化工过程强化技术在多相体系传质中的创新应用

引言

在化工产业蓬勃发展的当下，多相体系广泛存在于各类化工生产过程中，其传质过程对反应效率、产品品质及资源利用率起着决定性作用。气 - 液、液 - 液、气- 固、液 - 固等多相体系的传质效率，直接关系到化工生产的经济效益与环境效益。然而，传统化工过程在多相体系传质方面存在效率低下、能耗高、设备庞大等问题。随着化工产业规模的持续扩张，以及环保法规的日益严苛，传统传质技术已难以满足行业高效、绿色、可持续发展的需求。化工过程强化技术作为一种新兴技术，通过革新设备结构、优化工艺操作与引入新技术，为提升传质效率、降低能耗提供了新方向。深入探究其在多相体系传质中的创新应用，对推动化工行业技术革新、增强产业竞争力具有重要意义。

第一章 多相体系传质面临的挑战

1.1 传质阻力大

多相体系中，相界面是传质的关键区域，但同时也存在着显著的传质阻力。在气 - 液体系中，气体分子从气相主体向气 - 液界面扩散时，需克服气相侧的扩散阻力；在气 - 液界面处，气体分子溶解进入液相主体还需跨越相界面阻力以及液相侧的扩散阻力。以吸收过程为例，气体溶质在气相中的扩散速度较慢，且在气 - 液界面的溶解过程也受到多种因素制约，这些阻力共同作用，严重限制了传质速率。在液 - 固体系中，溶质从液相主体向固体表面扩散时，需要穿过液相边界层，而在固体表面发生吸附或反应时，又存在表面反应阻力，使得传质过程变得更加复杂和困难。

1.2 相界面面积有限

传统化工设备如搅拌釜、鼓泡塔等，在促进多相混合以形成相界面方面存在局限性。普通搅拌釜主要依靠搅拌器的机械搅拌作用来分散气 - 液或液 - 液两相，但搅拌器的搅拌强度和范围有限，难以实现两相的充分分散，导致形成的相界面面积相对较小。在鼓泡塔中，气体以气泡形式通过液体，气泡的大小和分布不均匀，也限制了气 - 液相界面面积的增加。相界面面积不足，使得物质传递的有效接触面积受限，无法满足高效传质的需求，进而影响化学反应的进行。

1.3 传质过程不均匀

多相体系中流体流动状态的复杂性，导致传质过程呈现出明显的不均匀性。在大型反应器内，靠近搅拌桨或气体分布器的区域，由于流体的剧烈运动和充分混合，传质速率较高；而在反应器的角落、底部或存在流体流动死角的区域，流体流动缓慢甚至停滞，传质速率极低。这种传质的不均匀性会导致反应体系内各部分的反应进程不一致，影响反应效率和产品质量的稳定性。在一些对反应条件要求严格的化工生产过程中，传质不均匀可能导致局部过热、过浓等问题，引发副反应的发生，降低产品的收率和纯度。

第二章 化工过程强化技术原理

2.1 增加相界面面积

化工过程强化技术通过设计特殊结构的设备或采用新型功能材料，能够有效增加多相体系的相界面面积。微反应器是其中的典型代表，其内部具有微米级甚至纳米级的微小通道和复杂流道结构。当多相流体在微反应器的微小通道内流动时，两相或多相能够实现高度分散和充分接触，极大地增加了相界面面积。

2.2 增强流体混合

利用特殊设计的设备或装置，强化流体的流动与混合效果，是化工过程强化技术的重要原理之一。旋转填充床借助高速旋转产生的强大离心力，使流体在填料层中产生强烈的湍流和剪切作用。在旋转填充床内，液体被高速旋转的填料层分散成极薄的液膜或细小的液滴，与气体或另一液相充分接触和混合，极大地增强了传质过程。静态混合器则依靠内部特殊的混合元件，将流体不断分割、混合和重组，使流体在流动过程中实现充分的混合，破坏传质边界层，减薄边界层厚度，降低传质阻力，提高传质效率。

2.3 利用外部能量

引入超声、微波、电场、磁场等外部能量，能够为多相体系的传质和反应提供额外的驱动力，促进物质的传递和化学反应的发生。超声作用下产生的空化效应，会在液体中形成大量微小空化泡，这些空化泡在崩溃瞬间产生局部高温、高压环境以及强烈的冲击波和微射流。这种特殊的物理环境能够加速物质的传质过程，同时还能促进化学反应的进行。

3.1 微反应器在气 - 液体系传质中的应用

微反应器在气 - 液体系传质中展现出卓越的性能。在甲醇氧化制甲醛的工业生产过程中，传统固定床反应器存在传质效率低、反应温度难以控制、易发生副反应等问题。采用微反应器进行甲醇氧化制甲醛反应时，气 - 液两相在微通道内实现了高度均匀的分散和充分接触。研究数据表明，与传统固定床反应器相比，微反应器使甲醇的转化率从 6 5 % 提升至 8 5 % 以上，甲醛的选择性从 80 % 提高到 92 % ，反应速率提高了 3 - 5 倍。这主要得益于微反应器内部极大的相界面面积和高效的传质效率，使得反应物分子能够快速传递和反应，同时微反应器良好的传热性能有效避免了局部过热现象，减少了副反应的发生。

3.2 旋转填充床在液 - 液体系传质中的应用

旋转填充床在液 - 液体系的传质过程，尤其是萃取过程中具有显著优势。在处理含酚废水的萃取工艺中，传统萃取塔的传质系数通常在 0 . 0 1 - 0 . 0 5 m / s 之间，传质效率较低 。而采用旋转填充床进行液 - 液萃取时，在高速旋转产生的离心力作用下，液 - 液两相在填料层中快速分散、混合和更新相界面，传质系数可大幅提升至 0 . 1 - 0 . 5 m / s ，提高了数倍甚至数十倍。

3.3 超声强化在固 - 液体系传质中的应用

超声强化技术在固 - 液体系传质中发挥了重要作用。以氧化铜矿的硫酸浸出过程为例，传统浸出方法需要在高温 ）和较长时间 （ 4 - 6 h） ）的条件下进行，铜的浸出率仅为 6 0 % - 7 0 % 。引入超声强化技术后，在相同的硫酸浓度条件下，浸出温度可降低至 ，浸出时间缩短至 2 ？ 3 h ，铜的浸出率提高到 8 5 % -90 % 。超声产生的空化泡在崩溃时产生的冲击波和微射流能够破坏矿物表面的扩散层，加速硫酸分子向矿物表面的扩散以及铜离子从矿物表面向液相主体的传递；同时，超声的机械效应促进了固体颗粒的分散，防止颗粒团聚，增加了固 - 液接触面积，有利于传质过程的进行。

3.4 微波辅助在气 - 固体系传质中的应用

微波辅助技术在气 - 固体系传质中具有独特的优势。在活性炭吸附废气中有机污染物的过程中，传统吸附方式达到吸附平衡通常需要 。采用微波辅助技术后，由于微波对活性炭的选择性加热作用，活性炭表面温度在短时间内迅速升高，吸附质分子的扩散速率加快，吸附平衡时间缩短至 1 - 2 h 。

结束语

化工过程强化技术将朝着多技术耦合集成、智能化与自动化、绿色化与可持续发展等方向持续发展。未来，多技术耦合集成将发挥各技术的协同优势，进一步提升传质效果；智能化与自动化将实现传质过程的精准控制和优化运行；绿色化与可持续发展将推动化工生产减少对环境的影响，提高资源利用率。化工过程强化技术有望为化工行业的转型升级和可持续发展提供强有力的技术支撑，助力化工产业迈向高效环保的新时代，在化工领域展现出更加广阔的应用前景。

参考文献：

[1]金晓明，张泉灵，苏宏业.先进控制技术在纯碱生产碳化过程中的应用[J].化工学报，2008，059（007）：1761-1767.