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人物篇|魏飞:一心奉献为化工

文章来源:中国化工报    时间:2019-04-11 09:36

  


魏飞在新闻发布会现场。

  “只因胸中抱负在,毕生奉献为化工。”这是清华大学化学工程系教授、博士生导师魏飞的学生为他所写的诗句,也是对他在清华大学近30年教学科研工作的最好总结。魏飞及其领导的绿色反应工程与工艺实验室致力于利用流体—颗粒多相流反应、流动及传递技术等化学工程技术,解决与人民生活和国家发展息息相关的能源、资源、材料及环境问题,并在清洁能源及化学品生产、无机纳米材料制备与复合、绿色及生态化工、亚美am8.com碳纳米管材料产业化等领域作出了重要贡献。

  为锂电材料贴上中国标签

  作为纳米科技的基础材料,碳纳米管自1991年发现以来就成为化学及材料学领域的研究热点之一。碳纳米管的传热性能可与金刚石媲美,导电电流密度可达铜的1000倍以上,强度是钢的100倍,质量仅是钢的1/7,国际上学术研究认为它是一种非常有潜力超强、超韧材料及下一代半导体材料。也是因为这个原因,魏飞及其课题组在2000年左右开始了碳纳米管的研究工作。 利用多年来在纳米颗粒流化床方面的基础,2001年,在国际纪念碳纳米管发现10周年的学术大会上,当魏飞代表清华大学反应工程研究室宣布已经可以成吨的利用纳米聚团流化床制备碳纳米管,解决了碳材料大批量生产的世界性难题时,整个会场为之轰动。 批量生产是碳纳米管从实验室走向实际应用的重要一步。在成功地将碳纳米管批量化生产后,魏飞团队和一些电池企业的合作,尝试将碳纳米管作为储能材料导电添加剂加入到锂电池的正级中。测试结果显示,添加了碳纳米管的锂电池循环次数增加30%~50%,能量密度提高8%。这一技术成果正好赶上了智能手机和电动汽车蓬勃发展的时代,应用端的变化对锂电池的性能提出了更高要求。顺应了时代的发展,魏飞团队与合作单位一起成功建成了碳纳米世界最大的千吨级碳纳米管生产企业,实现了万吨级锂电池导电浆料的产业化,目前广泛应用于目50%以上的智能手机与电动车中。谈起碳纳米管,魏飞骄傲地说,这是在锂电池材料中唯一贴上中国标签的新型材料。

  在此基础上,魏飞团队继续在碳纳米管领域进行深耕,又先后制备出世界上最长的单根碳纳米管和拉伸强度达到到80GPa以上的超长碳纳米管管束。

  以“制备出千米级以上长度的碳纳米管”为目标,魏飞团队充分发挥材料制备和化工技术学科交叉的优势,在设备、工艺方面进行大量改进和创新,首次将生长每毫米长度碳纳米管的催化剂活化概率提高到99.5%以上,最终成功制备出单根长度超过半米的碳纳米管,也刷新了碳纳米管领域的世界纪录。自从1991年碳纳米管被正式报道以来,全世界的研究者为提高长其度进行了大量艰辛的探索。然而此前的碳纳米管最大长度只有18.5厘米。

  今年5月,魏飞团队又制备出接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束,管束拉伸强度达到到80GPa以上,超越目前发现的所有其他纤维材料。“我们将超长碳纳米管一根一根排列起来,运用特殊方法形成相应的结构、形状,并证明以此合成的宏观纤维,可维持碳纳米管的强度不变。”魏飞介绍,用这种制备超强碳纳米管束的新方法,与超长碳纳米管的宏量制备方法结合,可研制出超长且超强碳纳米管纤维,这种材料比一般的碳纤维材料强度高了1个数量级。

  魏飞还介绍,他们在超长碳纳米管的研究工作虽然还处于偏基础状态,但是展示出了制造超强纤维的光明前景,为发展新型超强纤维指明了方向。这有助于改进目前具有一定生产规模的超强材料,同时也为超强材料的大量制备奠定基础,未来有望在大飞机、大型运载火箭、超级建筑等多个领域大显身手。

  让苯胺技术再上台阶

  苯胺的工业化生产主要通过硝基苯加氢还原来实现,所用工艺主要有固定床气相催化加氢工艺、硝基苯液相催化加氢工艺和流化床气相催化加氢法3种。前两种工艺主要由国外公司开发而成,应用于国外装置上,国内企业如要引进,不仅价格昂贵,而且装置还可能因“水土不服”难以有效运转。后一种则是国内企业常用的方法,但如果在传统技术上没有创新的话,不但生产装置的规模难以扩大,产品质量也难有保证。

  “采用传统流化床进行硝基苯加氢制苯胺,生成的各种杂质在粗苯胺中的含量较高,精馏后的产品无法达到二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)级苯胺要求。而要制备MDI级苯胺,必须使苯胺粗品中硝基苯含量低于100mg/kg。其中最为关键的是先进流化床技术。”魏飞介绍说,他领衔的课题组在苯胺流化床反应器领域辛勤耕耘达10年,具有坚实的理论基础。

  在魏飞的带领下,项目团队与南京化学工业集团有限公司强强联手使我国苯胺生产技术跨上新台阶。他们共同开发建设了10万吨/年苯胺成套技术开发和应用项目,开发了10万吨/年加压构件高速湍动苯胺流化床技术及装备、配套15万吨/年等温苯硝化制硝基苯技术及装备、过程安全技术和800吨/天全生化废水处理技术及装备,创造了装置连续运行9个月的行业新纪录,产品完全满足国内MDI生产厂对苯胺产品的质量要求。该项目也因此获得了2008年国家科技进步二等奖。

  作为该项目的主要负责人,魏飞表示,此前我国硝基苯生产大多采用相对落后的釜式硝化工艺。这种传统工艺要求使用过量硝酸,因而极易产生系列硝基苯酚盐类,需要通过碱液洗涤除去。若酚盐类过多进入蒸馏塔,塔内过于干燥和温度过高时容易引发爆炸事故。魏飞团队领衔开发的10万吨/年苯胺成套技术,其硝化部分采用了多点多釜加料、多组多头换热蛇管硝化釜和静态混合技术等,解决了硝化反应器大型化可能带来的问题。且加压构件高速湍动苯胺流化床技术的应用使硝基苯转化率达到了99.999%,保证最终产品中硝基苯含量低于0.5mg/kg。

  业内专家对该项目给出了总体技术达到国际先进水平的鉴定意见,这项苯胺技术也获得了国内工业界的普遍认可,在与跨国公司大型苯胺技术领域的竞争中取得比较优势,迅速占领了国内苯胺市场。

  为煤制芳烃打牢基础

  针对我国缺油、少气、富煤的资源特点,发展以煤为原料的化工新路径,清洁制备烯烃、芳烃及含氧化合物等石化产品,在“十三五”时期将有广阔的市场前景和重要的战略意义。目前,我国煤化工已较好地解决了煤制烯烃的技术和产业化问题,而煤制含芳烃单体如对苯二甲酸、双酚A、MDI、对苯二胺等还一直还没有突破,但恰恰这才是未来煤化工高端产业的基础。

  煤经甲醇制芳烃是当前煤化工行业的发展趋势之一。但与制烯烃不同,煤制芳烃仍在产业化路上艰难前行。

  魏飞团队在2010年成功开发出流化床甲醇制芳烃工艺技术,一经问世,立即引起国外能源化工行业的极大关注。该技术采用两段内构件循环流化床技术,应用了自主开发的流化床甲醇制芳烃专用催化剂,甲醇转化率达99.99%,以液相烃计,总芳烃含量达99%,其中对二甲苯含量超过50%、“三苯”含量超过85%,可作为高品质的芳烃联合装置的原料方便地生产国内短缺的对二甲苯。2011~2013年,他们与华电煤业合作,建设了华电榆林3万吨/年工业化试验装置,进行甲醇进料制备芳烃的工业实验,在2014年又进行了催化剂连续3081小时的加压循环流化床装置测试,并开发了60万吨/年工艺包,为这类技术的工业化放大打下了坚实基础。同年,煤经甲醇制芳烃工业化示范项目在陕西榆林开工建设。

  在中国工程院院士金涌等专家看来,流化床甲醇制芳烃技术的推广应用具有重大现实与战略意义。通过相对丰富的煤为原料生产芳烃,既能解决芳烃原料短缺、价格居高不下的难题,又可丰富了芳烃原料获取途径。

  此外,魏飞团队开发了绿色无汞催化乙炔氢氯化工艺,采用纳米金催化剂来代替传统的汞触媒。采用其开发的低金催化剂已在工业单管试验超过2万小时,并在千吨级装置运行14000小时。魏飞团队还尝试以掺氮碳纳米管替代金属催化剂,以期探索乙炔氢氯化反应更绿色、更环保的工艺路径。


 

  魏飞,1984年毕业于石油大学炼制系有机化工专业,1990年获石油大学有机化工博士学位。现任清华大学化学工程系教授,绿色反应工程与工艺北京市重点实验室主任;中国颗粒学会能源颗粒材料专业委员会主任,是汤森路透2016年、2017年材料领域国内45位高被引科学家之一,也是Elsevier化工高被引学者;获教育部“长江学者”特聘教授、国家杰出青年基金等。

  在化学工程领域,魏飞及其带领的绿色反应工程与工艺实验室已成功实现气固下行床催化裂化、纳米聚团床批量生产碳纳米管、高速湍动床甲醇制芳烃、苯胺、氯乙烯、丙烯腈、间苯二腈等30台新概念反应器产业化,分别于2002年和2008年两次获得国家科技进步二等奖,以及中石化科技进步一等奖、教育部自然科学和技术发明一等奖等。

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