攻克效率瓶颈 破解“三高”难题——记技术发明特等奖大型多相反应过程微纳传质强化新技术

　　在化学工业中，一个困扰全球近百年的核心效率瓶颈长期存在：大多数多相反应器内分子传递的速度，远跟不上催化剂表面化学反应的速度；传统反应器中毫米甚至厘米级的传质界面，如同狭窄的“供给通道”，严重制约了整个系统的效能。这导致许多大型化工装置长期面临效率不高、能耗物耗居高不下的困境。

　　为攻克这一世界性难题，南京大学张志炳教授领衔的研究团队历经20余年持续攻关，开发出大型多相反应过程微纳强化新技术，成功将反应器的传质界面尺度从传统的毫米/厘米级提升至微纳米级，传质速率提高了三个数量级以上。该技术也因此于近日荣获2025年度中国石油和化学工业联合会科学技术奖中唯一的技术发明特等奖。

　　从产业瓶颈到理论突破：发现新规律，构建新模型

　　炼化、精细化工、能源材料等化学制造业是国民经济的支柱产业。然而，大型多相反应器效率低下、高端反应器技术长期依赖进口，严重制约了我国化学工业的绿色转型与高端化发展。这一瓶颈直接导致了部分大型装置“三高”(高能耗、高风险、高排放)问题突出，使得部分高端材料的生产自主化步履维艰。百万吨级渣油加氢浆态床反应器、十万吨级以上生物可降解材料L-聚乳酸(L-PLA)单体L-丙交酯生产的寡聚和合成反应器等，便是其中的典型代表。

　　这一问题在科学上可归结为一个经典理论局限。自1923年“双膜理论”创立以来，其关键参数“液膜传质系数”始终无法通过理论直接计算，成为多相反应过程精准设计与调控的长期障碍。“本征反应很快，但分子传递太慢。”张志炳团队发现，传质过程是扼住系统效率提升的关键瓶颈。

　　面对这一严峻挑战，研究团队首先在基础理论层面实现了从0到1的原始创新。他们发现在微纳尺度上，“气液传质液膜厚度与颗粒直径成正比”这一全新物理规律，并基于此原创发现，成功构建了微纳传质强化与反应强化的全新理论模型，从而系统性地创立了微纳界面传递的新理论与新方法。

　　为了验证理论，团队自主建立了OMIS和SPR成像系统，实现了对动态微纳颗粒体系的精确测试与表征。这套先进的实证系统，不仅为理论模型的正确性提供了坚实支撑，更直接指导了后续大型工业反应器的科学设计与精密制造，实现了从理论到实践的闭环。

　　从科学原理到工业装备：装备自主化，尺度全覆盖

　　在坚实理论的指引下，张志炳研究团队成功实现了从科学原理到系列核心装备的跨越。其核心成果是研发出具有自主知识产权的关键装备——微界面发生器(MIG)，并以此为基础，开发出覆盖全应用尺度的系列化微界面强化反应器。

　　该系列装备的精髓在于，能够主动在多相反应体系中构建并精准调控微纳尺度的相际传质界面，从而将传质面积提升数个数量级，从根本上突破传统反应器的传递瓶颈。装备谱系完整，可灵活适配于加氢、氧化、羰基化等多种关键化工过程，并实现了从实验室级别(1～100升)到大规模工业化(10~1000立方米)的全尺度可靠覆盖，兼顾了高效性与安全性。

　　以此为核心，团队进一步发明了多项与之深度耦合的微纳强化反应新工艺，最终形成了先进工艺与先进装备一体化融合的完整技术系统。这一系统性的解决方案，为该颠覆性技术走向大规模工业应用铺平了道路。

　　从实验室验证到工业应用：应用领域广，实践成效显

　　该项技术已成功应用于多项国家重大工程与产业关键领域，并取得了一系列经过实践验证的显著成效。

　　在清洁油品升级领域，在中国石化百万吨级柴油加氢精制装置的改造中，团队采用微纳强化上行床反应器替代原有设备，在催化剂与主工艺路线不变的前提下一次开车成功。第三方标定数据显示，与传统国内外先进技术相比，其操作压力降低32.2%，氢油比下降30%，空速提高24%，创造了以混合柴油生产国Ⅵ标准柴油的行业最优运行纪录。

　　在高端化学品制造领域，团队基于自主研发的微纳强化氢甲酰化、缩合及加氢技术，开发了单线年产40万～50万吨的超低碳丁辛醇成套工艺包。相比传统工艺，新工艺能耗下降35%，吨产品成本降低超过400元，结束了跨国公司在该领域对我国长达46年的技术垄断。目前，该技术已实现年许可产能总计超过300万吨。

　　在绿色环保治理领域，团队针对高盐高COD工业废水处理的行业难题，发明了微纳强化湿式氧化新工艺，已成功应用于中国石油塔里木60万吨/年乙烯项目等多套装置。其关键性能指标在运行压力、能耗及投资成本上均优于国际同类技术，将吨水处理成本控制在50元以下，实现了环境效益与经济效益的统一。

　　从技术突破到双重认可：社会效益好，学界评价高

　　目前，该技术已在全国23个省市得到推广应用，建成30多套工业装置。据初步统计，仅其中11套装置就累计实现新增销售额314亿元、新增利税51亿元。在绿色效益方面，该技术已累计处理高盐高COD废水超1000万吨，减排二氧化碳110万吨，资源化回收氯化氢气体8亿立方米，生态效益巨大。

　　这项历时二十余年、实现了从0到1的开创性工作赢得了学术界的极高评价。曹湘洪院士指出：“微界面传质强化技术从微米尺度上探求多相化学反应体系相际传质影响反应行为的原理和规律，是对介科学理论发展的一大贡献。”在中国科学院第139次科学与技术前沿论坛上，论坛主席张锁江院士总结认为，该项目“解决具有共性的科学问题，在技术上对微纳界面展开研究，是一种革命性的进步”。

　　此外，该技术还成功入选由国家发展改革委、科技部、工业和信息化部等八部委联合印发的《绿色技术推广目录(2024版)》。