安全與綠色發(fā)展已成為世界化工行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，在這種趨勢(shì)下，微通道反應(yīng)技術(shù)依靠其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為國(guó)內(nèi)外精細(xì)化工行業(yè)的研究熱點(diǎn)。典型微通道反應(yīng)技術(shù)的特征是在幾十到幾百微米的通道內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。特征尺度的微型化為其從微尺度上理解“三傳一反”（動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、化學(xué)反應(yīng)過程）的規(guī)律提供了指導(dǎo)。然而，為了實(shí)現(xiàn)微通道反應(yīng)技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，其通道尺寸早已達(dá)到了毫米級(jí)，得益于先進(jìn)的通道內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)高通量的同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)良好的傳質(zhì)與傳熱性能。同時(shí)具有微量和連續(xù)流動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的微通道反應(yīng)技術(shù)不僅將產(chǎn)能和設(shè)備體積脫鉤，而且將產(chǎn)能與生產(chǎn)效率有效結(jié)合，為精細(xì)化工本質(zhì)安全水平及其經(jīng)濟(jì)性的提高開辟了新道路。
微通道反應(yīng)技術(shù)在提高本質(zhì)安全方面的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)
精細(xì)化工行業(yè)處于快速發(fā)展的階段，但隨之而來的是安全生產(chǎn)方面的問題越來越嚴(yán)重。隨著精細(xì)化工生產(chǎn)規(guī)模的提高，諸多生產(chǎn)裝置的規(guī)模也越來越大，重大災(zāi)害性化學(xué)事故頻繁發(fā)生，后果也愈發(fā)嚴(yán)重。故而，精細(xì)化工行業(yè)的本質(zhì)安全水平的提升已刻不容緩。本質(zhì)安全的核心思想是從源頭上減少或消除危險(xiǎn)，微通道反應(yīng)技術(shù)選用連續(xù)流反應(yīng)，反應(yīng)過程持液量低，推動(dòng)了化工設(shè)備的小型化，確實(shí)做到從根源上降低事故產(chǎn)生的概率，從而達(dá)到本質(zhì)安全。對(duì)比常規(guī)尺度的技術(shù)，微通道反應(yīng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)非常明顯。
1、傳質(zhì)、傳熱效率高
微通道反應(yīng)設(shè)備的特征尺寸在微米至毫米級(jí)，總傳熱系數(shù)為2000~10000 kW/(m3﹒K)，比表面積可達(dá)104~106 m2/m3。其特征尺寸小，混合時(shí)間短，帶來了較強(qiáng)的傳質(zhì)能力；比表面積大，提高了反應(yīng)物與器壁之間的熱交換效率；傳熱系數(shù)高，化學(xué)反應(yīng)放出的熱量容易移出，進(jìn)而避免過熱導(dǎo)致的沖料事故甚至是爆炸事故。
2、工藝條件控制程度高
微通道反應(yīng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了物料配比、反應(yīng)溫度和時(shí)間的精準(zhǔn)調(diào)控。較小的反應(yīng)通道能夠準(zhǔn)確控制物料混合比，物料可以在通道內(nèi)迅速混合，適用于對(duì)物料配比控制要求較高的快速反應(yīng)，有助于提高反應(yīng)選擇性；換熱效率高，使反應(yīng)產(chǎn)生的熱量能夠快速導(dǎo)出，確保了穩(wěn)定的反應(yīng)溫度；能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到最優(yōu)時(shí)間時(shí)，即刻將物料進(jìn)行轉(zhuǎn)移，或直接停止，從而避免停留時(shí)間過長(zhǎng)而生成副產(chǎn)物。
3、間歇操作變?yōu)檫B續(xù)化操作
將傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)器間歇式生產(chǎn)改變?yōu)檫B續(xù)化操作，可以大大減少現(xiàn)場(chǎng)操作人員的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)無人值守，避免因人為操作失誤導(dǎo)致的安全問題；連續(xù)自動(dòng)進(jìn)料，不僅減少了批次切換，簡(jiǎn)化了工藝流程，降低了誤操作風(fēng)險(xiǎn)，而且可以方便地引發(fā)或終止反應(yīng)，有利于反應(yīng)過程的控制，大大提高了反應(yīng)的安全性；再者，連續(xù)化流動(dòng)反應(yīng)減少了反應(yīng)裝置中的殘余物，即使操作失控，危害程度也極小。
4、增加原料轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)選擇性和產(chǎn)品收率
基于微通道反應(yīng)技術(shù)對(duì)適合的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行充分的工藝優(yōu)化將有極大可能增加原料的轉(zhuǎn)化率，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的精準(zhǔn)控制，從而減少發(fā)生副反應(yīng)，提高反應(yīng)的選擇性和目標(biāo)產(chǎn)物的收率，減少對(duì)環(huán)境的影響。
5、節(jié)能環(huán)保
基于良好的傳質(zhì)、傳熱效能，微通道反應(yīng)技術(shù)可以將一些低溫危險(xiǎn)工藝的反應(yīng)溫度有效提升，從而降低冷媒的消耗量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。通過減少發(fā)生副反應(yīng)和生成雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)環(huán)保。
6、放大效應(yīng)小
微通道反應(yīng)設(shè)備具備多個(gè)反應(yīng)通道并且能夠并聯(lián)放大。與常規(guī)的小試裝置相比，該反應(yīng)設(shè)備通道尺寸變化小，放大效應(yīng)也小，可縮短研發(fā)周期，減少中試環(huán)節(jié)，節(jié)約研發(fā)時(shí)間和試驗(yàn)設(shè)備經(jīng)費(fèi)，有助于實(shí)現(xiàn)研究成果從實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)業(yè)化的快速落地。
7、節(jié)約占地
微通道反應(yīng)設(shè)備為連續(xù)流設(shè)備，多采用模塊化、撬裝化設(shè)計(jì)，設(shè)備集成度高，用較小的占地面積實(shí)現(xiàn)高效的工藝，不僅安全性高，而且還有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)效益。
根據(jù)微通道反應(yīng)技術(shù)的上述特征，微通道反應(yīng)技術(shù)可以用于多種反應(yīng)工藝類型的工藝開發(fā)或優(yōu)化，例如易燃易爆物質(zhì)、高溫高壓、強(qiáng)放熱、有毒物質(zhì)、不穩(wěn)定產(chǎn)物、腐蝕性試劑等條件存在下的易失控反應(yīng)。微通道反應(yīng)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)多種常規(guī)反應(yīng)設(shè)備無法達(dá)成的反應(yīng)條件，為高危反應(yīng)提出了全新的解決方案，例如，過去需要操作時(shí)極為小心的反應(yīng)，經(jīng)微通道反應(yīng)技術(shù)轉(zhuǎn)變成安全且高效的工藝；以往因選擇性低導(dǎo)致無工業(yè)價(jià)值的工藝，被改造成具備較高工藝價(jià)值的工藝；某些因受限于溫度和壓力導(dǎo)致反應(yīng)緩慢的工藝，溫度和壓力條件被提高，加速反應(yīng)的進(jìn)行等。總之，微通道反應(yīng)技術(shù)拓展了工業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)的視野，為提高精細(xì)化工安全生產(chǎn)提供了新的方法。
國(guó)內(nèi)外微通道反應(yīng)技術(shù)研究進(jìn)展
當(dāng)前我國(guó)精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)具有很好的發(fā)展勢(shì)頭，然而相應(yīng)裝備的落后嚴(yán)重制約了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)展。裝備落后導(dǎo)致工藝的研發(fā)也相對(duì)落后，進(jìn)而導(dǎo)致精細(xì)化工整體根基落后。由于我國(guó)的精細(xì)化工行業(yè)仍然大量采用釜式反應(yīng)器，生產(chǎn)方式多數(shù)為間歇式生產(chǎn)，帶來了多種安全問題和環(huán)境問題。裝備無法達(dá)到環(huán)保要求，滿足不了安全保障，難以進(jìn)行具有高附加值反應(yīng)的研發(fā)，延緩了產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。
微化工技術(shù)可在一定程度上緩解精細(xì)化工研發(fā)和工程化脫節(jié)問題，推動(dòng)精細(xì)化工行業(yè)發(fā)展、解決困擾行業(yè)發(fā)展難題。國(guó)際上先進(jìn)的精細(xì)化工企業(yè)由于長(zhǎng)期的工藝技術(shù)積累、研發(fā)人才積累和裝備開發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累，已經(jīng)進(jìn)行了“微通道裝備技術(shù)”替代“間歇式反應(yīng)釜技術(shù)”的過程，并形成知識(shí)產(chǎn)權(quán)，持續(xù)加強(qiáng)這種優(yōu)勢(shì)，近幾年，部分國(guó)際微通道反應(yīng)裝備品牌進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，受到精細(xì)化工公司歡迎，也受到了我國(guó)校企及科研院所的廣泛參與和關(guān)注。
目前我國(guó)也有企業(yè)同樣開發(fā)出了具備同等功能的微反應(yīng)裝備，性價(jià)比上具有優(yōu)勢(shì)，也得到較快的發(fā)展和推廣，獲得了行業(yè)內(nèi)的認(rèn)可，如山東豪邁集團(tuán)研究開發(fā)的微反應(yīng)裝備已成功實(shí)現(xiàn)硝化、氧化等高危反應(yīng)產(chǎn)品的規(guī)模化生產(chǎn)。
近幾十年來，許多國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)意識(shí)到微通道反應(yīng)技術(shù)的優(yōu)越性，開展了大量相關(guān)研究工作。作為一個(gè)新興的多學(xué)科交叉技術(shù)，微通道反應(yīng)技術(shù)在微觀尺度下的微觀理論等方面，還有待深入研究。
推廣微通道反應(yīng)技術(shù)面臨的困境
近年來，我國(guó)某些領(lǐng)域使用微通道反應(yīng)技術(shù)進(jìn)行工業(yè)化取得了優(yōu)異的成果，例如橡膠助劑領(lǐng)域等，但是目前微通道反應(yīng)技術(shù)在工業(yè)化推廣上還面臨著諸如技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、理論知識(shí)、人才以及政策等方面的諸多挑戰(zhàn)。
1、技術(shù)方面
微通道反應(yīng)設(shè)備并非適用于所有的化學(xué)反應(yīng)，例如某些液-固反應(yīng)，存在中間體需要移除的平衡反應(yīng)，或者反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率很慢的反應(yīng)等等。
2、經(jīng)濟(jì)方面
對(duì)于一些反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的反應(yīng)，需要更多的微通道反應(yīng)設(shè)備，使得成本過高，不適用于微反應(yīng)過程；此外，由于微通道反應(yīng)設(shè)備不能單獨(dú)使用，要有配套的工藝路線，因此企業(yè)需要投入的資金較多，承擔(dān)的經(jīng)濟(jì)壓力較大，這也給微化工技術(shù)的工業(yè)化推廣帶來了難題。
3、理論知識(shí)與人才缺乏
相對(duì)于傳統(tǒng)的化工技術(shù)，微反應(yīng)技術(shù)是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，其需要一整套全新的化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)做支撐，系統(tǒng)中每個(gè)環(huán)節(jié)都與傳統(tǒng)釜式反應(yīng)有所區(qū)別，工藝條件、設(shè)備選型、助劑、催化劑匹配都要以微反應(yīng)的理論作指導(dǎo)，而不能基于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和思維模式。然而微反應(yīng)技術(shù)的理論知識(shí)還沒有得到廣泛普及。因此，在推廣微反應(yīng)技術(shù)的進(jìn)程中，專業(yè)人才的缺乏也是限制行業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。
4、政策層面
自2017年微通道反應(yīng)設(shè)備正式進(jìn)入國(guó)家層面的文件以來，其獲得了諸多化工園區(qū)的青睞，微通道反應(yīng)設(shè)備制造商也隨之如雨后春筍般涌現(xiàn)。然而，由于缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏市場(chǎng)準(zhǔn)入制度，某些制造商還沒有從根本上掌握微通道反應(yīng)技術(shù)的理論知識(shí)就貿(mào)然進(jìn)入該行業(yè)，導(dǎo)致產(chǎn)出了一些不良產(chǎn)品。因此，盡管微通道反應(yīng)技術(shù)是本質(zhì)安全技術(shù)，但并不意味著制造出的所有的微通道反應(yīng)設(shè)備都是本質(zhì)安全設(shè)備。微通道反應(yīng)技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，但是其具備的安全價(jià)值、產(chǎn)業(yè)化的前景以及帶來的經(jīng)濟(jì)效果無可置疑。況且，在精細(xì)化工行業(yè)的安全水平亟待提高的局勢(shì)下，有理由相信微通道反應(yīng)技術(shù)是最值得推行與研究的技術(shù)。
大力推廣微通道反應(yīng)技術(shù)，促進(jìn)精細(xì)化工行業(yè)綠色安全發(fā)展
按照精細(xì)化工行業(yè)的發(fā)展規(guī)律，加快工藝、裝備和產(chǎn)業(yè)化三方融合，盡量降低污染物產(chǎn)出和排放，建立產(chǎn)業(yè)鏈上下游的“產(chǎn)學(xué)研用”相結(jié)合的開放平臺(tái)是一條比較現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)行業(yè)動(dòng)能轉(zhuǎn)換的技術(shù)路線。因此，提出建議如下：
1、將微通道反應(yīng)設(shè)備作為新建或改建項(xiàng)目的優(yōu)先選擇，例如對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行微通道反應(yīng)技術(shù)改造，或者直接建立全新的微通道反應(yīng)工廠。
2、將具備大規(guī)模生產(chǎn)能力的企業(yè)、具備工藝或設(shè)備研發(fā)能力的企業(yè)以及科研院所等強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，組建微通道反應(yīng)技術(shù)示范區(qū)，將設(shè)備、工藝以及產(chǎn)業(yè)化融為一體，成為引領(lǐng)中國(guó)精細(xì)化工的先驅(qū)。
3、建立市場(chǎng)準(zhǔn)入制度，實(shí)行一品一證，有關(guān)部門聯(lián)合設(shè)立發(fā)證機(jī)構(gòu)和相關(guān)程序，保護(hù)社會(huì)公共利益，淘汰劣質(zhì)產(chǎn)品。
4、支持建立化工微通道反應(yīng)技術(shù)行業(yè)組織，其職能包括：制定行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)制規(guī)定高危化學(xué)品單位使用本質(zhì)安全設(shè)備，減少安全隱患；對(duì)微反應(yīng)設(shè)備研發(fā)技術(shù)標(biāo)桿企業(yè)和微反應(yīng)設(shè)備應(yīng)用示范企業(yè)的進(jìn)行評(píng)選認(rèn)定。
5、制定激勵(lì)措施，對(duì)于化工微通道反應(yīng)技術(shù)行業(yè)組織認(rèn)定的研發(fā)和應(yīng)用微反應(yīng)設(shè)備的優(yōu)秀企事業(yè)單位，由應(yīng)急管理、環(huán)保、科技、工信、發(fā)改等多個(gè)部門給予供給方和使用方合理的減稅或政策支持。
6、加大對(duì)微通道反應(yīng)技術(shù)專業(yè)人才的教育培訓(xùn)力度，積極組織對(duì)相關(guān)負(fù)責(zé)人、工程技術(shù)人員開展微通道反應(yīng)技術(shù)專業(yè)培訓(xùn)，普及微通道反應(yīng)技術(shù)相關(guān)知識(shí)，建立專門的人才隊(duì)伍，滿足行業(yè)和企業(yè)對(duì)人才的需求，推動(dòng)該技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展。由于微通道反應(yīng)設(shè)備的應(yīng)用與化學(xué)反應(yīng)原理，以及對(duì)溫度和流速等反應(yīng)條件的控制緊密相關(guān)，使用了微通道反應(yīng)設(shè)備并不意味著一定沒有安全問題。推廣微通道反應(yīng)技術(shù)的同時(shí)，更要推廣本質(zhì)安全的概念，推廣重視化工生產(chǎn)全鏈條的安全性，最終實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)的本質(zhì)安全。
此內(nèi)容轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“中國(guó)化學(xué)品安全協(xié)會(huì)”，作者：路念明
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