骆广生带领团队完成的“微结构化工传质设备及其工业应用”项目获2012年度国家技术发明奖二等奖

实现“桌面化工厂”从理念到实践的突破

记者 程 曦

图为骆广生(中)与团队成员合影。

项目发明的微结构化工传质设备已经全国七个省、三大典型化工产业得到了成功应用。膜分散设备制纳米碳酸钙在国内销售额排名第一,微筛孔设备净化湿法磷酸突破了国外技术垄断。

  【项目名称】微结构化工传质设备及其工业应用

  【项目完成人】骆广生 吕阳成 王玉军 王凯 徐建鸿 陈祥芝

  【项目介绍】项目系统研究了微尺度多相流的基本规律,发明了一系列微结构元件及其放大和集成方法,创制了多种微结构传质设备,成功应用于纳米碳酸钙制备、湿法磷酸萃取净化和己内酰胺酸团萃取等大型工业生产中,实现了化工设备微(小)型化从理念到工业实践的重大突破,走在了西方国家的前面,近3年累计创经济效益9.33亿元。微结构化工设备具有传质效率高、放大效应小、安全可控等优点,其推广应用将有助于化学工业向高效、绿色和安全的方向迈进,并产生重大的经济和社会效益。

  提起化学工业,人们脑海中很自然会浮现出这样的画面:林立的大型设备,纵横交错的管道,翻滚的物料,潜在的安全隐患……有没有可能改变这一切?

  有没有办法在将化工设备微(小)型化的同时,又实现其大规模工业生产和化工过程的安全可控?

  早在20世纪90年代,英国科学家就提出了 “桌面上的化工厂”的概念。美、德、日等化工强国也几乎于同时展开微结构化工设备研究,但是由于对微结构元器件和放大集成放大方法的认识有限,将微化工设备应用到实际的大规模化工过程中需要加工几十万到几百万个通道,而且无法应对化工过程的大处理量、复杂性和长期操作稳定性的要求,国际上至今鲜见微结构化工设备在大规模化工生产中应用的报道,不少业内人士认为微结构化工设备要想大规模用在化工过程里不太现实。

  同样在这十几年时间里,清华大学化工系骆广生教授带领团队反复试验、系统研究、大胆创新,提出了多种新颖的微结构元器件并掌握了微结构元器件的集成和放大方法,通过与多家企业深入合作,攻克了微结构化工设备走向产业化的世界性难题,实现了化工设备微(小)型化从理念到工业实践的飞跃,整体达到国际领先水平。

  他们完成的 “微结构化工传质设备及其工业应用”项目由此荣膺2012年度国家技术发明奖二等奖。

  高效化工,绿色化工,安全化工,正在他们的努力下一步步变为现实。

为“美丽化工”实现重要突破

     微化工技术的基础是微尺度多相流动、传递和反应,这为实现更加高效、安全的物质转化过程创造了条件。针对化工反应、分离过程的特点,骆广生团队系统研究了微尺度多相流的基本规律,为微化工技术的大规模应用奠定了理论基础。

  更重要的是,项目团队经过多年攻关,在微米级气泡/液滴群大规模制备、微结构设备材质选择和结构优化设计、针对复杂体系的应用可靠性三大方面取得了重大突破,并在纳米碳酸钙制备、湿法磷酸萃取净化、己内酰胺酸团萃取等一系列典型化工过程中实现了微型设备集成放大的应用,走到了西方国家的前面。

  在粉体技术领域,骆广生的团队发明了膜分散制备纳米碳酸钙技术,实现了颗粒直径在10~70纳米范围内可调且粒径分布窄的纳米碳酸钙的大规模制备。建成的国际首套氢氧化钙浆料吸收二氧化碳制备纳米碳酸钙工业化微结构设备,体积传质系数较塔式、管式等常规设备高1~2个数量级,由它制备出的纳米碳酸钙在国内销售额排名第一。

  湿法磷酸萃取净化过程体系涉及无机酸、有机溶剂、金属离子等多种物质,要求使用特殊的设备材质;工艺涉及萃取、洗涤和反萃,要求设备在相比3~20的范围内均具有很好的传质性能。就是在这样一个“棘手”的领域,骆广生的团队针对我国磷资源的特色,成功研制了以耐腐蚀材料为主体、单台五氧化二磷产能5万吨/年的微筛孔设备并连续稳定运行至今。设备的体积和制造成本仅为引进设备的1/2000和1/50,开停车时间从原来的5~7天缩短为3~4分钟,成功突破了以色列贝特曼(Bateman)等国外公司在该领域的技术垄断。

  在己内酰胺酸团萃取方面,团队为中石化设计的堆叠式并流微槽设备是全球范围内工业化微萃取器的首次工业应用。该设备与从意大利引进的装置相比,传质效率从85%提高到98%以上,原来设计的5万吨/年产能一下子提高到16万吨/年。

  微结构化工设备的成功应用,不仅大大减少了项目投资和材质消耗,更重要的是在节能降耗、减少环境污染和提高化工过程的安全性等方面具有显著优势。“让化工产业的从业者拥有一个安全、清洁的环境,让老百姓更多地看到蓝天白云,让化工产业的传统面貌和社会形象得到彻底改变———这就是我心中的 ‘美丽化工’,它是 ‘美丽中国’的重要组成部分。”骆广生说。

“应用—基础—应用”的研究模式

     注重实践和应用,是骆广生团队的一大特色。从一开始,他们就瞄准产业内亟待解决的问题和重要应用对象,没有拘泥于当时热门的实验室微流控技术研究,而是从产业化技术入手,率先实现了膜分散制备纳米碳酸钙技术的突破。

  在成功进行了一系列应用性探索后,骆广生和他的同事们对于这一项目的应用前景有了相当的信心。他们回过头来,下大力气进行了微尺度多相流基本规律的系统研究。团队师生共同努力,针对化工分离和反应过程的基本要求,掌握了相关领域的一系列基本规律,再用它们去指导实践,有效实现了基础研究和工业应用的相互促进。

  总体来说,团队科技成果的产业化的速度十分迅速。最早的纳米碳酸钙项目,他们仅用10个月就完成了传统上需要5~7年的小试—中试—工业试验全过程。但是,化工体系和工艺的复杂性往往会给微结构设备的材质选择和结构参数设计带来诸多挑战,“陷阱”总是无处不在。在湿法磷酸萃取净化项目中,他们就遇到了不小的波折———设备下厂不到一周,就被大量固体杂质堵住。这可是实验室里从没出现过的状况,怎么办?在对固体杂质的产生量进行分析后,骆广生和他的团队提出了对设备的一维进行放大、另一维仍保持微尺度的思想,这样就能大幅度提高整个微结构设备的耐堵性质。5000吨的中试环节,设备运行了整整3个月,一点都没堵,彻底解决了引进的塔设备每年需要用两个月进行维护的重大缺陷。

  骆广生解释说,在实验室中,无法像工厂中那样长周期运行一个实际体系,所以很多问题是不可预知的,很多效果也是无法在实验室中看到的,所以需要经过反复的实验—应用—改造—再运行的过程。“对工程对象基本规律的透彻认识不可能仅在实验室中完成,工程技术的重大创新还是要基于实践。基础和应用紧密结合是我们的总体思路。”骆广生强调。

更多创新,责无旁贷

     “刚加入骆老师的研究组时,对这个方向还没有太多了解,但是看到原来做传统化工的‘摇瓶’好几个小时才能摇出来的东西用微化工设备一接通,零点几秒就能实现,就觉得确实是个很有意思、很有前途的方向。”当年第一个在团队里开展单个微通道研究的徐建鸿从特等奖学金获得者、清华大学研究生“学术新秀”一路走来,如今已经是年轻的副教授、国家自然科学基金优秀青年基金的获得者。

  共同的兴趣把王玉军、吕阳成、徐建鸿、王凯以及许多优秀学生吸引到这里,让这个团队不断发展壮大。他们一起在实践中成长,不断扩大在学术界和产业界的影响力,转变传统产业结构和发展模式的共同目标让他们动力十足。骆广生欣慰地说:“这些年轻人成长很快,很多重要突破都是由他们完成的,国家技术发明奖的取得凝聚了集体的智慧,见证了团队的发展。”

  目前,团队在面向高性能聚合物产品的精细有机合成等方面已经取得了很好的进展。但是在骆广生看来,当务之急还是要在国内化工产业中量大面广的磷酸、硫酸、脱硫、脱碳等大规模化工过程中实现重大技术突破。与企业广泛良好的合作使团队拥有装备和技术相结合的良好基础,对未来的创新发展,他们充满信心。

  “我常对学生说,科学无国界,但是工程技术是有国界的。为祖国取得更多具有自主知识产权的创新成果,有效解决国家化工产业的产品质量问题、环境问题,我们责无旁贷。”骆广生坚定地说。

  来源:新清华 2013-11-30

2013年12月02日 14:21:33  清华新闻网

更多 ›图说清华

最新更新