相流動(dòng)、混合、傳遞和反應(yīng)過程的基本規(guī)律被不斷揭示，新型化工設(shè)備的不斷發(fā)展，過程的綠色、安全和高效有望實(shí)現(xiàn)。微化工技術(shù)的成功開發(fā)與應(yīng)用將會(huì)改變現(xiàn)有化工設(shè)備的性能、體積、能耗和物耗，將是現(xiàn)有化工技術(shù)和設(shè)備制造的一項(xiàng)重大突破 ，也將會(huì)對(duì)整個(gè)化學(xué)化工領(lǐng)域產(chǎn) 生重 大影 響 。

作為一個(gè)新興學(xué)科方向，有許多問題尚待深入研究。如微設(shè)備內(nèi)復(fù)雜的多相流行為及調(diào)控規(guī)律：包括微分散的內(nèi)在機(jī)理及物理模型的建立，多相流體的表界面性質(zhì) 、傳遞規(guī)律、混合特性；微尺度下動(dòng)態(tài)界面行為，發(fā)展新型測(cè)試技術(shù)和方法 (無接觸測(cè)量技術(shù))；發(fā)展新型的微化工設(shè)備和工藝；微反應(yīng)器中納米催化劑的制各及反應(yīng)特性與規(guī)律；微反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、并行放大規(guī)律與系統(tǒng)集成；微換熱器的整體性能與結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。

4磁穩(wěn)定床技術(shù)

4.1 磁穩(wěn)定床簡介

磁穩(wěn)定床是磁流化床的特殊形式 ，它是在軸向、不隨時(shí)間變化的空間均勻磁場(chǎng)下形成的只有微弱運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定床層 ，床層表現(xiàn)為固定床形式 ，當(dāng)有流體流過時(shí)床層像活塞一樣膨脹 ，床層疏松、穩(wěn)定 、無氣泡 ，這種膨脹的流化床就是磁穩(wěn)定床 。磁穩(wěn)定床兼有固定床和流化床的許多優(yōu)點(diǎn)。磁穩(wěn)定床較好地克服 了流化床反應(yīng)器因其返混嚴(yán)重而使轉(zhuǎn)化率偏低 、顆粒容易被帶出的缺點(diǎn)，而且顆粒的裝卸非常便利；磁場(chǎng)的作用能有效地控制相間返混 ，均勻的空隙度又使床層內(nèi)部不易出現(xiàn)溝流 ；磁穩(wěn)定床彌補(bǔ)了固定床反應(yīng)器使用小粒子時(shí)導(dǎo)致的壓 降過大、放熱反應(yīng)容易出現(xiàn)局部熱點(diǎn)的缺點(diǎn)；同時(shí)磁穩(wěn)定床可以在較寬范圍內(nèi)穩(wěn)定操作，還可以充分破碎氣泡改善相問傳質(zhì) 。磁穩(wěn)定床是不同領(lǐng)域知識(shí)結(jié)合形 成新思想的典范 ，是種新型的床層形式。

4．2磁穩(wěn)定床的工業(yè)應(yīng)用

目前磁穩(wěn)定床在石油化工、生物化工和環(huán)境工程等領(lǐng)域較常規(guī)流化床反應(yīng)器和固定床反應(yīng)器 已顯示出很大 的優(yōu)越性，今后還將在納米催化、生物制藥等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。石油化工科學(xué)研究院與中石化巴陵分公司合作進(jìn)行的磁穩(wěn)定床己內(nèi)酰胺加氫精制研究取得了突破性進(jìn)展。以非晶態(tài)合金為催化劑 ，在磁穩(wěn)定床反應(yīng)器中對(duì) 30％的己內(nèi)酰胺水溶液進(jìn)行加氫精制，與工業(yè)上常用的釜式反應(yīng)器相比，加氫效果提高10~50倍 ，催化劑耗量可以降低 70％，經(jīng)濟(jì)效益顯著 。目前，磁穩(wěn)定床己內(nèi)酰胺加氫精制新技術(shù)已在石家莊化纖有限責(zé)任公司成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用

4.3 磁穩(wěn)定床技術(shù)的問題與展望

磁穩(wěn)定床反應(yīng)器的應(yīng)用目前也存在一些限制，尚需在下列領(lǐng)域繼續(xù)深入開展研究工作。① 研制開發(fā)磁性催化劑。催化劑應(yīng)具有良好的鐵磁性，在磁場(chǎng)中易于磁化，去掉磁場(chǎng)時(shí)催化劑剩磁應(yīng)較少 。催化劑應(yīng)具有良好的低溫反應(yīng)活性。②均勻穩(wěn)定磁場(chǎng)的放大及磁穩(wěn)定床反應(yīng)器的工程放大。③由于磁穩(wěn)定床特殊性，必需找到床層狀態(tài)與磁場(chǎng)、催化劑物性、流體流量之問的定量關(guān)系。④ 磁穩(wěn)定床的理論研究有待進(jìn)一步加深 。今后還應(yīng)在局部流體力學(xué)性能、傳熱特性和傳熱機(jī)理、傳質(zhì)機(jī)理及反應(yīng)器模型等方面進(jìn)行更為深入的研究。

5等離子體技術(shù)

等離子體即電離氣體，是電子、離子、原子、分子或 自由基等粒子組成的集合體，通常通過外加電場(chǎng)使氣體分子離解或電離產(chǎn)生。無論氣體是部分電離還是完全電離 ，其中的正電荷總數(shù)和負(fù)電荷總數(shù)在數(shù)值上總是相等的。按等離子體中帶電粒子 能量 (通常用電子溫度表示 )的相對(duì)高低 ，可將等離子體分為：高溫等離子體，即電子溫度在數(shù)十電子伏特 (1eV=l1600K)以上的等離子體 ；低溫等離子體 ，即電子溫度在數(shù)十電子伏特以下的等離子 體 。

5．1 等離子體強(qiáng)化化工過程技術(shù)進(jìn)展

等離子體富含的各種粒子等幾乎都為活潑的化學(xué)活性物質(zhì)。等離子體特別適合于一些熱力學(xué)或動(dòng)力學(xué)不利的反應(yīng)等，可以非常有效地活化一些穩(wěn)定的小分子，如 甲烷、氮 和二氧化碳 ，甚至可以使一些反應(yīng)的活化能變?yōu)樨?fù)值。這一特點(diǎn)使得等離子體在一些特 殊無機(jī)物 (如金屬氮化物 、金屬磷化物、金屬碳化物 、人造金 剛石等 )合成強(qiáng)化方面得到 泛的應(yīng)用 。尤其在冷等離子體制氫方面 ，由于冷等離子體啟動(dòng)方便、可以在室溫下操作、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是為燃料電池等供氫的優(yōu)選方案 。

等離子體目前在有機(jī)合成反應(yīng)強(qiáng)化方面的優(yōu)勢(shì)目前還不顯著。多數(shù)有機(jī)反應(yīng)熱力學(xué)不存在困難， 等離子體轉(zhuǎn)化僅針對(duì)有限的幾個(gè)相對(duì)惰性的小分子，如甲烷、二氧化碳。等離子體有機(jī)反應(yīng)產(chǎn)物大多數(shù)要比反應(yīng)物活潑，因此二次反應(yīng)大量存在，如果停留時(shí)間長，等離子體有機(jī)反應(yīng)多以鏈反應(yīng)方式進(jìn)行，甚至形成焦油類大分子，單一目標(biāo)產(chǎn)物選擇性低。需要加強(qiáng)等離子體發(fā)生方式的創(chuàng)新研究，使得等離子體由傳統(tǒng)的宏觀、微觀尺度意義上的發(fā)生過程轉(zhuǎn)變到納米尺度，從而能夠以高能效的振動(dòng)激發(fā)模式活化分子，從根本上提高等離子體有機(jī)合成 反應(yīng)的能效。這一方面 的研究還需要 加強(qiáng)與物理、電子器件等方面的多學(xué)科合作，以期盡快取得突破。

5．2 等離子體技術(shù)的問題與展望

為解決制約等離子體強(qiáng)化化工過程進(jìn)一步快速發(fā)展的瓶頸問題 ，需要加強(qiáng)以下等離子體相關(guān)基礎(chǔ)研究。①等離子體總體物理、化學(xué)性質(zhì)與等離子體各組成組分物理、化學(xué)性質(zhì)關(guān)系 。②等離子體相關(guān)多尺度結(jié)構(gòu)及其傳遞與反應(yīng)特性。隨著等離子體相關(guān)多尺度結(jié)構(gòu)及其傳遞與反應(yīng)特性研究的進(jìn)展， 傳統(tǒng)等離子體定義和方法不一定能適應(yīng)發(fā)展要求，但要在理論方面取得實(shí)質(zhì)突破，在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面都還存在相當(dāng)大的困難。⑧實(shí)現(xiàn)電子溫度(能量 )、電子密度 、激發(fā)態(tài)物質(zhì)能量參數(shù) 、自由基及其密度等的選擇可控是等離子體學(xué)科未來發(fā)展的必然要求。發(fā)展在線實(shí)時(shí)的等離子體診斷技術(shù)是等離子體強(qiáng)化化工過程發(fā)展的重要一環(huán)。等離子體強(qiáng)化化工過程作為一個(gè)交叉科學(xué)技術(shù) ，為化學(xué)工作者解決目前化工生產(chǎn)存在的能源 、資源與環(huán)境問題提供了新方法、新思路 。等離子體強(qiáng)化化工過程存在大量理論和實(shí)際應(yīng)用兩方面的創(chuàng)新發(fā)展機(jī)會(huì)，潛在的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著 。

6離子液體技術(shù)

6．1 離子液體簡介

離子液體是指完全由可運(yùn)動(dòng)的陰陽離子組成的室溫液體物質(zhì)，是離子存在的一種特殊形式與傳統(tǒng)分子溶劑和高溫融鹽相比，離子液體具有特殊的微觀結(jié)構(gòu) (如氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和不均質(zhì)的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)等)和復(fù)雜的相互作用力 (靜 電庫侖力、氫鍵、范德華力等 )，在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)了其獨(dú)特的物化性質(zhì)，在近二十年引起了化學(xué)化工領(lǐng)域?qū)＜业母叨戎匾?。如離子液體不易揮發(fā)、液態(tài)溫度范圍寬、溶解性能好、導(dǎo)電性適中和電化學(xué)窗口寬，并且具有功 能可設(shè)計(jì)性和多樣性，按不同陰陽離子的排列組合， 離子液體的種類可達(dá) 1O 之多種。作為新一代的離子介質(zhì)和催化體系，離子液體在化工、冶金、能源 、 環(huán)境、生物 、儲(chǔ)能等眾多領(lǐng)域逐漸展現(xiàn)了其驚人的應(yīng)用潛 力 ，并有望取代傳統(tǒng)的重污染介質(zhì)和催化劑 ， 實(shí)現(xiàn) 21世紀(jì)新一代的綠色化學(xué)化工的產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命。目前，世界各國已經(jīng)投入大量的人力財(cái)力進(jìn)行離子液體研究 ，努力建立一個(gè)全面系統(tǒng)的離子液體工業(yè)化應(yīng)用平臺(tái)，盡早突破離子液體工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展“瓶頸 ”。

7超臨界流體技術(shù)

超臨界流體技術(shù)作為一種“綠色化”的過程強(qiáng)化方法，不僅可以大大降低化工過程對(duì)環(huán)境的污染，而且超臨界流體的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于普通溶劑，可以顯著改善傳質(zhì)效果，從而提高分離、反應(yīng)等化工過程的效率引。為此 ，各國紛紛投入大量人力物力對(duì)超臨界流體技術(shù)開展研究。

7．1 超臨界流體技術(shù)研究進(jìn)展

早在1822年 Cagniard就發(fā)現(xiàn)了臨界現(xiàn)象的存在 ，1869年 Andrews測(cè)定了 CO2的臨界參數(shù) ，1879 年 Hanny和 Hogarth發(fā)現(xiàn)超臨界流體對(duì)固體具有溶解能力，為超臨界流體技術(shù)應(yīng)用提供了依據(jù) 。雖然從發(fā)現(xiàn)臨界現(xiàn)象至今已有一百多年的歷史 ，但其迅猛發(fā)展只是近三十多年的事情。隨著近年來理論和應(yīng)用研 究的深入開展 ，超臨界流體已廣泛應(yīng)用于萃取、反應(yīng)、造粒、色譜、清洗等技術(shù)過程，并在化工、醫(yī)藥、食品、環(huán)保、材料等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

7．1．1 超臨界流體萃取

超臨界流體萃取技術(shù)是研究最多的一種 。前期 研 究主要側(cè) 于理論方面 ，包括對(duì)超臨界流體密度和黏度等的測(cè)定和關(guān)聯(lián) 、對(duì)超臨界狀態(tài)下相平衡數(shù)據(jù)的測(cè)定和熱力學(xué)模型的建立、對(duì)超臨界狀態(tài)下萃取過程傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)的研究等。近年來許多研究者還從微觀上研究了超臨界狀態(tài)下的分子相互作用 ，嘗試從分子水平上解釋選擇性的機(jī)理 。在應(yīng)用方面 ，超臨界流體萃取技術(shù)主要用于天然產(chǎn)物中有效成分的提取，也可用于金屬離子和農(nóng)藥等痕量組分的脫除。

7．1．2 超臨界流體化學(xué)反應(yīng)

超臨界流體化學(xué)反應(yīng)是以超臨界流體作為反應(yīng)介質(zhì)或作為反應(yīng)物的反應(yīng) ，超臨界流體的獨(dú)特性質(zhì)使其在反應(yīng)速率、收率和轉(zhuǎn)化率、催化劑活性和壽命及產(chǎn)物分離等方面較傳統(tǒng)方法均有顯著改善。超臨界 CO2中的化學(xué)反應(yīng)包括氧化、加氫、烷基化、羰基化、聚合和酶催化反，研究者不僅從理論上對(duì)反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)體系相行為和分子間相互作用對(duì)反應(yīng)的影響等進(jìn)行 了廣泛的研究 ，而且進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化探 索，如杜邦公司年產(chǎn) 1100t含氟聚合物的超臨界反應(yīng)裝置 己正式投產(chǎn) 。超臨界水氧化反應(yīng)可用于有毒廢水 、有機(jī)廢棄物等的治理，是一種前沿性的環(huán)保技術(shù) ，目前在國內(nèi)外均已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化 。此外 ，由于當(dāng)前的能源危機(jī) ，超 (近 )臨界水中生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)也引起了人們的重視 ，但目前這方面 的研究尚處于初級(jí)階段 。

7．1．3 超臨界流體的其它應(yīng)用

超臨界流體結(jié)晶技術(shù)可用于制備藥物、聚合物、催化劑等的超細(xì)顆粒。超臨界流體色譜技術(shù)特別適合于手性藥物或天然產(chǎn)物等高附加值物質(zhì)的分離。此外，超臨界流體技術(shù)還可用于半導(dǎo)體的清洗、 紡織品印染等多個(gè)領(lǐng)域。

8微波技術(shù)

8．1 微波場(chǎng)強(qiáng)化質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)的原理

微波是頻率在300MHz~300GHz，即波長在1mm～100cm范圍內(nèi)的一種電磁波。微波能強(qiáng)化質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng) ，一般認(rèn)為是基于微波的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng) 。微波加熱的方式主要源于物質(zhì)內(nèi)部分子吸收電磁能后所產(chǎn)生數(shù)十億次的偶極振動(dòng)而產(chǎn)生的大量熱能來實(shí)現(xiàn)的，即 “內(nèi)加熱”。這種由分子間振動(dòng)所產(chǎn)生的“內(nèi)加熱 ”能將微波轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，可以直接激發(fā)物質(zhì)問的反應(yīng)。與常規(guī)的加熱相比，微波具有加熱速度快、均勻、無溫度梯度存在、能瞬時(shí)達(dá)到高溫、熱量損失小等優(yōu)勢(shì) 。此外，不的物質(zhì)具有不同的電介質(zhì)性質(zhì) ，從而有不同的吸收微波能力，這特征又使微波輻射具有選擇性加熱特點(diǎn)。此外，微波還存在非熱效應(yīng)。當(dāng)把物質(zhì)置于微波場(chǎng)，其電場(chǎng)能使分子極化，其磁場(chǎng)力又能使 這些帶 電粒子遷移和旋轉(zhuǎn)，加劇了分子間的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) ，提高了分子的平均能量，降低了反應(yīng)的活化能，可大大提高化學(xué)反應(yīng)速度。

8．1．1 微波輻射強(qiáng)化傳質(zhì)過程

微波場(chǎng)可以有效提高物質(zhì)的傳輸和擴(kuò)散。實(shí)驗(yàn)表明：微波輻射使色譜流出峰變陡和增高，提高物質(zhì)穿透色譜柱的速度，這是由于微波輻射激發(fā)了物質(zhì)分子的極化從而加快分子的傳遞速度 。應(yīng)用微波場(chǎng)強(qiáng)化蒸汽提取香精油的分離過程，在微波蒸汽擴(kuò)散提取過程中，傳質(zhì)系數(shù)是傳統(tǒng)蒸汽提取過程中的6倍。

8．1．2 微波輻射強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)

微波技術(shù)可以加快化學(xué)反應(yīng)速率，改變化學(xué)反應(yīng)歷程，獲得新的反應(yīng)產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)某些常規(guī)方法不能進(jìn)行的反應(yīng)。目前 ，微波輔助合成已成功應(yīng)用于烷 基化、皂化 、烯烴加成 、磺化 、氧化 環(huán)合以及負(fù)碳離子縮合等諸多反應(yīng)

8．1。3 微波輻射在微晶合成上的應(yīng)用

在晶體的合成方面，由于微波具有選擇性加熱的特點(diǎn) ，能夠制備超細(xì)粉末而又避免傳統(tǒng)加熱常引起的團(tuán)聚，有利于形成粒徑分布窄、形態(tài)均一的納米粒子 。

9結(jié) 語

我國化學(xué)工業(yè)迫切需要向資源節(jié)約型和環(huán)境友好型發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，而針對(duì)復(fù)雜化工體系利用過程強(qiáng)化技術(shù)來推動(dòng)和促進(jìn)這一轉(zhuǎn)變過程則是化學(xué)工業(yè)的必由之路。通過過程強(qiáng)化技術(shù)開發(fā)新型、高效的生產(chǎn)工藝，或?qū)鹘y(tǒng)工藝進(jìn)行改 造和升級(jí)，使過程的能耗、物耗和廢物排放大幅度減少，必將從根本上變革化學(xué)工業(yè)的面貌。

我國的化工過程強(qiáng)化技術(shù)近年來雖然取得了長足的進(jìn)步，但仍然存在某些需要重視的問題：① 針對(duì)我國資源和化工行業(yè)特點(diǎn)的原創(chuàng)性的過程強(qiáng)化工藝技術(shù)不足 ，缺乏對(duì)行業(yè)發(fā)展具有重要意義的創(chuàng)新技術(shù)和成果 ；②對(duì)復(fù)雜體系的本征規(guī)律有待進(jìn)一步的認(rèn)識(shí) ；尚缺 乏完善的理論體系指導(dǎo)化工過程強(qiáng)化技術(shù)的開發(fā) ；③與化學(xué)、材料 、機(jī)械 、信息等學(xué)科的融合不足也制約了化工過程強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展 。相信隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界 的共同努力下，經(jīng)過長期基礎(chǔ)研究的積累，這些問題將逐漸得以克服，使我國的化工過程強(qiáng)化技術(shù)邁上一個(gè)新的水平。

原標(biāo)題:面向未來的化工創(chuàng)新技術(shù)：微化工、超重力、超臨界、膜過程耦合……