來源：《中國石油和化工產業觀察》雜志
作者：劉永剛
進入21世紀，化工領域涌現了一批新技術。這些新技術吸納了當代許多高新技術特點，明顯提高了化學反應的速率和效率，簡化了工藝流程，減少了裝置數量，使化工工藝的單位能耗、廢料、副產品等方面降低顯著，正在給化工行業帶來革命性的變化。
01、超重力強化技術
超重力指的是在比地球重力加速度（9.8米/平方秒）大得多環境下所受到的力。在地球上，實現超重力環境的簡便方法是通過旋轉產生離心力。這樣的旋轉設備被稱為超重力機。
在超重力環境下，不同物料在復雜流道中接觸。強大的剪切力將液相物料撕裂成微小的膜、絲和滴，產生快速更新的相界面，使相傳質速率比在傳統塔器提高1～3個數量級，分子混合和傳質過程得到高度強化。同時，氣體線速度也大幅度提高，使單位設備體積的生產效率提高1～2個數量級，設備體積大幅縮小。因此，超重力技術被認為是強化傳遞和多相反應過程的突破性技術。
超重力技術已被用于納米藥物、納米分散體、丁基橡膠等的制備或生產，以及碳纖維、生物可降解高分子等高黏體系的脫揮等工業過程。工業實踐已充分證實，超重力技術具有顯著過程增產、節能減排、降耗和提升產品質量的功效，符合當代過程工業向資源節約型、環境友好型轉變的發展潮流。超重力強化技術在傳質、分子混合限制過程及具有特殊要求工業過程（如高黏度、熱敏性或昂貴物料處理）中具有突出優勢，可廣泛應用于吸收、解吸、精餾、聚合物脫揮、乳化等單元操作過程及納米顆粒的制備、磺化、聚合等反應過程和反應結晶過程。
我國的超重力技術研究在世界上已處于領先地位。北京化工大學陳建峰課題組發現了超重力環境下微觀分子混合強化百倍特征現象，據此原創性提出了超重力強化分子混合與反應結晶過程的新思想與新技術。
隨后，該課題組進行了工業化開發，建立了8條超重力法制備納米顆粒工業生產線，其中納米碳酸鈣（平均粒徑30納米）生產線產能達到1萬噸/年。
此舉被國際評論為“應用于固體合成發展歷史上的重要里程碑”。課題組還將超重力技術成功應用于浙江寧波萬華聚氨酯有限公司二苯甲烷二異氰酸酯項目，使其產能從16萬噸/年提高到30萬噸/年，過程節能30%，產品雜質顯著下降。
02、膜過程耦合技術
膜分離技術特別適合于現代工業對節能、低品位原材料再利用和消除環境污染的需要。
近年來，膜及膜技術的研究推動了膜過程耦合技術的發展，如將膜分離技術與反應過程結合起來形成新的膜耦合過程，已成為膜分離技術的發展方向之一。
該技術目前發展的關鍵是如何運用化學工程理論和方法、材料科學與技術研究耦合過程的協調機理，實現物質傳遞與反應過程的匹配和調控，實現耦合系統的高效運行。
目前我國已成功開發出成套反應-膜分離耦合系統，在石油化工、生物化工等領域得到推廣應用。
隨著研究的深入，膜過程與其它單元操作過程（結晶、反應精餾、萃取等）耦合，不僅能降低設備投資與能耗，而且能提高過程效率。
03、微化工技術
微化工技術以微反應器、微混合器、微分離器、微換熱器等設備為典型代表，著重研究微時空尺度下三傳一反規律。
微化工系統是指通過精密加工制造帶有微結構（通道、篩孔及溝槽等）的反應、混合、換熱、分離裝置，在微結構作用下形成微米尺度分散單相或多相體系的強化反應或分離過程。與常規尺度系統相比，微化工系統具有熱質傳遞速率快、內在安全性高、過程能耗低、集成度高、放大效應小、可控性強等優點，可實現快速強放/吸熱反應的等溫操作、兩相間快速混合，用于易燃易爆化合物合成、劇毒化合物現場生產等，具有廣闊的應用前景。
微化工設備內存在擠出、滴出、射流和層流4種分散流型，比傳統化工設備的分散尺度小1～2個量級。
由于多相體系存在環流與界面擾動等現象，可加快物流、熱流的遷移速度，強化微設備的熱質傳遞效果。實驗表明，氣-液-液及液-液-固體系的體積傳質系數均比傳統設備高1～2個量級以上，單臺設備內傳質效率可達90%以上，體積傳熱系數也提高了1～2個量級。
微化工技術的成功開發與應用將改變現有化工設備的性能、體積、能耗和物耗，對整個化學化工領域產生重大影響。目前該領域尚有部分問題需要深入研究，如微設備內復雜多相流行為及調控規律等。
04、磁穩定床技術
磁穩定床是磁流化床的特殊形式，兼有固定床和流化床的優點，較好地克服了流化床因返混嚴重造成轉化率偏低、顆粒容易被帶出的缺點，又彌補了固定床使用小粒子時壓降過大、放熱反應容易出現局部熱點的缺點，同時可在較寬范圍內穩定操作，充分破碎氣泡改善相間傳質。
目前磁穩定床在石化、生物化工和環境工程等領域已顯示出明顯的優越性，今后還將應用于納米催化、生物制藥等領域。
中石化石油化工科學研究院與中石化巴陵分公司合作研發的磁穩定床己內酰胺加氫精制已取得突破性進展——以非晶態合金為催化劑，在磁穩定床反應器中對30%的己內酰胺水溶液進行加氫精制。其結果與工業常用的釜式反應器相比，加氫效果提高10～50倍，催化劑耗量降低70%，經濟效益顯著。
磁穩定床反應器的應用目前存在一些限制，今后還應在局部流體力學性能、傳熱特性和傳熱機理、傳質機理及反應器模型等方面進行更為深入研究。
05、等離子體技術
等離子體即電離氣體，是電子、離子、原子、分子或自由基等粒子組成的集合體，通常通過外加電場使氣體分子離解或電離產生。
無論是部分電離還是完全電離，氣體中正電荷總數和負電荷總數是相等的。
按等離子體帶電粒子能量的相對高低，可將等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體。等離子體所含粒子大多為活潑的化學活性物質。等離子體特別適合于熱力學或動力學不利的反應，可有效活化穩定的小分子，如甲烷、氮和二氧化碳，甚至可使反應的活化能變為負值。
這一特點使等離子體在一些特殊無機物（金屬氮化物、金屬磷化物、金屬碳化物、人造金剛石等）合成強化方面廣泛應用。尤其在冷等離子體制氫方面，由于啟動方便、可在室溫操作、機動性好等優點，被認為是燃料電池供氫的優選方案。
等離子體目前在有機合成反應方面的優勢還不顯著，需要加強等離子體發生方式的創新研究，使等離子體的發生過程轉變到納米尺度，從而能夠以高能效振動模式激發活化分子，從根本上提高等離子體有機合成反應的能效。
06、離子液體技術
離子液體是指完全由可運動陰陽離子組成的室溫液體，是離子存在的特殊形式。
與傳統分子溶劑和高溫融鹽相比，離子液體具有特殊的微觀結構（氫鍵網絡結構和不均質團簇結構等）和復雜的相互作用力（靜電庫侖力、氫鍵、范德華力等），在實際應用中展現了獨特的物化性質。離子液體不易揮發、液態溫度范圍寬、溶解性能好、導電性適中以及電化學窗口寬，具有功能可設計性和多樣性。
作為新一代離子介質和催化體系，離子液體在化工、冶金、能源、環境、生物、儲能等領域逐漸展現出驚人的應用潛力，有望取代傳統的重污染介質和催化劑，實現21世紀新一代綠色化學化工產業技術革命。
目前，各國已投入大量人力財力進行離子液體研究，努力建立全面系統的離子液體工業化應用平臺，盡早突破離子液體工業化進程的發展瓶頸。
07、超臨界流體技術
高于臨界溫度和臨界壓力的流體是超臨界流體。超臨界流體處于氣液不分狀態，沒有明顯氣液分界面，既不是液體也不是氣體。
由于超臨界流體處于超臨界狀態，對溫度和壓力的改變十分敏感，具有十分獨特的物理性質。它的黏度低、密度大，有良好的流動、傳質、傳熱和溶解性能，因此被廣泛用于節能、天然產物萃取、聚合反應、超微粉和纖維的生產、噴料和涂料、催化過程和超臨界色譜等領域。將超臨界流體應用到這些領域中的技術統稱為超臨界流體技術。
研究表明，在超臨界條件下的化學反應，其反應選擇性、反應速率、化學平衡以及催化劑使用壽命等表現出傳統反應無法企及的優勢。利用超臨界二氧化碳既作反應物又作反應溶劑的特點，可將二氧化碳轉換為環碳酸酯、聚碳酸酯、甲醇等高附加值產品。
超臨界二氧化碳對氫氣、氧氣等有較好溶解力，可用于催化加氫、催化氧化等反應。超臨界二氧化碳催化加氫生成甲酸、甲酸甲酯等，為解決溫室效應問題提供了新方向。超臨界水氧化反應可用于有毒廢水、有機廢棄物的治理，是一種前沿性環保技術，目前在國內外均已實現工業化。
此外，超臨界流體結晶技術可用于制備藥物、聚合物、催化劑等超細顆粒。超臨界流體色譜技術適合于手性藥物、天然產物等高附加值物質的分離。超臨界流體技術還可用于半導體清洗、紡織品印染等多個領域。
08、微波技術
微波是頻率在300兆赫茲～300吉赫茲，即波長在1毫米～100厘米的電磁波。
微波能強化質量傳遞和化學反應，加熱主要通過源于物質內部分子吸收電磁能后數十億次偶極振動產生的大量熱能實現，可直接激發物質間反應。與常規加熱相比，微波具有加熱速度快、均勻、無溫度梯度存在、瞬時達到高溫、熱量損失小等優勢。
此外，不同物質具有不同微波吸收能力，使得微波具有選擇加熱的特點。微波還具有非熱效應，把物質置于微波場，其電場能使分子極化，其磁場能使帶電粒子遷移旋轉，加劇分子間擴散運動，提高了分子平均能量，降低反應活化能，大大提高了反應速度。
微波技術可改變化學反應歷程，進而獲得新的產物，實現常規方法不能進行的反應。
目前，微波輔助合成已成功應用于烷基化、皂化、烯烴加成、磺化、氧化環合以及負碳離子縮合等諸多反應。
在晶體合成方面，由于微波具有選擇加熱的特點，能在避免傳統加熱引起的團聚下制備超細粉末，有利于形成粒徑分布窄、形態均一的納米粒子。
