前言

化学工业自出现以来,为人类创造了巨大财富。但是,往往涉及易燃、易爆、有毒、有害等非安全化学品的生产、储存、运输和使用,且有些反应在高温、高压等危险条件下进行,故而存在巨大的安全隐患。从化学工业追求目标的角度,可将其发展历程分为三个阶段:第一阶段为早期的单一技术经济指标,第二阶段为现今的以技术经济和环境友好为重点的双重指标,第三阶段则应是今后的以技术经济、环境友好及过程安全等多重并重的发展目标。开发化工过程的安全工艺和技术当是化学工业的重要发展方向。

针对化工过程安全问题,以往的方法主要是以防护为主,包括预防设施、控制设施及减少与消除危害的设施。这些防护设施并没有从根本上解决化工过程存在的安全问题。1977年,英国化学工程师Kletz最早提出化工工艺和设备本质安全的概念。本质安全就是从源头上减少或消除风险,包括危害物质的最小化、高危物质的替代化、剧烈反应的温和化以及过程工艺的简单化。催化反应过程是化学工业的核心,本质安全的催化反应工艺和技术对于从源头上解决化学工业存在的安全问题具有重要的科学意义和应用价值。

本书在本质安全概念、原理的基础上,结合国内外科研成果,基于化学工程理论给出了从源头上解决化工催化反应过程安全问题的七种方法:①去除非安全中间反应物合成和使用的多步反应一步化催化反应过程;②纳微尺度多功能催化活性相上非安全中间反应物及时完全转化的集成催化反应过程;③替代非安全反应物的新催化反应过程;④避免易爆炸反应物均相混合并在微反应相及时完全转化的膜组合催化反应过程;⑤化学储氢(氧)载体安全反应物可控释放氢(氧)及其及时完全转化的组合催化反应过程;⑥在使用时易于分解为原非安全物质或原位分解转化的相对安全中间物参与的催化反应过程;⑦通过高效催化剂设计、外场促进和过程强化,实现条件温和的催化反应过程。

本书对多种安全催化反应过程进行了论述,包括:合成苯胺、苯酚以及碳酸二甲酯等一步化安全催化反应过程;环己酮、氨和双氧水直接合成环己酮肟,环己酮和羟胺盐直接合成己内酰胺,合成气直接制取低碳烯烃,合成气直接制二甲醚以及甲醇选择氧化直接合成二甲氧基甲烷等的纳微尺度集成催化反应过程;碳酸二甲酯替代光气、硫酸二甲酯、氯甲烷,二氧化碳替代一氧化碳以及固体酸、离子液体替代无机液体酸催化剂的安全催化反应体系;氢气和氧气参与的透氢膜组合反应体系,氧气参与的混合导体透氧膜组合反应体系;化学储氢载体可控释放及其完全转化的安全组合催化反应系统,固体化学储氧载体及其在安全催化反应中的应用以及以二氧化碳为氧源的选择氧化合成重要化学品安全反应体系;非安全活泼物质安全化处理——封闭型异氰酸酯,甲苯二异氰酸酯(TDI)的相对安全中间反应物质——甲苯二氨基甲酸酯直接催化合成以及氯化氢、氨的相对安全中间物质——氯化铵及其原位转化催化过程;温和条件下合成氨、合成甲醇及外场促进和过程强化实例。

本书由王延吉、李志会、王淑芳编著,主要内容源自于编著者及其团队在本质安全催化工程领域多年来的研究成果和国内外同行近年来的相关研究工作。本书第1~4章由王延吉编写,第5、6章由李志会编写,第7、8章由王淑芳编写。在成书过程中,赵新强、王桂荣、王桂赟、张东升、高丽雅、安华良、丁晓墅、赵茜、李芳、薛伟、张艳华、贾爱忠、程庆彦、邬长城、谭朝阳、金长青等老师,以及徐元媛、王彤、任小亮、闫亚辉、王停停、马雪晴、王晓曼等研究生做了大量工作,付出了辛勤的汗水,在此向他们表示衷心感谢。

衷心感谢中国工程院院士袁渭康教授为本书作序。

感谢国家自然科学基金的资助(21236001)。

我们力图使该书达到高质量,对读者有所裨益,但由于水平有限,书中难免存在疏漏,恳请读者批评指正。

　　王延吉　李志会　王淑芳　　　　

2018年7月于成语典故之都——邯郸