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设备大型化是化学工业发展的传统方向，但其在获取规模效益的同时也伴随着日益突出的效率、安全和环境等问题。与之相反，设备微（小）型化可以在设备体积大幅度减小的情况下提高时空效率，实现大规模工业生产和化工过程的安全可控，被认为是现代化工发展理念的一次重大**。由清华大学骆广生教授、吕阳成副教授等完成的微结构化工传质设备及其工业应用项目，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**水平，并由此荣膺国家科技奖技术发明二等奖。
微化工技术是上世纪90年代初兴起的前沿技术，其基础是微尺度多相流动、传递和反应，这为实现更加**、安全的物质转化过程创造了条件。例如，目前工业应用的烃类硝化反应时间一般在数十分钟至数小时，而利用微化工技术反应时间可缩短至数秒。微化工技术产业化的关键是创制微结构化工设备，其中的关键科学问题是面向复杂工业体系的微米级气泡群/液滴群大规模制备的机理与方法。美国、德国、日本等化工强国自上世纪90年代起便展开微结构化工设备研究，但至今鲜见在大规模化工生产中应用的报道。
项目组经过多年攻关，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终于取得了重大**，先后研制了膜分散设备、微筛孔设备和并流微槽设备，并**成功应用于大规模化工生产。骆广生教授表示，与传统化工设备相比，微结构设备具有传质效率高、放大效应小、安全可控等优点，可大幅度提高反应过程中资源和能量的利用效率，其推广应用将有助于化学工业向**、绿色和安全的方向迈进，并产生巨大的经济和社会效益。
针对气—液、液—液传质过程大规模应用的要求和微细结构加工量大、成本高的难题，项目组研发了多通道式膜分散设备，并在国际上率先**了微结构设备大规模应用的技术难题。骆广生教授介绍，以Ca(OH)2浆料吸收CO2制备纳米碳酸钙为典型过程，项目组发明了膜分散制备纳米碳酸钙技术。该过程不仅要求气液相间传质在毫秒级时间内完成以提高过饱和度进而减小粒径，还要求反应器内气液混合均匀以使纳米颗粒粒径分布窄。常规设备碳化塔、搅拌式反应器等无法达到这些要求。
膜分散设备将气液两相的接触尺度控制在微米级，完成相间传质的时间小于100ms，而薄层剪切分散保证了气液混合均匀，从而实现了颗粒直径在10~70nm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Ca(OH)2浆料吸收CO2制备纳米碳酸钙工业化微结构设备，单台处理量达到200m3/h，停留时间<100ms，体积传质系数较塔式、管式等常规设备高1~2个数量级。工业生产表明，新技术具有产品质量可控、CO2利用率高、能耗低、放大效应小等突出优势。
化工体系和工艺的复杂性给微结构设备的材质选择和结构参数设计带来了诸多挑战。例如湿法磷酸萃取净化过程体系涉及无机酸、有机溶剂www.zzyycc.com/haoft/、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。
针对上述过程工况差异大、对材质要求高等情况，项目组创新放大设计方法，成功研制了以耐腐蚀材料为主体单台P2O5产能5kt/a的微筛孔设备并连续稳定运行至今，该设备能够很好地适应强腐蚀性的湿法磷酸体系，可完全替代引进设备，打破了Bateman等国外公司在该领域的垄断。与引进设备相比，设备的体积缩小到1/2000，制造成本为其1/50，开车时间由原来的5~7天缩短到2~4分钟。在相比3~20范围内其传质效率均可达到95%以上，体现了微筛孔设备良好的可设计性。
此外，对许多复杂体系如含固渣、界面张力高、两相物性差异大的体系，利用亚毫米级的微筛孔仅靠剪切作用很难得到微米级液滴，且固渣可能阻塞微筛孔，难以实现**传质和设备稳定运行。项目组提出流体预分散的方案，研制出通量大、易加工，效率高的堆叠式并流微槽设备，在处理含固体系时不易结垢和堵塞，并已于2008年11月在160kt/a己内酰胺酸团萃取过程中实现了工业应用。这是在全球范围内工业化微萃取器的**工业应用。
该设备与从意大利引进的装置相比，其传质效率从85%提高到98%以上，且在相同回收率情况下萃取剂用量可减少30%，在相同操作条件下可降低中间体环己烷羧酸损失50%，与之相配套的相分离设备可提高处理能力50%。 |
