——訪中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員陳光文
 
 

      化學(xué)工程與技術(shù)是當(dāng)前化學(xué)工程學(xué)科前沿技術(shù)，也是重要的化工過程強(qiáng)化技術(shù)之一。微化工技術(shù)可實(shí)現(xiàn)化工過程節(jié)能降耗和化工系統(tǒng)微型化，并能提高過程安全性，已引起歐美等發(fā)達(dá)國家的高度重視。

    化學(xué)工業(yè)中的許多反應(yīng)屬強(qiáng)放熱過程，存在爆炸危險，而采用微反應(yīng)技術(shù)能夠提高過程反應(yīng)的效率，改善過程反應(yīng)的安全性?？梢灶A(yù)見，微化工技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，將會改變現(xiàn)有化工設(shè)備的性能、體積、能耗和物耗，對化學(xué)工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

    記者：微化工技術(shù)與傳統(tǒng)化工工藝的區(qū)別是什么？

    陳光文：微化工技術(shù)與傳統(tǒng)化工工藝的最大區(qū)別是需要研究開發(fā)適合于微反應(yīng)系統(tǒng)的快速反應(yīng)工藝條件。 

    微化學(xué)工程與技術(shù)著重研究時空特征尺度在數(shù)百微米和數(shù)百微秒以下時，化工微型設(shè)備的設(shè)計、模擬、生產(chǎn)和應(yīng)用等過程的基本特征和規(guī)律。與傳統(tǒng)化工設(shè)備相比，微化工設(shè)備具有高傳遞速率、直接放大、安全性高、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)化工過程的連續(xù)和高度集成，適應(yīng)分散與柔性生產(chǎn)的要求。微反應(yīng)技術(shù)具有強(qiáng)傳熱和傳質(zhì)能力，可大幅度提高反應(yīng)過程中資源和能量的利用效率，實(shí)現(xiàn)化工過程的強(qiáng)化、微型化和綠色化。在微尺度的化工系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的“三傳一反”理論需要修正、補(bǔ)充和創(chuàng)新；許多宏觀的規(guī)律可能不再適用。因此，微尺度下的表面和界面效應(yīng)，微過程的測量、分析、控制等基礎(chǔ)研究尤為重要。

    化工過程中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)受傳遞速率或本征反應(yīng)動力學(xué)控制或兩者共同控制。就瞬時和快速反應(yīng)而論，在傳統(tǒng)尺度反應(yīng)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行時，受傳遞速率控制。而微尺度反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)由于傳遞速率呈數(shù)量級式提高，因此這類反應(yīng)過程的速率將會大幅度提高。例如目前工業(yè)應(yīng)用的烴類硝化反應(yīng)時間一般在數(shù)十分鐘至數(shù)小時，但在微反應(yīng)器內(nèi)可采用絕熱硝化并同時改變工藝條件，這類反應(yīng)的時間可縮短至數(shù)秒。

    記者：微化工技術(shù)將解決傳統(tǒng)化工生產(chǎn)中的哪些問題？

    陳光文：傳統(tǒng)化工過程主要依靠設(shè)備及裝置大型化來降低產(chǎn)品成本。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2010年我國單位GDP能耗是美國的3倍、日本的5倍，雖然其中存在國家能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等因素的差異，然而單就能反映一個國家化學(xué)工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志——乙烯工業(yè)的規(guī)模與水平而言，我國乙烯工業(yè)的單位能耗是日本的1.6倍。

    當(dāng)前，我國化學(xué)工業(yè)依然存在著設(shè)備龐大、資源利用率低、能耗高、污染重、產(chǎn)品質(zhì)量差，新設(shè)備、新過程設(shè)計放大能力弱，過程調(diào)控難等諸多問題，難以適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需要。由于技術(shù)和裝備落后，特別是在設(shè)備放大和過程調(diào)控方面存在許多問題，我國化工生產(chǎn)過程安全性較差。2005年吉林石化分公司雙苯廠“11·1”爆炸及其所引發(fā)的松花江重大水污染就是一起沉痛的悲劇事件。

    隨著化學(xué)工業(yè)對能源、環(huán)境和資源需求的不斷增長這些問題將愈加尖銳，能否有效解決這些問題，已成為我國化學(xué)工業(yè)能否實(shí)現(xiàn)新型工業(yè)化的關(guān)鍵。 而微化工技術(shù)由于可以實(shí)現(xiàn)化工過程節(jié)能降耗和化工系統(tǒng)微型化并能提高過程安全性，因此成為解決上述問題的有效途徑。 

    記者：當(dāng)前國內(nèi)外微化工技術(shù)的研究熱點(diǎn)集中在哪些方面？

    陳光文：在微化工系統(tǒng)中，由于時空特征尺度微細(xì)化帶來的過程特性變化，微化工技術(shù)的發(fā)展不僅在技術(shù)領(lǐng)域中構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)，也為科學(xué)領(lǐng)域帶來許多新問題。

    微化工技術(shù)難點(diǎn)包括微反應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，先進(jìn)制造、裝配與密封技術(shù)，參數(shù)測量技術(shù)（無接觸測量技術(shù)），系統(tǒng)自動控制技術(shù)，催化劑的壁載或填充技術(shù)，微反應(yīng)器防腐技術(shù)等。目前，微反應(yīng)器的研究工作主要集中在以下三方面：一是傳統(tǒng)化工技術(shù)的更新?lián)Q代，涉及行業(yè)包括石油化工，醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、火炸藥等精細(xì)化工，主要包括磺化、硝化、直接氟化、氧化、過氧化、酰胺化、重氮化等各類強(qiáng)放熱和易燃易爆的氣-液和液-液反應(yīng)過程；二是國家安全領(lǐng)域的研究工作，主要涉及化學(xué)激光器微型化、核燃料高效處理、含能材料的安全生產(chǎn)等；三是納米材料合成等領(lǐng)域。

    記者：微化工技術(shù)對于解決目前我們面臨的資源、能源、環(huán)境問題有什么現(xiàn)實(shí)意義？

    陳光文：微化工技術(shù)是上世紀(jì)90年代初興起的前沿技術(shù)，它集微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計思想和化學(xué)化工基本原理于一體，移植集成電路和微傳感器制造技術(shù)于一體的一種高新技術(shù)。由于微化工設(shè)備的內(nèi)部通道特征尺度通常在幾十微米至數(shù)百微米，流體薄層間距離極短，通過流體微團(tuán)的介觀黏性變形和分子擴(kuò)散，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物料間的超快速微觀混合；流體與器壁間有很大的接觸面積，能顯著提高流體間的換熱效率，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的原位高效換熱，其傳熱、傳質(zhì)能力較常規(guī)尺度提高1～3個數(shù)量級。另外，由于通道特征尺度小于火焰?zhèn)鞑サ呐R界尺度及微反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物持有量小，因而具有內(nèi)在安全性，將其應(yīng)用于快速混合、強(qiáng)放熱及易燃易爆的反應(yīng)過程，能顯著提高過程的安全性，并可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作；由于微化工設(shè)備結(jié)構(gòu)的模塊化，可實(shí)現(xiàn)直接放大（設(shè)備單元并聯(lián)），可快速推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室成果的實(shí)用化進(jìn)程。因此采用微反應(yīng)技術(shù)可大幅度提高反應(yīng)過程中的資源和能量的利用效率，減小過程系統(tǒng)的體積或提高單位體積的生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程安全、過程強(qiáng)化、微型化和綠色化。

    微化工系統(tǒng)具有高度集成的模塊化結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)就地、按需生產(chǎn)與供貨，消除了儲運(yùn)帶來的系列問題，同時也使分散資源得到了充分合理利用，對人類生命、環(huán)境安全、資源與能源綜合利用具有十分重要的意義，微化工技術(shù)的發(fā)展將會對化工領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。近十年來，微化工技術(shù)已迅速發(fā)展成為過程強(qiáng)化領(lǐng)域的典型范例之一。

    記者：未來5~10年間，微化工技術(shù)最有可能在哪些方面獲得突破？微化工技術(shù)的介入會給傳統(tǒng)化工生產(chǎn)會帶來哪些可以預(yù)知的變革？ 
    陳光文：微化工技術(shù)最有希望的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括空間探索等國家安全以及傳統(tǒng)化工技術(shù)的更新?lián)Q代。前者如火星“化工廠”、微型核反應(yīng)堆（高效傳熱、高效燃料后處理技術(shù)）、微型化學(xué)激光器、微推進(jìn)器、高能炸藥的安全生產(chǎn)等；化工過程則包括高效傳熱傳質(zhì)設(shè)備（微混合器、微換熱器、微熱泵、微分離器等）、精細(xì)高值化工產(chǎn)品（尤其是強(qiáng)放熱、易燃易爆過程、危險品生產(chǎn)等，如磺化、硝化、氟化、氧化、重氮化、過氧化、酰胺化等）、材料高通量制備（催化材料、納米材料、功能材料等）、微型氫源和燃料電池（車載系統(tǒng)）、微型化集成技術(shù)（反應(yīng)、換熱、分離高度集成）、二氧化碳捕集技術(shù)以及基于微反應(yīng)技術(shù)的新過程開發(fā)與應(yīng)用。預(yù)計在未來5~10年，微反應(yīng)技術(shù)將會在精細(xì)化工、納米材料等領(lǐng)域率先得到應(yīng)用。

    自上世紀(jì)90年代初開始，微化工技術(shù)就引起了美國、德國、法國、日本、英國等發(fā)達(dá)國家的廣泛關(guān)注，各國政府都相繼制訂研究計劃，以推進(jìn)微反應(yīng)技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。由于微化工技術(shù)的研究初期主要集中在高校和科研機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室，產(chǎn)業(yè)界雖有關(guān)注但介入不多，因此對微化工系統(tǒng)的放大和集成技術(shù)的研究機(jī)會少，大大減緩了微化工技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。經(jīng)過10多年的研發(fā)與宣傳推廣工作，目前世界微化工技術(shù)已處于應(yīng)用前夜。

    記者：我國微化工技術(shù)研究正在開展哪些工作？

    陳光文：中科院大連化物所的科研團(tuán)隊(duì)于2000年率先開始了微化工技術(shù)的研究，至今已形成集微加工技術(shù)平臺、微化學(xué)工程與技術(shù)的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用開發(fā)于一體的研發(fā)體系。 大連化物所開發(fā)的千瓦級質(zhì)子交換膜燃料電池所用的微型氫源系統(tǒng)，具有啟動快、一氧化碳含量低、比功率高等優(yōu)點(diǎn)，為我國氫能及燃料電池的多元化發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。該所開發(fā)的用于液-液混合的萬噸級微混合系統(tǒng)，成功地進(jìn)行了工業(yè)側(cè)線實(shí)驗(yàn)。他們利用微反應(yīng)器具有的高效傳熱、傳質(zhì)能力，使二硝基氯苯的合成時間明顯縮短。作為我國微化工技術(shù)開發(fā)的另一陣地，清華大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室借鑒膜乳化技術(shù)，于2005年成功開發(fā)了以萬噸級膜分散微結(jié)構(gòu)反應(yīng)器制備單分散納米碳酸鈣的工業(yè)裝置。

    雖然取得了上述成果，但目前我國的微化工技術(shù)研究傭處于剛剛起步分階段，在許多領(lǐng)域的研究工作還有待于深入進(jìn)行，與工業(yè)應(yīng)用相結(jié)合的能力相對較弱。我國若能在微化工技術(shù)研究初期就與產(chǎn)業(yè)界合作，可加速微化工技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，在過程放大和系統(tǒng)集成方面積累經(jīng)驗(yàn)，推進(jìn)我國在微化工技術(shù)領(lǐng)域的研究。可以預(yù)見，這一新的前沿科學(xué)將會獲得迅速發(fā)展，同時也將確立我國在這一新學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)術(shù)地位。同時，該新興學(xué)科的發(fā)展和滲透，勢必帶動相關(guān)領(lǐng)域的調(diào)整和發(fā)展，為我國建立新的學(xué)科結(jié)構(gòu)、特色和優(yōu)勢發(fā)揮重大的作用。