微化工：開啟高效精益生產(chǎn)新模式

化學(xué)工業(yè)是關(guān)系到國計民生的重要支柱產(chǎn)業(yè)，也是原料、材料和能源生產(chǎn)的主要行業(yè)。我國化學(xué)工業(yè)主營業(yè)務(wù)收入2010年就已超過美國，躍居世界第一。2014年主營收入8.8萬億元，同比增長8.2%，占全國GDP總值20%。中國化學(xué)工業(yè)雖然是生產(chǎn)大國，但仍不是強國，且近來化工事故高發(fā)，能耗高、污染重、資源浪費、效率低等問題仍在困擾著不少化工企業(yè)。
近幾年，一種可以讓化學(xué)反應(yīng)時間從幾小時到幾十小時縮短到幾分鐘甚至幾十秒，同時解決強腐蝕、易爆、高能耗、高溶劑消耗和高污染、高排放等諸多難題的技術(shù)，在國內(nèi)開始升溫，并有望開啟高效精細(xì)合成的新時代，改寫化工生產(chǎn)事故高發(fā)的現(xiàn)狀。這種技術(shù)就是微化工技術(shù)。
我國是世界橡膠助劑生產(chǎn)大國，橡膠助劑是一類精細(xì)化工產(chǎn)品，其中橡膠促進(jìn)劑生產(chǎn)幾乎均是采用傳統(tǒng)間歇生產(chǎn)工藝，通過擴大反應(yīng)釜的體積提高生產(chǎn)能力，其中必須采用的氧化工藝也由于氧氣氧化會帶來爆炸等不安全后果，多數(shù)采用傳統(tǒng)次氯酸鈉等氧化劑進(jìn)行。微化工技術(shù)在橡膠促進(jìn)劑生產(chǎn)中的應(yīng)用可大大提高生產(chǎn)效率，杜絕不安全因素，是橡膠助劑行業(yè)“十三五”的期待。
一、什么是微化工技術(shù)
1.微化工特點
微化工技術(shù)是上世紀(jì)90年代初興起的前沿技術(shù)。該技術(shù)能促進(jìn)過程強化和化工系統(tǒng)小型化，提高能源、資源利用效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，改善過程的安全性。該技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)化工產(chǎn)業(yè)的革命性技術(shù)，微化工技術(shù)的成功開發(fā)與應(yīng)用將對化學(xué)化工領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。
與傳統(tǒng)的間歇式反應(yīng)釜生產(chǎn)工藝完全不同，微化工技術(shù)是在微米級的通道式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行撞擊流化學(xué)反應(yīng)。由于反應(yīng)器空間非常微小，物料通過碰撞混合非常均勻，接觸反應(yīng)完全，而從可以解決傳統(tǒng)工藝反應(yīng)不徹底及易爆等技術(shù)難題。

2. 微化工技術(shù)主要研究熱點
微化工技術(shù)的核心是微通道反應(yīng)器。與傳統(tǒng)化工工藝相比，微化工技術(shù)最重要的是研究開發(fā)適合于微反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)器和快速反應(yīng)工藝條件。
目前，微化工技術(shù)的研究工作主要集中在以下三方面：一是傳統(tǒng)化工技術(shù)的更新?lián)Q代，主要集中在石油化工、醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、火（炸）藥等領(lǐng)域，主要包括磺化、硝化、直接氟化、氧化、過氧化、酰胺化、重氮化等各類強放熱和易燃易爆的氣—液和液—液反應(yīng)過程。二是國家安全領(lǐng)域的研究工作，主要涉及化學(xué)激光器微型化、核燃料高效處理、特種材料的安全生產(chǎn)等。三是納米材料合成等領(lǐng)域，特別是可以將精細(xì)化工、醫(yī)藥化工等間歇式、效率較低的合成工藝，將其變?yōu)橄袷突つ菢拥目煽剡B續(xù)工藝，讓反應(yīng)從幾小時縮短到幾十秒。

二、國外研究率先起步
上世紀(jì)90年代初，微化工技術(shù)研究在國外開始起步。美國、德國、英國、法國、日本等發(fā)達(dá)國家的重要研究機構(gòu)、高校、化工公司相繼開展了微化學(xué)工程與技術(shù)的研究。
1997年，德國拜耳公司開發(fā)成功微米級高硼硅玻璃微通道反應(yīng)器，用于偶氮偶合反應(yīng)。2002~2003 年，美國康寧公司研發(fā)了Advanced-Flow微反應(yīng)器。目前，康寧、拜耳、巴斯夫、瑞士龍沙等公司已經(jīng)相繼成立了專門負(fù)責(zé)微化工技術(shù)的部門，研發(fā)并推廣其微化工設(shè)備產(chǎn)品。最近十多年來，世界微化工技術(shù)已處于廣泛應(yīng)用的前夜。
美國康寧公司的康寧反應(yīng)器與連續(xù)結(jié)晶和連續(xù)過濾的裝置配套，反應(yīng)可達(dá)到100%轉(zhuǎn)化率。該工藝實現(xiàn)了包括連續(xù)結(jié)晶和連續(xù)過濾集成在內(nèi)的整個連續(xù)化生產(chǎn)過程，可為制藥、精細(xì)化工和特種化工行業(yè)提供連續(xù)合成和下游分離的整體方案，有助于生產(chǎn)企業(yè)降低成本。而且，該連續(xù)流合成生產(chǎn)系統(tǒng)的小試結(jié)果很容易放大到千噸級工業(yè)化生產(chǎn)裝置規(guī)模。
目前，康寧的微通道反應(yīng)器已經(jīng)完成了從G1（每年80噸通量）工藝開發(fā)到G3（每年1000噸通量）、G4（每年2000噸通量）的工業(yè)化示范進(jìn)程。康寧特種碳化硅（SiC）陶瓷反應(yīng)器具有強耐腐蝕性能，能夠處理多種化學(xué)品體系，如氟化工和高溫強堿體系。康寧開發(fā)的特種玻璃反應(yīng)器具備透明可視性，便于觀察反應(yīng)現(xiàn)象，提高工藝的開發(fā)效率。目前國內(nèi)已有數(shù)十臺康寧微通道反應(yīng)器，用于科研或定制化學(xué)品的連續(xù)化生產(chǎn)。2014年初，康寧又在南京成功實現(xiàn)了千噸級精細(xì)化學(xué)品的連續(xù)生產(chǎn)，裝置開車一次性成功，產(chǎn)品收率高達(dá)99.8%，創(chuàng)世界最好水平。
德國拜耳公司在微化工技術(shù)開發(fā)方面也早有建樹。2010年，拜耳和羅地亞合作在拜耳位于上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)的微反應(yīng)器技術(shù)應(yīng)用中心設(shè)計建造了創(chuàng)新的工藝裝置，重點研究微反應(yīng)器技術(shù)在精細(xì)有機合成和納米材料制備等方面的應(yīng)用。同年11月，北京中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所向拜耳購買了一套模塊化微反應(yīng)器，用于化學(xué)藥物的有機合成研究，目前這套設(shè)備已順利投入使用。2011年4月，位于福建廈門的合眾思創(chuàng)生物工程有限公司也與拜耳簽約購買一套模塊化微反應(yīng)器，用于納米材料的生產(chǎn)。當(dāng)年，德國拜耳技術(shù)工程（上海）有限公司與羅地亞（中國）投資有限公司簽訂協(xié)議，向羅地亞在上海的亞太研發(fā)中心提供模塊化微反應(yīng)器系統(tǒng)。
三、我國微化工技術(shù)躋身世界前列
我國在微化工技術(shù)產(chǎn)業(yè)化上已小有成就，可以說該技術(shù)發(fā)展基本與國際同步。
2001年5月，中科院大連化學(xué)物理研究所率先在中國成立了微化工技術(shù)研究組。2009年6月，他們開發(fā)的用于磷酸二氫銨生產(chǎn)的微化工技術(shù)在中國石化催化劑長嶺分公司年產(chǎn)能8萬~10萬噸裝置上，獲得工業(yè)化穩(wěn)定應(yīng)用，微反應(yīng)器、微混合器和微換熱器體積均小于6升。該項目已經(jīng)通過了遼寧省及中科院組織的技術(shù)鑒定，被專家認(rèn)定為達(dá)到國際領(lǐng)先水平，標(biāo)志著我國微化工技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)了重大突破。2011年9月，中科院大連化物所與勝利油田中勝環(huán)保有限公司合作開發(fā)的百噸級、千噸級用于石油磺酸鹽生產(chǎn)的微反應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。目前，大連化物所微化工技術(shù)研究組正與國內(nèi)多家企業(yè)合作，開展微反應(yīng)技術(shù)在硝化、磺化、酰胺化、重氮化、氧化、過氧化、氟化、氯化等化工過程中的應(yīng)用研究，旨在擴大微化工技術(shù)的應(yīng)用范圍，推進(jìn)微化工技術(shù)在其他化工過程的應(yīng)用。
2005年清華大學(xué)成功開發(fā)了膜分散微結(jié)構(gòu)反應(yīng)器制備單分散納米碳酸鈣的工業(yè)裝置。其化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室借鑒膜乳化技術(shù)，按照多個微通道串并聯(lián)原理，設(shè)計了膜分散式微結(jié)構(gòu)混合器。該反應(yīng)器具有混合尺度易于控制、結(jié)構(gòu)簡潔、高效、能耗低和處理量大的特點。如以孔徑5微米的不銹鋼燒結(jié)膜為分散介質(zhì)，在很大相比范圍內(nèi)的相分離可在30 秒內(nèi)完成，單級萃取效率達(dá)95%以上。同年，清華大學(xué)與山東盛大集團(tuán)簽訂技術(shù)合作協(xié)議，現(xiàn)已建成年產(chǎn)1萬噸的微反應(yīng)生產(chǎn)裝置。
2012年 12月15日，世界規(guī)模最大的15萬噸/年濕法磷酸凈化（PPA）裝置在甕福集團(tuán)達(dá)州基地建成并一次投料成功，產(chǎn)出合格產(chǎn)品，填補了中國磷化工行業(yè)微化工技術(shù)的空白。PPA裝置核心技術(shù)采用的是甕福集團(tuán)與清華大學(xué)聯(lián)合科技攻關(guān)、全球首創(chuàng)的微反應(yīng)器磷酸凈化萃取技術(shù)。
2014年，清華大學(xué)與江蘇安邦電化有限公司開發(fā)的“氯丙烯氯醇化微反應(yīng)系統(tǒng)及方法”和“微反應(yīng)器中用二氯丙醇環(huán)化制備環(huán)氧氯丙烷的方法”兩項發(fā)明專利獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局授權(quán)。
2013年10月，西安萬德能源化學(xué)股份有限公司采用自主研發(fā)的微反應(yīng)技術(shù)生產(chǎn)的十六烷值改進(jìn)劑硝酸異辛酯，年產(chǎn)能1萬噸，產(chǎn)量居全國首位。2014年6月28日，西安萬德能源化學(xué)股份有限公司在山東淄博高新區(qū)舉行10萬噸/年硝酸異辛酯（EHN）裝置一期工程（4萬噸/年）投產(chǎn)儀式，這是全球第一套采用萬德能源公司自主知識產(chǎn)權(quán)專利技術(shù)—微通道硝化反應(yīng)技術(shù)生產(chǎn)十六烷值改進(jìn)劑硝酸異辛酯的大型裝置。該項目一期工程投產(chǎn)后，萬德能源化學(xué)股份有限公司硝酸異辛酯總產(chǎn)能達(dá)到5萬噸/年，成為全球第二大柴油十六烷值改進(jìn)劑生產(chǎn)商。
近幾年，一大批技術(shù)引領(lǐng)型企業(yè)通過引進(jìn)技術(shù)消化吸收，應(yīng)用微通道反應(yīng)器技術(shù)實現(xiàn)了工藝技術(shù)的全面升級；中石化南化集團(tuán)研究院在2011年應(yīng)用美國康寧公司高通量—微通道連續(xù)流反應(yīng)器（Advanced-Flow Reactors，AFR）成功開發(fā)了氯苯硝化新工藝，此后又在特種橡膠助劑工藝開發(fā)上取得進(jìn)展。北京樂威醫(yī)藥集團(tuán)在其泰州生產(chǎn)基地成功開發(fā)了年產(chǎn)30噸醫(yī)藥中間體的GMP生產(chǎn)工藝，在整個過程中做到無“三廢”排放。山東一家精細(xì)化工企業(yè)采用年通量1000噸AFR反應(yīng)器后，從間歇生產(chǎn)改為連續(xù)自動化生產(chǎn)，同時解決了環(huán)境污染問題。
常州大學(xué)與康寧公司合作，2011年建立了聯(lián)合實驗室，開發(fā)的微通道連續(xù)流反應(yīng)器目前已進(jìn)行多項精細(xì)化工產(chǎn)品的合成，有望實現(xiàn)量產(chǎn)。
近年，華東理工大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)也成立了微化工技術(shù)研究團(tuán)隊，南工大還與橡膠助劑企業(yè)合作，以期改變目前我國橡膠促進(jìn)劑生產(chǎn)基本采用間歇式工藝的狀況，項目開發(fā)成功將給橡膠助劑行業(yè)綠色、安全、高效生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
四、我國微化工技術(shù)的發(fā)展前景
沒有強大的制造業(yè)，就沒有國家和民族的強盛。打造具有國際競爭力的制造業(yè)，是我國提升綜合國力、保障國家安全、建設(shè)世界強國的必由之路。2015年5月18日，國務(wù)院正式發(fā)布了《中國制造2025》規(guī)劃，是我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年行動綱領(lǐng)。德國工業(yè)4.0是全球第4次工業(yè)革命的產(chǎn)物，其核心也是精益制造、智能工廠，對提高生產(chǎn)的效率和安全性、產(chǎn)品的質(zhì)量及其穩(wěn)定性具有重要意義。
問世僅20余年的微化工技術(shù)，以它獨有的魅力讓我們對未來的化工生產(chǎn)充滿遐想。利用可直接放大、安全性高效、反應(yīng)過程易控的技術(shù)，改變化學(xué)工業(yè)某些環(huán)節(jié)、某種反應(yīng)污染重、能耗高和安全性差的形象，讓化工生產(chǎn)過程的強化、微型化和綠色化，大幅提高化工生產(chǎn)的資源和能源利用效率，是完全可能實現(xiàn)的。
我國是定制化學(xué)品的研發(fā)、生產(chǎn)大國。微化工技術(shù)的光明前景已引起我國大專院校、研究機構(gòu)和相關(guān)企業(yè)的高度重視，但從點燃星星之火到燎原，還需科技界和企業(yè)界不斷努力。
“十三五”期間，我們需加強力量攻克微反應(yīng)技術(shù)難點，首先要加強微反應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和先進(jìn)制造技術(shù)、系統(tǒng)智能控制技術(shù)以及微反應(yīng)器防腐防堵塞技術(shù)等。
其次，要加強傳統(tǒng)化工技術(shù)的更新?lián)Q代（包括傳統(tǒng)反應(yīng)設(shè)備難以實現(xiàn)的新的反應(yīng)過程開發(fā)），關(guān)注磺化、硝化、氯化、氧化、過氧化、酰胺化、重排反應(yīng)，重點針對典型強放熱和易燃易爆的氣—液、液—液反應(yīng)過程，以及納米材料可控制備等開展工業(yè)化研究。
再次，要重點針對精細(xì)化工、醫(yī)藥領(lǐng)域開展應(yīng)用示范研究，以期在精細(xì)化工、橡膠助劑和納米材料以及基于微反應(yīng)技術(shù)的新過程等領(lǐng)域獲得進(jìn)一步突破。
要完成上述任務(wù)，必須加強微化學(xué)工程與技術(shù)的基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究，解決微化學(xué)工程與技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵共性科學(xué)問題，這樣才能為我國化工制造業(yè)的大力提升作出重要貢獻(xiàn)！
（來源中國橡膠網(wǎng)）