化工过程强化方法与技术

绪论1

0.1概述1

0.1.1化工过程2

0.1.2化工过程强化2

0.2化工过程强化的发展及历史3

0.3化工过程强化的原理及方法5

0.3.1化工过程强化的思路及基本原理5

0.3.2化工过程强化的方法及分类6

0.4化工过程强化技术特征7

0.4.1平台技术特征7

0.4.2效率倍增特征8

0.4.3可持续发展特征8

0.5化工过程强化技术是可持续发展的新兴技术8

0.6化工过程强化技术展望与愿景9

参考文献10

第1篇超重力化工技术及系统集成

第1章气-液过程超重力化工强化技术15

1.1气-液超重力技术简介16

1.1.1超重力技术概述16

1.1.2气-液超重力装置的结构与类型18

1.1.3超重力技术强化气-液化工过程研究进展23

1.2超重力流体力学性能27

1.2.1液体流动形态27

1.2.2气相压降性能28

1.2.3液泛现象29

1.2.4停留时间30

1.2.5小结30

1.3超重力吸收30

1.3.1超重力吸收原理30

1.3.2超重力吸收工艺31

1.3.3超重力吸收应用31

1.4超重力解吸34

1.4.1超重力解吸原理35

1.4.2超重力解吸工艺35

1.4.3超重力解吸应用36

1.5超重力精馏40

1.5.1超重力旋转填料床精馏40

1.5.2超重力折流板精馏43

1.6超重力气-液反应48

1.6.1超重力气-液反应机理49

1.6.2超重力气-液反应工艺49

1.6.3超重力气-液反应应用49

1.7超重力直接换热51

1.7.1超重力换热器51

1.7.2超重力场中传热过程51

1.7.3超重力换热器特点53

参考文献54

第2章液-液过程超重力化工强化技术57

2.1概述57

2.2IS-RPB装备及技术57

2.2.1撞击流57

2.2.2IS-RPB装置60

2.2.3IS-RPB的设计原则60

2.2.4IS-RPB内流体流动及混合 （工作原理）61

2.3IS-RPB微观混合性能62

2.3.1微观混合研究方法62

2.3.2微观混合性能对比63

2.3.3黏性体系对微观混合性能的影响63

2.3.4IS-RPB微观混合时间的确定及对比64

2.4化工过程强化64

2.4.1乳化64

2.4.2萃取69

2.4.3液膜分离71

2.5反应过程强化72

2.5.1纳米氢氧化镁72

2.5.2重氮盐水解制酚76

2.5.3磁性纳米Fe3O479

2.5.4纳米零价铁82

2.5.5纳米2,4-二羟基苯甲酸铜85

2.6发展趋势与前景86

参考文献87

第3章气-固过程超重力化工强化技术90

3.1超重力多相分离90

3.1.1多相分离概述90

3.1.2超重力多相分离原理与特点91

3.1.3超重力多相分离性能研究93

3.1.4超重力湿法净化气体中细颗粒物技术应用实例97

3.1.5超重力除尘装置与传统除尘设备性能比较99

3.2离心流态化100

3.2.1离心流化床的工作原理100

3.2.2离心流化床的分类100

3.2.3离心流化的流体力学性能研究103

3.2.4离心流化床传热传质的研究107

3.3离心流化的工业应用前景109

3.3.1医药、食品行业热敏性物质的快速干燥109

3.3.2煤的液化109

3.3.3超细粉体 (Geldart C类颗粒) 的流化109

3.3.4离心流化燃烧方面的研究109

参考文献110

第4章超重力-电化学耦合与反应技术112

4.1概述112

4.2离心机改装的超重力电化学反应装置113

4.2.1装置结构113

4.2.2过程强化原理114

4.2.3超重力电沉积导电聚合物膜的应用研究115

4.2.4超重力电沉积金属薄膜的应用研究116

4.2.5超重力电解水的应用研究117

4.2.6超重力氯碱电解的应用研究118

4.3多级同心圆筒-旋转床（MCE-RB）式的超重力电化学反应装置119

4.3.1装置结构120

4.3.2过程强化原理121

4.3.3超重力电化学耦合氧化降解废水的应用研究123

4.4离心高速旋转的超重力电沉积装置126

4.4.1装置结构127

4.4.2过程强化原理127

4.4.3超重力电沉积MnO2电极材料的应用研究128

4.5结语128

参考文献129

第2篇混合过程强化与反应技术

第5章静态混合器132

5.1概述132

5.2静态混合器的类型132

5.3静态混合器的工作原理134

5.4静态混合器流体力学特性135

5.4.1静态混合器流体力学实验研究135

5.4.2流体力学数值模拟135

5.4.3静态混合器的压降136

5.5静态混合器强化混合-反应性能137

5.6静态混合器强化传热性能138

5.6.1传热因子Nu139

5.6.2传质系数Ka140

5.7静态混合器的应用141

5.7.1静态混合器在制备纳米药物载体中的应用141

5.7.2静态混合器在超细粉体制备中的应用141

5.7.3静态混合器在硝化反应中的应用141

5.7.4静态混合器在环保领域的应用142

5.7.5静态混合器在混合油精炼工艺中的应用144

5.7.6静态混合器在酮还原反应中的应用144

5.7.7静态混合器在气液混合中的应用144

5.7.8静态混合器在脱硫中的应用145

5.8新型静态混合器145

5.8.1微型静态混合器145

5.8.2立交盘式静态混合器146

5.8.3内循环静态反应器146

5.8.4静态催化反应器146

5.8.5生物静态发酵器147

5.8.6复合型静态反应器147

参考文献148

第6章新型动态混合与聚合反应技术150

6.1概述150

6.2溶液聚合和液相本体聚合的工艺特点150

6.3高效预分散技术151

6.3.1快引发聚合过程中催化剂高效预分散152

6.3.2高活性官能团缩聚过程中单体高效预分散153

6.4复杂聚合物系的混合强化155

6.4.1变黏聚合过程的混合155

6.4.2高黏聚合过程的混合157

6.5聚合物脱挥与传质强化160

6.6结语162

参考文献162

第3篇外场作用及强化技术

第7章超声波化工技术166

7.1概述166

7.2超声波化工过程的基本原理168

7.3超声波乳化/破乳技术169

7.3.1概述169

7.3.2超声乳化与破乳的原理170

7.3.3超声乳化过程强化172

7.3.4超声破乳过程强化172

7.4超声波化学反应技术177

7.4.1概述177

7.4.2超声波对有机化学反应的强化178

7.5超声波萃取与浸取技术182

7.5.1概述182

7.5.2超声强化萃取过程183

7.5.3超声强化提取过程183

7.6超声波结晶技术184

7.6.1概述184

7.6.2超声结晶过程184

7.6.3超声在结晶分离技术中的应用186

7.6.4超声结晶的应用展望187

7.7超声波膜技术187

7.7.1概述187

7.7.2超声强化膜清洗188

7.7.3超声强化膜过滤的影响因素及其应用190

7.8超声波吸附/脱附技术190

7.8.1概述190

7.8.2超声强化吸附/脱附机理191

7.9超声波污水降解技术192

7.9.1超声降解污水过程机理192

7.9.2超声降解酚类有机废水193

7.9.3超声处理造纸废水194

7.10超声波生物污泥减量技术195

7.10.1超声促进生物污泥减量195

7.10.2生物污泥减量工业应用研究196

7.11超声波粉碎技术197

7.11.1超声粉碎的机理197

7.11.2超声粉碎机械的特点197

7.11.3超声粉碎的应用研究197

7.12超声波除尘技术198

7.12.1超声波除尘技术原理198

7.12.2超声波雾化除尘技术原理198

7.12.3超声波除尘在工程方面的应用198

7.13结语199

7.13.1超声化工技术的发展前景199

7.13.2超声化工技术的发展瓶颈201

参考文献203

第8章微波化工技术206

8.1概述206

8.2微波化学反应与合成208

8.2.1微波无机合成208

8.2.2微波有机反应209

8.2.3微波聚合反应210

8.3微波干燥211

8.3.1概述211

8.3.2技术介绍212

8.3.3技术应用213

8.4微波加热214

8.4.1微波加热机理214

8.4.2微波加热的量子力学解释215

8.4.3微波加热的特点216

8.4.4微波热解油砂217

8.5微波萃取218

8.5.1概述218

8.5.2技术介绍219

8.5.3技术应用220

8.6微波蒸发220

8.6.1概述220

8.6.2技术介绍220

8.6.3技术应用220

参考文献221

第9章磁稳定床技术224

9.1概述224

9.2磁稳定床原理与结构225

9.3气-固磁稳定床226

9.3.1气-固磁稳定床流体力学特性226

9.3.2磁场破碎气泡的机理228

9.3.3气-固磁稳定床的传热、传质228

9.3.4气固磁稳定床的应用229

9.4液-固磁稳定床231

9.4.1液-固磁稳定床流体力学特性231

9.4.2液-固磁稳定床传质特性232

9.4.3液-固磁稳定床的应用233

9.5气-液-固磁稳定床234

9.5.1气-液-固磁稳定床流体力学特性234

9.5.2气-液-固磁稳定床传质特性235

9.5.3气-液-固磁稳定床的应用235

9.6结语236

参考文献236

第10章等离子体化工技术239

10.1概述239

10.1.1等离子体及其特性239

10.1.2热等离子体的应用240

10.2电弧等离子体裂解煤制乙炔241

10.2.1等离子体热解煤制乙炔的热力学分析241

10.2.2等离子体裂解煤制乙炔的实验研究243

10.3电弧等离子体裂解富含甲烷气制乙炔247

10.3.1等离子体裂解甲烷的热力学分析247

10.3.2等离子体裂解甲烷的实验研究248

10.3.3乙炔制备技术路线的分析比较251

10.4电弧等离子体裂解甲烷制纳米碳纤维252

参考文献254

第4篇新型分离强化技术

第11章膜分离技术及应用258

11.1概述258

11.2膜分离技术258

11.2.1常规膜分离技术258

11.2.2新型膜分离技术260

11.3膜分离技术的应用261

11.3.1水处理工业261

11.3.2石化工业267

11.3.3食品工业271

11.3.4医药工业272

参考文献272

第12章分子蒸馏技术及应用276

12.1分子蒸馏理论基础276

12.1.1分子蒸馏技术发展276

12.1.2分子运动平均自由程277

12.1.3分子蒸馏基本原理278

12.1.4分子蒸馏分离过程及特点278

12.2分子蒸馏设备281

12.2.1分子蒸馏器的分类281

12.2.2实验室分子蒸馏设备281

12.2.3降膜式分子蒸馏器284

12.2.4离心式分子蒸馏器285

12.2.5刮膜式分子蒸馏器288

12.2.6多级分子蒸馏器290

12.3分子蒸馏过程291

12.3.1液膜内的传热与传质291

12.3.2热量和质量传递阻力对分离效率的影响293

12.4分子蒸馏的工业化应用295

12.4.1分子蒸馏技术的应用现状295

12.4.2分子蒸馏技术的工业化应用实例301

参考文献305

第5篇新型换热装置与技术

第13章新型换热器308

13.1概述308

13.2板式换热器308

13.2.1基本结构308

13.2.2设计方法308

13.2.3计算方法309

13.2.4研究进展309

13.2.5相关应用310

13.3板壳式换热器313

13.3.1基本结构313

13.3.2研究进展314

13.3.3相关应用314

13.3.4设计计算316

13.4螺旋板式换热器318

13.4.1基本结构318

13.4.2基本特点318

13.4.3设计方法319

13.4.4计算方法319

13.4.5研究进展324

13.4.6相关应用325

13.5板翅式换热器326

13.5.1基本结构326

13.5.2研究进展326

13.5.3相关应用328

13.5.4计算方法331

13.6伞板换热器333

13.6.1基本结构333

13.6.2设计方法333

13.6.3研究进展334

13.6.4相关应用334

13.7热管换热器335

13.7.1基本结构336

13.7.2研究进展337

13.7.3相关应用338

13.7.4设计方法340

参考文献341

第6篇新型塔器技术

第14章新型填料技术346

14.1概述346

14.1.1国内外高效填料的发展346

14.1.2高效填料的分类347

14.1.3典型的高效填料及特性——散堆填料347

14.1.4典型的高效填料及特性——规整填料349

14.1.5其他新型高效填料353

14.2高效填料原理353

14.2.1BH型高效填料的原理及特点354

14.2.2BHS-Ⅱ型填料原理及特点355

14.2.3双曲 (SQ) 丝网波纹填料原理及特点355

14.3流体力学及传质性能分析356

14.3.1散堆填料的流体力学模型356

14.3.2散堆填料的传质研究357

14.3.3规整填料的流体力学模型359

14.3.4规整填料的传质研究361

14.4高效填料的应用364

14.4.1高效规整填料在尿素解吸塔的应用364

14.4.2高效填料在双氧水生产中的应用研究366

14.4.3BH型高效填料的工业应用367

14.4.4甲醇的精馏分离提纯过程368

14.5发展趋势369

14.5.1规整填料369

14.5.2散堆填料370

14.5.3结语371

参考文献371

第15章新型塔板技术373

15.1概述373

15.2立体喷射型塔板374

15.2.1新型垂直筛板塔板NEW-VST374

15.2.2梯矩形立体连续传质塔板（LLCT）376

15.2.3立体传质塔板（CTST）377

15.3复合塔板377

15.3.1穿流型复合塔板377

15.3.2并流喷射填料塔板（JCPT）378

15.3.3新型多溢流复合斜孔塔板379

15.4浮阀类塔板380

15.4.1导向浮阀塔板380

15.4.2超级浮阀塔板（SVT）380

15.4.3NYE塔板381

15.4.4Triton塔板382

15.4.5BJ塔板383

15.5筛孔型塔板383

15.5.1MD、ECMD塔板及国内开发的DJ系列塔板383

15.5.2Cocurrent塔板384

15.5.395型塔板385

15.5.4一种具有机械消泡功能的新型塔板385

15.6穿流塔板386

15.6.1穿流式栅板386

15.6.2非均匀开孔率穿流塔板387

15.7高速板式塔——旋流塔板387

15.8隔壁塔389

参考文献389

第7篇反应介质强化技术

第16章离子液体392

16.1概述392

16.1.1离子液体简介392

16.1.2离子液体结构393

16.1.3离子液体性质394

16.1.4构效关系与分子模拟396

16.1.5合成方法396

16.2离子液体强化反应过程398

16.2.1强化反应过程398

16.2.2强化传递过程400

16.3离子液体的应用研究401

16.3.1反应过程应用402

16.3.2分离过程应用405

16.3.3储能应用407

16.4结语408

参考文献408

第17章超临界化工技术412

17.1概述412

17.2超临界流体的基本原理413

17.3超临界化工技术的优势413

17.3.1超临界萃取技术413

17.3.2超临界水氧化技术414

17.3.3超临界流体沉积技术416

17.4超临界流体技术的化学工业应用417

17.4.1超临界流体技术在煤炭工业中的应用417

17.4.2超临界流体技术在石油化工中的应用419

17.4.3超临界流体技术在环境污染治理中的应用422

17.4.4超临界流体技术在材料制备中的应用423

17.5结语426

参考文献427

第8篇微化工技术

第18章微反应器432

18.1概述432

18.1.1微反应器内传递特性和强化原理432

18.1.2微反应技术的优势433

18.2微反应器内传递特性434

18.2.1单相流动434

18.2.2气-液两相流动与传质435

18.2.3液-液两相流动与传质440

18.2.4气-液或液-液系统压降442

18.2.5三相系统445

18.3微混合器447

18.3.1混合机理和理论447

18.3.2微混合器的分类448

18.3.3微混合器混合性能的表征方法450

18.3.4微混合器性能比较451

18.4微反应技术应用452

18.4.1万吨级磷酸二氢铵的工业应用452

18.4.2万吨级石油磺酸盐应用示范454

18.4.3阻燃添加剂Mg(OH)2生产工艺455

18.5结语456

参考文献456

第9篇反应与分离过程耦合技术

第19章反应-膜分离耦合技术462

19.1概述462

19.2反应与膜分离耦合技术的分类463

19.3反应与膜分离耦合技术的典型应用463

19.3.1萃取型膜反应器463

19.3.2分布型膜反应器473

19.3.3接触型膜反应器474

参考文献476

第20章反应精馏技术479

20.1引言479

20.2反应精馏技术的原理与特点479

20.2.1反应精馏技术的原理和主要特点479

20.2.2反应精馏技术的优势与限制480

20.2.3反应精馏技术的复杂性482

20.2.4反应精馏技术可行性分析与过程开发方法483

20.3反应精馏的典型应用485

20.3.1酯化反应485

20.3.2酯类水解反应486

20.3.3水合反应487

20.3.4醚化反应488

20.3.5二聚反应和缩合反应489

20.3.6加氢反应489

20.3.7缩醛反应490

20.3.8产品分离与提纯490

20.4反应精馏过程模型491

20.4.1平衡级（EQ）模型491

20.4.2非平衡级（NEQ）模型493

20.4.3反应精馏过程模型的计算495

20.5结语496

参考文献496

第21章反应萃取技术498

21.1概述498

21.2反应萃取的原理、设备结构及其分类498

21.2.1反应萃取的原理498

21.2.2萃取设备的结构及其分类505

21.3填料萃取塔507

21.3.1填料萃取塔507

21.3.2脉冲填料萃取塔510

21.4气体扰动作用的化学萃取过程511

21.5加盐反应萃取精馏513

参考文献514

第10篇分离过程耦合技术

第22章膜蒸馏518

22.1概述518

22.1.1膜蒸馏基本原理518

22.1.2膜蒸馏的特征519

22.1.3膜蒸馏技术的优缺点519

22.1.4膜蒸馏技术分类520

22.1.5膜蒸馏的膜材料及组件524

22.2膜蒸馏过程研究现状530

22.2.1膜蒸馏过程的机理研究530

22.2.2膜蒸馏过程影响因素532

22.2.3提高膜蒸馏通量及选择性的措施534

22.2.4膜蒸馏过程中的膜污染问题534

22.3膜蒸馏技术的应用536

22.3.1海水和苦咸水淡化536

22.3.2化工产品浓缩和提纯537

22.3.3废水处理537

22.4膜蒸馏存在问题及发展方向538

22.4.1存在问题538

22.4.2发展方向538

22.5结语539

参考文献539

第23章膜吸收542

23.1概述542

23.2膜吸收原理及特点542

23.3膜吸收的分类543

23.4吸收膜材料543

23.4.1有机聚合物膜材料544

23.4.2无机膜材料544

23.4.3有机无机复合膜材料545

23.5膜组器和流动方式546

23.6操作条件对膜吸收性能的影响548

23.7吸收剂选择549

23.8膜吸收过程的传质机理550

23.8.1疏水膜吸收过程传质模型550

23.8.2亲水膜吸收过程传质模型552

23.8.3部分润湿及疏水-亲水复合膜吸收过程传质模型554

23.8.4微孔-无孔复合膜吸收过程传质模型555

23.8.5膜吸收过程总传质方程简化557

23.9膜吸收技术的应用558

23.9.1在氨气回收中的应用558

23.9.2脱除SO2、H2S等酸性气体的应用559

23.9.3在CO2气体脱除和固定上的应用560

23.9.4在天然气净化中的应用561

23.9.5挥发性有机废气的净化562

23.9.6饱和烃和不饱和烃的分离564

23.10结语564

参考文献564

第11篇其他过程强化技术

第24章规整结构催化剂及反应器568

24.1概述568

24.1.1规整结构催化剂的产生568

24.1.2规整结构催化剂的发展569

24.1.3规整结构催化剂的研究与前景570

24.1.4前景展望571

24.2规整结构催化剂572

24.2.1规整结构催化剂主要分类572

24.2.2规整结构催化剂的特点574

24.2.3规整结构催化剂的制备575

24.2.4规整结构催化剂的表征577

24.3规整结构反应器的分类580

24.3.1气-固两相催化反应中的规整结构反应器580

24.3.2气-液-固三相催化反应中的规整结构反应器582

24.4规整结构反应器的应用583

24.4.1环保领域584

24.4.2化工产品合成领域588

24.5规整结构反应器与常规反应器的比较588

24.5.1规整结构反应器与填充床反应器比较589

24.5.2规整结构反应器与浆态床反应器比较591

24.5.3工程放大方面的比较592

24.6规整结构反应器工程问题593

24.6.1规整结构催化剂在Fischer-Tropsch合成中的应用593

24.6.2规整结构催化剂在VOCs催化燃烧中的应用595

24.7新型泡沫/纤维结构的非涂层催化功能化及其多相催化应用597

24.7.1泡沫/纤维结构的湿式化学刻蚀催化功能化及其应用597

24.7.2基于原电池置换反应的泡沫/纤维结构催化功能化及其应用599

24.7.3铝基结构的水蒸气氧化功能化及其应用探索600

24.7.4偶联剂辅助的NPs@Oxides核-壳催化剂的规整结构化及其应用601

24.7.5金属Fiber结构上原位晶化生长ZSM-5分子筛及其MTP性能602

24.7.6烧结纤维包结细颗粒催化剂及其应用602

参考文献605

第25章挤出反应器609

25.1概述609

25.2反应挤出原理及设备609

25.2.1反应挤出原理609

25.2.2反应挤出设备610

25.2.3单螺杆挤出机610

25.2.4双螺杆挤出机611

25.3反应挤出的优缺点613

25.4反应挤出的应用614

25.4.1聚合物的可控降解与交联614

25.4.2聚合物的合成615

25.4.3聚合物的接枝改性619

25.4.4反应共混620

25.4.5原位相容621

25.4.6原位聚合与原位相容622

25.4.7高效脱挥623

25.5结语625

参考文献625

第26章旋转盘反应器628

26.1概述628

26.2反应器结构628

26.3传递特性629

26.3.1转盘表面的流体流动629

26.3.2传质性能631

26.3.3传热性能632

26.4旋转盘反应器的应用633

26.4.1自由基聚合633

26.4.2逐步聚合636

26.4.3有机催化反应637

26.4.4光催化降解有机废水639

26.4.5超细粉体制备642

26.4.6复乳的制备644

26.5结语645

参考文献645

第27章旋风分离器648

27.1概述648

27.2旋风分离过程机理与工业应用648

27.2.1旋风分离器结构与工作原理648

27.2.2旋风分离器内的流场分布649

27.2.3旋风分离器内的颗粒运动651

27.2.4旋风分离器的性能指标652

27.2.5旋风分离机理653

27.2.6旋风分离器的结构类型655

27.3旋风分离流场的导流整流与过程强化658

27.3.1旋风分离过程的强化658

27.3.2旋风分离过程的强化659

27.3.3环流式旋风分离技术661

27.3.4环流循环除尘系统与导流整流666

27.3.5直流降膜式旋风除雾器的研究与开发669

27.4结语670

参考文献670

第28章旋流分离器673

28.1概述673

28.1.1旋流器结构673

28.1.2旋流器内的流体流动674

28.1.3旋流分离效率676

28.2旋流分离器微小型化678

28.2.1旋流器微小型化678

28.2.2微细颗粒旋流排序678

28.2.3排序强化微旋流分离679

28.2.4旋流分离强化其他方法681

28.3微旋流分离器的并联放大682

28.3.1微旋流器组并联配置几何模型682

28.3.2微旋流器组并联配置数学模型682

28.3.3模型求解686

28.3.4准确性验证及工业应用效果687

28.4微旋流分离器的工程应用——甲醇制烯烃废水处理工艺689

28.5结语691

参考文献691

第29章非定态操作695

29.1概述695

29.2基本原理695

29.3工程研究与实践696

29.3.1进料参数周期性变化非定态操作696

29.3.2流向变换强制周期非定态操作700

29.3.3模型化研究707

29.4结语709

参考文献710