超重力技术作为化工过程强化的典型技术,在化学过程工业中发挥了重要作用。本文介绍了超重力技术的基本原理,以及超重力技术的发展概况,并以电厂烟气CO2捕集与利用、硫酸厂尾气SO2脱除、炼厂气选择性吸收H2S为例,阐述了超重力反应强化技术在酸性气体尾气处理中的应用,证明了超重力技术是一项有重要工业应用的反应强化技术。
反应与分离是化工与石油化工生产过程的核心。因反应和分离效率不高而引起的资源、能源浪费与环境污染等问题日渐凸显,已成为关系到行业可持续发展的瓶颈问题。发展反应过程与膜过程耦合技术,实现反应过程强化,已经成为技术领域研究开发的重要方向。本文综述了基于多孔陶瓷膜微尺度的分散和分离效应强化多相催化反应过程的最新研究进展,介绍了多孔陶瓷膜连续反应器的设计开发及工程应用,并对未来此领域的发展趋势作了展望。
膜分离与反应过程的耦合是提高反应与分离过程效率和降低过程能耗的重要手段。智能膜可根据环境因素的变化而主动调节其渗透通量,为反应与分离过程的耦合与协同强化提供了重要的新手段。本文简要介绍了智能膜的性质与特点、以及温度响应型、pH响应型、醇浓度响应型、葡萄糖浓度响应型和分子识别响应型等几类典型的智能膜材料与膜过程原理,叙述了智能膜在反应与膜分离过程耦合中的优势;并以一个典型产物抑制反应——生物乙醇发酵反应为例,简述了利用智能膜实现反应与分离过程耦合与协同强化的机理与途径。
等离子体是物质第四态,其中大量高能活性粒子的存在,使得等离子体强化的化学反应过程展示出特殊外场作用下的非常规行为。一方面,等离子体提供的高活性环境,可以从原子/分子尺度大大强化化学反应过程,特别是实现非常规条件下的反应;另一方面,等离子体的特有性质,在介观尺度改变了相间接触行为,形成区别于常规多相流的独特的流体力学、传递和反应特性。本文概述了将低温等离子体的理化特性与多相反应过程集成,所形成的相关基础研究和低温等离子体反应器的工业发展,包括热等离子体煤制乙炔,冷等离子体气固催化、氯化聚氯乙烯合成以及气液等离子体反应过程。
Ni催化剂因资源丰富、价格低廉、高活性和高选择性已被广泛应用于各类催化反应(如水汽转化反应)中。但是Ni催化剂常因积碳、烧结和中毒而失活。冷等离子体技术具有简捷高效、经济节能、绿色低碳的特点,制备催化剂时会影响无机盐的分解,使晶体成核与生长过程中具有与热分解非常不同的特性。等离子体用于催化剂制备对于解决Ni催化剂的应用短板有一定的促进作用。等离子体制备的催化剂Ni颗粒尺度小,分散度高,因此具有较高的活性;等离子体制备的催化剂具有单一的表面结构,抑制了积碳的形成和H2S的吸附,具有比较优异的抗积碳和耐硫性能;等离子体还会增强Ni金属与载体的相互作用,抑制了Ni颗粒的迁移,因此具有优异的抗烧结性能。
随着石油资源的日益耗竭,热等离子体裂解低碳烷烃制乙炔技术越来越受到重视。该技术能够有效地提高低碳烷烃的利用价值,减少环境污染。文中重点介绍了国内、外等离子体裂解甲烷/天然气和C2以上烷烃制备乙炔的研究现状,并对MW级等离子体裂解低碳烷烃制备乙炔的工艺进行了比较分析。
搅拌槽反应器广泛应用于石油、化工、制药、冶金等过程工业中,这些过程大都涉及复杂快反应,往往属于混合传递控制的多相过程,反应收率、产品分布和质量等与搅拌槽内流体流动和混合状况密切相关。通过研究各因素对混合产生的影响规律,可以指导搅拌槽的实际生产操作,以达到强化混合的目的。因此,对搅拌槽内宏观和微观混合特性的研究,对反应器的优化设计、工程放大和过程强化具有重要的意义。本工作从实验研究和数值模拟两方面对搅拌槽反应器内的宏观、微观混合及其过程强化的研究进展进行了综述,依据目前的研究现状及存在的问题,对今后的研究方向进行了展望。
对枝形微混合器在过程强化中的研究工作进行了总结,重点介绍了该微混合器的液-液均相、液-液非均相、以及气-液两相的混合与传质性能。枝形混合器特殊的枝形结构可实现宏观流体的微型化,促进流体的微观混合。枝形结构的几何参数通过Constructal理论确定,可在降低持液量的同时降低流动阻力。研究表明该枝形微混合器具有优良的混合性能、较大的处理量以及较低的阻力损失,在快速液-液反应、气液反应、溶剂萃取、气体吸收、纳米材料制备等化工过程中有重要的应用前景。
以具有快速强放热特性的甲苯液相SO3磺化为目标反应,利用微反应器热、质传递能力强的优点,以提高反应性能和过程可控性。针对微反应器内的甲苯液相SO3磺化工艺进行了研究,考察了反应温度、SO3质量分数、SO3与甲苯物质的量之比、空速(LHSV)、产物放置时间、溶剂极性和母液循环次数对产物选择性的影响。结果表明,在温度为28 ℃、LHSV为13 000 h-1、1,2-二氯乙烷为溶剂的条件下,通过母液多次循环,磺酸异构体产物中对甲苯磺酸的选择性高达96.54%,间甲苯磺酸选择性则降低至0.33%。
为在单一反应器中生产宽/双峰分子量聚乙烯,强化乙烯聚合反应过程,实现分子尺度混合的原位化学合成,并有效降低投资、生产成本和能耗。本工作提出制备一种具有扩散/阻隔特性的核壳结构颗粒作为聚烯烃催化剂的载体,并进行动力学特性的调控。即采用相转化制膜的方法,制备以硅胶(SiO2)为核、聚苯乙烯丙烯酸(PSA)为壳的核壳结构颗粒,然后通过浸渍法,将具有不同反应特性的催化剂活性分子分别组装在核壳结构颗粒中,获得负载型双功能催化剂。其关键技术是以PSA膜为小分子传递扩散的控制开关,利用乙烯、氢气分子和a-烯烃分子在膜中扩散特性的差异,以及Cp2ZrCl2、TiCl3和TiCl4等活性组分在动力学上的差异,构建膜内、膜外两种微化学环境,使得活性组分在不同的气氛下分别制备低分子量、低支化的聚合物链和高分子量、高支化度的聚合物链,形成高性能双峰聚乙烯的新工艺。比较三种双峰聚乙烯反应器组合的能耗,表明在单一流化床中采用复合催化剂生产双峰聚乙烯产品能够强化乙烯聚合反应器,能耗大幅下降。同时,通过活性组分和膜厚的调节,实现对聚乙烯分子量分布的调控。
对“泡沫碳化硅基结构催化剂的设计、制备及应用关键技术”的研究过程及所取得的成果进行了综述,介绍了泡沫碳化硅的制备、性能、活性涂层涂覆、规整填料等多方面的工作,并将所得到的泡沫碳化硅结构催化剂在不同的化学反应中进行应用考察。与颗粒催化剂等传统的催化剂进行比较,泡沫碳化硅结构催化剂传热和传质能力强,结构可设计性高。
为实现强化耦合甲烷部分氧化和水蒸汽重整的绝热转化反应,采用了整体泡沫碳化硅为载体制备镍基整体催化剂,进行了整体结构催化剂床层优化设计,在由6块整体催化剂组成的4.8 cm床层高度的固定床反应器上进行了催化剂小试样品的性能评价,并完成了中试验证。通过采用多层催化剂床层结构设计,避免了整体催化剂反应物流旁路,同时还实现氧二次分散。首次开展进料规模为200 t/a天然气绝热转化中试实验验证了天然气绝热转化技术的安全性,为该技术进一步发展放大奠定基础。
离子液体作为一类新型绿色溶剂,以其特殊的性质和可设计性,受到广泛关注,并被作为一种新兴化工过程强化技术,应用于越来越多的有机化学反应中。本工作综述了近年来离子液体替代传统的有机溶剂或催化剂在强化有机化学反应方面的研究进展。离子液体强化技术,使有机合成步骤得到简化、反应速率加快、产物产率或选择性得到较大提升、合成过程更加绿色环保,具有良好的工业应用前景。