1、 绿色过程工程绿色过程工程 Green Process Engineering 1 绪 论 2绿色过程工程与可持续发展 3 绿色过程工程基础4过程工程绿色化模式 5过程工程生态学6过程强化与设备微型化 7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
2、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
3、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
4、.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
5、，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被用作汽车尾气、火力发电厂尾气和工业排放废气的净化器。因为不论是汽车尾气、火力发电厂尾气，还是工业废气，它们的排放压力一般都比较低，只有使用流动阻力很小的设备，才能在净化尾气的同时，不增加燃料和动力的消耗，在经济上具有竞争力。并且，火力发电厂尾气中一般含有固体粉尘，使用其他净化设备容易引起堵塞，增加维护费用。6.1 过程强化设备6.1.1 构件催化反应器膜构件催化反应器是采用膜构件催化剂的反应器。如果整块蜂窝构件催化剂
6、的孔道壁上具有许多微小的孔道，允许一种或几种反应物料穿过孔道壁，则它被称为膜构件催化剂。这种允许一种或几种物质穿过的特性，称为膜构件的透过选择性。膜构件催化反应器的特点是利用膜构件的透过选择性，在一个反应器内同时实现化学反应和分离操作，这就是反应-分离耦合。6.1 过程强化设备 6.1.1 构件催化反应器 也可以利用膜构件的这一特性，在一个反应器中膜的两侧同时进行吸热和放热反应，用放热反应放出热量供给吸热反应，同时将一个反应的产物作为另一个反应的反应物，这就是反应-反应耦合。膜构件催化反应器的最初应用是海水脱盐生产淡水。逐步扩展到生物技术、环境保护、天然气和石油的开采与加工、化工生产等领域。膜
7、构件催化反应器主要缺点是造价高、膜的透过量小、容易碎裂等。6.1 过程强化设备6.1.1 构件催化反应器规整构件催化反应器是采用规整构件催化剂的反应器。将颗粒状催化剂安排成各种各样规则的几何形状，就得到规整构件催化剂。在这类反应器中，催化剂颗粒被规则地装填在一个个开有许多孔的笼子内，或者将催化剂装填成串，然后合并在一起，以方便气体和液体反应物与催化剂接触。6.1 过程强化设备6.1.1 构件催化反应器规整构件催化反应器具有比传统固定床小得多的流动阻力，又具有很好的热量和物质交换能力，可以克服整块蜂窝构件催化反应器取热不便的缺点。但是，由于气体在笼子内部移动比较慢，这类反应器比较适合反应速度比较
8、慢的反应。目前，笼式规整构件催化反应器己经成功地应用于重油馏分加氢脱除硫化物和氨化物的工业生产中。串式规整构件催化反应器则在醚化和酯化反应中获得了工业应用。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
9、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6.1.2 超重力反应器 超重力反应器是利用旋转产生的强大离心力来加快反应速度的设备。在高速旋转的设备中，由旋转产生的离心力可高达重力的1000倍以上。在强大离心力驱动下，物料的混合、传质将得到极大的强化，从而显著地加快那些受物料混合、传质速度限制的化学反应。6.1 过程强化设备6.1.2 超重力反应器 美国Dow化学公司利用旋转填充床开发了一种经济的、低氯化物含量的次氯酸生产新技术，在气体进料量降低50%的情况下，还能增加10%的产量。所生产的低氯化物含量次氯酸是一种更好的自来水消
10、毒剂，而采用传统方法无法获得这种低氯化物含量的产品。6.1 过程强化设备6.1.2 超重力反应器 北京化工大学开发成功超重力反应沉淀法合成纳米材料，实现分子尺度上控制化学反应和成核结晶过程，得到粒度分布均匀的纳米材料。首条3000t/a 1530nm的碳酸钙工业生产线已在广东广平化工有限公司、内蒙古蒙西高新技术材料公司建成。纳米氢氧化铝、纳米碳酸钡、纳米碳酸锂、纳米碳酸锶的超重力反应合成技术亦已研究成功。还开发成功油田水脱气的旋转填充床，使原来30m高的真空脱气塔缩小成直径约lm的旋转填充床。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
11、.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6.1.3 串式化学反应器 固定床反应器是化学工业最常用的反应器之一，然而，对于许多气-固反应过程，压降的大小可能成为操作成本的决定性因素，如烟道气的处理在经济上可容许的压降只有12kPa，传统的固定床反应器很难适用，开发通量大、压降小的新型固定床反应器势在必行。6.1 过程强化设备6.1.3 串式化学反应器 串式化学反应器正是这样一种新型的固定床反应器，其结构如图6-1所示，与传统固定床反应器的区别主要在于催
12、化剂的装填方式。图 6-1 串式化学反应器结构示意图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6.1.4 提升管-下行床耦合反应器 清华大学流态化研究组开发了提升管-下行床耦合反应器，如图6-2所示。装置分为提升管与下行床两部分，为了实现提升管与下行床的良好过渡，装置的上段设计成双套筒结构，套筒的环隙为提升管，中心管为下行床，环隙提升管与下行床顶部的连
13、接部分为特殊设计的折返结构，主提升管与下行床内径均为192mm，为了保证流动的平稳性，环隙提升管部分设计成具有与主提升管、下行床基本相同的横截面积。321空气4567辅助空气主进空气1-主提升管2-环隙提升管3-下行床4-快速分离装置5-分布器6-固体通量计7-伴床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6.1.5 光催化反应器 对于各种含难降解有机
14、污染物的废水，尤其是各种工业废水，大多采用生化、化学等方法来处理。目前利用 TiO2作为光催化剂催化降解有机污染物已逐渐由实验阶段的研究转向实际应用的研究，但距大规模工业化尚远，如果研制开发出可连续使用的高效光催化反应器，对于处理大量的含难降解物废水必将有广泛而诱人的前景。6.1 过程强化设备6.1.5 光催化反应器 图 6-3 固定床光导纤维反应器示意图1234561-紫外灯2-石英透镜3-未包覆的石英纤维4-纤维分布板5-二氧化钛包覆纤维6-石英反应器6.1 过程强化设备6.1.5 光催化反应器 图6-4 多重石英管反应器示意图1234561-光源2-反射镜3-透镜4-二氧化钛包覆的中空石
15、英管5-出口6-入口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6.1.6 膜反应器 将化学反应与膜分离耦合起来的一种反应设备即膜反应器，是一种新型多功能反应器，主要有两种类型：一种是产物分离型，一种是反应物分配型。产物分离型膜反应器用于受平衡限制的可逆反应和中间产物为目的产物的连串反应，前者由于产物的不断分离，打破了平衡的限制，可使反应的单程转化率大幅
16、度提高，后者因中间产物的及时移走，防止了它的进一步转化，可大大提高目的产物的收率。6.1 过程强化设备6.1.6 膜反应器 反应物分配型膜反应器主要用于受动力学限制的平行反应，如烃类部分氧化反应。烃类部分氧化反应常伴有完全氧化反应，而后者对进料中的氧气浓度更加敏感,因此维持较低的氧气分压可以获得较高的产品收率。反应物分配型膜反应器的催化剂装填在内外管间的环形区，烃类由环形区的顶部加入，氧气由内管经膜沿径向进入反应区，由于氧气能始终维持较低的局部分压，故产品选择性与固定床反应器相比大幅度提高。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.
17、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6.1.7 色谱反应器 将化学反应与色谱分离耦合可以构成所谓的色谱反应器。色谱反应器的床层材料可以是催化剂与色谱固定相的混合物，也可以是兼有催化性能和吸附性能的树脂。由于反应物与产物在吸附剂上的吸附能力不同，在反应的同时，反应产物不断被分离出来，因而不仅可以得到高纯度的产品，而且可以打破化学平衡的限制，使得具有较小平衡转化率的反应也能获得较高的转化率。色谱反应器根据反应器型式和操作方式不同，可以分为固定床色谱反应
18、器、移动床色谱反应器和模拟移动床色谱反应器。6.1 过程强化设备6.1.7 色谱反应器 在模拟移动床色谱反应器中，Kruglov等对甲烷氧化耦合反应进行了研究，C2收率达55%，而传统的操作方式，C2收率只能达到2025%，Kawase等研究了乙酸和苯乙醇的酯化反应，转化率大于99%，而该反应的平衡转化率只有63%。由此可见，选择适当的色谱固定相作为吸附剂，色谱反应器的确能突破平衡的限制，大大提高反应的转化率和收率。为使色谱反应器早日实现工业化，当前的首要任务是开发高吸附量高选择性的吸附剂。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.
19、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6.1.8 热交换器式反应器热交换器式反应器是一种结构紧凑的由一叠扩散接合(diffusion-bonded)的薄板构成，这些薄板有用化学蚀刻法制成的流槽。由英国BHR Solutions公司和英国Chart热交换器公司研制的，试验在英国Hickson&Welch公司的一家工厂进行。进行的反应是硫醚两段催化氧化成亚砜中间体，然后转化成砜。此放热反应需要两种液相物质混合，通常是在一搅拌反应器中以半连续的方式进行的。
20、热交换器式反应器使此反应可连续进行，并通过改善混合和传热操作缩短在反应器中的滞留时间。首次工业规模试验中己将反应时间由通常的18h缩短到30min，而产率基本上不变。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6.1.9 喷雾流化床造粒器喷雾流化床造粒是将溶液、悬浮液、熔融液或粘结液喷雾到已经干燥或部分干燥颗粒的流化床床层内，在同一设备内一步完成蒸发、结
21、晶、干燥或化学反应的造粒过程。与传统造粒方法相比，流化床造粒不仅具有工艺流程简单、设备装置紧凑、投资省、生产强度大等优点，而且所得到的产品无灰、无块，具有良好的流动性能。6.1 过程强化设备6.1.9 喷雾流化床造粒器近20年来，流化床造粒技术在许多化工产品造粒过程中得到广泛应用。荷兰NSM公司和日本TEC公司早在20世纪80年代初就开发成功了大型尿素流化床造粒装置；英国NIRO公司也已将流化床造粒技术用于氯化钙、硫酸锌等化工产品的造粒过程中。6.1 过程强化设备 6.1.9 喷雾流化床造粒器天津大学开发成功带导流筒的喷动流化床造粒器。实验流程如图6-5所示。来自鼓风机的气体通过加热电炉加热后
22、进入流化床下部的气体分布室。流化气流速利用热球风速仪测量。物料在熔料罐中经过电炉加热溶化后，由料泵经金属转子流量计，由安装在流化床底部的双流体喷嘴喷入床层中。1-鼓风机；2-压缩机；3-阀门；4-玻璃转子流量计；5-电热风炉；6-盘管加热器；7-熔料罐；8-进料料仓；9-星形阀；10-流化床造粒器；11-金属转子流量计；12-料泵；13-振动出料机图6-5 喷雾流化床造粒实验装置流程图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
23、.1.8 热交换器式反应器 6.1.9 喷雾流化床造粒器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6.2.1 脉动燃烧干燥技术 6.2.2 撞击流技术6.2.3 强化传热技术6.2.4 以强化传质为目标的耦合分离技术6.2.5 以提高选择性为目标的生物分离技术6.2 过程强化技术6 过程强化与设备微型化6.2.1 脉动燃烧干燥技术 脉动燃烧干燥技术是利用脉动燃烧产生的具有强振荡特性的高温尾气流对物料进行干燥。在
24、强振荡流场(振荡频率在50-300Hz之间)的作用下，物料表面与干燥介质间的速度、温度及湿分浓度边界层的厚度均大大降低，从而强化了物料与气流之间的热量和质量传递过程，特别是液体物料在该强振荡流场的作用下被冲击、破碎成极小的液滴，大大提高了其表面积，再辅以高温(气流温度一般在700-1200之间)在极短的时间内即可完成物料的干燥过程。6.2 过程强化技术6 过程强化与设备微型化6.2.1 脉动燃烧干燥技术 实验表明，对咖啡、工业废液等物料的干燥，在0.01s之内即可将其干燥为粉状产品。由于干燥时间极短，物料的温度一般不超过50。良好的传热、传质特性带来了极高的蒸发效率，与理想蒸发能力2.674k
25、J/kgH2O比较，脉动燃烧干燥过程的蒸发能力最多达2900kJ/kgH2O(一般干燥器该值在500010 000kJ/kgH2O之间)。6.2 过程强化技术6 过程强化与设备微型化6.2.1 脉动燃烧干燥技术 与传统的干燥系统比较，脉动燃烧干燥具有下述优点：干燥速率可提高23倍；热量及质量传递速率可提高25倍；热效率提高可达40%；污染排放水平可降低10%，特别是NOx的排放可降至1%；除去单位水分的空气耗量可降至3040%；物料在干燥器内停留时间短，温度低，有利于产品质量的保护；较低的投资及操作成本；干燥器的体积小。6.2 过程强化技术6 过程强化与设备微型化6.2.1 脉动燃烧干燥技术
26、6.2.2 撞击流技术6.2.3 强化传热技术6.2.4 以强化传质为目标的耦合分离技术6.2.5 以提高选择性为目标的生物分离技术6.2 过程强化技术6 过程强化与设备微型化6.2.2 撞击流技术撞击流(Impinging Streams,IS)的概念由Elperin首先提出，但其应用可追溯到20世纪50年代初开发的Koppers-Totzek粉煤气化炉。以气-固两相体系为例，撞击流的基本原理如图6-8所示。两股两相流相向高速(20m/s)流动撞击，在两加速管之间造成一个高度湍动的撞击区。6.2 过程强化技术6 过程强化与设备微型化6.2.2 撞击流技术6.2 过程强化技术图6-8 撞击流原
27、理图图6-9 喷头结构示意图6 过程强化与设备微型化6.2.1 脉动燃烧干燥技术 6.2.2 撞击流技术6.2.3 强化传热技术6.2.4 以强化传质为目标的耦合分离技术6.2.5 以提高选择性为目标的生物分离技术6.2 过程强化技术6 过程强化与设备微型化6.2.3 强化传热技术强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术，其主要内容是采用强化传热元件，改进换热器结构，提高传热效率，使设备投资和运行费用最低，达到生产过程最优化。早在18世纪初就提出让风吹过物体表面强化对流传热。但该技术真正引起人们重视是在20世纪60年代后，由于生产和社会发展的需要，强化传热技术得到了广泛的发展和应用。6.
28、2 过程强化技术6 过程强化与设备微型化6.2.3 强化传热技术在热电厂中，如果将锅炉也作为换热设备，则换热器的投资约占整个电厂投资的70%左右；在一般石油化工企业中，换热器的投资要占全部投资的4050%；在现代石油化工企业中也要占3040%。在制冷机中蒸发器的质量要占总质量的3040%，其动力消耗约占总值的2030%。6.2 过程强化技术6 过程强化与设备微型化6.2.1 脉动燃烧干燥技术 6.2.2 撞击流技术6.2.3 强化传热技术6.2.4 以强化传质为目标的耦合分离技术6.2.5 以提高选择性为目标的生物分离技术6.2 过程强化技术6 过程强化与设备微型化6.2.4 以强化传质为目标
29、的耦合分离技术6.2.4.1 制备型电动色谱技术 电场与色谱技术耦合 6.2.4.2 膨胀床色谱技术 6.2.4.3 连续床色谱技术 6.2.4.4 灌注色谱技术 6.2.4.5 旋转填充床技术6.2 过程强化技术6 过程强化与设备微型化6.2.1 脉动燃烧干燥技术 6.2.2 撞击流技术6.2.3 强化传热技术6.2.4 以强化传质为目标的耦合分离技术6.2.5 以提高选择性为目标的生物分离技术6.2 过程强化技术6 过程强化与设备微型化6.2.5 以提高选择性为目标的生物分离技术6.2.5.1 亲和萃取技术6.2.5.2 亲和膜分离技术 6.2.5.3 置换色谱技术 6.2.5.4 非水介
30、质电泳技术 6.2 过程强化技术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6.3.1 静态混合反应器进行硝化反应 6.3.2 悬浮床催化蒸馏合成异丙苯 6.3 过程强化实例6 过程强化与设备微型化6.3.1 静态混合反应器进行硝化反应 6.3.2 悬浮床催化蒸馏合成异丙苯 6.3 过程强化实例6.3 过程强化实例6.3.1 静态混合反应器进行硝化反应 有机物的硝化反应进行得非常快，反应过程中释放出大量的热量。如果反应过程中放出的热量不能及时散发，就会引起爆炸。传统的硝化反应是在带冷却夹套或盘管的搅拌反应罐中进行
31、的。6.3 过程强化实例6.3.1 静态混合反应器进行硝化反应 由于夹套或盘管的换热面积小，单位时间内能够移走的热量有限，为了及时移走反应过程中产生的热量，以免反应过程失去控制，需要控制反应物料的加入速度。因此，硝化反应往往需要很长时间，反应罐的体积也非常巨大。6.3 过程强化实例6.3.1 静态混合反应器进行硝化反应 如一个年产15t硝基化合物的反应器体积达13m3，每次硝化反应的时间长达18h以上。而如果采用一种被称为“静态混合反应器”的新型硝化反应器，反应器的体积将减小到0.2L，为带夹套的搅拌反应器体积的1/65000；硝化反应时间缩短为0.25s，为原来的1/259200；而年生产能
32、力却为原来的3.3倍，投资不到原来的40%，由此带来的经济效益是显而易见的。同时，由于硝化反应的时间短，基本上消除了副产物的生成，减少了环境污染。6 过程强化与设备微型化6.3.1 静态混合反应器进行硝化反应 6.3.2 悬浮床催化蒸馏合成异丙苯 6.3 过程强化实例6 过程强化与设备微型化6.3.2 悬浮床催化蒸馏合成异丙苯 催化蒸馏是催化反应过程和蒸馏分离过程的耦合。通常是通过在蒸馏塔的精馏段和提馏段之间增设一反应段实现。在普通的催化蒸馏过程中如图6-12(a)，是将催化剂制成“催化剂构件”后以一定的方式固定在反应段中。这种固定床形式的催化蒸馏技术在MTBE等醚类的生产中获得了应用，但在难
33、于将催化剂制成“催化剂构件”或者当催化剂的寿命较短时就难于应用。同时，“催化剂构件”内的传质问题相当严重。6.3 过程强化实例6 过程强化与设备微型化6.3.2 悬浮床催化蒸馏合成异丙苯 为了克服普通催化蒸馏存在的缺陷，温朗友等将悬浮床催化反应与蒸馏分离过程耦合而成的悬浮床催化蒸馏(S u s p e n s i o n Catalytic Distillation，SCD)如图6-8(b)进行了实验探索。6.3 过程强化实例（a）催化蒸馏 （b）悬浮床催化蒸馏图6-12 催化蒸馏和悬浮床催化蒸馏示意图反应物1反应物2馏出液装填催化剂的反应段汽提段精馏段塔底馏出液精馏段反应段分离器催化剂塔底汽
34、提段液体气体反应物2催化剂悬浮其中的反应物16 过程强化与设备微型化6.3.2 悬浮床催化蒸馏合成异丙苯 悬浮床催化蒸馏是一种崭新的催化蒸馏技术，通过丙烯与苯烷基化合成异丙苯的实验表明只要选择合适的催化剂，这一过程能够长期稳定运转；悬浮床催化蒸馏合成异丙苯适宜的工艺条件为：常压，反应段温度801OO，催化剂浓度0.0150.02gmL-1，进料苯丙烯摩尔比1.753.在上述条件下，丙烯转化率接近100%，异丙苯的选择性 90%，产物经普通蒸馏就可得到纯度99.9%,杂质正丙苯和C8芳烃含量小于100 g.g-1的异丙苯产品；与普通催化蒸馏（CD）相比，采用负载型杂多酸为催化剂的悬浮床催化蒸馏制
35、异丙苯工艺具有不需制作催化剂元件、不需停车更换催化剂、催化剂效率高、反应条件缓和、产品纯度高及杂质低等优点 6.3 过程强化实例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 微化学工程包括微型构造的传质、传热、混合、分离、反应设备等微型单元操作设备，微型传感技术以及利用微型构造设备进行化学化工研究和生产的微化学工艺体系。6.4 设备微型化6 过程强化与设备微型化 微反应器是一种借助于特殊微加工技术以固体基质制造的可用于化学反应的三维结构元件。微反应器通常含有当量直径小于500mm的流体流动通道，在这些通道中进行所
36、要求的反应(图6-14)。6.4 设备微型化(a)(b)(c)a 由Al的阳极氧化制得的多孔体系;b由微构造Al片装配的微通道反应器;c微构造Al片的横截面 1孔密度;2纳观结构;3微观结构;4孔径;5孔长;6无孔Al2O3 7多孔Al2O3图6-14 微反应器通道壁内的规则多孔体系示意图6 过程强化与设备微型化 传统化工生产属于资源、能源消耗型，与环境、生态和持续发展不相容性的根源在于这种生产实践本身。提高自动化程度后的新型石油化工厂有很大改变，但仍未根本改观。21世纪的高新技术，如分子生物学，材料科学的分子设计、分子剪裁，绿色过程工程科学要求的“零排放”、原子经济性等，都要求在分子水平的基
37、础上操作。尤其是纳米材料和纳米技术，这类21世纪的战略材料与新技术的最终目标是实现微型化，与之配套的化工技术也必须走微型化道路。6.4 设备微型化6 过程强化与设备微型化 20世纪90年代以来，化学工程学己逐步进入分子水平时代，分子热力学、微流体力学、传递过程与反应动力学的分子模拟等，本质上都是分子的特征，决定于分子的结构、分子间的相互作用、分子聚集体的相态及相态间传递。6.4 设备微型化6 过程强化与设备微型化 美国杜邦公司的科技人员采用多尺度输入过程设计，建立起微观装置概念及微型技术，成功地从表面科学的测试数据设计出商业化反应器。用表面科学方法测试数据，模拟石油组成，建立炼制流程。目前正用
38、同样方法进行聚合反应工程模拟。采用微技术剪裁分子筛合成、多孔分离特性材料合成、纳米材料制造。也提出了采用微观尺度逐步进料、局部供热、细微局部调控过程参数，采用微型装置结合微波、超声等特种形式能，获得在线信息。总之，现在的生产过程通过设备微型化、流程密集化、参数极限化、过程绿色化将逐步达到彻底改观。6.4 设备微型化绿色过程工程绿色过程工程 Green Process Engineering 1 绪 论 2绿色过程工程与可持续发展 3 绿色过程工程基础4过程工程绿色化模式 5过程工程生态学6过程强化与设备微型化 7过程系统工程 绿色过程工程绿色过程工程 Green Process Engineering 1 绪 论 2绿色过程工程与可持续发展 3 绿色过程工程基础4过程工程绿色化模式 5过程工程生态学6过程强化与设备微型化 7过程系统工程
