过程强化与设备微型化

绿色过程工程

GreenProcessEngineering

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绪论绿色过程工程与可持续发展

绿色过程工程基础过程工程绿色化模式

过程工程生态学过程强化与设备微型化

过程系统工程

6过程强化与设备微型化传统化工企业的形象是高耸塔群连绵不断、刺耳噪音昼夜延展、难闻气味迎面扑鼻、粉尘液滴四处乱溅。提高自动化程度后的新型石油化工企业有很大改变，但仍未根本改观。从化工建设投资来看，用于大型设备、土建工程和管网设施的资金，一般占总投资的80%左右，如果设备微型化，流程密集化，生产过程精细化，就能重组化工生产。

6过程强化与设备微型化1995年召开的第一次化工过程强化国际会议上,C.Ramshaw首先提出化工过程强化是指在生产能力不变的情况下，能够显著减小化工厂体积的措施。A.I.Stankiewicz和J.A.Moulign则认为，给定设备的体积减小2倍以上、每吨产品能耗降低、废物或副产物大量减少都可以看作是过程强化。6过程强化与设备微型化化工过程强化是指在生产和加工过程中运用新技术和新设备，极大地减小设备体积或者极大地增大设备生产能力，显著地提高能量效率，大量地减少废物排放。一句话，高效、节能、清洁、可持续发展的新技术都是过程强化。6过程强化与设备微型化6.1过程强化设备6.2过程强化技术6.3过程强化实例6.4设备微型化6过程强化与设备微型化6.1过程强化设备6.2过程强化技术6.3过程强化实例6.4设备微型化6过程强化与设备微型化6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器6.1.2超重力反应器6.1.3串式化学反应器6.1.4提升管-下行床耦合反应器6.1.5光催化反应器6.1.6膜反应器6.1.7色谱反应器6.1.8热交换器式反应器6.1.9喷雾流化床造粒器6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器6.1.2超重力反应器6.1.3串式化学反应器6.1.4提升管-下行床耦合反应器6.1.5光催化反应器6.1.6膜反应器6.1.7色谱反应器6.1.8热交换器式反应器6.1.9喷雾流化床造粒器6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器构件催化反应器是指采用在反应器尺寸规模上具有规则结构的催化剂的反应器。固定床催化反应器中，固体催化剂是以颗粒的形式随机堆积在反应器内。构件催化反应器可以分为整块蜂窝构件催化反应器、膜构件催化反应器和规整构件催化反应器三类。

6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器整块蜂窝构件催化反应器是采用整块蜂窝构件催化剂的反应器。整块蜂窝构件催化剂具有许多相互隔离的、平行的直孔，与蜂窝的结构类似，起催化作用的物质均匀地分布在孔道的内表面。整块蜂窝构件催化反应器与固定床催化反应器相比，流动阻力小，反应速度快，气体和液体在整个反应器内分布均匀，不会产生局部过热等问题。使用整块蜂窝构件催化反应器可以使设备体积大大减小。

6.1过过程强化设设备6.1.1构件催化反反应器整块蜂窝构构件催化反应器器被用作汽汽车尾气、、火力发电电厂尾气和和工业排放放废气的净净化器。因因为不论是是汽车尾气气、火力发发电厂尾气气，还是工工业废气，，它们的排排放压力一一般都比较较低，只有有使用流动动阻力很小小的设备，，才能在净净化尾气的的同时，不不增加燃料料和动力的的消耗，在在经济上具具有竞争力力。并且，，火力发电电厂尾气中中一般含有有固体粉尘尘，使用其其他净化设设备容易引引起堵塞，，增加维护护费用。6.1过过程强化设设备6.1.1构件催化反反应器膜构件催化化反应器是采用膜构构件催化剂剂的反应器器。如果整整块蜂窝构构件催化剂剂的孔道壁壁上具有许许多微小的的孔道，允允许一种或或几种反应应物料穿过过孔道壁，，则它被称称为膜构件件催化剂。。这种允许许一种或几几种物质穿穿过的特性性，称为膜膜构件的透透过选择性性。膜构件件催化反应应器的特点点是利用膜膜构件的透透过选择性性，在一个个反应器内内同时实现现化学反应应和分离操操作，这就就是反应-分离耦合合。6.1过过程强化设设备6.1.1构件催化反反应器也可以利用用膜构件的的这一特性性，在一个个反应器中中膜的两侧侧同时进行行吸热和放放热反应，，用放热反反应放出热热量供给吸吸热反应，，同时将一一个反应的的产物作为为另一个反反应的反应应物，这就就是反应-反应耦合合。膜构件件催化反应应器的最初初应用是海海水脱盐生生产淡水。。逐步扩展展到生物技技术、环境境保护、天天然气和石石油的开采采与加工、、化工生产产等领域。。膜构件催催化反应器器主要缺点点是造价高高、膜的透透过量小、、容易碎裂裂等。6.1过过程强强化设备备6.1.1构件催化化反应器器规整构件件催化反反应器是采用规规整构件件催化剂剂的反应应器。将将颗粒状状催化剂剂安排成成各种各各样规则则的几何何形状，，就得到到规整构构件催化化剂。在在这类反反应器中中，催化化剂颗粒粒被规则则地装填填在一个个个开有有许多孔孔的笼子子内，或或者将催催化剂装装填成串串，然后后合并在在一起，，以方便便气体和和液体反反应物与与催化剂剂接触。。6.1过过程强强化设备备6.1.1构件催化化反应器器规整构件件催化反反应器具具有比传传统固定定床小得得多的流流动阻力力，又具具有很好好的热量量和物质质交换能能力，可可以克服服整块蜂蜂窝构件件催化反反应器取取热不便便的缺点点。但是是，由于于气体在在笼子内内部移动动比较慢慢，这类类反应器器比较适适合反应应速度比比较慢的的反应。。目前，，笼式规规整构件件催化反反应器己己经成功功地应用用于重油油馏分加加氢脱除除硫化物物和氨化化物的工工业生产产中。串串式规整整构件催催化反应应器则在在醚化和和酯化反反应中获获得了工工业应用用。6.1过过程强强化设备备6.1.1构件催化化反应器器6.1.2超超重力反反应器6.1.3串串式化学学反应器器6.1.4提提升管-下行床床耦合反反应器6.1.5光光催化反反应器6.1.6膜膜反应器器6.1.7色色谱反应应器6.1.8热热交换器器式反应应器6.1.9喷喷雾流化化床造粒粒器6.1过过程强强化设备备6.1.1构构件催化化反应器器6.1.2超超重力反反应器6.1.3串串式化学学反应器器6.1.4提提升管-下行床床耦合反反应器6.1.5光光催化反反应器6.1.6膜膜反应器器6.1.7色色谱反应应器6.1.8热热交换器器式反应应器6.1.9喷喷雾流化化床造粒粒器6.1过过程强强化设备备6.1.2超超重力反反应器超重力反反应器是是利用旋旋转产生生的强大大离心力力来加快快反应速速度的设设备。在在高速旋旋转的设设备中，，由旋转转产生的的离心力力可高达达重力的的1000倍以以上。在在强大离离心力驱驱动下，，物料的的混合、、传质将将得到极极大的强强化，从从而显著著地加快快那些受受物料混混合、传传质速度度限制的的化学反反应。6.1过程程强化设备6.1.2超超重力反应应器美国Dow化化学公司利用用旋转填充床床开发了一种种经济的、低低氯化物含量量的次氯酸生生产新技术，，在气体进料料量降低50%的情况下下，还能增加加10%的产产量。所生产产的低氯化物物含量次氯酸酸是一种更好好的自来水消消毒剂，而采采用传统方法法无法获得这这种低氯化物物含量的产品品。6.1过程程强化设备6.1.2超超重力反应应器北京化工大学学开发成功超超重力反应沉沉淀法合成纳纳米材料，实实现分子尺度度上控制化学学反应和成核核结晶过程，，得到粒度分分布均匀的纳纳米材料。首首条3000t/a15～30nm的碳酸钙钙工业生产线线已在广东广广平化工有限限公司、内蒙蒙古蒙西高新新技术材料公公司建成。纳纳米氢氧化铝铝、纳米碳酸酸钡、纳米碳碳酸锂、纳米米碳酸锶的超超重力反应合合成技术亦已已研究成功。。还开发成功功油田水脱气气的旋转填充充床，使原来来30m高的的真空脱气塔塔缩小成直径径约lm的旋旋转填充床。。6.1过程程强化设备6.1.1构构件催化反反应器6.1.2超超重力反应应器6.1.3串串式化学反反应器6.1.4提提升管-下下行床耦合反反应器6.1.5光光催化反应应器6.1.6膜膜反应器6.1.7色色谱反应器器6.1.8热热交换器式式反应器6.1.9喷喷雾流化床床造粒器6.1过程程强化设备6.1.3串串式化学反反应器固定床反应器器是化学工业业最常用的反反应器之一，，然而，对于于许多气-固固反应过程，，压降的大小小可能成为操操作成本的决决定性因素，，如烟道气的的处理在经济济上可容许的的压降只有1～2kPa，传统的固固定床反应器器很难适用，，开发通量大大、压降小的的新型固定床床反应器势在在必行。6.1过程程强化设备6.1.3串串式化学反反应器串式化学反应应器正是这样样一种新型的的固定床反应应器，其结构构如图6-1所示，与传传统固定床反反应器的区别别主要在于催催化剂的装填填方式。图6-1串串式化学反反应器结构示意图6.1过程程强化设备6.1.1构构件催化反反应器6.1.2超超重力反应应器6.1.3串串式化学反反应器6.1.4提提升管-下下行床耦合反反应器6.1.5光光催化反应应器6.1.6膜膜反应器6.1.7色色谱反应器器6.1.8热热交换器式式反应器6.1.9喷喷雾流化床床造粒器6.1过程程强化设备6.1.4提提升管-下下行床耦合反反应器清华大学流态态化研究组开开发了提升管管-下行床耦耦合反应器，，如图6-2所示。装置置分为提升管管与下行床两两部分，为了了实现提升管管与下行床的的良好过渡，，装置的上段段设计成双套套筒结构，套套筒的环隙为为提升管，中中心管为下行行床，环隙提提升管与下行行床顶部的连连接部分为特特殊设计的折折返结构，主主提升管与下下行床内径均均为192mm，为了保保证流动的平平稳性，环隙隙提升管部分分设计成具有有与主提升管管、下行床基基本相同的横横截面积。6.1过程程强化设备6.1.1构构件催化反反应器6.1.2超超重力反应应器6.1.3串串式化学反反应器6.1.4提提升管-下下行床耦合反反应器6.1.5光光催化反应应器6.1.6膜膜反应器6.1.7色色谱反应器器6.1.8热热交换器式式反应器6.1.9喷喷雾流化床床造粒器6.1过程程强化设备6.1.5光光催化反应应器对于各种含难难降解有机污污染物的废水水，尤其是各各种工业废水水，大多采用用生化、化学学等方法来处处理。目前利用TiO2作为光催化剂剂催化降解有有机污染物已已逐渐由实验验阶段的研究究转向实际应应用的研究，，但距大规模模工业化尚远远，如果研制制开发出可连连续使用的高高效光催化反反应器，对于于处理大量的的含难降解物物废水必将有有广泛而诱人人的前景。6.1过程程强化设备6.1.5光光催化反应应器图6-3固固定床光导导纤维反应器器示意图6.1过程程强化设备6.1.5光光催化反应应器图6-4多多重石英管反反应器示意图图6.1过程程强化设备6.1.1构构件催化反反应器6.1.2超超重力反应应器6.1.3串串式化学反反应器6.1.4提提升管-下下行床耦合反反应器6.1.5光光催化反应应器6.1.6膜膜反应器6.1.7色色谱反应器器6.1.8热热交换器式式反应器6.1.9喷喷雾流化床床造粒器6.1过程程强化设备6.1.6膜膜反应器将化学反应与与膜分离耦合合起来的一种种反应设备即即膜反应器，，是一种新型型多功能反应应器，主要有有两种类型：：一种是产物分离型，一种是反应物分配型型。产物分离型膜膜反应器用于受平衡限限制的可逆反反应和中间产产物为目的产产物的连串反反应，前者由由于产物的不不断分离，打打破了平衡的的限制，可使使反应的单程程转化率大幅幅度提高，后后者因中间产产物的及时移移走，防止了了它的进一步步转化，可大大大提高目的的产物的收率率。6.1过过程程强强化化设设备备6.1.6膜膜反反应应器器反应应物物分分配配型型膜膜反反应应器器主要要用用于于受受动动力力学学限限制制的的平平行行反反应应，，如如烃烃类类部部分分氧氧化化反反应应。。烃烃类类部部分分氧氧化化反反应应常常伴伴有有完完全全氧氧化化反反应应，，而而后后者者对对进进料料中中的的氧氧气气浓浓度度更更加加敏敏感感,因因此此维维持持较较低低的的氧氧气气分分压压可可以以获获得得较较高高的的产产品品收收率率。。反反应应物物分分配配型型膜膜反反应应器器的的催催化化剂剂装装填填在在内内外外管管间间的的环环形形区区，，烃烃类类由由环环形形区区的的顶顶部部加加入入，，氧氧气气由由内内管管经经膜膜沿沿径径向向进进入入反反应应区区，，由由于于氧氧气气能能始始终终维维持持较较低低的的局局部部分分压压，，故故产产品品选选择择性性与与固固定定床床反反应应器器相相比比大大幅幅度度提提高高。。6.1过过程程强强化化设设备备6.1.1构构件件催催化化反反应应器器6.1.2超超重重力力反反应应器器6.1.3串串式式化化学学反反应应器器6.1.4提提升升管管-下下行行床床耦耦合合反反应应器器6.1.5光光催催化化反反应应器器6.1.6膜膜反反应应器器6.1.7色色谱谱反反应应器器6.1.8热热交交换换器器式式反反应应器器6.1.9喷喷雾雾流流化化床床造造粒粒器器6.1过过程程强强化化设设备备6.1.7色色谱谱反反应应器器将化化学学反反应应与与色色谱谱分分离离耦耦合合可可以以构构成成所所谓谓的的色色谱谱反反应应器器。。色谱反应应器的床层材材料可以以是催化化剂与色色谱固定定相的混混合物，，也可以以是兼有有催化性性能和吸吸附性能能的树脂脂。由于于反应物物与产物物在吸附附剂上的的吸附能能力不同同，在反反应的同同时，反反应产物物不断被被分离出出来，因因而不仅仅可以得得到高纯纯度的产产品，而而且可以以打破化化学平衡衡的限制制，使得得具有较较小平衡衡转化率率的反应应也能获获得较高高的转化化率。色色谱反应应器根据据反应器器型式和和操作方方式不同同，可以以分为固固定床色色谱反应应器、移移动床色色谱反应应器和模模拟移动动床色谱谱反应器器。6.1过过程强化设设备6.1.7色谱反反应器在模拟移动动床色谱反反应器中，，Kruglov等等对甲烷氧氧化耦合反反应进行了了研究，C2收率达55%，而传统的的操作方式，，C2收率只能达到到20～25%，Kawase等研研究了乙酸和和苯乙醇的酯酯化反应，转转化率大于99%，而该该反应的平衡衡转化率只有有63%。由由此可见，选选择适当的色色谱固定相作作为吸附剂，，色谱反应器器的确能突破破平衡的限制制，大大提高高反应的转化化率和收率。。为使色谱反反应器早日实实现工业化，，当前的首要要任务是开发发高吸附量高高选择性的吸吸附剂。6.1过程程强化设备6.1.1构构件催化反反应器6.1.2超超重力反应应器6.1.3串串式化学反反应器6.1.4提提升管-下下行床耦合反反应器6.1.5光光催化反应应器6.1.6膜膜反应器6.1.7色色谱反应器器6.1.8热热交换器式式反应器6.1.9喷喷雾流化床床造粒器6.1过程程强化设备6.1.8热热交换器式式反应器热交换器式反反应器是一种结构紧紧凑的由一叠叠扩散接合(diffusion-bonded)的薄板板构成，这些些薄板有用化化学蚀刻法制制成的流槽。。由英国BHRSolutions公司和英英国Chart热交换器器公司研制的的，试验在英英国Hickson&Welch公公司的一家工工厂进行。进进行的反应是是硫醚两段催催化氧化成亚亚砜中间体，，然后转化成成砜。此放热热反应需要两两种液相物质质混合，通常常是在一搅拌拌反应器中以以半连续的方方式进行的。。热交换器式式反应器使此此反应可连续续进行，并通通过改善混合合和传热操作作缩短在反应应器中的滞留留时间。首次次工业规模试试验中己将反反应时间由通通常的18h缩短到30min，而而产率基本上上不变。6.1过程程强化设备6.1.1构构件催化反反应器6.1.2超超重力反应应器6.1.3串串式化学反反应器6.1.4提提升管-下下行床耦合反反应器6.1.5光光催化反应应器6.1.6膜膜反应器6.1.7色色谱反应器器6.1.8热热交换器式式反应器6.1.9喷喷雾流化床床造粒器6.1过程程强化设备6.1.9喷喷雾流化床床造粒器喷雾流化床造造粒是将溶液液、悬浮液、、熔融液或粘粘结液喷雾到到已经干燥或或部分干燥颗颗粒的流化床床床层内，在在同一设备内内一步完成蒸蒸发、结晶、、干燥或化学学反应的造粒粒过程。与传传统造粒方法法相比，流化化床造粒不仅仅具有工艺流流程简单、设设备装置紧凑凑、投资省、、生产强度大大等优点，而而且所得到的的产品无灰、、无块，具有有良好的流动动性能。6.1过程程强化设备6.1.9喷喷雾流化床床造粒器近20年来，，流化床造粒粒技术在许多多化工产品造造粒过程中得得到广泛应用用。荷兰NSM公司和日日本TEC公公司早在20世纪80年年代初就开发发成功了大型型尿素流化床床造粒装置；；英国NIRO公司也已已将流化床造造粒技术用于于氯化钙、硫硫酸锌等化工工产品的造粒粒过程中。6.1过程程强化设备6.1.9喷喷雾流化床床造粒器天津大学开发发成功带导流流筒的喷动流流化床造粒器器。实验流程程如图6-5所示。来自自鼓风机的气气体通过加热热电炉加热后后进入流化床床下部的气体体分布室。流流化气流速利利用热球风速速仪测量。物物料在熔料罐罐中经过电炉炉加热溶化后后，由料泵经经金属转子流流量计，由安安装在流化床床底部的双流流体喷嘴喷入入床层中。1-鼓风机；；2-压缩机机；3-阀门门；4-玻璃璃转子流量计计；5-电热热风炉；6-盘管加热器器；7-熔料料罐；8-进料料仓仓；9-星形形阀；10-流化床造粒粒器；11-金属转子流流量计；12-料泵；13-振动出出料机图6-5喷喷雾流化床造造粒实验装置置流程图6.1过程程强化设备6.1.1构构件催化反反应器6.1.2超超重力反应应器6.1.3串串式化学反反应器6.1.4提提升管-下下行床耦合反反应器6.1.5光光催化反应应器6.1.6膜膜反应器6.1.7色色谱反应器器6.1.8热热交换器式式反应器6.1.9喷喷雾流化床床造粒器6过程强强化与设备微微型化6.1过程程强化设备6.2过程程强化技术6.3过程程强化实例6.4设备备微型化6过程强强化与设备微微型化6.1过程程强化设备6.2过程程强化技术6.3过程程强化实例6.4设备备微型化6过程强强化与设备微微型化6.2.1脉脉动燃烧干干燥技术6.2.2撞撞击流技术术6.2.3强强化传热技技术6.2.4以以强化传质质为目标的耦耦合分离技术术6.2.5以以提高选择择性为目标的的生物分离技技术6.2过程程强化技术6过程强强化与设备微微型化6.2.1脉脉动燃烧干干燥技术脉动燃烧干燥燥技术是利用用脉动燃烧产产生的具有强强振荡特性的的高温尾气流流对物料进行行干燥。在强强振荡流场(振荡频率在在50-300Hz之间间)的作用下下，物料表面面与干燥介质质间的速度、、温度及湿分分浓度边界层层的厚度均大大大降低，从从而强化了物物料与气流之之间的热量和和质量传递过过程，特别是是液体物料在在该强振荡流流场的作用下下被冲击、破破碎成极小的的液滴，大大大提高了其表表面积，再辅辅以高温(气气流温度一般般在700-1200℃℃之间)在极极短的时间内内即可完成物物料的干燥过过程。6.2过程程强化技术6过程强强化与设备微微型化6.2.1脉脉动燃烧干干燥技术实验表明，对对咖啡、工业业废液等物料料的干燥，在在0.01s之内即可将将其干燥为粉粉状产品。由由于干燥时间间极短，物料料的温度一般般不超过50℃。良好的的传热、传质质特性带来了了极高的蒸发发效率，与理理想蒸发能力力2.674kJ/kgH2O比较，脉动动燃烧干燥过过程的蒸发能能力最多达2900kJ/kgH2O(一般干燥燥器该值在5000～10000kJ/kgH2O之间)。6.2过程程强化技术6过程强强化与设备微微型化6.2.1脉脉动燃烧干干燥技术与传统的干燥燥系统比较，，脉动燃烧干干燥具有下述述优点：干燥燥速率可提高高2～3倍；；热量及质量量传递速率可可提高2～5倍；热效率率提高可达40%；污染染排放水平可可降低10%，特别是NOx的排放可降至至1%；除去去单位水分的的空气耗量可可降至30～～40%；物物料在干燥器器内停留时间间短，温度低低，有利于产产品质量的保保护；较低的的投资及操作作成本；干燥燥器的体积小小。6.2过程程强化技术6过程强强化与设备微微型化6.2.1脉脉动燃烧干干燥技术6.2.2撞撞击流技术术6.2.3强强化传热技技术6.2.4以以强化传质质为目标的耦耦合分离技术术6.2.5以以提高选择择性为目标的的生物分离技技术6.2过程程强化技术6过程强强化与设备微微型化6.2.2撞撞击流技术术撞击流(ImpingingStreams,IS)的概念由Elperin首先提出出，但其应用用可追溯到20世纪50年代初开发发的Koppers-Totzek粉煤气化炉炉。以气-固固两相体系为为例，撞击流流的基本原理理如图6-8所示。两股股两相流相向向高速(≥20m/s)流动撞击，，在两加速管管之间造成一一个高度湍动动的撞击区。。6.2过程程强化技术6过程强强化与设备微微型化6.2.2撞撞击流技术术6.2过程程强化技术图6-8撞撞击流原理图图图6-9喷喷头结构示意意图6过程强强化与设备微微型化6.2.1脉脉动燃烧干干燥技术6.2.2撞撞击流技术术6.2.3强强化传热技技术6.2.4以以强化传质质为目标的耦耦合分离技术术6.2.5以以提高选择择性为目标的的生物分离技技术6.2过程程强化技术6过程强强化与设备微微型化6.2.3强强化传热技技术强化传热技术术是指能显著著改善传热性性能的节能新新技术，其主主要内容是采采用强化传热热元件，改进进换热器结构构，提高传热热效率，使设设备投资和运运行费用最低低，达到生产产过程最优化化。早在18世纪初就提提出让风吹过过物体表面强强化对流传热热。但该技术术真正引起人人们重视是在在20世纪60年代后，，由于生产和和社会发展的的需要，强化化传热技术得得到了广泛的的发展和应用用。6.2过过程程强强化化技技术术6过过程程强强化化与与设设备备微微型型化化6.2.3强强化化传传热热技技术术在热热电电厂厂中中，，如如果果将将锅锅炉炉也也作作为为换换热热设设备备，，则则换换热热器器的的投投资资约约占占整整个个电电厂厂投投资资的的70%左左右右；；在在一一般般石石油油化化工工企企业业中中，，换换热热器器的的投投资资要要占占全全部部投投资资的的40～～50%；；在在现现代代石石油油化化工工企企业业中中也也要要占占30～～40%。。在在制制冷冷机机中中蒸蒸发发器器的的质质量量要要占占总总质质量量的的30～～40%，，其其动动力力消消耗耗约约占占总总值值的的20～～30%。。6.2过过程强强化技技术6过过程程强化化与设设备微微型化化6.2.1脉动燃燃烧干燥技技术6.2.2撞击流流技术6.2.3强化传传热技术6.2.4以强化化传质为目目标的耦合合分离技术术6.2.5以提高高选择性为为目标的生生物分离技技术6.2过过程强化技技术6过程程强化与设设备微型化化6.2.4以强化化传质为目目标的耦合合分离技术术6.2.4.1制制备型电动动色谱技术术电场与色色谱技术术耦合6.2.4.2膨胀胀床色谱谱技术6.2.4.3连续续床色谱谱技术6.2.4.4灌注注色谱技技术6.2.4.5旋转转填充床床技术6.2过过程强强化技术术6过过程强化化与设备备微型化化6.2.1脉脉动燃烧烧干燥技技术6.2.2撞撞击流技技术6.2.3强强化传热热技术6.2.4以以强化传传质为目目标的耦耦合分离离技术6.2.5以以提高选选择性为为目标的的生物分分离技术术6.2过过程强强化技术术6过过程强化化与设备备微型化化6.2.5以以提高选选择性为为目标的的生物分分离技术术6.2.5.1亲和萃取取技术6.2.5.2亲和和膜分离离技术6.2.5.3置换换色谱技技术6.2.5.4非水水介质电电泳技术术6.2过过程强强化技术术6过过程强化化与设备备微型化化6.1过过程强强化设备备6.2过过程强强化技术术6.3过过程强强化实例例6.4设设备微微型化6过过程强化化与设备备微型化化6.3.1静静态混合合反应器器进行硝硝化反应应6.3.2悬悬浮床催催化蒸馏馏合成异异丙苯6.3过过程强强化实例例6过过程强化化与设备备微型化化6.3.1静静态混合合反应器器进行硝硝化反应应6.3.2悬悬浮床催催化蒸馏馏合成异异丙苯6.3过过程强强化实例例6.3过过程强强化实例例6.3.1静静态混合合反应器器进行硝硝化反应应有机物的的硝化反反应进行行得非常常快，反反应过程程中释放放出大量量的热量量。如果果反应过过程中放放出的热热量不能能及时散散发，就就会引起起爆炸。。传统的的硝化反反应是在在带冷却却夹套或或盘管的的搅拌反反应罐中中进行的的。6.3过过程强强化实例例6.3.1静静态混合合反应器器进行硝硝化反应应由于夹套套或盘管管的换热热面积小小，单位位时间内内能够移移走的热热量有限限，为了了及时移移走反应应过程中中产生的的热量，，以免反反应过程程失去控控制，需需要控制制反应物物料的加加入速度度。因此此，硝化化反应往往往需要要很长时时间，反反应罐的的体积也也非常巨巨大。6.3过过程强强化实例例6.3.1静静态混合合反应器器进行硝硝化反应应如一个年年产15t硝基基化合物物的反应应器体积积达13m3，每次硝硝化反应应的时间间长达18h以以上。而而如果采采用一种种被称为为“静态态混合反反应器””的新型型硝化反反应器，，反应器器的体积积将减小小到0.2L，，为带夹夹套的搅搅拌反应应器体积积的1/65000；；硝化反反应时间间缩短为为0.25s，，为原来来的1/259200；而年年生产能能力却为为原来的的3.3倍，投投资不到到原来的的40%，由此此带来的的经济效效益是显显而易见见的。同同时，由由于硝化化反应的的时间短短，基本本上消除除了副产产物的生生成，减减少了环环境污染染。6过过程强化化与设备备微型化化6.3.1静静态混合合反应器器进行硝硝化反应应6.3.2悬悬浮床催催化蒸馏馏合成异异丙苯6.3过过程强强化实例例6过过程强化化与设备备微型化化6.3.2悬悬浮床催催化蒸馏馏合成异异丙苯催化蒸馏馏是催化化反应过过程和蒸蒸馏分离离过程的的耦合。。通常是是通过在在蒸馏塔塔的精馏馏段和提提馏段之之间增设设一反应应段实现现。在普普通的催催化蒸馏馏过程中中如图6-12(a)，是将将催化剂剂制成““催化化剂构件件”后以以一定的的方式固固定在反反应段中中。这种种固定床床形式的的催化蒸蒸馏技术术在MTBE等等醚类的的生产中中获得了了应用，，但在难难于将催催化剂制制成“催催化剂构构件”或或者当催催化剂的的寿命较较短时就就难于应应用。同同时，““催化剂剂构件””内的传传质问题题相当严严重。6.3过过程强强化实例例6过过程强化化与设备备微型化化6.3.2悬悬浮床催催化蒸馏馏合成异异丙苯为了克服服普通催催化蒸馏馏存在的的缺陷，，温朗友友等将悬悬浮床催催化反应应与蒸馏馏分离过过程耦合合而成的的悬浮床床催化蒸蒸馏(SuspensionCatalyticDistillation，，SCD)如图图6-8(b)进行了了实验探探索。6.3过过程强强化实例例（a）催化化蒸馏（（b）悬浮浮床催化化蒸馏图6-12催催化蒸馏馏和悬浮浮床催化化蒸馏示示意图6过过程强化化与设备备微型化化6.3.2悬悬浮床催催化蒸馏馏合成异异丙苯悬浮床催催化蒸馏馏是一种种崭新的的催化蒸蒸馏技术术，通过过丙烯与与苯烷基基化合成成异丙苯苯的实验验表明只只要选择择合适的的催化剂剂，这一一过程能能够长期期稳定运运转；悬悬浮床催催化蒸馏馏合成异异丙苯适适宜的工工艺条件件为：常常压，反反应段温温度80～1OO℃，，催化剂剂浓度0.015～0.02g•mL-1，进料苯丙烯烯摩尔比1.75～3.在上述条件件下，丙烯转转化率接近100%，异异丙苯的选择择性>90%，产物经经普通蒸馏就就可得到纯度度>99.9%,杂质正正丙苯和C8芳烃含量小于于100μμg.g-1的异丙苯产品品；与普通催催化蒸馏（CD）相比，，采用负载型型杂多酸为催催化剂的悬浮浮床催化蒸馏馏制异丙苯工工艺具有不需需制作催化剂剂元件、不需需停车更换催催化剂、催化化剂效率高、、反应条件缓缓和、产品纯纯度高及杂质质低等优点6.3过过程强强化实实例6过过程程强化化与设设备微微型化化6.1过过程强强化设设备6.2过过程强强化技技术6.3过过程强强化实实例6.4设设备微微型化化6过过程程强化化与设设备微微型化化微化化学学工工程程包包括括微微型型构构造造的的传传质质、、传传热热、、混混合合、、分分离离、、反反应应设设备备等等微微型型单单元元操操作作设设备备，，微微型型传传感感技技术术以以及及利利用用微微型型构构造造设设备备进进行行化化学学化化工工研研究究和和生生产产的的微微化化学学工工艺艺体体系系。。6.4设设备备微微型型化化6过过程程强强化化与与设设备备微微型型化化微反反应应器器是是一一种种借借助助于于特特殊殊微微加加工工技技术术以以固固体体基基质质制制造造的的可可用用于于化化学学反反应应的的三三维维结结构构元元件件。。微微反反应应器器通通常常含含有有当当量量直直径径小小于于500mm的的流流体体流流动动通通道道，，在在这这些些通通道道中中进进行行所所要要求求的的反反应应(图图6-14)。。6.4设设备微微型化(a)(b)(c)a—由Al的的阳极氧氧化制得得的多孔孔体系;b——由微构构造Al片装配配的微通通道反应应器;c—微构构造Al片的横横截面1—孔密密度;2—纳观观结构;3—微微观结构构;4——孔径;5—孔孔长;6—无孔孔Al2O37—多孔孔Al2O3图6-14微微反应器器通道壁壁内的规规则多孔孔体系示示意图6过过程强化化与设备备微型化化传统化工工生产属属于资源源、能源源消耗型型，与环环境、生生态和持持续发展展不相容容性的根根源在于于这种生生产实践践本身。。提高自自动化程程度后的的新型石石油化工工厂有很很大改变变，但仍仍未根本本改观。。21世世纪的高高新技术术，如分分子生物物学，材材料科学学的分子子设计、、分子剪剪裁，绿绿色过程程工程科科学要求求的“零零排放””、原子子经济性性等，都都要求在在分子水水平的基基础上操操作。尤尤其是纳纳米材料料和纳米米技术，，这类21世纪纪的战略略材料与与新技术术的最终终目标是是实现微微型化，，与之配配套的化化工技术术也必须须走微型型化道路路。6.4设设备微微型化化6过过程程强化化与设设备微微型化化20世纪90年代以以来，化学学工程学己己逐步进入入分子水平平时代，分分子热力学学、微流体体力学、传传递过程与与反应动力力学的分子子模拟等，，本质上都都是分子的的特征，决决定于分子子的结构、、分子间的的相互作用用、分子聚聚集体的相相态及相态态间传递。。6.4设备备微型化6过程强强化与设备微微型化美国杜邦公司司的科技人员员采用多尺度度输入过程设设计，建立起起微观装置概概念及微型技技术，成功地地从表面科学学的测试数据据设计出商业业化反应器。。用表面科学学方法测试数数据，模拟石石油组成，建建立炼制流程程。目前正用用同样方法进进行聚合反应应工程模拟。。采用微技术术剪裁分子筛筛合成、多孔孔分离特性材材料合成、纳纳米材料制造造。也提出了了采用微观尺尺度逐步进料料、局部供热热、细微局部部调控过程参参数，采用微微型装置结合合微波、超声声等特种形式式能，获得在在线信息。总总之，现在的的生产过程通通过设备微型型化、流程密密集化、参数数极限化、过过程绿色化将将逐步达到彻彻底改观。6.4设备备微型化绿色过程工程程GreenProcessEngineering1绪论论绿色过程工程程与可持续发发展绿色过程工程程基础过程工程绿色色化模式过程工程生态态学过程强化与设设备微型化过程系统工程程绿色过程工程程GreenProcessEngineering1绪论论绿色过程工程程与可持续发发展绿色过程工程程基础过程工程绿色色化模式过程工程生态态学过程强化与设设备微型化过程系统工程程9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Wednesday,December7,202210、雨雨中中黄黄叶叶树树，，灯灯下下白白头头人人。。。。21:25:3821:25:3821:2512/7/20229:25:38PM11、以以我我独独沈沈久久，，愧愧君君相相见见频频。。。。12月月-2221:25:3821:25Dec-2207-Dec-2212、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。21:25:3821:25:3821:25Wednesday,December7,202213、乍见翻疑疑梦，相悲悲各问年。。。12月-2212月-2221:25:3821:25:38December7,202214、他乡生生白发，，旧国见见青山。。。07十十二月20