——訪中國科學院大連化學物理研究所研究員陳光文
化學工程與技術是當前化學工程學科前沿技術，也是重要的化工過程強化技術之一。微化工技術可實現化工過程節能降耗和化工系統微型化，并能提高過程安全性，已引起歐美等發達國家的高度重視。
化學工業中的許多反應屬強放熱過程，存在爆炸危險，而采用微反應技術能夠提高過程反應的效率，改善過程反應的安全性。可以預見，微化工技術的開發與應用，將會改變現有化工設備的性能、體積、能耗和物耗，對化學工業的發展產生重大影響。
記者：微化工技術與傳統化工工藝的區別是什么？
陳光文：微化工技術與傳統化工工藝的最大區別是需要研究開發適合于微反應系統的快速反應工藝條件。
微化學工程與技術著重研究時空特征尺度在數百微米和數百微秒以下時，化工微型設備的設計、模擬、生產和應用等過程的基本特征和規律。與傳統化工設備相比，微化工設備具有高傳遞速率、直接放大、安全性高、易于控制等優點，可實現化工過程的連續和高度集成，適應分散與柔性生產的要求。微反應技術具有強傳熱和傳質能力，可大幅度提高反應過程中資源和能量的利用效率，實現化工過程的強化、微型化和綠色化。在微尺度的化工系統中，傳統的“三傳一反”理論需要修正、補充和創新；許多宏觀的規律可能不再適用。因此，微尺度下的表面和界面效應，微過程的測量、分析、控制等基礎研究尤為重要。
化工過程中進行的化學反應受傳遞速率或本征反應動力學控制或兩者共同控制。就瞬時和快速反應而論，在傳統尺度反應設備內進行時，受傳遞速率控制。而微尺度反應系統內由于傳遞速率呈數量級式提高，因此這類反應過程的速率將會大幅度提高。例如目前工業應用的烴類硝化反應時間一般在數十分鐘至數小時，但在微反應器內可采用絕熱硝化并同時改變工藝條件，這類反應的時間可縮短至數秒。
記者：微化工技術將解決傳統化工生產中的哪些問題？
陳光文：傳統化工過程主要依靠設備及裝置大型化來降低產品成本。相關數據顯示，2010年我國單位GDP能耗是美國的3倍、日本的5倍，雖然其中存在國家能源結構和產業結構等因素的差異，然而單就能反映一個國家化學工業發展水平的重要標志——乙烯工業的規模與水平而言，我國乙烯工業的單位能耗是日本的1.6倍。
當前，我國化學工業依然存在著設備龐大、資源利用率低、能耗高、污染重、產品質量差，新設備、新過程設計放大能力弱，過程調控難等諸多問題，難以適應可持續發展的需要。由于技術和裝備落后，特別是在設備放大和過程調控方面存在許多問題，我國化工生產過程安全性較差。2005年吉林石化分公司雙苯廠“11·1”爆炸及其所引發的松花江重大水污染就是一起沉痛的悲劇事件。
隨著化學工業對能源、環境和資源需求的不斷增長這些問題將愈加尖銳，能否有效解決這些問題，已成為我國化學工業能否實現新型工業化的關鍵。 而微化工技術由于可以實現化工過程節能降耗和化工系統微型化并能提高過程安全性，因此成為解決上述問題的有效途徑。
記者：當前國內外微化工技術的研究熱點集中在哪些方面？
陳光文：在微化工系統中，由于時空特征尺度微細化帶來的過程特性變化，微化工技術的發展不僅在技術領域中構成了重大挑戰，也為科學領域帶來許多新問題。
微化工技術難點包括微反應系統的結構優化設計，先進制造、裝配與密封技術，參數測量技術（無接觸測量技術），系統自動控制技術，催化劑的壁載或填充技術，微反應器防腐技術等。目前，微反應器的研究工作主要集中在以下三方面：一是傳統化工技術的更新換代，涉及行業包括石油化工，醫藥、農藥、染料、火炸藥等精細化工，主要包括磺化、硝化、直接氟化、氧化、過氧化、酰胺化、重氮化等各類強放熱和易燃易爆的氣-液和液-液反應過程；二是國家安全領域的研究工作，主要涉及化學激光器微型化、核燃料高效處理、含能材料的安全生產等；三是納米材料合成等領域。
記者：微化工技術對于解決目前我們面臨的資源、能源、環境問題有什么現實意義？
陳光文：微化工技術是上世紀90年代初興起的前沿技術，它集微機電系統設計思想和化學化工基本原理于一體，移植集成電路和微傳感器制造技術于一體的一種高新技術。由于微化工設備的內部通道特征尺度通常在幾十微米至數百微米，流體薄層間距離極短，通過流體微團的介觀黏性變形和分子擴散，可實現反應物料間的超快速微觀混合；流體與器壁間有很大的接觸面積，能顯著提高流體間的換熱效率，可實現反應過程的原位高效換熱，其傳熱、傳質能力較常規尺度提高1～3個數量級。另外，由于通道特征尺度小于火焰傳播的臨界尺度及微反應器內反應物持有量小，因而具有內在安全性，將其應用于快速混合、強放熱及易燃易爆的反應過程，能顯著提高過程的安全性，并可實現連續化操作；由于微化工設備結構的模塊化，可實現直接放大（設備單元并聯），可快速推進實驗室成果的實用化進程。因此采用微反應技術可大幅度提高反應過程中的資源和能量的利用效率，減小過程系統的體積或提高單位體積的生產能力，實現化工生產過程安全、過程強化、微型化和綠色化。
微化工系統具有高度集成的模塊化結構，可實現就地、按需生產與供貨，消除了儲運帶來的系列問題，同時也使分散資源得到了充分合理利用，對人類生命、環境安全、資源與能源綜合利用具有十分重要的意義，微化工技術的發展將會對化工領域產生重大影響。近十年來，微化工技術已迅速發展成為過程強化領域的典型范例之一。
記者：未來5~10年間，微化工技術最有可能在哪些方面獲得突破？微化工技術的介入會給傳統化工生產會帶來哪些可以預知的變革？
陳光文：微化工技術最有希望的應用領域主要包括空間探索等國家安全以及傳統化工技術的更新換代。前者如火星“化工廠”、微型核反應堆（高效傳熱、高效燃料后處理技術）、微型化學激光器、微推進器、高能炸藥的安全生產等；化工過程則包括高效傳熱傳質設備（微混合器、微換熱器、微熱泵、微分離器等）、精細高值化工產品（尤其是強放熱、易燃易爆過程、危險品生產等，如磺化、硝化、氟化、氧化、重氮化、過氧化、酰胺化等）、材料高通量制備（催化材料、納米材料、功能材料等）、微型氫源和燃料電池（車載系統）、微型化集成技術（反應、換熱、分離高度集成）、二氧化碳捕集技術以及基于微反應技術的新過程開發與應用。預計在未來5~10年，微反應技術將會在精細化工、納米材料等領域率先得到應用。
自上世紀90年代初開始，微化工技術就引起了美國、德國、法國、日本、英國等發達國家的廣泛關注，各國政府都相繼制訂研究計劃，以推進微反應技術的實用化進程。由于微化工技術的研究初期主要集中在高校和科研機構的實驗室，產業界雖有關注但介入不多，因此對微化工系統的放大和集成技術的研究機會少，大大減緩了微化工技術的實用化進程。經過10多年的研發與宣傳推廣工作，目前世界微化工技術已處于應用前夜。
記者：我國微化工技術研究正在開展哪些工作？
陳光文：中科院大連化物所的科研團隊于2000年率先開始了微化工技術的研究，至今已形成集微加工技術平臺、微化學工程與技術的基礎研究及應用開發于一體的研發體系。 大連化物所開發的千瓦級質子交換膜燃料電池所用的微型氫源系統，具有啟動快、一氧化碳含量低、比功率高等優點，為我國氫能及燃料電池的多元化發展奠定了技術基礎。該所開發的用于液-液混合的萬噸級微混合系統，成功地進行了工業側線實驗。他們利用微反應器具有的高效傳熱、傳質能力，使二硝基氯苯的合成時間明顯縮短。作為我國微化工技術開發的另一陣地，清華大學化學工程聯合國家重點實驗室借鑒膜乳化技術，于2005年成功開發了以萬噸級膜分散微結構反應器制備單分散納米碳酸鈣的工業裝置。
雖然取得了上述成果，但目前我國的微化工技術研究傭處于剛剛起步分階段，在許多領域的研究工作還有待于深入進行，與工業應用相結合的能力相對較弱。我國若能在微化工技術研究初期就與產業界合作，可加速微化工技術的產業化進程，在過程放大和系統集成方面積累經驗，推進我國在微化工技術領域的研究。可以預見，這一新的前沿科學將會獲得迅速發展，同時也將確立我國在這一新學科領域的學術地位。同時，該新興學科的發展和滲透，勢必帶動相關領域的調整和發展，為我國建立新的學科結構、特色和優勢發揮重大的作用。
