清华大学&中化环境 |【综述】未来制造新趋势，微化工技术引领化学品分布式制造革命

微化工视角下化学品分布式制造

Distributed Manufacturing of Chemicals from the Perspective of Microchemical Technology

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# 基本信息

期刊：中国科学：化学

数据库收录来源：北大中文核心、CSCD核心库

第一作者：林禾阳

通信作者：骆广生

作者单位：清华大学、中化环境科技工程有限公司

在线发布日期：2024年10月17日

原文链接：http://engine.scichina.com/doi/10.1360/SSC-2024-0139

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# 摘要

随着化学工业的转型与升级，分布式化学品制造逐渐走进人们的视野，引起了学术界和产业界的广泛关注。本文从微化工技术的角度切入，对分布式化学品制造的当前进展和潜在的未来发展进行分析，概述化学品分布式制造的核心特征，深入讨论微化工技术在分布式制造中的显著优势，在此基础上分析分布式制造在多个关键领域，如生物医药、精细化学品的合成以及能源行业中的应用现状和前景，并对其面临的挑战和机遇进行展望。

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# 思维导图

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# 未来的发展与展望

化学品的分布式制造技术，作为一种新兴的生产模式，其对化学工业可持续发展的贡献不容忽视。该技术通过实现生产过程的分散、灵活和安全环保性，能够更有效地响应经济社会对化学品的需求。未来，随着反应器设计、催化剂开发、过程控制和自动化技术等领域的不断进步，分布式制造技术的应用范围极有可能进一步扩大。同时，物联网（IoT）、大数据、人工智能（AI）和机器学习等技术的整合，将为分布式制造系统注入智能化元素，从而进一步提升化学品分布式制造大规模应用的速度。

与目前通用的集中式生产相比，分布式制造在成本效益、污染控制、安全管理等方面尚无法完全取代规模效应带来的优势，市场的接受与认可度还需提升。

分布式制造系统的高初期投资、小规模操作的成本效益问题、供应链和物流系统的重新设计，以及不同地区的监管标准差异、分布式制造系统设计与操作缺乏统一标准与规范，均为其广泛应用增加了复杂性。

在人才培养方面，操作分布式制造系统所需的新的技能和知识，要求教育体系进行相应的调整，以培养适应这一技术变革的人才。

在安全风险管理方面，尽管分布式制造技术本身具有较低的安全和环境风险，但小型化工厂的分散布局使得潜在的风险管理变得更为复杂，特别是在涉及危险化学品时，生产过程的安全性和产品质量的可控性尤为重要，需要更为严格的风险评估和管理措施。

在微化工技术这一前沿领域，尽管其展现出了巨大的潜力和优势，但在实现更广泛应用过程中仍需克服一系列技术和工程上的挑战。

①固体物料在微反应器中的处理复杂性凸显，迫切需要开发更为高效的固体悬浮和分离技术；

②当生产规模从实验室放大到工业级别时，由压降导致的流体均匀分配问题变得尤为突出，这可能导致反应收率和产品一致性的下降；

③亟需创新的混合器设计和混合策略来实现快速且均匀的大相比混合与分散效果；

④针对高粘流体体系，其在微反应器中的流动和传质特性与低粘度流体存在显著差异，这要求我们继续深化对流体动力学和反应器设计的认识；

⑤物料在线分配与提纯技术的缺乏限制了微化工系统的灵活性和连续生产能力，迫切需要开发高效的在线分析和控制系统；

⑥尺寸放大带来的传质传热性能下降是微化工技术在工业化过程中不可回避的难题，这无疑要求我们在材料科学和反应器工程领域进行持续的创新和改进。

除此之外，微化工设备的高精度加工与特材加工也还存在提升空间，需要我们继续发展激光加工、光刻技术及3D打印技术等先进加工技术。

针对以上仍然存在的挑战，我们提出了以下几个需要进一步探索和思考的方向：

（1）发展面向分布式能源的分布式制造。通过与可再生能源系统的集成，进一步优化能源利用效率。例如，利用太阳能、风能等绿色能源驱动小型化工厂，实现真正的绿色化工制造。这不仅符合国家“双碳”目标，也能降低传统能源依赖，推动化学品生产的低碳转型。

（2）发展面向不稳定化学品的分布式制造。有效减少不稳定化学品在运输和储存过程中的安全风险。由于分布式制造模式下的生产单元较小且分散，可以在靠近原材料产地或消费市场的地方建立工厂或单元模块，减少长距离运输的需要，从而降低不稳定化学品引发的事故风险，这也可以大幅度降低存贮的成本和风险。不稳定化学品分布式制造技术的进步预示着一条创新的化学品生产路径，它将复兴那些虽高效但风险较高的制造过程，使之在新的框架下得以安全、有效地应用。

（3）发展面向现代农业的分布式制造。实现农用化学品的本地化、定制化生产。通过在广大的农业生产区附近建立绿色安全的小型化工厂，可以根据当地需求快速生产适用的农药、化肥等产品，提高农业生产效率，减少过量使用和环境污染问题。

（4）发展面向公共安全的分布式制造。在应急情况下快速响应，生产紧缺的化学品或防护用品。例如，在疫情期间，可以迅速调配资源生产消毒剂、特种药物等医用化学品等，保障公共安全和卫生需求。

总之，分布式化学品制造技术展现出巨大的发展潜能和广阔的应用前景。然而，要实现其在全球范围内的广泛应用，需要跨学科深入研究、技术革新的突破以及政策层面的有力支持。需要打破传统产业界限，构建创新的供应链体系，发展前沿的技术和高端微型化装备，制定相应的法律法规，加强专业人才的培养，以及促进科技成果的有效转化。通过解决上述挑战，分布式制造有望在化学工业中发挥更加关键的作用，为化学工业的可持续高质量发展做出重大贡献。

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# 通信作者

骆广生：清华大学化学工程系，教授，教育部长江学者。作为清华微化工技术方向创始人和分离科学与技术学术带头人，长期从事微尺度流动化学、微化工技术、分离科学与技术、多相流动与传递、粉体材料制备等研究。致力于微化工理论体系构建和微化工技术从概念到工业应用的突破，揭示界面力、粘性力等对多相微分散体系的调控机制，发展基于剪切力调控的微分散方法和设备，分析微分散过程中动态界面张力的变化规律，研究探索微尺度混合、传递和反应基本规律并建立数学模型，发展分离和反应过程强化新方法，提出微设备放大和微化工系统集成理论与方法，发明微槽式、微滤膜式、多重孔径微筛孔式、微筛孔阵列式、微元件组合式等多种微化工设备，突破多项微化工技术产业应用的重大难题，在国际上率先实现微化工技术在万吨级湿法磷酸净化、酸团萃取、纳米碳酸钙制备、溴化丁基橡胶合成、橡胶促进剂合成等的产业化应用。在核心刊物上发表论文500余篇，获授权发明专利120余项，获国家技术发明二等奖和科技进步二等奖各1项、以及省部委科技奖励9项。任中国化工学会和中国颗粒学会常务理事，国务院学位委员会学科评议组化学工程与技术组成员，入选英国皇家化学会会士、中国化工学会会士、国际标准委员会微气泡分委会成员、国际微反应技术会议学术委员、国际溶剂萃取委员会国际委员。

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欧世盛（北京）科技有限公司是以微反应连续流化学合成技术及仪器设备，在线检测、传感器及应用型自动化装置为主的平台型技术公司。 公司拥有多学科的研发团队和应用研究团队，总部位于北京，应用研发部门FLOW R&D实验室与清华大学等多所科研团队合作，为不同行业用户提供强大的技术支持。

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