夏銘，牛叢叢，2，石慧，張偉，馬中義，陳從標，2，賈麗濤，侯博，李德寶

（1中國科學院山西煤炭化學研究所煤轉化國家重點實驗室，山西太原030001；2中國科學院大學，北京100039）

引 言

研究與開發(fā)工作是化工新技術從基礎研究、逐級放大、工業(yè)示范到商業(yè)推廣的主題。如何高效地將新技術從基礎研究推向產業(yè)化，是一項系統(tǒng)工程。20世紀80年代，袁渭康等[1]創(chuàng)導的“工業(yè)反應過程的開發(fā)方法”重點凝練總結了原化工部科技局制定的開發(fā)框圖，并提出了反應工程指導下的技術開發(fā)，極大地促進了高質量、短周期的反應器開發(fā)工作。

近年來隨著科學技術的快速發(fā)展、計算機軟硬件的大幅提升，將最新的科技成果與計算機軟硬件運用于反應動力學、顆粒模型化與反應器分析及其傳遞強化、工藝系統(tǒng)開發(fā)等多尺度研發(fā)過程，對于促進科技成果轉化顯得越來越重要。

本文針對開發(fā)工作的總體思路與技術挑戰(zhàn)，強化了計算機模擬在化工過程多尺度研發(fā)中的重要性，發(fā)展了屬于高技術研究所技術開發(fā)的演進思路；同時抓住研發(fā)過程中催化反應工程與反應器的核心，綜述了非均相催化反應動力學、顆粒模型化及傳遞強化、反應器分析及其傳遞強化的發(fā)展，拓展了計算機模擬輔助的研究方法及策略。進一步，從系統(tǒng)工程角度，圍繞催化反應與分離過程的區(qū)別與聯系，提出系統(tǒng)工程指導下的工藝系統(tǒng)開發(fā)的思想。本文提出的觀點對工業(yè)催化反應工程研究與工藝技術開發(fā)具有一定的全局指導意義。

1 開發(fā)工作的總體思路與技術挑戰(zhàn)

1.1 開發(fā)工作的總體思路及其演進

原化工部科技局在制定開發(fā)工作條件時，將開發(fā)工作概括成一個框圖，如圖1 所示。開發(fā)工作的程序及其關系如下[1]。

這個開發(fā)工作的程序是當某項化學實驗室的成果經初步評價被認為有工業(yè)化前景時，工作即進入開發(fā)階段。開發(fā)階段包括兩方面的工作，即過程研究和工程研究。過程研究包括小試、中試和必要的冷模實驗等。工程研究則包括概念設計、開發(fā)工作的不同階段所作的各種技術經濟性評價和基礎設計。這三方面工作一般都是過去不熟悉的或沒有系統(tǒng)地進行過的。在國內，目前過程研究大都由研究人員承擔，工程研究則多半由設計人員承擔。這樣，在確定開發(fā)項目之初，就需要組成由研究人員和設計人員參加的開發(fā)集體。

在小試實驗告一段落后，實驗結果就應提交給工程研究人員。他們據此進行嘗試性的大廠設計即所謂概念設計。工程研究人員在進行概念設計時，需要做出一系列的選擇和決策。他們將會發(fā)現在做出這些選擇和決策時缺乏足夠的依據，從而會提出一系列問題要求進行澄清，這些問題將提請過程研究人員做進一步的研究。即通過概念設計，將從工程角度提出一系列的研究課題。這些問題可能需要再做小實驗，也可能必須通過中試或冷模實驗才能提供較充分的信息。

在過程研究不斷發(fā)現問題和解決問題的過程中，原來預期的技術經濟指標將有所變化，因此，應當不斷進行評價。

在概念設計中及其后提出的所有問題得到解決后，工程研究人員應該能據此進行一定生產規(guī)模的基礎設計。開發(fā)工作的成果以基礎設計的形式表達是開發(fā)工作的一大進步，是開發(fā)工作質量的重要保證。

隨著化學工程、計算機軟硬件及計算技術的發(fā)展，通過建立過程機理模型并進行計算機數據模擬，以便對化工過程進行設計和分析、模型預測、優(yōu)化和控制等，已成為化學工程的重要發(fā)展方向[2]。因此，將計算機模擬引入開發(fā)工作，對于促進開發(fā)具有重要意義。

圖1 傳統(tǒng)開發(fā)工作的組成部分及其關系[1]Fig.1 Components of conventional development work and relationship[1]

圖2 計算機模擬輔助的開發(fā)過程的構成及其關系Fig.2 Components of computer-aided chemical development work and relationship

中國科學院山西煤炭化學研究所610組在這方面做了一定的探索，在汲取上述開發(fā)工作思路的基礎上，針對過程研究與工程研究“銜接不足、轉化不暢”的問題，提出了屬于高技術研究所的技術開發(fā)思路（圖2）。

本研究組在開發(fā)思路中強化了計算機模擬輔助研究在各個環(huán)節(jié)的重要性，重點建設和發(fā)展了基于四個平臺的技術研發(fā)：本征動力學、傳遞過程、宏觀動力學與反應器模擬以及工藝工程模擬。

(1)本征動力學研究主要基于小試開發(fā)的催化劑，獲得較準確的反應動力學方程；也可直接使用小試催化性能數據，采用Aspen Plus 模擬工具建立新技術的概念設計。

(2)傳遞過程研究主要分為兩方面：顆粒和反應器。通過研究顆粒獲取外、內傳遞對反應的影響程度，針對傳遞阻力占比最大的環(huán)節(jié)實施傳遞強化；通過冷模、熱模實驗，研究反應器內部流體流動、停留時間以及傳熱特性，以獲得滿足反應動力學需要的流型、停留時間分布及溫度分布等特性的反應器型式；同時使用Aspen Plus 進行宏觀傳熱的模擬，使用CFD 等軟件進行顆粒、反應器模擬以輔助傳遞過程實驗。

(3)宏觀動力學與反應器模擬，主要基于獲得的宏觀動力學方程，結合現有的/開發(fā)的反應器模型，采用Matlab、CFD 等軟件聯立求解微分方程獲得反應器內部的濃度、溫度等分布。這樣的工作，一方面，在反應器開發(fā)前期，通過模擬結果加強對反應器機械設計的信心；另一方面，在反應器開發(fā)完成后，預測反應器的操作參數敏感性、安全邊界以及動態(tài)可控性與柔性。

(4)工藝工程模擬，主要基于工業(yè)實驗反應數據（或宏觀動力學方程）和針對工廠現場暴露的問題，采用Aspen Plus/Hysys、Aspen Energy Analyzer 等軟件開展包含反應器的整體工藝系統(tǒng)的分析、綜合與優(yōu)化，旨在解決進一步放大開發(fā)中已暴露的問題，并做到安全環(huán)保、節(jié)能降耗和節(jié)省設備投資費用。

通過以上四個平臺的技術開發(fā)工作，構架起過程研究與工程研究的橋梁，極大地促進兩者的融合與協(xié)同，加速技術成果轉移轉化。

需要注意的是，并非所有的新技術開發(fā)必須要按部就班地開展四個平臺的工作，而是針對催化反應、顆粒及所選反應器的特點，重點推進相應工作。如對于固定床反應器，更應注重平臺1、3、4 方面的工作；而對于流化床反應器，平臺2方面的工作應視為重點，并兼顧其他三方面的工作。

1.2 催化反應工程的現狀與挑戰(zhàn)

反應是核心，分離是關鍵，這是化學工程學者的共識。這是因為一個工業(yè)反應過程體現了傳熱、傳質和反應的結合，遠較只進行傳熱過程的換熱設備和進行傳動、傳質、傳熱過程的分離設備復雜，更何況三者不是簡單的加和，而是融合。反應速率與溫度的Arrhenius 關系反映了過程的強非線性關系，使反應器表現出一些非尋常的、難以捉摸的行為。因此，催化反應具有很強的特殊性和個性，催化反應工程是工業(yè)反應過程開發(fā)的研究重點。

圖3 多尺度反應工程方法簡圖[4]Fig.3 Multi-scale reaction engineering method sketch[4]

Dudukovi? 等[3-4]綜述了催化反應過程中不同時空尺度與不同維度的研究，濃縮了催化反應工程的精髓。最核心的影響多尺度多相反應器性能的現象如圖3 所示。它包括分子尺度的傳遞-反應相互作用，渦流或顆粒尺度的傳遞過程，流體流動型式，以及反應器尺度的流體力學與傳遞。而這些現象受工藝尺度所發(fā)生的事件的關聯與影響（如反應器進料流量和濃度、溫度、壓力和傳熱系統(tǒng)等的擾動）[4]。

通常催化過程的反應器成本（包含安裝）雖僅占總投資成本的5%～15%，但反應器的性能直接影響下游的產物精制費用、循環(huán)物料的流量和濃度[4]。因此，一個成功的商業(yè)化催化工藝應當保持良好的與催化化學相當的性能指標，據此，催化工藝才有望從小試反應器轉化為商業(yè)化實踐[5]。經典的化工實踐專著通常闡述基于啟發(fā)式和工業(yè)模型的習慣性的實踐方法[6-7]；而反應器放大實踐的演進應增加所謂的科學與工程原理的融合[4]。

然而，迄今基于Dudukovi? 等[4]70 多年的經驗，對于業(yè)已商業(yè)化的大多數反應器，發(fā)展同時考慮上述現象的多尺度反應器模型的目標幾乎仍未實現。實際上，目前仍開展基于經驗模型為主的動力學和反應器模型化，以及工藝經濟性和環(huán)境影響評價。例如很多運行著的工藝甚至沒有用于預測反應速率的動力學模型，而通常是基于工廠反應器數據，采用簡單方法如非線性經驗模型，在很窄的操作參數區(qū)間描述反應器性能。還可通過工廠反應器性能數據中抽提的表觀反應速率，選擇商業(yè)化工模擬軟件（如Aspen Plus/Hysys 等）中的平推流或全混釜模型，進而獲得經驗模型[8]。這些經驗模型往往未能融合可描述多尺度現象的最新的科學進展[4]。

2001 年，2020 反應工程路線圖展望[8]代表了廣大工業(yè)界人士力求建立研發(fā)藍圖，以實現長期工業(yè)目標的努力。它定義了以下四個交叉領域的核心研究需求間的聯系：實驗工具、模型化與物性估計、傳感器以及系統(tǒng)集成。同時還指定了實現上述藍圖目標的時間框架。然而，Stitt等[9]最近指出反應工程設計與放大缺乏實質的進步：雖然計算機硬件和算法的進步帶來了計算速度顯著提升，但是用于反應器和工藝設計的模型仍舊是原始簡單的。也就是說，科學的進步并未切實反映于反應器放大與設計的概念和機理模型。因此，反應工程共同體著手用適當的多尺度反應工程方法取代啟發(fā)與經驗式研發(fā)，以實現在反應器設計、放大與操作中的定量描述，仍面臨很大挑戰(zhàn)。最重要的是，對所有尺度的模型進行強有力的驗證應受到重視。

因此，從目前的情況看，本研究組認為采用先“分析”后“綜合”的研究思路是較為可行和穩(wěn)健的方法。先逐一（或同時）對不同時空尺度進行模型化與實驗驗證，然后建立不同尺度模型間的關系，最終建立基于科學的多尺度反應工程方法。以下就催化反應動力學、顆粒與反應器、工藝系統(tǒng)四個不同尺度的研究進行綜述與展望。

2 多相催化反應動力學

催化是在相對少量的催化劑作用下使化學反應速率提高的現象，在此過程中催化劑本身不被消耗。催化劑雖然已被應用于很多工業(yè)過程，但是其在1836 年Berzelius 引入“催化劑”術語前一直未被承認。19 世紀催化劑領域的先驅包括Davy、Faraday、Bertholet、Ostwald 和Sabatier[10-12]。在20 世紀初，隨著油加氫、脂肪、蠟制飼料、氮氣與氫氣制合成氨、氨氧化制硝酸以及合成氣（氫氣和一氧化碳）制烴類等有機物的發(fā)展，催化過程取得巨大進步。

然而，直到Langmuir 在1915—1920 年間的貢獻，才開始進行催化劑表面上發(fā)生反應的動力學建模，該建模主要提供了吸附物種與可測量實驗參數之間的關系[11,13]。隨后，該方法被進一步拓展并用于非均相催化劑的反應動力學建模。

通常催化反應動力學主要是“Boudart 動力學學派”的延續(xù)。Boudart關于動力學與催化的理論可歸納如下：①獲得具有可重復性的實驗數據；②這些數據必須進一步測試和檢查，以確證數據是在消除傳質、傳熱影響下獲得的；③提出一套（最好是）包括一系列基元步驟的催化循環(huán)；④提出關于主要表面物種和基元步驟的相對反應速率的假設，以便推導速率表達式；該過程包括理想或非理想催化表面的選擇；⑤用非線性回歸方法估算動力學模型中的各參數（如指前因子、活化能、吸附平衡常數等），同時驗證這些參數具有物理合理性和熱力學一致性；⑥如果可能的話，開展補充實驗以檢驗所取得的模型的有效性；⑦如果可能的話，對催化劑進行表征與分析，確定活性表面和量化活性位數目；如果可以獲得的話，還很需要探索實驗運行中催化劑的化學狀態(tài)。

需要說明的是，即便獲得的動力學方程與數據相符，仍然不能保證所提出的反應模型是正確的，而只能表明該模型可能是正確的，同時，由于模型能夠透析運行中催化劑的狀態(tài)，因而此類模型能夠提供比冪指數動力學多很多的信息。

近十余年來，催化反應動力學研究有逐步精細化的趨勢。如吉媛媛等[14]、李永旺等[15-16]針對費托合成反應發(fā)展了基于詳細機理的反應動力學（簡稱詳細動力學），詳細動力學包含了反應轉化速率的詳細信息，因此不僅能預測反應器的溫度變化，而且能給出詳細的產物分布。然而，這種動力學模型對動力學實驗和模型化的要求非?？量?，待擬合的動力學參數往往很多。

同時，催化反應動力學方法日益在烴類催化轉化[17-18]、光催化[19-20]、酶等生物催化[21-22]、甲醇下游中間體催化[23]等領域得到應用和拓展，而催化反應動力學方法的發(fā)展卻極其緩慢。

最近，Chen 等[24]以氨硼烷制氫反應為例將催化反應動力學拓展至更微觀晶粒尺度，發(fā)展出包含晶粒信息（尺寸、原子數目、晶面占比）的動力學。他們推導了晶粒平均（表觀）活化能與晶面活化能的關系式，通過實驗測取不同晶面的活化能和歸一化的TOF，推斷主導活性位點的晶面。雖然該研究采用較為簡單的反應，但是此工作對于催化反應動力學方法的發(fā)展具有重要意義。

3 顆粒與反應器：模型化及傳遞強化

3.1 顆粒模型化及反應/傳遞強化

非均相反應過程又稱多相反應過程，與均相反應過程相比，其特征是在反應器內含有大量分子的聚集體。為使反應得以進行，非反應相中的反應物必須先傳遞到反應相的外表面（外部傳質），然后再由反應相外表面向反應相內部傳遞（內部傳質）[25]。

從顆粒尺度講，外部傳質和內部傳質的一個重要差別是前者為單純的傳質過程，后者則為傳質和反應同時進行的過程。由于內部傳質的存在會導致顆粒內部產生濃度梯度，對于強熱效應反應，將可能帶來顆粒內溫度梯度[25]。而催化反應的場所通常在顆粒內表面。因此，通過研究顆粒內傳遞-反應的耦合相互影響，以量化顆粒內傳遞對反應的影響程度，意義重大。

通常的研究思路是結合顆粒模型（內傳遞的質量守恒、能量守恒微分方程）和催化反應本征動力學，求解獲得顆粒內部濃度和溫度分布，以期對顆粒尺度的反應結果做出合理解釋[26]。通過反應規(guī)律的認識，可精巧地對顆粒內活性位進行可控分布，實現反應效率的調整，為催化劑顆粒的優(yōu)化設計提供科學依據[27-34]。

采用外擴散Carberry 數[35]和內擴散Wheeler-Weisz 數[36-37]以量化多相催化反應中反應物和產物傳質對催化性能的影響對于顆粒級催化劑開發(fā)與改進具有意義。如Zhao 等[38]研究了苯選擇性加氫制環(huán)己烯的Ru 基蜂窩狀催化劑，采用外擴散Carberry 數和內擴散Wheeler-Weisz 數考察了傳遞過程對催化反應的影響。Yue 等[39]制備了蜂窩狀涂層Cu基催化劑用于草酸二甲酯加氫制乙二醇反應，以強化傳質行為和提高熱穩(wěn)定性，同時采用外擴散Carberry 數和內擴散Wheeler-Weisz 數以量化傳遞過程對催化性能的影響，實現了催化劑顆粒的工程放大。

Marshall 等[40]提出的確定非均相催化不同晶粒分子篩內部擴散系數的方法，通過已知量Xφ（Thiele模數比值=晶粒粒徑比值，φ2/φ1=R2/R1）、可觀測量Xη（效率因子比值=表觀反應速率比，η2/η1=r2/r1），確定顆粒的Thiele 模數φ及其效率因子η（η=f(φ)），最終確定實測的擴散系數D。近年來，Zhou 等[41]將該方法用于分子篩甲苯甲基化制對二甲苯的催化劑設計中，取得了與實驗相符合的良好效果。盡管他們未經確證地采用一級反應（三種反應）和薄片分子篩顆粒假設，然而該研究充分說明借助顆粒模型化方法，通過傳質強化提高甲苯甲基化相對于甲醇烯烴化分子篩的利用效率，以調變產物選擇性的重要性。

3.2 宏觀動力學、反應器模型化及其傳遞強化

從反應器尺度講，為了定性或半定量描述新技術的反應器性能，指導反應器裝置的設計與平穩(wěn)運行，進行宏觀動力學研究與先行的反應器模擬分析具有重要意義。一方面，將獲得的本征動力學與顆粒模型充分結合，推導出宏觀動力學方程；另一方面，可在工業(yè)工況條件下，直接測取數據，通過參數回歸獲得宏觀動力學方程。

由于固定床反應器廣泛應用于很多重要的工業(yè)化學過程，因此本文主要圍繞固定床反應器模型化及其傳遞強化展開。對于固定床反應器而言，傳遞強化尤其是傳熱強化的方式主要有四種（圖4）：①改變反應管徑；②改變移熱介質及其流動狀況；③提高床層有效熱導率；④多段稀釋填裝。在未進行中試之前，這幾種不同的強化方式帶來的強化效果往往很不清楚，因此為事先預知其量化的強化程度，可借助計算機模擬方法對反應器傳遞強化的影響進行分析，再通過實驗驗證此規(guī)律，實現單純從“經驗放大”到“以計算機模擬輔助的放大”的轉變，一定程度上做到模擬指導實踐。催化固定床反應器中同時存在著質量、能量和動量傳遞及其耦合，僅考慮單一傳遞過程未必奏效，因此，需要對物料衡算、能量衡算和流動阻力微分方程聯立求解方能獲得較為準確的濃度、溫度和壓力分布。

圖4 計算機模擬輔助的反應器傳遞強化：強放熱固定床反應器的傳熱強化思路Fig.4 Computer-aided reactor transfer intensification:heat transfer intensification of fixed-bed reactor with strong exothermicity

依據上述思路，基于反應器工程理論，可獲得計算機模擬輔助量化影響程度：①反應管徑的影響，可采用固定床一維/二維模型改變管徑進行考察；②某側傳熱系數的影響，可采用固定床一維模型改變某側傳熱系數/總傳熱系數進行考察；③徑向有效熱導率的影響，可采用固定床二維模型改變有效熱導率進行考察；④分段稀釋填裝的影響，可采用按一定稀釋比例減小反應速率的方法進行考察。

雖然反應器的模型在任何一本反應工程教材、專著中都可查得，但是反應動力學則因催化反應的不同、催化機理的不同而千差萬別；同時徑向有效擴散系數和有效熱導率估計值的不確定性也是一大問題。因此，反應動力學方程的實驗獲得、有效擴散系數和有效徑向熱導率的測定與估計，在使用計算機模擬輔助方法時非常重要。

4 工藝系統(tǒng)開發(fā)

催化反應工程，從學術范疇講，主要包括“三傳一反”（質量/動量/能量傳遞和反應）、物理過程（傳遞）對化學過程（反應）的影響程度以及如何強化和弱化這種影響。動力學研究是對催化反應的準確描述，是催化反應工程的基礎；動力學與催化反應工程研究旨在發(fā)展動力學方法、開發(fā)工業(yè)催化劑顆粒和工業(yè)反應器。

分離工程，從學術范疇講，主要包括“三傳一平”。“一平”指熱力學平衡，是對多相（汽-液、氣-液、液-液、液-固、氣-固、汽-液-固等）達到平衡狀態(tài)的準確描述，是分離工程的基礎。目前除少數過程需用“非平衡級”模型外，大部分工業(yè)分離過程主要基于“平衡級”模型，通過求解“平衡級”模型計算理論級，再通過全塔效率經驗關聯式加以修正，進行塔器的開發(fā)。熱力學與分離工程研究的目的在于發(fā)展新的熱力學方法和開發(fā)工業(yè)塔器。

從工藝系統(tǒng)開發(fā)工作的程序看，其類似于“洋蔥”模型——從中心向外層逐步展開（圖5）；同時反應對分離費用的影響顯著，且兩者對各項費用影響較大（圖6）[42]。因此，新技術的開發(fā)思路不應完全受此程序的制約，而應在開發(fā)催化體系時，同時全局考慮產物分離工藝，以便盡早獲得權衡反應與分離的整體工藝的概念設計。

正如Dudukovi? 等[4]所指出的：基于對涉及的反應路徑的認識，尋找具有最佳流動和相接觸模式的反應器以實現化學反應；同時應該檢查反應與分離有效耦合（或其他過程強化）的機會。只有這樣，才能進行模試實驗實施與放大。然而，目前世界上大多數工藝開發(fā)并未遵循此道。催化/化學研究主要依賴試錯法，而后通常選擇所熟悉的反應器型式進行實驗，且在對內在現象僅有有限認識的情況下，采用統(tǒng)計方式獲得最佳的操作狀況。因此，在工業(yè)裝置上，期望的設計指標通常難以達到，而實驗需要在昂貴的費用下運行。最終，由于費用昂貴而避免使用中試裝置，得到費用代價高得多的不良工業(yè)裝置[3]。

圖5 工藝系統(tǒng)開發(fā)的“洋蔥”模型[42]Fig.5 “Onion”model for process systems development[42]

圖6 反應轉化率對各項費用的影響[42]Fig.6 Effect of reaction conversion on various costs[42]

為解決上述問題，本研究組提出催化反應技術開發(fā)應在化工系統(tǒng)工程的指導下進行，在過程研究的初期，化工系統(tǒng)工程師應參與其中，并提出概念設計的總體工藝，在過程研究的后續(xù)各個階段，進行逐級評價和工藝改進（圖2）。

圖7 MTBE催化精餾工藝流程[45]Fig.7 MTBE catalytic reactive distillation process diagram[45]

催化反應與分離耦合的技術之一為催化反應精餾，其中首先成功工業(yè)應用的案例之一為MTBE（甲基叔丁基醚）的催化反應精餾合成，該工藝是美國CR&L 公司開發(fā)成功的[43]。甲醇和混合C4中的異丁烯在強酸性陽離子交換樹脂作用下合成MTBE 的反應，是放熱的可逆反應，同時發(fā)生異丁烯的二聚和水解的副反應。傳統(tǒng)工藝采用液相催化反應器，反應產物用于精餾分離。然而，由于MTBE 和甲醇及異丁烯和甲醇均形成最低共沸物，分離流程比較復雜。采用催化精餾合成MTBE 的工藝流程如圖7所示。來自催化裂化的混合C4先與甲醇一起進入預反應器，接近化學平衡的反應物料進料催化精餾塔，在塔的中部裝有催化劑捆扎包，構成反應段（塔2黑色段），使剩余的異丁烯完全轉化，塔釜MTBE純度大于95%（進料甲醇與異丁烯的摩爾比＞1）。由于催化精餾塔內反應放出的熱量全部用于產物分離上，具有顯著的節(jié)能效果；該催化精餾工藝不僅投資少，而且水、電、蒸汽的消耗僅為非催化精餾工藝的60%，故幾乎新建的MTBE 裝置都采用催化精餾工藝[44]。

另一案例為甲醛與一氧化碳羰化制乙二醇技術。圖8為美國伊士曼化工公司專利報道的工藝框圖[45]。甲醛與一氧化碳先經過羰化生成聚乙醇酸，產物經水解得到乙醇酸單體，乙醇酸再經過酯化得到乙醇酸酯，最后乙醇酸酯加氫得到乙二醇。該工藝在以乙酸為溶劑、三氟甲烷磺酸為催化劑時催化性能最優(yōu)，但是整體工藝涉及催化劑回收、溶劑回收，以及乙酸與聚乙醇酸的分離難題；同時產物乙醇酸易聚合為聚乙醇酸，水解步驟難以避免。這些特點造成工藝路線過長、產物復雜以及循環(huán)物流較多的問題。針對以上問題，本研究組通過Aspen Plus 軟件和文獻數據進行深入分析，認為工藝系統(tǒng)開發(fā)不應囿于催化反應過程，而應將催化反應與分離系統(tǒng)整體考慮，避免使用乙酸溶劑，探索既兼作羰化和酯化反應催化劑又作為溶劑的催化體系。基于此思路本研究組開發(fā)了整體工藝，進行概念設計，并已開發(fā)出適宜的催化劑，盡管性能略低，但是整體工藝大幅簡化，規(guī)模經濟性顯著提升。

圖8 美國伊士曼化工公司專利中的甲醛羰化制乙二醇工藝流程框圖Fig.8 Flowsheet block of formaldehyde carbonylation to ethylene glycol in patent issued by Eastman Chemical Company USA

5 總結與展望

隨著計算機硬件和算法的發(fā)展，計算速度的顯著提升和各種商業(yè)軟件的廣泛普及，計算機模擬輔助方法將為催化反應工程研究與工藝技術開發(fā)提供強大有力的工具。對于不同尺度的開發(fā)工作，大體建議如下。

(1)催化反應尺度：①結合先進催化表征技術和密度泛函理論（DFT），發(fā)展包含催化劑晶粒信息（尺寸、原子數目、晶面占比）的動力學，并將其應用于復雜反應（如費托合成）是未來催化反應動力學的重要方向；②在小試獲得較好的轉化率和選擇性基礎上，宜采用模擬軟件開發(fā)包含產物分離整體工藝的概念設計，提前進行技術評價，及時將評價結果反饋給催化化學家，提出催化性能指標和反應工藝耦合方向；③對于氣-液兩相反應，采用模擬軟件預測氣體在液相的溶解度，預判熱力學平衡、傳遞等物理行為對催化反應的影響，篩選適宜的溶劑。

(2)催化劑顆粒尺度：①結合顆粒模型與活性分布理論，可通過活性分布強化反應，或可通過顆?？椎佬再|控制強化傳遞，以實現顆粒尺度催化反應性能的調控，仍舊是未來的重要課題；②對于實際復雜反應體系，單顆粒催化劑的多定態(tài)行為，對不穩(wěn)定操作甚至飛溫、強化操作的影響，仍然需要大量研究。

(3)反應器尺度：借助計算機模擬方法對反應器傳遞強化的影響進行分析，再通過實驗驗證此規(guī)律，實現單純從純“經驗放大”到“以計算機模擬輔助的放大”的轉變，是未來反應器傳遞強化的重要發(fā)展方向。

(4)工藝系統(tǒng)尺度：①對于完成小試后，擬進行模試/中試的技術，采用模擬軟件提前優(yōu)化工藝，減少系統(tǒng)操作費用，并在模試/中試中驗證與改進工藝；②對于完成中試/工業(yè)側線/示范的技術，采用模擬軟件先以工程經驗調整優(yōu)化工藝，進一步采用Aspen Energy Analyzer 軟件基于“夾點技術”深度優(yōu)化工藝，減少操作費用和設備投資。