駱廣生帶領(lǐng)團(tuán)隊完成的“微結(jié)構(gòu)化工傳質(zhì)設(shè)備及其工業(yè)應(yīng)用”項目獲2012年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎
實(shí)現(xiàn)“桌面化工廠”從理念到實(shí)踐的突破
記者 程 曦
圖為駱廣生（中）與團(tuán)隊成員合影。
項目發(fā)明的微結(jié)構(gòu)化工傳質(zhì)設(shè)備已經(jīng)全國七個省、三大典型化工產(chǎn)業(yè)得到了成功應(yīng)用。膜分散設(shè)備制納米碳酸鈣在國內(nèi)銷售額排名第一，微篩孔設(shè)備凈化濕法磷酸突破了國外技術(shù)壟斷。
【項目名稱】微結(jié)構(gòu)化工傳質(zhì)設(shè)備及其工業(yè)應(yīng)用
【項目完成人】駱廣生 呂陽成 王玉軍 王凱 徐建鴻 陳祥芝
【項目介紹】項目系統(tǒng)研究了微尺度多相流的基本規(guī)律，發(fā)明了一系列微結(jié)構(gòu)元件及其放大和集成方法，創(chuàng)制了多種微結(jié)構(gòu)傳質(zhì)設(shè)備，成功應(yīng)用于納米碳酸鈣制備、濕法磷酸萃取凈化和己內(nèi)酰胺酸團(tuán)萃取等大型工業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)了化工設(shè)備微（小）型化從理念到工業(yè)實(shí)踐的重大突破，走在了西方國家的前面，近3年累計創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益9.33億元。微結(jié)構(gòu)化工設(shè)備具有傳質(zhì)效率高、放大效應(yīng)小、安全可控等優(yōu)點(diǎn)，其推廣應(yīng)用將有助于化學(xué)工業(yè)向高效、綠色和安全的方向邁進(jìn)，并產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
提起化學(xué)工業(yè)，人們腦海中很自然會浮現(xiàn)出這樣的畫面：林立的大型設(shè)備，縱橫交錯的管道，翻滾的物料，潛在的安全隱患……有沒有可能改變這一切？
有沒有辦法在將化工設(shè)備微（小）型化的同時，又實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和化工過程的安全可控？
早在20世紀(jì)90年代，英國科學(xué)家就提出了 “桌面上的化工廠”的概念。美、德、日等化工強(qiáng)國也幾乎于同時展開微結(jié)構(gòu)化工設(shè)備研究，但是由于對微結(jié)構(gòu)元器件和放大集成放大方法的認(rèn)識有限，將微化工設(shè)備應(yīng)用到實(shí)際的大規(guī)模化工過程中需要加工幾十萬到幾百萬個通道，而且無法應(yīng)對化工過程的大處理量、復(fù)雜性和長期操作穩(wěn)定性的要求，國際上至今鮮見微結(jié)構(gòu)化工設(shè)備在大規(guī)模化工生產(chǎn)中應(yīng)用的報道，不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為微結(jié)構(gòu)化工設(shè)備要想大規(guī)模用在化工過程里不太現(xiàn)實(shí)。
同樣在這十幾年時間里，清華大學(xué)化工系駱廣生教授帶領(lǐng)團(tuán)隊反復(fù)試驗(yàn)、系統(tǒng)研究、大膽創(chuàng)新，提出了多種新穎的微結(jié)構(gòu)元器件并掌握了微結(jié)構(gòu)元器件的集成和放大方法，通過與多家企業(yè)深入合作，攻克了微結(jié)構(gòu)化工設(shè)備走向產(chǎn)業(yè)化的世界性難題，實(shí)現(xiàn)了化工設(shè)備微（小）型化從理念到工業(yè)實(shí)踐的飛躍，整體達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
他們完成的 “微結(jié)構(gòu)化工傳質(zhì)設(shè)備及其工業(yè)應(yīng)用”項目由此榮膺2012年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。
高效化工，綠色化工，安全化工，正在他們的努力下一步步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
為“美麗化工”實(shí)現(xiàn)重要突破
微化工技術(shù)的基礎(chǔ)是微尺度多相流動、傳遞和反應(yīng)，這為實(shí)現(xiàn)更加高效、安全的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程創(chuàng)造了條件。針對化工反應(yīng)、分離過程的特點(diǎn)，駱廣生團(tuán)隊系統(tǒng)研究了微尺度多相流的基本規(guī)律，為微化工技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。
更重要的是，項目團(tuán)隊經(jīng)過多年攻關(guān)，在微米級氣泡/液滴群大規(guī)模制備、微結(jié)構(gòu)設(shè)備材質(zhì)選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、針對復(fù)雜體系的應(yīng)用可靠性三大方面取得了重大突破，并在納米碳酸鈣制備、濕法磷酸萃取凈化、己內(nèi)酰胺酸團(tuán)萃取等一系列典型化工過程中實(shí)現(xiàn)了微型設(shè)備集成放大的應(yīng)用，走到了西方國家的前面。
在粉體技術(shù)領(lǐng)域，駱廣生的團(tuán)隊發(fā)明了膜分散制備納米碳酸鈣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了顆粒直徑在10~70納米范圍內(nèi)可調(diào)且粒徑分布窄的納米碳酸鈣的大規(guī)模制備。建成的國際首套氫氧化鈣漿料吸收二氧化碳制備納米碳酸鈣工業(yè)化微結(jié)構(gòu)設(shè)備，體積傳質(zhì)系數(shù)較塔式、管式等常規(guī)設(shè)備高1~2個數(shù)量級，由它制備出的納米碳酸鈣在國內(nèi)銷售額排名第一。
濕法磷酸萃取凈化過程體系涉及無機(jī)酸、有機(jī)溶劑、金屬離子等多種物質(zhì)，要求使用特殊的設(shè)備材質(zhì)；工藝涉及萃取、洗滌和反萃，要求設(shè)備在相比3~20的范圍內(nèi)均具有很好的傳質(zhì)性能。就是在這樣一個“棘手”的領(lǐng)域，駱廣生的團(tuán)隊針對我國磷資源的特色，成功研制了以耐腐蝕材料為主體、單臺五氧化二磷產(chǎn)能5萬噸/年的微篩孔設(shè)備并連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行至今。設(shè)備的體積和制造成本僅為引進(jìn)設(shè)備的1/2000和1/50，開停車時間從原來的5~7天縮短為3~4分鐘，成功突破了以色列貝特曼（Bateman）等國外公司在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。
在己內(nèi)酰胺酸團(tuán)萃取方面，團(tuán)隊為中石化設(shè)計的堆疊式并流微槽設(shè)備是全球范圍內(nèi)工業(yè)化微萃取器的首次工業(yè)應(yīng)用。該設(shè)備與從意大利引進(jìn)的裝置相比，傳質(zhì)效率從85%提高到98%以上，原來設(shè)計的5萬噸/年產(chǎn)能一下子提高到16萬噸/年。
微結(jié)構(gòu)化工設(shè)備的成功應(yīng)用，不僅大大減少了項目投資和材質(zhì)消耗，更重要的是在節(jié)能降耗、減少環(huán)境污染和提高化工過程的安全性等方面具有顯著優(yōu)勢。“讓化工產(chǎn)業(yè)的從業(yè)者擁有一個安全、清潔的環(huán)境，讓老百姓更多地看到藍(lán)天白云，讓化工產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)面貌和社會形象得到徹底改變———這就是我心中的 ‘美麗化工’，它是 ‘美麗中國’的重要組成部分。”駱廣生說。
“應(yīng)用—基礎(chǔ)—應(yīng)用”的研究模式
注重實(shí)踐和應(yīng)用，是駱廣生團(tuán)隊的一大特色。從一開始，他們就瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)內(nèi)亟待解決的問題和重要應(yīng)用對象，沒有拘泥于當(dāng)時熱門的實(shí)驗(yàn)室微流控技術(shù)研究，而是從產(chǎn)業(yè)化技術(shù)入手，率先實(shí)現(xiàn)了膜分散制備納米碳酸鈣技術(shù)的突破。
在成功進(jìn)行了一系列應(yīng)用性探索后，駱廣生和他的同事們對于這一項目的應(yīng)用前景有了相當(dāng)?shù)男判摹Ｋ麄兓剡^頭來，下大力氣進(jìn)行了微尺度多相流基本規(guī)律的系統(tǒng)研究。團(tuán)隊師生共同努力，針對化工分離和反應(yīng)過程的基本要求，掌握了相關(guān)領(lǐng)域的一系列基本規(guī)律，再用它們?nèi)ブ笇?dǎo)實(shí)踐，有效實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用的相互促進(jìn)。
總體來說，團(tuán)隊科技成果的產(chǎn)業(yè)化的速度十分迅速。最早的納米碳酸鈣項目，他們僅用10個月就完成了傳統(tǒng)上需要5~7年的小試—中試—工業(yè)試驗(yàn)全過程。但是，化工體系和工藝的復(fù)雜性往往會給微結(jié)構(gòu)設(shè)備的材質(zhì)選擇和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計帶來諸多挑戰(zhàn)，“陷阱”總是無處不在。在濕法磷酸萃取凈化項目中，他們就遇到了不小的波折———設(shè)備下廠不到一周，就被大量固體雜質(zhì)堵住。這可是實(shí)驗(yàn)室里從沒出現(xiàn)過的狀況，怎么辦？在對固體雜質(zhì)的產(chǎn)生量進(jìn)行分析后，駱廣生和他的團(tuán)隊提出了對設(shè)備的一維進(jìn)行放大、另一維仍保持微尺度的思想，這樣就能大幅度提高整個微結(jié)構(gòu)設(shè)備的耐堵性質(zhì)。5000噸的中試環(huán)節(jié)，設(shè)備運(yùn)行了整整3個月，一點(diǎn)都沒堵，徹底解決了引進(jìn)的塔設(shè)備每年需要用兩個月進(jìn)行維護(hù)的重大缺陷。
駱廣生解釋說，在實(shí)驗(yàn)室中，無法像工廠中那樣長周期運(yùn)行一個實(shí)際體系，所以很多問題是不可預(yù)知的，很多效果也是無法在實(shí)驗(yàn)室中看到的，所以需要經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)—應(yīng)用—改造—再運(yùn)行的過程。“對工程對象基本規(guī)律的透徹認(rèn)識不可能僅在實(shí)驗(yàn)室中完成，工程技術(shù)的重大創(chuàng)新還是要基于實(shí)踐。基礎(chǔ)和應(yīng)用緊密結(jié)合是我們的總體思路。”駱廣生強(qiáng)調(diào)。
更多創(chuàng)新，責(zé)無旁貸
“剛加入駱老師的研究組時，對這個方向還沒有太多了解，但是看到原來做傳統(tǒng)化工的‘搖瓶’好幾個小時才能搖出來的東西用微化工設(shè)備一接通，零點(diǎn)幾秒就能實(shí)現(xiàn)，就覺得確實(shí)是個很有意思、很有前途的方向。”當(dāng)年第一個在團(tuán)隊里開展單個微通道研究的徐建鴻從特等獎學(xué)金獲得者、清華大學(xué)研究生“學(xué)術(shù)新秀”一路走來，如今已經(jīng)是年輕的副教授、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金的獲得者。
共同的興趣把王玉軍、呂陽成、徐建鴻、王凱以及許多優(yōu)秀學(xué)生吸引到這里，讓這個團(tuán)隊不斷發(fā)展壯大。他們一起在實(shí)踐中成長，不斷擴(kuò)大在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的影響力，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和發(fā)展模式的共同目標(biāo)讓他們動力十足。駱廣生欣慰地說：“這些年輕人成長很快，很多重要突破都是由他們完成的，國家技術(shù)發(fā)明獎的取得凝聚了集體的智慧，見證了團(tuán)隊的發(fā)展。”
目前，團(tuán)隊在面向高性能聚合物產(chǎn)品的精細(xì)有機(jī)合成等方面已經(jīng)取得了很好的進(jìn)展。但是在駱廣生看來，當(dāng)務(wù)之急還是要在國內(nèi)化工產(chǎn)業(yè)中量大面廣的磷酸、硫酸、脫硫、脫碳等大規(guī)模化工過程中實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)突破。與企業(yè)廣泛良好的合作使團(tuán)隊擁有裝備和技術(shù)相結(jié)合的良好基礎(chǔ)，對未來的創(chuàng)新發(fā)展，他們充滿信心。
“我常對學(xué)生說，科學(xué)無國界，但是工程技術(shù)是有國界的。為祖國取得更多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果，有效解決國家化工產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量問題、環(huán)境問題，我們責(zé)無旁貸。”駱廣生堅定地說。
來源：新清華 2013-11-30
