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中国学科发展战略丨化工过程强化 精选

已有 3215 次阅读 2017-12-12 10:12 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述

化工过程强化就是提高单位体积的反应、传热和传质的速率,实现传递速率与反应速率匹配、传热性能与产热速率匹配、停留时间与反应速率匹配、反应器形式与反应类型匹配,最大限度地发挥化学系统或催化剂全部潜能,实现化工过程的“更小、更快速、更安全、更持续、更便宜”。


化学工程学科发展的一个多世纪过程中,尤其是在20 世纪中后期,过程工业在市场和工厂规模方面极度扩张,带来了资源、能源过度消费,安全、环保问题也日益突出,功能新产品需求快速增加。与此同时,化工学科经历百年发展,在第一阶段“单元操作”和第二阶段“三传一反”的里程碑式发展后,20 世纪后期出现了“产品工程”“三传一反+X”“多(介)尺度理论与方法” 等新范式,但在解决过程工业面临的各种新的问题面前,也出现了明显瓶颈。而冒险采用各种新的工艺技术并不是市场和企业的首选。过程模拟、优化控制、设备强化等受到化学及过程工业的青睐。此外,20 世纪后半叶出现的环境工程,在很大程度上推动了过程强化作为化工学科发展的重要目标。


图1 化工过程核心内涵示意图

化工过程的核心内容可用图1 表示。在该化工过程构架中,人们重点关心如下几方面的问题。


1. 资源(原料)的更高效利用

2. 产品高值化

3. 能源消耗最少

4. 化工过程的本质安全

5. 环境影响最小化

化工过程强化现状


(一)国内外化工过程强化研究现状


过程强化作为化学工程学科诞生于英国,以1983 年帝国化学工业有限公司(ICI)的Ramshaw 教授发表的《HIGEE(离心场)在传统精馏过程中的应用》的论文为标志。同年,世界首次过程强化年会在英国的曼彻斯特大学召开。直到20 世纪90 年代初期,过程强化仍然只是限于英国,主要涉及离心场的应用、紧凑高效换热、强化混合和集成技术。很快过程强化成为国际热点,很多国家的研究机构开始涉足该领域。例如,荷兰的Delft 大学和DSM 公司合作开展了结构化反应器的研究以及离心吸附技术;法国原子能中心(CEA)对紧凑换热设备开展了广泛研究;德国美因茨微技术研究所在微技术研究方面相当活跃;北京化工大学率先在我国开展了超重力方面的研发活动;美国的西北太平洋国家实验室(PNNL)在微通道换热器、MIT 在微反应器等方面开展了研究工作。许多化工公司也参与了过程强化的研发及商业化工作,如Eastman 公司的乙酸甲酯合成、Sulzer 公司的双氧水精馏、DOW 公司的次氯酸生产等。进入21 世纪,无论是工业界还是学术界,过程强化的相关研究迅速增长,也由早期的大宗化学品生产过程开始进入生物加工和发酵以及精细化工等新领域。

1. 我国国家自然科学基金项目在化工过程强化方面布局


目前,在国家自然科学基金委员会(简称基金委)化工学科资助的十二个子方向几乎都与化工强化主题息息相关。从近年来化工学科支持的面上和重点基金分析来看,至少有近一半以上的项目是与化工强化相关的,无论是从化工热力学和基础数据、传递过程、分离过程、化学反应工程、化学系统过程,还是到能源化工、生物化工、环境化工、资源化工都不同程度涉及化工过程强化的理论、方法、材料、介质等,其实质的科学内涵和目标是为实现混合、传递或反应过程速率显著提升、系统协调和节能减排。此外,基金委在化工过程强化方向也及早部署了重大项目和重大研究计划。例如,“十一五”期间,重大项目“典型有机化工过程的传递与反应协同机制及强化”获得立项,该项目旨在建立快速反应体系内微纳尺度下的混合传递理论模型,阐明外场作用下物质传递与反应过程强化机理,实现典型有机化工过程传递与反应的协同与调控,为化学工业的“节能减排”奠定理论基础。“十二五”期间,立项的重大项目“基于限域传质机制的分离膜精密构筑与高效过程”则更加聚焦以分离膜为介质和手段的化工强化理论和应用基础研究。以李静海院士为首席科学家的重大研究计划“多相反应过程中的介尺度机制及调控”获得基金委批准立项,涵盖了如微化工、新型反应器、高效催化剂、离子液体等许多化工过程强化的手段、材料和介质,研究计划对于丰富化工过程强化科学理论和科学内涵发展具有重要意义。


此外,我国高等院所在化工过程强化的热点领域(如微反应器、超重力场、膜分离与反应、离子液体等)都已具有很好的研究基础。基金委通过面上项目、重点基金、重大项目、重大研究计划几个层次上对化工过程强化方向进行了长期的持续资助,使得我国科学家在化工强化基础研究及服务国家重大需求领域取得长足进步,一些重要工业过程实现了化工强化的工艺和技术革新,创造了良好的经济和社会效益。例如,超重力强化技术在百万吨级MDI装置中取得应用;微通道反应器用于3kt/a 纳米碳酸钙和50kt/a 湿法磷酸净化;世界首套100kt/a 复合离子液体烷基化装置的稳定运行等都是化工强化方向从基础到工业应用贯通式研究的典型例子。


2. 化工过程强化在Scopus 中的发文情况分析


项目组委托爱思唯尔公司检索了化工过程强化(chemical processintensification)在Scopus 中的发文情况。至2015 年2 月,检索到2466 篇文章。化工过程强化的发文量每年都在增加,2004年前的年发文量在100 篇以下,2010 年后的年发文量超过200 篇,近5 年的年发文量保持在250 篇左右。


图2 主要发文期刊情况


(1)主要发文期刊。分析发现,以chemical process intensification作为关键词的发文期刊主要有十种(图2)。五年间发文最多的是Industrial & Engineering Chemistry Research ,发文量为124 篇;Chemical Engineering Science 排名第二,发文量为59 篇。


图3 主要发文国家情况


(2)主要发文国家。如图3 所示,位于发文前三位的国家分别为美国、中国、德国,发文量在280 篇以上。前十位的发文国家发文总量为1878 篇,占所有发文量的60% 以上。


图4 主要发文机构情况


(3)主要发文机构。排名前三的发文机构为荷兰的埃因霍芬理工大学、印度的孟买大学化工学院、英国的纽卡斯尔大学,中国的北京化工大学排第六,清华大学排第九,分别发表32 篇和26 篇文章,如图4 所示。


3. 化工过程强化热点领域分析



图5 2010~2014 年的研究热点词频统计


通过分析2010~2014 年的前200 篇高被引文献,利用词频统计分析结果如图5 所示。可以观察到主要的热点词包括膜、反应器、微反应器、流动、化学化工蒸馏、氢、重整、氧化、捕捉、废水等。


(二)化工过程强化主要方法


1. 新材料(介质)强化

2. 外场协同强化

3. 核心反应器(装备)强化

4. 系统耦合强化


化工过程强化存在的问题与发展趋势


(一)化工过程强化理论基础体系尚未形成

(二)化工学科存在严重的“工科理科化”问题,其中过程强化应更关注实际应用

(三)化工过程强化缺乏产学研系统攻关平台

(四)急需突破一批重大化工过程强化关键科学技术


化工过程强化发展战略措施


(一)总体指导思想


以党的十八大精神为指引,以科学发展观为指导,以创新驱动推进我国化学工业可持续发展为战略目标,着力构建“以行业企业为主体、重大需求为导向、产学研相结合的协同创新体系”。紧密围绕化工过程工业“技术创新能力不足、节能减排任务艰巨、资源环境约束”等挑战,针对化工过程的原子节约、工业经济、产品和过程安全、环境友好等迫切需求,强化化工过程强化的基础研究、前沿技术研究以及重大共性关键技术开发,提高科学研究水平和成果转化能力,抢占科技发展战略制高点。


(二)化工过程强化主要研究方向


围绕凝练的一个核心科学问题:复杂体系极端条件下的传质、反应协同机制与调控,包括三个方面:“三传一反”的理论拓展、核心反应器与新材料的内因作用、外场强化及过程耦合的外因作用。


聚焦五个研究方向:


方向1 :过程强化的理论基础

方向2 :微反应器与过程强化

方向3 :新材料(介质)与过程强化

方向4 :外场协同过程强化

方向5 :过程耦合强化


(三)过程强化目标


总体目标是抓住“化工过程强化”这一主题,以国民经济和产业发展的重大需求为目标,开展上下游贯通式的研究工作。组织优势协同攻关队伍,从基础理论到核心技术进行协同创新,突破制约我国化学工业高质量发展的理论和技术瓶颈,形成适合我国化学工业特点的过程强化理论与工程技术,培养一批化学工业领域科技骨干人才,建设成国际一流的技术创新基地,为引领企业科技进步、促进化学工业创新发展、保障我国能源安全做出应有贡献。力争在过程强化理论、过程强化核心反应器、过程强化新工艺、外场协同强化新装备、过程耦合强化五个方面产生里程碑式的突破和成果。


(四)具体建议:组建成立国家自然科学基金委化工过程强化科学研究中心


围绕上述目标,以组建国家自然科学基金委化工过程强化科学研究中心为抓手,针对化工过程的原子节约、工业经济、产品和过程安全、环境友好等迫切需求,聚焦化工过程强化的基础研究、前沿技术研究以及重大共性关键技术开发,提高科学研究水平和成果转化能力,抢占科技发展战略制高点。力争在过程强化理论、过程强化核心反应器、过程强化新工艺、外场协同强化新装备、过程耦合强化五个方面产生里程碑式的突破和成果。



本文摘编自国家自然科学基金委员会、中国科学院编《中国学科发展战略·化工过程强化》摘要部分,内容有删减。



中国学科发展战略·化工过程强化

国家自然科学基金委员会、中国科学院

责任编辑:朱萍萍  宁 倩

ISBN 9787030544063


“中国学科发展战略”丛书是中国科学院组织数百位院士专家联合研究的系列成果,涉及自然科学各学科领域,是目前规模最大的学科发展战略研究项目。《中国学科发展战略·化工过程强化》围绕化工过程强化学科领域,阐述了化工过程强化的学科内涵及其重要性;梳理了化工过程强化国内外的研究现状、过程强化主要方法以及发展趋势;明确了化工过程强化面临的主要问题与挑战,并提出了今后发展的建议与措施。本书重点围绕化工过程强化的四个领域:新材料(介质)强化、外场协同强化、核心反应器(装备)强化和系统耦合强化,着重阐述了国内外研究现状与进展、强化需解决的关键科学问题、强化原理、强化应用实例以及总结与展望。


(本期编辑:安 静)


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