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最強強化技術——微界面技術
來源：石化產業觀察 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新，著眼效率提高、節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、食品醫藥、生物發酵和環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進行技術服務時，企業提出，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傳質強化技術改造，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化案例。江蘇某企業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、環境污染重，被當地政府列為關停企業。2011年，該企業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。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，既可用于工農業生產領域，也可用作醫療器械。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。裝置現已連續穩定運行，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，節能減碳效果顯著。目前已開發出20萬噸/年、30萬噸/年、40萬噸/年等規模的整套工業化工藝包。微界面技術還可為我國雙碳戰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，碳排放強度優于國際先進水平。
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