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书名：中国学科发展战略·化工过程强化
定价：168.0
ISBN：9787030544063
作者：国家自然科学基金委员会 中国科学院
版次：1
出版时间：2017-11
在线试读：
第*章 绪论
化工过程要获得*大的反应转化速率和*少的副产物，浓度和温度分布要均匀。过程强化是提高单位体积的反应、传热和传质速率，使化学系统或催化剂发挥全部潜能。基于“三传一反”的N-S方程中包含物质传递、能量传递、动量传递，遵循对流机制和扩散机制。对流机制是流体主体流动产生的物理量在空间的输运，而扩散机制是物理量在空间有梯度而产生的推动力。反应过程作为源项耦合在传质方程中。因此，从广义上说，过程强化无非是对“物质传递、能量传递、动量传递”进行强化以及对反应过程本身的强化。具体实施途径：催化过程；特殊的反应介质（如离子液体、超临界流体）和高密度能源（如微波、超声）、离心场的应用；具有高比表面积的结构化反应器、微反应器以及反应器的周期操作等。按照强化的手段和方法可归纳为新材料（介质）强化、外场强化、核心反应器（装备）强化、系统耦合强化四个领域。
一、新材料（介质）强化
新材料（介质）既可作为催化材料和催化剂［结构化催化剂、膜催化材料与催化剂、生物催化剂、离子液体（催化剂）等］对反应过程本身通过内因进行化学强化，也可以作为新型分离介质材料［如超临界流体、离子液体（溶剂）等］通过外因对扩散传质进行物理强化。
复杂反应体系的化学工程特征都是多相流动-反应的非线性高度耦合，目前应用过程中存在的突出问题是反应器内原料与催化剂接触不均匀、传热传质效率低等导致传递环境与*优反应历程不协调，影响了原料定向催化转化反应的发生。催化剂的微观结构是由大量微观粒子（原子、分子、离子、电子）组成的，处于配位不饱和等多种亚稳状态，因而具有较大的活化反应分子的能力；原子之间的凝聚作用形成的亚微观团簇，化学键处于非定域化状态，团簇尺寸、缺陷种类/数量决定底物分子的吸附和反应行为；催化剂颗粒的介观形貌、尺寸、分散度、晶面取向、载体的孔结构均对催化剂的活性和选择性具有显著影响；催化剂的宏观形状、多级结构协同效应、传质/传热过程强化，*终影响催化剂的活性和全寿命周期。因此，开展催化剂为主的过程内因强化具有重要意义。例如，结构化催化剂的强化主体由金属或非金属制成，其内部有大量截面均匀、微型直线通道。为了获得足够的孔隙率和催化活性表面，通道内壁通常覆盖涂层作为催化活性物质的载体从而实现过程反应强化；膜催化可通过控制某些反应物的进料分布，从而提高反应的选择性和收率或促进传质过程（如通过中空纤维膜实现直接供氧或溶解于液相）起到强化作用；生物催化过程强化的核心问题有：高效酶的发现和工程化、纳米酶的构建、包括辅酶在内的多酶协调催化体系、合成生物学技术开发和高效人工细胞构建等。
此外，在化工过程中，约90%的反应/分离需要材料介质（催化剂和溶剂）才能完成，因而材料介质创新是实现化工过程温和高效转化的重要途径。新型介质和材料的出现，常常会带来重大的技术变革，同时也会对传统的理论方法、研究手段和计算模型提出挑战，如超临界流体、离子液体。超临界流体是指物质处于近临界区（1.2＞Tr=T/Tc＞0.95，5＞P/Pc＞1）状态时作为流体表现出一些特有性质。其密度可在类似液体与气体之间变化，因而溶剂化能力很强，压力和温度的微小变化可导致其密度显著变化，从而对溶剂的溶解度能力等带来很大的变化；黏度、扩散系数等接近于气态下的数值而远高于液体状态，因此超临界流体具有良好的扩散传递性能等。超临界流体广泛用于萃取分离、反应、生物医药、材料制备等各个领域。离子液体介质具有液态温度范围宽、不易挥发、溶解能力强、电化学窗口宽等一系列优点。更重要的是，离子液体的可设计性使其可通过修饰或调整正负离子的结构及种类来调控其物理化学性质，从而选择和设计适合自己需要的类型和结构加以应用。目前离子液体作为溶剂、催化剂、电解液等，已在石油化工、煤化工、合成材料、环境保护、电化学等方面展现了广阔的应用前景。
二、外场强化
化工过程强化技术的发展与进步给相关的化工行业注入了新的动力和活力。化工过程强化技术包括过程强化设备和过程强化方法，前者主要包括具有高效的混合、传热和传质性能的反应器和单元操作设备，后者主要包括反应-分离集成的多功能反应器、替代能量（离心力、超声波、微波、光、电、磁、等离子体等外场）和新的过程控制方法（如振荡等非稳态操作）。新方法需要开发新设备，新设备开发也基于新方法，尤其对于外场强化。
“场”普遍存在于自然界中。狭义上讲，将某一物理量在空间区域内的分布称为“场”；广义上讲，也可将能产生空间化学势差异的推动力称为“场”。在化学工业领域，反应和分离过程所使用的化工设备中就存在着各种场，如温度场、浓度场、密度场、速度场、压力场、引力场、重力场等。常规化工强化方式主要可借助于搅拌或构建新型的反应器内部结构来实现，搅拌是通过外部机械能转换成相关的流体混合所需要的动能，实现流体的主动式混合，而依靠反应器新型的内部构件可实现流体间被动式混合，但这两者的强化程度仍有待改善。利用外部替代能量的输入，如超重力场（利用转子转动产生的强离心力场）、磁场（磁场作用下，磁性颗粒聚集形成具有空间有序结构的磁链，可有效消除沟流和节涌、破碎气泡和大的颗粒聚团，大幅提高流固相接触效率）、超声场（主要利用空化声流和瞬态空化所形成的局部高温高压环境，引起流体的微扰和湍动，进而强化混合与传质，促进反应过程强化）、等离子体场（利用其高能电子及其他粒子所具有很高的反应活性和特殊的物理、化学性质）和微波（一种可穿透某些物质与极性组分作用产生热量的电磁能，以离子传导和偶极子转动两种方式直接作用于分子）等外场可大幅度提高化工过程的流动、混合、传质和传热性能。由此可见，外场强化是实现绿色化工的重要手段之一，也是当前化学工程领域优先发展的方向之一，尤其可为极端条件下的化工过程强化提供新途径，实现化工过程节能减排、绿色化和安全生产。
近年来，我国在超重力、等离子体、磁稳床、声化学反应器和微波技术等外场强化方面围绕关键科学问题，在基础研究、应用基础研究以及工业应用等方面取得了一系列重要进展。
三、核心反应器（装备）强化
化工关键装备创新是实现化工过程强化的重要途径之一，也是化工过程强化的*重要研究方向。化工装备是实现化工生产过程的基础，若没有化工装备也就没有现代化学工业的诞生，它是保障化工工艺条件实施和化学产品质量的重要基础。例如，反应器作为化学工业的核心装备，它直接决定反应性能、产品质量、能耗以及物耗等。对于同一反应体系，若反应器形式不同，即使在同样的操作条件下，其反应性能也会表现出明显的不同，因为在不同的反应器内，流体的流动、混合、分散、传递性能均会有明显的差异，这些差异将直接影响体系的停留时间、反应器内的温度分布和浓度分布，进而决定反应过程的转化率、选择性等。因此反应器创新一直是化学工程学科的重要研究方向。再如分离装备，它与反应器一样是化学工业的核心装备。分离装备将在很大程度上决定一个化工企业投资、生产过程的能耗和物耗以及产品质量。对于同样的分离体系，若分离装备不一样，其中的多相流体的流动、分散和混合状态均会有明显的不同，这将直接决定分离体系内的传质面积、传质距离、流动的非理想性等，进而决定分离过程的收率、选择性和产品纯度等。因此分离装备的创新也一直受到研究者的广泛关注。总之，化工关键装备的创新是实现化学工业及其相关产业绿色、安全和高效的基础，是化工过程强化研究的重要组成部分。
近年来，化工装备创新及其过程强化技术已成为化工学科研究的前沿和化工产业发展的重要方向，国内外众多研究者开展相关方面的研究工作，部分工作也取得了突出进展。例如，通过提高换热器效率可将一个反应过程用时从原有的十几小时降到十几分钟；利用结构化反应器在同样的生产能力下可将反应器体积减小2个数量级；利用微反应器可以有效提高传质和传热性能，较常规设备的传质性能可提高至少1个数量级；利用转盘反应器可将某些体系的反应时间大幅度缩短、产品纯度大幅度提高。从目前的研究成果和产业化应用效果来看，对于化工关键装备创新及其过程强化技术的学术思想主要表现为以下三个方面。
（1）设备尺度强化技术：即通过空间尺度的大幅度减小实现传递距离大幅度减小和传递比表面积的巨大提高，大幅度提高传递速率，进而强化反应和分离过程，这类创新的典型代表为微反应器、微换热器、微型传质设备和转盘反应器等。
（2）设备结构强化技术：即通过反应器和分离设备内构件结构创新为反应和分离过程提供均一理想的环境，大幅度降低系统的非理想性，进而大幅度提高反应和分离过程的选择性和效率，其典型代表为结构反应器、静态混合反应器、分散-聚并型脉冲筛板塔和规整填料塔等。
（3）速率匹配强化技术：即通过对于体系反应动力学和传递动力学性质的充分了解，优化反应器结构和能量输入大小及方式，实现传递和反应速率的匹配，进而有效降低反应和分离过程的能耗和物耗，有效提高过程的选择性，其典型代表为聚合反应器和生物反应器的创新及其过程强化。
近年来，我国化工研究者在化工关键装备创新及其过程强化技术方面同样取得了一些突破，如在微反应器、旋转床（盘）反应器、静态混合反应器、燃料电池关键装备、聚合反应器、生物反应器、旋流分离设备等均有创新，并产生了一些过程强化新技术，这些过程强化新技术对我国化学工业的技术进步以及化工基础理论的发展均产生了重要影响。
四、过程耦合强化
众所周知，几乎所有的化学工业系统中都含有反应与分离这两个重要的过程。化工生产的原料来源广泛、产品质量要求高，待分离体系组成、化学反应机理复杂。因此，化工生产通常涉及多种分离、反应的单元操作过程。其中，分离过程占整个化工生产过程能耗的比例极大（70%～80%）。同时，由于受到体系平衡态和副反应的限制，多数反应过程的转化率难以进一步提升。单一的分离和反应过程已经难以同时满足多组分、高纯度、精细化和经济环保等多重的化工产品生产需求。因此，需要将各种过程耦合，通过建立优势互补的新型高效组合技术和工艺流程，实现过程强化，提高生产效率，降低过程能耗，减少废物排放，达到总体效益*优及环境影响*小的效果，推进化工产业向绿色、高效化升级。化学工业中的过程耦合强化包含多重内涵，它既包括分离和反应过程之间的耦合强化，又包括各种分离过程之间的耦合强化。
对于分离-反应过程的耦合强化，通过分离过程将反应物与产物及时分离，打破化学反应平衡，从而促进目标反应的进行，达到提高反应转化率和选择性的目的。同时，通过化学反应将难分离组分彻底转化为其他物质，从而改变原有分离体系的组成和相平衡状态，实现分离推动力的增强，以获得较纯的目标产品。通过这两种互为因果的途径，保障了反应进程和分离效果的协同强化。因此，通过将反应与分离过程耦合，可以充分发挥过程的潜力，实现反应器和分离器在时间、空间尺度上的耦合集成、反应和分离的过程强化。例如，反应结晶是将化学反应过程和结晶分离过程相耦合，利用化学反应生成某种难溶或微溶的固相物质的结晶过程。在反应结晶过程中，初始过饱和度过高使得成核难以控制、纳米级的粒子的聚结难以有效控制、溶液结晶过程中晶体粒子的外部生长环境难以调控，从而使得晶体产品的晶须以及粒径难以得到有效的调控，研究反应结晶过程的机理与调控关键能够有效促进高端功能粒子产品的精制技术发展。再如，反应精馏是化学反应过程与精馏分离过程的有机耦合。反应精馏与反应、精馏分别进行的传统生产工艺相比，具有反应转化率高、产品选择性高、能耗和物耗低、流程简单、产品分离负荷低、生产能力高、可连续化生产及投资少等优点。反应精馏耦合技术作为重要的化工过程强化技术之一，它不仅实现了反应过程与分离过程的有机结合，更重要的是通过反应与分离过程的耦合实现反应过程与分离过程的相互强化。
对于分离-分离过程的耦合强化，其特点是利用精馏、结晶、吸附、吸收、膜分离等不同分离技术的分离特性、成本特征和组合效应，通过多技术耦合的协同增效和优势互补，突破单一处理技术难以实现的复杂组分、宽浓度范围原料的综合分离和回收。分离物系的复杂性和多种分离技术的综合使用，对耦合技术的模拟和设计提出了更高的要求，这推动了化工数学模型、准确的过程模拟和分离序列设计方法的研究进程。同时，随着对过程设计精度的要求不断提高，分离系统的耦合集成度逐步提升，亟须对于分离体系的质量/能量流进行精确匹配和集成利用，这从根本上推动了传质、传热和反应过程耦合强化的新型分离技术开发。例如，对于CO2这种典型的温室气体和常见的大宗气体原料，其捕集和提纯可通过吸收、吸附、膜分离、精馏等多种技术处理，而各种技术又有其各自的优势分离区间和成本特性，通过建立分离效率判据，确定吸收/膜分离/吸附精馏集成分离流程，可以低能耗、低成本地获得CO2气体粗产品。然后，采用吸附-精馏耦合过程将粗产品进一步分离，从而突破了现有CO2分离和提纯过程中能耗高、不能制备超纯CO2的技术瓶颈，进一步延伸CO2产品的产业链。通过分离过程的耦合强化，不仅可捕集、提纯和产品化大宗温室气体原料，实现产品价值提升和环境保护的双重目标，还可综合处理含有能源型气体组分（烃类、氢气等）的多源头、宽浓度范围废气，“变废为宝，变害为利”。例如，围绕低能耗、易耦合的膜分离技术构筑多技术耦合分离过程，通过流程整体设计与协同优化，整合各种分离技术对不同气体组分的分离特征，构建协同增效的耦合流程拓扑结构，解决化工气体处理中气源组成多、浓度变化大、非稳态排放等特点与单一分离技术局限性之间的矛盾，同时进一步提升过程的稳定性和适用性。
此外，伴随着耦合强化分离技术的发展，需要配套的新型高效分离过程装置随之进步，为进一步强化反应、分离过程的效果和控制精度，满足高纯度、精细分离、低能耗、环保等多重分离需求打下基础。
我国相关高等院校和科研院所的研究团队，针对高效过程耦合强化的瓶颈问题展开攻关研究，取得了优异的系列科研成果，在功能粒子产品、反应精馏、CO2高效捕集与提纯、炼厂气综合回收等领域形成了一系列有代表性的先进技术和应用工程，对我国化工产业的节能减排、产业转型升级作出了重要贡献。
定价：168.0
ISBN：9787030544063
作者：国家自然科学基金委员会 中国科学院
版次：1
出版时间：2017-11
在线试读：
第*章 绪论
化工过程要获得*大的反应转化速率和*少的副产物，浓度和温度分布要均匀。过程强化是提高单位体积的反应、传热和传质速率，使化学系统或催化剂发挥全部潜能。基于“三传一反”的N-S方程中包含物质传递、能量传递、动量传递，遵循对流机制和扩散机制。对流机制是流体主体流动产生的物理量在空间的输运，而扩散机制是物理量在空间有梯度而产生的推动力。反应过程作为源项耦合在传质方程中。因此，从广义上说，过程强化无非是对“物质传递、能量传递、动量传递”进行强化以及对反应过程本身的强化。具体实施途径：催化过程；特殊的反应介质（如离子液体、超临界流体）和高密度能源（如微波、超声）、离心场的应用；具有高比表面积的结构化反应器、微反应器以及反应器的周期操作等。按照强化的手段和方法可归纳为新材料（介质）强化、外场强化、核心反应器（装备）强化、系统耦合强化四个领域。
一、新材料（介质）强化
新材料（介质）既可作为催化材料和催化剂［结构化催化剂、膜催化材料与催化剂、生物催化剂、离子液体（催化剂）等］对反应过程本身通过内因进行化学强化，也可以作为新型分离介质材料［如超临界流体、离子液体（溶剂）等］通过外因对扩散传质进行物理强化。
复杂反应体系的化学工程特征都是多相流动-反应的非线性高度耦合，目前应用过程中存在的突出问题是反应器内原料与催化剂接触不均匀、传热传质效率低等导致传递环境与*优反应历程不协调，影响了原料定向催化转化反应的发生。催化剂的微观结构是由大量微观粒子（原子、分子、离子、电子）组成的，处于配位不饱和等多种亚稳状态，因而具有较大的活化反应分子的能力；原子之间的凝聚作用形成的亚微观团簇，化学键处于非定域化状态，团簇尺寸、缺陷种类/数量决定底物分子的吸附和反应行为；催化剂颗粒的介观形貌、尺寸、分散度、晶面取向、载体的孔结构均对催化剂的活性和选择性具有显著影响；催化剂的宏观形状、多级结构协同效应、传质/传热过程强化，*终影响催化剂的活性和全寿命周期。因此，开展催化剂为主的过程内因强化具有重要意义。例如，结构化催化剂的强化主体由金属或非金属制成，其内部有大量截面均匀、微型直线通道。为了获得足够的孔隙率和催化活性表面，通道内壁通常覆盖涂层作为催化活性物质的载体从而实现过程反应强化；膜催化可通过控制某些反应物的进料分布，从而提高反应的选择性和收率或促进传质过程（如通过中空纤维膜实现直接供氧或溶解于液相）起到强化作用；生物催化过程强化的核心问题有：高效酶的发现和工程化、纳米酶的构建、包括辅酶在内的多酶协调催化体系、合成生物学技术开发和高效人工细胞构建等。
此外，在化工过程中，约90%的反应/分离需要材料介质（催化剂和溶剂）才能完成，因而材料介质创新是实现化工过程温和高效转化的重要途径。新型介质和材料的出现，常常会带来重大的技术变革，同时也会对传统的理论方法、研究手段和计算模型提出挑战，如超临界流体、离子液体。超临界流体是指物质处于近临界区（1.2＞Tr=T/Tc＞0.95，5＞P/Pc＞1）状态时作为流体表现出一些特有性质。其密度可在类似液体与气体之间变化，因而溶剂化能力很强，压力和温度的微小变化可导致其密度显著变化，从而对溶剂的溶解度能力等带来很大的变化；黏度、扩散系数等接近于气态下的数值而远高于液体状态，因此超临界流体具有良好的扩散传递性能等。超临界流体广泛用于萃取分离、反应、生物医药、材料制备等各个领域。离子液体介质具有液态温度范围宽、不易挥发、溶解能力强、电化学窗口宽等一系列优点。更重要的是，离子液体的可设计性使其可通过修饰或调整正负离子的结构及种类来调控其物理化学性质，从而选择和设计适合自己需要的类型和结构加以应用。目前离子液体作为溶剂、催化剂、电解液等，已在石油化工、煤化工、合成材料、环境保护、电化学等方面展现了广阔的应用前景。
二、外场强化
化工过程强化技术的发展与进步给相关的化工行业注入了新的动力和活力。化工过程强化技术包括过程强化设备和过程强化方法，前者主要包括具有高效的混合、传热和传质性能的反应器和单元操作设备，后者主要包括反应-分离集成的多功能反应器、替代能量（离心力、超声波、微波、光、电、磁、等离子体等外场）和新的过程控制方法（如振荡等非稳态操作）。新方法需要开发新设备，新设备开发也基于新方法，尤其对于外场强化。
“场”普遍存在于自然界中。狭义上讲，将某一物理量在空间区域内的分布称为“场”；广义上讲，也可将能产生空间化学势差异的推动力称为“场”。在化学工业领域，反应和分离过程所使用的化工设备中就存在着各种场，如温度场、浓度场、密度场、速度场、压力场、引力场、重力场等。常规化工强化方式主要可借助于搅拌或构建新型的反应器内部结构来实现，搅拌是通过外部机械能转换成相关的流体混合所需要的动能，实现流体的主动式混合，而依靠反应器新型的内部构件可实现流体间被动式混合，但这两者的强化程度仍有待改善。利用外部替代能量的输入，如超重力场（利用转子转动产生的强离心力场）、磁场（磁场作用下，磁性颗粒聚集形成具有空间有序结构的磁链，可有效消除沟流和节涌、破碎气泡和大的颗粒聚团，大幅提高流固相接触效率）、超声场（主要利用空化声流和瞬态空化所形成的局部高温高压环境，引起流体的微扰和湍动，进而强化混合与传质，促进反应过程强化）、等离子体场（利用其高能电子及其他粒子所具有很高的反应活性和特殊的物理、化学性质）和微波（一种可穿透某些物质与极性组分作用产生热量的电磁能，以离子传导和偶极子转动两种方式直接作用于分子）等外场可大幅度提高化工过程的流动、混合、传质和传热性能。由此可见，外场强化是实现绿色化工的重要手段之一，也是当前化学工程领域优先发展的方向之一，尤其可为极端条件下的化工过程强化提供新途径，实现化工过程节能减排、绿色化和安全生产。
近年来，我国在超重力、等离子体、磁稳床、声化学反应器和微波技术等外场强化方面围绕关键科学问题，在基础研究、应用基础研究以及工业应用等方面取得了一系列重要进展。
三、核心反应器（装备）强化
化工关键装备创新是实现化工过程强化的重要途径之一，也是化工过程强化的*重要研究方向。化工装备是实现化工生产过程的基础，若没有化工装备也就没有现代化学工业的诞生，它是保障化工工艺条件实施和化学产品质量的重要基础。例如，反应器作为化学工业的核心装备，它直接决定反应性能、产品质量、能耗以及物耗等。对于同一反应体系，若反应器形式不同，即使在同样的操作条件下，其反应性能也会表现出明显的不同，因为在不同的反应器内，流体的流动、混合、分散、传递性能均会有明显的差异，这些差异将直接影响体系的停留时间、反应器内的温度分布和浓度分布，进而决定反应过程的转化率、选择性等。因此反应器创新一直是化学工程学科的重要研究方向。再如分离装备，它与反应器一样是化学工业的核心装备。分离装备将在很大程度上决定一个化工企业投资、生产过程的能耗和物耗以及产品质量。对于同样的分离体系，若分离装备不一样，其中的多相流体的流动、分散和混合状态均会有明显的不同，这将直接决定分离体系内的传质面积、传质距离、流动的非理想性等，进而决定分离过程的收率、选择性和产品纯度等。因此分离装备的创新也一直受到研究者的广泛关注。总之，化工关键装备的创新是实现化学工业及其相关产业绿色、安全和高效的基础，是化工过程强化研究的重要组成部分。
近年来，化工装备创新及其过程强化技术已成为化工学科研究的前沿和化工产业发展的重要方向，国内外众多研究者开展相关方面的研究工作，部分工作也取得了突出进展。例如，通过提高换热器效率可将一个反应过程用时从原有的十几小时降到十几分钟；利用结构化反应器在同样的生产能力下可将反应器体积减小2个数量级；利用微反应器可以有效提高传质和传热性能，较常规设备的传质性能可提高至少1个数量级；利用转盘反应器可将某些体系的反应时间大幅度缩短、产品纯度大幅度提高。从目前的研究成果和产业化应用效果来看，对于化工关键装备创新及其过程强化技术的学术思想主要表现为以下三个方面。
（1）设备尺度强化技术：即通过空间尺度的大幅度减小实现传递距离大幅度减小和传递比表面积的巨大提高，大幅度提高传递速率，进而强化反应和分离过程，这类创新的典型代表为微反应器、微换热器、微型传质设备和转盘反应器等。
（2）设备结构强化技术：即通过反应器和分离设备内构件结构创新为反应和分离过程提供均一理想的环境，大幅度降低系统的非理想性，进而大幅度提高反应和分离过程的选择性和效率，其典型代表为结构反应器、静态混合反应器、分散-聚并型脉冲筛板塔和规整填料塔等。
（3）速率匹配强化技术：即通过对于体系反应动力学和传递动力学性质的充分了解，优化反应器结构和能量输入大小及方式，实现传递和反应速率的匹配，进而有效降低反应和分离过程的能耗和物耗，有效提高过程的选择性，其典型代表为聚合反应器和生物反应器的创新及其过程强化。
近年来，我国化工研究者在化工关键装备创新及其过程强化技术方面同样取得了一些突破，如在微反应器、旋转床（盘）反应器、静态混合反应器、燃料电池关键装备、聚合反应器、生物反应器、旋流分离设备等均有创新，并产生了一些过程强化新技术，这些过程强化新技术对我国化学工业的技术进步以及化工基础理论的发展均产生了重要影响。
四、过程耦合强化
众所周知，几乎所有的化学工业系统中都含有反应与分离这两个重要的过程。化工生产的原料来源广泛、产品质量要求高，待分离体系组成、化学反应机理复杂。因此，化工生产通常涉及多种分离、反应的单元操作过程。其中，分离过程占整个化工生产过程能耗的比例极大（70%～80%）。同时，由于受到体系平衡态和副反应的限制，多数反应过程的转化率难以进一步提升。单一的分离和反应过程已经难以同时满足多组分、高纯度、精细化和经济环保等多重的化工产品生产需求。因此，需要将各种过程耦合，通过建立优势互补的新型高效组合技术和工艺流程，实现过程强化，提高生产效率，降低过程能耗，减少废物排放，达到总体效益*优及环境影响*小的效果，推进化工产业向绿色、高效化升级。化学工业中的过程耦合强化包含多重内涵，它既包括分离和反应过程之间的耦合强化，又包括各种分离过程之间的耦合强化。
对于分离-反应过程的耦合强化，通过分离过程将反应物与产物及时分离，打破化学反应平衡，从而促进目标反应的进行，达到提高反应转化率和选择性的目的。同时，通过化学反应将难分离组分彻底转化为其他物质，从而改变原有分离体系的组成和相平衡状态，实现分离推动力的增强，以获得较纯的目标产品。通过这两种互为因果的途径，保障了反应进程和分离效果的协同强化。因此，通过将反应与分离过程耦合，可以充分发挥过程的潜力，实现反应器和分离器在时间、空间尺度上的耦合集成、反应和分离的过程强化。例如，反应结晶是将化学反应过程和结晶分离过程相耦合，利用化学反应生成某种难溶或微溶的固相物质的结晶过程。在反应结晶过程中，初始过饱和度过高使得成核难以控制、纳米级的粒子的聚结难以有效控制、溶液结晶过程中晶体粒子的外部生长环境难以调控，从而使得晶体产品的晶须以及粒径难以得到有效的调控，研究反应结晶过程的机理与调控关键能够有效促进高端功能粒子产品的精制技术发展。再如，反应精馏是化学反应过程与精馏分离过程的有机耦合。反应精馏与反应、精馏分别进行的传统生产工艺相比，具有反应转化率高、产品选择性高、能耗和物耗低、流程简单、产品分离负荷低、生产能力高、可连续化生产及投资少等优点。反应精馏耦合技术作为重要的化工过程强化技术之一，它不仅实现了反应过程与分离过程的有机结合，更重要的是通过反应与分离过程的耦合实现反应过程与分离过程的相互强化。
对于分离-分离过程的耦合强化，其特点是利用精馏、结晶、吸附、吸收、膜分离等不同分离技术的分离特性、成本特征和组合效应，通过多技术耦合的协同增效和优势互补，突破单一处理技术难以实现的复杂组分、宽浓度范围原料的综合分离和回收。分离物系的复杂性和多种分离技术的综合使用，对耦合技术的模拟和设计提出了更高的要求，这推动了化工数学模型、准确的过程模拟和分离序列设计方法的研究进程。同时，随着对过程设计精度的要求不断提高，分离系统的耦合集成度逐步提升，亟须对于分离体系的质量/能量流进行精确匹配和集成利用，这从根本上推动了传质、传热和反应过程耦合强化的新型分离技术开发。例如，对于CO2这种典型的温室气体和常见的大宗气体原料，其捕集和提纯可通过吸收、吸附、膜分离、精馏等多种技术处理，而各种技术又有其各自的优势分离区间和成本特性，通过建立分离效率判据，确定吸收/膜分离/吸附精馏集成分离流程，可以低能耗、低成本地获得CO2气体粗产品。然后，采用吸附-精馏耦合过程将粗产品进一步分离，从而突破了现有CO2分离和提纯过程中能耗高、不能制备超纯CO2的技术瓶颈，进一步延伸CO2产品的产业链。通过分离过程的耦合强化，不仅可捕集、提纯和产品化大宗温室气体原料，实现产品价值提升和环境保护的双重目标，还可综合处理含有能源型气体组分（烃类、氢气等）的多源头、宽浓度范围废气，“变废为宝，变害为利”。例如，围绕低能耗、易耦合的膜分离技术构筑多技术耦合分离过程，通过流程整体设计与协同优化，整合各种分离技术对不同气体组分的分离特征，构建协同增效的耦合流程拓扑结构，解决化工气体处理中气源组成多、浓度变化大、非稳态排放等特点与单一分离技术局限性之间的矛盾，同时进一步提升过程的稳定性和适用性。
此外，伴随着耦合强化分离技术的发展，需要配套的新型高效分离过程装置随之进步，为进一步强化反应、分离过程的效果和控制精度，满足高纯度、精细分离、低能耗、环保等多重分离需求打下基础。
我国相关高等院校和科研院所的研究团队，针对高效过程耦合强化的瓶颈问题展开攻关研究，取得了优异的系列科研成果，在功能粒子产品、反应精馏、CO2高效捕集与提纯、炼厂气综合回收等领域形成了一系列有代表性的先进技术和应用工程，对我国化工产业的节能减排、产业转型升级作出了重要贡献。