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最強強化技術——微界面技術
來源：石化產業(yè)觀察 2021-11-23
導讀：南京延長反應技術研究院以南京大學張志炳教授團隊首創(chuàng)的微界面反應強化技術（簡稱微界面技術）為核心，結合化學制造及相關領域的最新成果，開發(fā)了綠色低碳反應工藝和化學制造平臺。
南京延長反應技術研究院以南京大學張志炳教授團隊首創(chuàng)的微界面反應強化技術（簡稱微界面技術）為核心，結合化學制造及相關領域的最新成果，開發(fā)了綠色低碳反應工藝和化學制造平臺。在不改變原料和催化劑配方的情況下，微界面技術可重塑化學制造新工藝，突破已有技術和專利墻的圍堵，具有顛覆性意義。微界面技術聚焦存量、兼顧新建化學與生物制造過程的核心工藝和關鍵裝備的變革性創(chuàng)新，著眼效率提高、節(jié)能降碳和本質安全提升，最大程度地消除化學制造過程高壓高危、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、精細化工、新材料、食品醫(yī)藥、生物發(fā)酵和環(huán)境治理等領域普遍應用。中國石化集團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：“這是到目前為止世界上最有推廣應用潛力的化工過程強化技術。”
該技術起源要追溯到20年前。張志炳團隊為某化工企業(yè)進行技術服務時，企業(yè)提出，在不增加反應器數量的情況下，能否將烷烴純氧氧化攪拌釜式反應器的產能提升到原產能的3倍。在詳細分析反應器的化學反應機理和效率控制機制后，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，對攪拌式鼓泡反應器進行微界面?zhèn)髻|強化技術改造，可以通過數量級地提高傳質效率進而使反應速率倍增。這個技術思路被業(yè)主采納。經過幾個月設計、制造、安裝、調試，改造一次性開車成功。經檢測，反應器產能提高到原來的4倍左右，反應工段噸產品電耗同比降低，氧氣消耗降低了40%左右。微界面技術以湍流流體力學理論為基礎，經過近20年的不斷完善進入第三代技術。團隊研發(fā)出可滿足不同反應工況需求的系列化反應器平臺和微界面核心組件，實現了多相反應體系氣-液、液-液、液-固相間能量交換與轉換，實現了對氣、液顆粒的高效破碎和界面的精確調控。微界面核心組件可依據要求，將反應體系的氣-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現數量級的躍升（10～103之間），反應效率隨之顯著甚至成倍提高。同時，由于反應體系相界面尺度達到微米/納米級，引發(fā)了微納化學效應，可進一步加速化學進程和提高轉化深度。在此基礎上，反應器及附屬設備壓力可大幅下降，反應溫度可適當下調，反應停留時間縮短，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。實現了真正意義上的綠色低碳生產。微界面技術在化學與生物制造領域具有廣泛適用性。以下列舉不同領域的典型產業(yè)化案例。江蘇某企業(yè)原采用國外工藝生產間甲基苯甲酸，產品出口歐美、東南亞等地。該裝置以空氣為氧源進行高溫氧化反應，一直以來物耗能耗高、生產成本高、環(huán)境污染重，被當地政府列為關停企業(yè)。2011年，該企業(yè)決定采用微界面技術升級生產線。在未進行中試情況下，參照老工藝生產數據，該企業(yè)直接進行微界面反應-精細分離一體化生產裝置設計，并經過兩年努力超越預定目標：主產品收率提高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，噸產品綜合生產成本下降32%左右。該企業(yè)新裝置投運半年內，美日的兩條同類生產線宣布永久關閉。廣東某公司一套15萬噸/年柴油脫硫精制裝置設計壓力偏低（6兆帕），無法滿足國六柴油精制脫硫生產要求，處于停產狀態(tài)。2020年采用微界面技術改造，在低壓下生產出合格國六柴油，一次開車成功。由直餾低硫柴油生產國六柴油，若采用與國際先進的柴油加氫技術相同的催化劑，反應壓力必須在6兆帕以上，反應溫度高于340攝氏度。采用微界面技術，反應壓力和溫度分別為3.1兆帕和327攝氏度，反應效率提升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5兆帕就可實現采用國際柴油加氫技術9兆帕以上的產品指標。若國內柴油煉制裝置均采用微界面技術改造，可為煉油企業(yè)增收至少100億元以上。四川某公司是我國草甘膦、雙甘膦農藥重點生產企業(yè)之一，每年排放百萬噸高鹽高濃度有機磷廢水，治理難度大。2019年，該公司將微界面技術用于廢水預處理裝置，一次投產成功。運行顯示，改造后的裝置與國內外濕法氧化技術相比，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，且反應效率提升，工段能耗下降20%以上。噸廢水處理設備投資可降低50%以上。聚乳酸是可完全降解生物新材料，既可用于工農業(yè)生產領域，也可用作醫(yī)療器械。聚乳酸單體丙交酯生產關鍵技術一直被歐美等壟斷，我國只能高價購買產品。包括中科院在內的多家研發(fā)單位歷時20余年雖然取得了較大進展，但丙交酯生產關鍵技術的寡聚、合成、精細分離、儲運等方面仍有較多難題。自2020年9月開始，團隊與河南某生物公司合作，運用微界面反應強化技術配以精細分離技術，設計建設的年產5000噸聚合級丙交酯示范裝置試產成功。裝置現已連續(xù)穩(wěn)定運行，產出完全滿足國際標準的5000噸聚合級丙交酯產品，不僅產品質量全面達標，更重要的是技術流程短、裝置高度集約化和自動化，噸產品投資比國際同類技術降低50%以上，噸產品能耗、物耗和成本降低更多，整個生產過程基本實現零排放。該裝置全部核心技術與關鍵裝備具有完全自主知識產權，試產成功標志著我國突破了技術封鎖，并反超國際現有技術水平，為聚乳酸全面國產化和占領技術國際制高點奠定了堅實的基礎。丁醇、辛醇（簡稱丁辛醇）是重要的化工原料，我國年產量約600萬噸。長期以來，我國丁辛醇生產幾乎100%被跨國公司的專利技術壟斷，生產企業(yè)擴產、增效等正常的技術升級行為均受到制約。2021年4月，團隊開發(fā)設計建立了年產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12個月運行，所有關鍵技術指標均大大優(yōu)于跨國公司技術，一舉捅破了長期被跨國公司引領的技術天花板。該裝置可在1.1～1.3兆帕低壓下反應，原料利用率和反應效率更高，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。微界面技術還可為我國雙碳戰(zhàn)略提供強大的技術支持。以100萬噸/年高硫柴油加氫制國VI標準柴油生產裝置為例，采用微界面技術改造后，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，噸柴油產品碳排放降至0.006噸二氧化碳/噸柴油產品，遠低于煉油企業(yè)單位產品碳排放限額先進值小于等于0.022噸二氧化碳/噸煉油產品的國家標準，碳排放強度優(yōu)于國際先進水平。
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