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[中國化工報]為傳統化工搭建“桌面工廠” ——記國家技術發明二等獎項目基于微流場反應技術的生物基無毒增塑劑綠色制造
時間：2018-01-19
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變革傳統工藝
傳統化工反應工藝以間歇式偏多，反應及分離效率不高，污染物排放嚴重；工藝路線過長，操作不當易造成安全及環境事故，這些都嚴重阻礙了化工生產的綠色智能化發展進程。
該項目負責人、南京工業大學生物與制藥工程學院院長郭凱教授介紹，微流場反應技術是一項反應及分散特征尺度在百微米級的過程強化技術。該技術為傳統化工搭建了一座“桌面工廠”，同時也為化工行業的綠色發展指明了方向。“相較傳統的化工技術，我們開發的微流場反應技術通過微尺度效應可以將超過百噸的反應裝置實現體積千倍的縮小，以‘桌面工廠’的模式實現傳統大型化工生產過程；同時又數千倍地提升反應速度，將化工反應由十幾小時縮短到數十秒鐘，實現化工反應過程傳質傳熱效率及反應速度2~3個數量級的提升、在線反應體積3個數量級的縮小。”郭凱這樣說。
談及項目的現實意義時，郭凱這樣說，作為連續流技術，微流場反應技術可以大幅提升化工反應選擇性，使污染降低排放50%以上、能耗降低40%以上。而且，微流場反應技術在提升反應效率的同時強化反應過程安全性，實現了化工的清潔安全生產。
實現規模應用
“微流場反應技術規模化工程應用是國際共性難題。這是因為傳統微通道反應尺度在百微米級別，一旦尺度擴大則會導致復雜有機化學反應體系微流場效應喪失。我們團隊的研究成果已能在厘米尺度下保持微流場效應。”郭凱這樣說。
郭凱團隊在攻克微流場反應技術尺度放大與尺度效應難以同步、多單元系統集成困難、高效工程裝備缺失等技術瓶頸后，與國內多家生產企業合作，實現了微流場反應技術在萬噸級工業生產中的應用。特別值得一提的是，該項目完成了高品質生物基無毒增塑劑及其系列衍生產品的規模化綠色制造。
增塑劑能改變塑料又硬又脆的特性，使其具有柔韌性，便于制品彎曲成型等。據郭凱介紹，由于技術和成本的原因，現在市場上很多塑料制品使用的仍然是傳統增塑劑，而美國FDA和歐盟認證的兩類無毒增塑劑——檸檬酸酯類及環氧植物油類產品，尚未在國內大范圍使用。
“我們革新了傳統釜式生產模式，在生物基無毒增塑劑生產中采用了微流場管路式反應器，通過構建合適流場結構，保持微流場效應同時，將邊界尺度拓展至厘米級別，使反應器單流場通量達到萬噸級規模。”研究團隊主要成員方正副教授進一步解釋，“百微米尺度的傳統微通道反應器每年只能生產幾百千克，最多幾噸的增塑劑，難以滿足生產及市場需求；而厘米級管徑的反應器每年能生產增塑劑上萬噸，不僅實現連續化安全生產，而且顯著提高了產品品質，從而有效地解決了規模化應用的問題。”
為行業帶來福音
微流場反應技術在實體制造業的運用，推進了“桌面工廠”的有益嘗試。
其中，在江蘇雷蒙化工科技有限公司、江蘇向陽科技有限公司及張家港市飛航科技有限公司，實現了基于微流場反應技術的高品質增塑劑（檸檬酸酯產品、環氧脂肪酸甲酯產品）及增塑劑下游產品（生物基聚氨酯硬泡多元醇產品）的連續化生產。“我們合作廠家生產的檸檬酸酯等產品通過中國、美國以及歐盟等國內外權威機構的認證，在國內外多家企業獲得應用，解決了增塑劑反應品質低下和生產安全問題。”方正教授補充說，應用該項技術企業近3年新增銷售額達16.28億元，新增利稅2.58億元。
“得益于技術支持，應用企業的制品成本遠遠低于同類產品，其產品占有高端市場95%的份額。因此，微流場反應技術對產業的綠色智能化發展具有很強的支持作用，符合資源節約、環境友好‘兩型’社會要求。”郭凱說。
該項目還獲得了國家“973”計劃、國家重大專項、國家自然科學基金及校企合作項目等支持，項目相關技術共申請國家發明專利32項，其中授權專利21項，發表SCI論文11篇。
作者：王云立 楊芳
本報記者 王云立 通訊員 楊芳
2018年1月16日 《中國化工報》B2版:http://ipaper.ccin.com.cn/papers/ccin/2018-01-16/page_2B/news_52cbd773920cd61202ef331acc073076.html
