微化工技術助力化工過程安全

沈陽院 鄢冬茂

微化工技術在呈現形式上追求反應和分離設備的微型化，本質上是追求過程強化與精準控制，實現化學品的安全、高效、智能和綠色制造，為化工行業安全生產和優化升級提供創新技術。

微化工技術是一項符合綠色制造和智能制造理念的革命性創新技術，可以為行業轉型升級和綠色發展提供有效的技術手段。當前政府出臺的一系列化工行業安全環保政策，對微化工技術的進步提出了迫切需求，并為其提供了廣闊發展空間。

一、微化工的優勢

微化工技術是指以微反應器為核心，包括微混合器、微換熱器、微分離器等微設備以及與其配套的工藝流程系統。其優勢包括：

（1）傳遞速率高。微化工設備的內部通道特征尺度通常在幾十微米至數百微米，通過流體碰撞和分子擴散，傳遞速率呈數量級式提高，可實現反應物料間的超快速微觀混合，使快速反應過程的速率大幅度提高。

（2）設備結構模塊化，過程放大容易。采用通道數目的疊加和設備單元并聯的方式完成過程放大，實現實驗室成果快速推向工業化。這一過程最為關鍵的技術是設計微結構將多相流體按設定比例分配到每個通道內。

（3）過程易控，安全性好。微通道內流體的速率和流型確定，便于模型化實現對反應過程的精準調控。微通道具有很高的傳熱速率，可以快速移除熱量，降低熱點溫度，精確控制反應溫度，提高反應選擇性；同時由于反應物持有量小，對于強放熱過程，存在爆炸危險的反應，能夠有效地抑制氣相自由基支鏈爆炸反應，使得反應過程可以在很寬的原料濃度和操作溫度下安全地進行，顯著提高過程反應的效率，改善過程反應的安全性。

二、微化工的機遇

20世紀50年代末，著名的物理學家Richard Feynman預言：微型化是未來科學技術發展方向。90年代始，美國、德國、法國、日本、英國等發達國家的高校和科研機構在實驗室開始應用，當時產業界雖有關注但介入不多，對微設備系統的放大和集成研究較少，實用化進程緩慢；2006年2018年，微化工進入推廣期，各國政府都相繼制訂研究計劃，以推進微反應技術的實用化進程；2018年到2021年，全球進入快速增長期，尤其以美國FDA出臺制藥指南“鼓勵采用微反等連續流工藝”為代表。發展至當前，全球已有相當多的企業（德國拜耳、巴斯夫、瑞士龍沙、美國康寧等）建成了微反應器的研發平臺，嘗試開發新的產品和新合成路線，眾多國外知名企業已有工業化實施案例。

近幾年，國內政府提高了化工行業危險工藝的準入門檻，而微通道和微界面等強化反應技術使化工裝備呈現越來越小的趨勢，可實現從源頭遏制安全事故、尤其是特重大事故的發生，微化工技術的應用逐漸成為危險工藝實現本質安全的重要策略。國家及地方政府出臺一系列的產業政策和科技計劃項目大力支持微化工技術的發展，如國家安監總局在安監總管三（2017）1號文件提出反應工藝危險度為4級和5級的工藝過程，尤其是風險高但必須實施產業化的項目，推薦通過微反應、連續流完成反應；國家工信部《產業結構調整指導目錄(2019年本)》推薦在染顏料及其中間體生產（包括硝化、?；?、加氫、重氮偶合等）、醫藥行業領域等使用微化工、連續流技術；《原料藥產業高質量發展實施方案（發改產業〔2021〕1523號）》中連續流微反應被列為先進制造技術創新工程，開發國際先進的微通道反應器被列為高端生產裝備提升工程。

微化工技術的應用獲得前所未有的機遇，預計未來3-5年，在強放熱、易燃易爆、危險品生產等過程中的工業化應用案例將呈現爆發式快速增長。

三、微化工的挑戰

全國近3萬家化工企業面臨危險工藝的安全改造升級，從事微化工技術應用研究的企事業單位不勝枚舉，但是真正工業化裝置系統并不多，實際效益并沒有充分體現，成果快速轉化面臨的主要挑戰如下四個方面：

（1)缺乏具有微化工的工程轉化能力的人才。目前企業主要還是采用購買設備進行應用實驗，而缺乏能夠根據工藝技術特點設計制造適合的微化工系統，缺乏能夠完成工藝和設備有機結合的綜合性微化工人才。

（2）國內自主微反應器制造技術成熟度不夠，存在卡脖子現實。國內大部分企業采購國外微反應設備，價格相對較高，國外微反應器制造商提供一套千噸級工業化裝置動輒需要千萬級別的投資，這讓國內很多化工企業望而卻步。

（3）配套系統關鍵技術缺失，依賴進口。以精確比例瞬間均勻混合進而提高收率和選擇性是微化工系統的一大優勢，但在不同狀態物料進料量精確控制方面，國內還缺乏成熟、完備的進料控制系統；此外，由于微化工系統連續流的特征，適宜采用在線產品性能監測及反饋調節的控制機制，國內在此方面的技術尚不成熟，少數實現應用的案例也多局限于實驗室裝置。

（4）缺乏數據技術的共享，重復開發現象較多。隨著微化工技術的發展，各類企業和研究機構先后進行了各類反應的連續流開發，有的淺嘗輒止，有的由于各種原因并未實現工業化，但在開發過程中積累的物性參數、反應在微尺度下的特點等數據無疑對后來的開發者有很高的借鑒價值。

四、微化工發展建議

國家政策的支持為微化工技術發展提供了廣闊的空間，同時已開發的工業化實施案例為行業提供了經驗和信心。微化工系統涉及到化工、裝備、自動化控制等多個學科，是一項綜合性的系統工程，面向企業項目需求的技術難題又具有多樣性和復雜性，有必要搭建綜合型應用研究平臺，匯聚專業人才隊伍，統籌和協調微化工技術與裝備的研發、中試、示范應用等研究工作。

中國中化內部化工企業眾多，尤其是在“兩化”整合的背景下，許多企業面臨內部業務整合和結構調整，如何在整合和調整過程中通過技術升級和創新提高企業效率和競爭力是企業最為關注的問題。中國中化內部揚農集團、浙化院、上海中化科技等開展微化工技術的應用研究已經許多年，大家通過購買國內外的微反應設備進行工藝研究，但幾乎不涉及微反應設備本身的設計開發研究，研究項目也多數局限在企業內部的品種。由于對微反應設備廠商的依賴程度較高，一方面是工藝和設備融合不容易做好，導致較高的技術風險；另一方面是產業化過程要面對高昂的裝備投入，導致項目容易停留在小試階段。

基于微化工技術在行業應用過程中面臨的上述挑戰，近幾年，沈陽院通過承擔國家重點研發計劃和國家自然科學基金重點基金等項目，夯實了研究團隊在微化學工程方面的應用基礎研究能力，能夠設計和加工出可以滿足工藝要求的微反應器，并完成工藝與設備的有機結合以完成集成撬裝，為客戶提供微化工系統整體解決方案。沈陽院微化工研究團隊作為中化中央研究院—中化安全與過程研究中心的重要組成部分，將致力于構建從微設備結構設計、加工制造、工藝開發、生產撬裝設計的全鏈條的業務能力，搭建一個面向集團的開放的微化工技術開發平臺。