微流场反应技术：为传统化工搭建“桌面工厂”

　　微流场反应技术可实现反应传质传热及速率数量级的提升，并提升过程安全性。曾获2017年度国家技术发明二等奖的基于微流场反应技术的生物基无毒增塑剂及其衍生物连续绿色制造项目，有效解决了生物基无毒增塑剂传统间歇工艺存在的生产安全性差、过程难以控制、产品质量差等问题，实现了环氧增塑剂衍生产品生物基聚氨酯硬泡多元醇的高效制备，为增塑剂产业无毒化转型升级及衍生应用提供技术支撑。

　　传统化工反应工艺以间歇式偏多，反应及分离效率不高，污染物排放严重;工艺路线过长，操作不当易造成安全及环境事故，这些都严重阻碍了化工生产的绿色智能化发展进程。

　　据该项目负责人、南京工业大学生物与制药工程学院院长郭凯教授介绍，微流场反应技术是一项反应及分散特征尺度在百微米级的过程强化技术。该技术为传统化工搭建了一座“桌面工厂”，同时也为化工行业的绿色发展指明了方向。“相较传统的化工技术，我们开发的微流场反应技术通过微尺度效应可以将超过百吨的反应装置实现体积千倍的缩小，以‘桌面工厂’的模式实现传统大型化工生产过程;同时又数千倍地提升反应速度，将化工反应由十几小时缩短到数十秒钟，实现化工反应过程传质传热效率及反应速度2~3个数量级的提升、在线反应体积3个数量级的缩小。”郭凯表示。

　　谈及项目的现实意义时，郭凯这样说，作为连续流技术，微流场反应技术可以大幅提升化工反应选择性，使污染降低排放50%以上、能耗降低40%以上。而且，微流场反应技术在提升反应效率的同时强化反应过程安全性，实现了化工的清洁安全生产。

　　“然而，微流场反应技术规模化工程应用是国际共性难题。这是因为传统微通道反应尺度在百微米级别，一旦尺度扩大则会导致复杂有机化学反应体系微流场效应丧失。我们团队的研究成果已能在厘米尺度下保持微流场效应。”郭凯说。

　　郭凯团队在攻克微流场反应技术尺度放大与尺度效应难以同步、多单元系统集成困难、高效工程装备缺失等技术瓶颈后，与国内多家生产企业合作，实现了微流场反应技术在万吨级工业生产中的应用。特别值得一提的是，该项目完成了高品质生物基无毒增塑剂及其系列衍生产品的规模化绿色制造。

　　增塑剂能改变塑料又硬又脆的特性，使其具有柔韧性，便于制品弯曲成型等。据郭凯介绍，由于技术和成本的原因，现在市场上很多塑料制品使用的仍然是传统增塑剂，而美国FDA和欧盟认证的两类无毒增塑剂——柠檬酸酯类及环氧植物油类产品，尚未在国内大范围使用。

　　“我们革新了传统釜式生产模式，在生物基无毒增塑剂生产中采用了微流场管路式反应器，通过构建合适流场结构，保持微流场效应同时，将边界尺度拓展至厘米级别，使反应器单流场通量达到万吨级规模。”研究团队主要成员方正副教授进一步解释，“百微米尺度的传统微通道反应器每年只能生产几百千克，最多几吨的增塑剂，难以满足生产及市场需求;而厘米级管径的反应器每年能生产增塑剂上万吨，不仅实现连续化安全生产，而且显著提高了产品品质，从而有效地解决了规模化应用的问题。”

　　微流场反应技术在实体制造业的运用，推进了“桌面工厂”的有益尝试，为行业带来了福音。

　　其中，在江苏雷蒙化工科技有限公司、江苏向阳科技有限公司及张家港市飞航科技有限公司，实现了基于微流场反应技术的高品质增塑剂(柠檬酸酯产品、环氧脂肪酸甲酯产品)及增塑剂下游产品(生物基聚氨酯硬泡多元醇产品)的连续化生产。方正教授补充说：“我们合作厂家生产的柠檬酸酯等产品通过中国、美国以及欧盟等国内外权威机构的认证，在国内外多家企业获得应用，解决了增塑剂反应品质低下和生产安全问题。应用该项技术企业近3年新增销售额达16.28亿元，新增利税2.58亿元。”

　　“得益于技术支持，应用企业的制品成本远远低于同类产品，其产品占有高端市场95%的份额。因此，微流场反应技术对产业的绿色智能化发展具有很强的支持作用，符合资源节约、环境友好‘两型’社会要求。”郭凯说。

　　该项目还获得了国家“973”计划、国家重大专项、国家自然科学基金及校企合作项目等支持。项目相关技术共申请国家发明专利32项，其中授权专利21项，发表SCI论文11篇。