微反应开启化工高效精细化新时代

　　微通道反应器是新型的反应器，其高效的传热传质接近理论值。近年来，微通道反应器已经在多家化工行业应用，打破了国外公司的技术垄断，标志着化工界技术上取得了重大突破。在该项目国产化研究的过程中，常州大学环境与安全工程学院院长张跃功不可没。他带领团队勇于向新事物发起挑战，并以自主研发的技术为企业带来了丰厚的经济效益，获得了业内专业人士的肯定和认可。张跃主持的项目《新型微通道反应器系统关键技术开发及产业化应用》获得了2019年中国化工学会技术奖二等奖。

　　敢闯天下先的技术团队

　　微反应技术起源于20世纪90年代初的欧洲，美国康宁公司在2008年将微反应器技术推广到工业化应用阶段。对传统化工装备而言，微通道反应器是一项革命性的创新技术，为化工产业开启了崭新的高效精细化时代，为行业转型升级、提升创新能力、实现绿色发展提供了有效的技术手段。但在当时，无论是理论研究还是实际应用，国内还是一片空白。

　　张跃在采访中说，不可否认，近年来，微通道反应器在国内快速推广，美国康宁公司起到了一定的促进作用。10年前，常州大学与该公司成立了联合实验室，但后来康宁公司因故撤走。是继续做？还是放弃？摆在张跃及其同事面前的是一个前途未卜的选择。但后来的事实证明，张跃答对了这道题，但解题的过程却是异常艰辛。

　　张跃向记者介绍说，微通道（连续流）反应器是一种依靠微加工技术，在特定的固体基质上蚀刻出固定形态的通道，并具有一定化学反应适用性的化工设备。与常规釜式反应器相比，其内部通道直径非常细小，通常为10~500μm，却拥有极大的比表面积，比釜式反应器的比表面积要大上几百倍甚至上千倍，因而有效地提升了换热效率和传质效率，并且能够精确控制反应温度，确保反应物料瞬间混合，有助于提高化学反应收率、选择性、安全性和产品质量。化工企业中的硝化反应是快速、强放热反应过程，在釜式反应器中若控制不当就会引起温度飚升、冒料甚至爆炸等失控问题，对于现场的操作者造成潜在的危险。

　　张跃带领自己的团队，经过数年的持续研究，设计开发了一种新型微通道反应器（通道直径5~10mm），通过若干微型全混流单元的串联和并联设计，实现了不同物料之间的高效混合，解决了连续流完全混合反应器模型和理想平推流反应器模型在实际装置运行中难以克服的混合不均、层流、返混等问题，尤其适用于以硝化、氧化、磺化、烷基化、重氮化等液-液非均相为主体的连续流反应工艺。

　　团队通过设计并研制了具有高效传热、传质功能的毫米级微通道结构模块，结合连续串/并联组合式反应器，相继推广建立了数套微通道反应系统，强化了工艺条件，提高了反应效率，装置操作稳定性得到大幅度提高，实现了产品的连续、安全、高效、稳定生产，产品纯度和品质显著提高。微通道反应器可以柔性组合，在硝化、氧化、重氮化、氟化、磺化、烷基化等非均相反应中得到应用，成功地解决了强放热、易爆炸等安全性问题，建成了20余套不同规模的工业生产装置，实现了20多种化工产品生产，已在医药、染料、化工中间体行业完成科技成果转化，并建立了千吨级至万吨级工业化示范装置，为企业增收资金累计达20亿元，新增利润3.7亿元。

　　团队成员的努力不会被埋没，该项目连续获得了江苏省科技进步二等奖、教育部科技进步二等奖。这次，又拿到了中国化工学会的奖项，使团队信心倍增，并希望冲刺国家科技奖，而项目成果在应用层面受到国内企业的普遍欢迎，无疑给团队注入了一针“强心针”。

　　相较于传统的反应器，微通道反应器的一大特点就是“快”，换热快、传质快、反应快。只有快，才能“破”除过去的不足。而这个“快”并不是单纯的“快”，是在“快”的基础上更安全、更稳定，从本质解决了化工生产的安全隐患，为企业带来实实在在的经济效益，提升了社会影响力，研究成果总体技术达到国际先进水平，实现了化工过程的高效化、微型化和绿色化。

　　解决现场难题的多面能手

　　凭借多年对微通道反应器的研究，张跃清醒地认识到，这种全新的工艺方法，虽然在实验室中获得了成功，但应用到具体的企业，在实际的生产线中，依旧存在诸多不可预知的困难。因此，张跃总是在不同场合，利用多种渠道不断提醒，东西是好东西，但一定要做好小试、中试和放大工作。同时，张跃也带领自己的团队，深入到企业中，帮助他们解决生产中遇到的实际难题。

　　浙江万丰化工股份有限公司在生产某种硝化产品时，流动的原料中会产生固体的盐，将微通道堵塞。张跃在了解情况之后，在微通道的孔洞设计时，充分考虑到盐的颗粒直径，经过计算实验，不但保留了原材料的流动性，还控制了盐粒形成的大小，并稳定在一定温度下反应。这个具有代表性的问题得以解决后，为企业消除了难题，赢得了企业领导的信任。

　　南通龙翔化工有限公司是一家做颜料的公司，在生产中也涉及到硝化反应。张跃带领团队成员成功地对企业进行了技术改造，为企业带来15亿的经济效益，该公司投桃报李，提供了充足的科研经费，使高校和企业建立了良好的合作机制，有力推动了项目研发进展。

　　南通醋酸化工股份有限公司是一家上市公司，其主要产品为三梨酸钾、咪唑酮等，需要用到双乙烯酮，双乙烯酮是一种易燃易爆的危险化学品。在生产过程有一步重氮化反应属于强放热，在十几秒内会放出大量热量，必须要使用微通道反应器。张跃了解到企业的难处之后，马上派团队进驻企业，利用微通道技术解决了热量释放的难题，有效降低了危险性，使得公司由高危企业发展为绿色企业，企业受益非常大。

　　类似的案例还有很多，在为企业解决难题的同时，张跃感到欣慰的是，有效锻炼了队伍，使得学院中年轻的老师在工厂实践中熟悉了实际生产环境、工作流程，避免了只能在实验室写论文，而不能解决实际问题的尴尬。通过校企合作，建立了良好的沟通和成长机制，无论是对于高校的年轻老师，还是对企业的技术人员、车间主任，都在合作过程中收获颇丰。事实也证明，他们的能力提升很快。

　　多方面创新的开拓者

　　张跃带领研究团队长期致力于环境污染治理及节能减排领域的研究工作，其主持的国家科技支撑计划项目《微游离甲醛脲醛树脂胶合成技术》获得了中国石油和化学工业协会科技进步二等奖。这个项目从民生角度来看，受益者是千千万万普通家庭。

　　为了增强木系板家具的粘接力，过去行业内普遍使用胶黏剂，其主要成分为脲醛树脂，脲醛树脂是由甲醛和脲素合成的，正常情况下，因甲醛没有完全参加完反应，会有3%~5%的游离甲醛留在胶黏剂中，这为今后的使用留下了隐患。当人们将家具买回家之后，甲醛会慢慢向外释放，污染空气，人体吸入甲醛后，会和人体中的胃酸、盐酸反应形成氯甲醚和二氯甲醚，而这两者是强致癌物质，会导致白血病发病机率增加。

　　张跃和北京化工大学的科技工作者们一起承接了这个项目，从2012年开始，经过3年时间的摸索和实验，彻底解决了脲醛树脂含甲醛问题。项目组采用弱碱-弱酸-弱碱工艺，在传统一次加料反应的基础上，将尿素与甲醛“分批加入、多点分段”控制反应过程，通过单因素实验，考察F/U物质的量比、羟甲基化温度、缩聚反应pH、改性剂、固化剂等对脲醛树脂胶粘剂游离甲醛含量和性能的影响。结果显示，当甲醛与尿素的物质的量比为1.31:1，羟甲基化反应温度为95~98℃，聚合反应pH为4.8~5.1时,可以合成游离甲醛含量在0.1%以下的脲醛树脂胶粘剂，最终使由脲醛树脂胶粘剂制得人造板的性能技术指标达到E0级标准。这个标准为目前最高级别，有效减少了甲醛对人体健康的影响。

　　目前，张跃的科研工作主要是以微通道技术的工艺改造为主，另外还进行精密方面的研究。化工企业对环境污染的要求非常严，张跃因此将自己的工作重心放在了高浓度有机废水工程化技术处理方面，计划利用微通道系统进行湿式氧化，将不能进行生化处理的步骤、用氧化的方法进行前处理，在其中添加过氧化氢等，在一定的压力和温度下，将其中的有机物氧化。传统的科技压力釜无法承受20~50kg左右的压力，比较危险，而使用微通道连续化作业，相对安全。再通过筛选耐盐菌生化池来进行厌氧和好氧的降解。这样处理废水，可以从本质上解决工厂废水的处理难题。

　　百尺竿头，更进一步。张跃带领团队，总是在不断登攀，面对企业的实际困难，从小处着手，利用“快人一步”的微通道反应器这把利剑，将为企业增加更多的着力点，提升企业经济效益，减少安全隐患，脚踏实地地服务企业。

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