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最强强化技术——微界面技术
来源：石化产业观察 2021-11-23
导读：南京延长反应技术研究院以南京大学张志炳教授团队首创的微界面反应强化技术（简称微界面技术）为核心，结合化学制造及相关领域的最新成果，开发了绿色低碳反应工艺和化学制造平台。
南京延长反应技术研究院以南京大学张志炳教授团队首创的微界面反应强化技术（简称微界面技术）为核心，结合化学制造及相关领域的最新成果，开发了绿色低碳反应工艺和化学制造平台。在不改变原料和催化剂配方的情况下，微界面技术可重塑化学制造新工艺，突破已有技术和专利墙的围堵，具有颠覆性意义。微界面技术聚焦存量、兼顾新建化学与生物制造过程的核心工艺和关键装备的变革性创新，着眼效率提高、节能降碳和本质安全提升，最大程度地消除化学制造过程高压高危、高能耗物耗、高排放、高投资、低效率和低效益问题，已在炼油石化、精细化工、新材料、食品医药、生物发酵和环境治理等领域普遍应用。中国石化集团原高级副总裁和总工程师、中国工程院院士曹湘洪以书面形式评价：“这是到目前为止世界上最有推广应用潜力的化工过程强化技术。”
该技术起源要追溯到20年前。张志炳团队为某化工企业进行技术服务时，企业提出，在不增加反应器数量的情况下，能否将烷烃纯氧氧化搅拌釜式反应器的产能提升到原产能的3倍。在详细分析反应器的化学反应机理和效率控制机制后，张志炳提出，在保持温度、压力、物料配比、催化剂等工艺条件不变的前提下，对搅拌式鼓泡反应器进行微界面传质强化技术改造，可以通过数量级地提高传质效率进而使反应速率倍增。这个技术思路被业主采纳。经过几个月设计、制造、安装、调试，改造一次性开车成功。经检测，反应器产能提高到原来的4倍左右，反应工段吨产品电耗同比降低，氧气消耗降低了40%左右。微界面技术以湍流流体力学理论为基础，经过近20年的不断完善进入第三代技术。团队研发出可满足不同反应工况需求的系列化反应器平台和微界面核心组件，实现了多相反应体系气-液、液-液、液-固相间能量交换与转换，实现了对气、液颗粒的高效破碎和界面的精确调控。微界面核心组件可依据要求，将反应体系的气-液、液-液、气-液-固、气-液-液、液-液-固等多相界面的尺度由普通反应器的厘米-毫米大小破碎成微米/纳米大小，使界面分子的传递效率实现数量级的跃升（10～103之间），反应效率随之显著甚至成倍提高。同时，由于反应体系相界面尺度达到微米/纳米级，引发了微纳化学效应，可进一步加速化学进程和提高转化深度。在此基础上，反应器及附属设备压力可大幅下降，反应温度可适当下调，反应停留时间缩短，物料过量率降低。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。实现了真正意义上的绿色低碳生产。微界面技术在化学与生物制造领域具有广泛适用性。以下列举不同领域的典型产业化案例。江苏某企业原采用国外工艺生产间甲基苯甲酸，产品出口欧美、东南亚等地。该装置以空气为氧源进行高温氧化反应，一直以来物耗能耗高、生产成本高、环境污染重，被当地政府列为关停企业。2011年，该企业决定采用微界面技术升级生产线。在未进行中试情况下，参照老工艺生产数据，该企业直接进行微界面反应-精细分离一体化生产装置设计，并经过两年努力超越预定目标：主产品收率提高24%，能耗物耗下降20%左右，水耗下降90%以上，折合二氧化碳减排30%以上，空气的氧利用率从原工艺的62%提高到96%以上，吨产品综合生产成本下降32%左右。该企业新装置投运半年内，美日的两条同类生产线宣布永久关闭。广东某公司一套15万吨/年柴油脱硫精制装置设计压力偏低（6兆帕），无法满足国六柴油精制脱硫生产要求，处于停产状态。2020年采用微界面技术改造，在低压下生产出合格国六柴油，一次开车成功。由直馏低硫柴油生产国六柴油，若采用与国际先进的柴油加氢技术相同的催化剂，反应压力必须在6兆帕以上，反应温度高于340摄氏度。采用微界面技术，反应压力和温度分别为3.1兆帕和327摄氏度，反应效率提升30%以上，能耗物耗降低10%以上。与上马新装置相比，投资降低25%左右。对于混合高硫柴油精制脱硫，压力5兆帕就可实现采用国际柴油加氢技术9兆帕以上的产品指标。若国内柴油炼制装置均采用微界面技术改造，可为炼油企业增收至少100亿元以上。四川某公司是我国草甘膦、双甘膦农药重点生产企业之一，每年排放百万吨高盐高浓度有机磷废水，治理难度大。2019年，该公司将微界面技术用于废水预处理装置，一次投产成功。运行显示，改造后的装置与国内外湿法氧化技术相比，操作压力可从8兆帕降到4兆帕，温度由220摄氏度降到180摄氏度，且反应效率提升，工段能耗下降20%以上。吨废水处理设备投资可降低50%以上。聚乳酸是可完全降解生物新材料，既可用于工农业生产领域，也可用作医疗器械。聚乳酸单体丙交酯生产关键技术一直被欧美等垄断，我国只能高价购买产品。包括中科院在内的多家研发单位历时20余年虽然取得了较大进展，但丙交酯生产关键技术的寡聚、合成、精细分离、储运等方面仍有较多难题。自2020年9月开始，团队与河南某生物公司合作，运用微界面反应强化技术配以精细分离技术，设计建设的年产5000吨聚合级丙交酯示范装置试产成功。装置现已连续稳定运行，产出完全满足国际标准的5000吨聚合级丙交酯产品，不仅产品质量全面达标，更重要的是技术流程短、装置高度集约化和自动化，吨产品投资比国际同类技术降低50%以上，吨产品能耗、物耗和成本降低更多，整个生产过程基本实现零排放。该装置全部核心技术与关键装备具有完全自主知识产权，试产成功标志着我国突破了技术封锁，并反超国际现有技术水平，为聚乳酸全面国产化和占领技术国际制高点奠定了坚实的基础。丁醇、辛醇（简称丁辛醇）是重要的化工原料，我国年产量约600万吨。长期以来，我国丁辛醇生产几乎100%被跨国公司的专利技术垄断，生产企业扩产、增效等正常的技术升级行为均受到制约。2021年4月，团队开发设计建立了年产近万吨级的中试装置，以新型卡宾配体金属为羰基化合成催化剂，以一台超高效微界面反应器配套超级浮阀塔板分离系统为羰基化平台，一次开车成功。经12个月运行，所有关键技术指标均大大优于跨国公司技术，一举捅破了长期被跨国公司引领的技术天花板。该装置可在1.1～1.3兆帕低压下反应，原料利用率和反应效率更高，节能减碳效果显著。目前已开发出20万吨/年、30万吨/年、40万吨/年等规模的整套工业化工艺包。微界面技术还可为我国双碳战略提供强大的技术支持。以100万吨/年高硫柴油加氢制国VI标准柴油生产装置为例，采用微界面技术改造后，可在两年左右收回全部投资，每年直接减少二氧化碳排放5万吨左右，吨柴油产品碳排放降至0.006吨二氧化碳/吨柴油产品，远低于炼油企业单位产品碳排放限额先进值小于等于0.022吨二氧化碳/吨炼油产品的国家标准，碳排放强度优于国际先进水平。
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