多樣化的化學工業生產反應裝備選擇
從國際視野看,尚有很多先進的成熟的化工技術并未普及—強化國外化工技術引進與國產化。
在國際上有很多專業的化學工程公司,針對某些化學反應有著很好的工程經驗和管理經驗,無論是項目的安全性、環保性、生產的效率性和經濟性都有著非常大的技術優勢;同時國內的工程項目管理經驗和裝備制造能力也有長足的進步,為吸收國際技術打下了堅實基礎。本文將對氣液兩相反應、氣液含加少量固體催化劑的反應類型、液液反應、放熱反應、光化學反應、固液反應和微反應器類型進行討論。對于氣液反應從實驗室到工業裝置也進行簡述,對有關無溶劑和連續化的技術前沿進行初步的探討;對于微反應器在化學中的應用和未來發展做一個概述。
一、氣液反應:
釜式技術:
目的:提高反應質量、降低反應成本、提高反應安全性、裝置平穩運行
適用:非均相催化加氫(骨架鎳或貴金屬負載催化劑)、無溶劑反應、連續化反應、絕大多數放熱反應
手段:垂直換熱板組片、自吸排氣攪拌槳、磁力密封
釜式技術是迄今為止應用最廣泛的化工技術,大多數的精細化工主要的生產方式都是釜式,半間歇、間歇、半連續、連續等各種工藝都有使用,大量的工藝師、工程師都精通反應釜的使用。所以,只要將單釜的傳質換熱能力提升,工藝師和工程師是很容易進行工藝優化。傳統的反應釜傳質受到攪拌器形式和轉速的限制,以及內部擋板死角等因素傳質效果較差;釜內的盤管換熱面積有限、換熱系數不高,水平排放不利于物料上下翻騰等。垂直換熱板內置于釜內,解決了反應物料換熱問題和釜內流向問題;自吸排氣攪拌槳解決了多相物料混合問題。國內的催化加氫無論是鎳系催化劑還是貴金屬催化劑都非常適用。一些放熱量大的化學反應,應用換熱板換熱也取得了很好的效果。用于醫藥催化加氫的反應釜交鑰匙工程可達到cGMP標準。
回路反應器技術:
目的:提高氣液反應效率;提高反應質量;
適用:EO/PO表活劑領域;均相及非均相加氫;純氧氧化;羰基化;油脂加氫;石油 樹脂加氫;
手段:文丘里噴射器、循環泵、外置換熱器
回路技術是先進的高效能的氣-液反應技術,應用于化工、制藥行業。高傳質效率決定了它是不對稱加氫不二選擇,同時反應的均勻性應用于EO/PO也是釜式反應器無法比擬的,應用于催化加氫、純氧氧化、氨化、油脂加氫等可以達到萬噸級十萬噸級產量。專門為醫藥設計回路反應器可達到cGMP標準,高效反應、均勻性好、批次質量等同。利用文丘里噴嘴進行氣液反應、氣泡細密因而比表面積極大、傳質效果極好,反應容器內無擋板,全部物料整體流動,混合均勻,外置換熱器可以按照工藝需求系統設計。
二、連續流合成技術:
微反應器技術:
微反應技術是一個新穎技術,它以先進的微結構制造技術為基礎,以100nm~1mm孔徑為技術特征。十余年來,微反應器成功實現了商業性生產,并且實現了模塊化設計制造、制造成本下降。傳統經典化學反應也開始連續流合成研究,文獻數量不斷增加。微反應器展現了好的反應選擇性和好的效率。連續流相比于間歇反應也有明顯改善的生產特點,諸如反應條件恒定不變、操作簡單可控、工藝研發過程簡化等等。微反應器連續化學生產較釜式反應器更加簡單可控。
微反應器的顯著特點:
傳質系數高:微孔徑通道使得傳質路徑變小,擴散時間變短,強化了傳質能力;
傳熱系數大:面積體積比大,有利于反應熱的轉移和補充,溫控極好;強化了對溫度敏感的化學反應的選擇性,抑制副產物生成。
持液體積小:持液體積小,在反應器出現問題時只有少量化合物暴露,安全性好;
無 返 混:連續流反應無返混,反應完成后產物即被移除,減少產物停留時間;
易 放 大:微反應器的實驗級和工程級微結構不變,放大過程只是數量增加;
無放大效應:微反應器放大過程中不存在釜式3D結構,無放大效應;
研發時間短:高度可控的反應條件簡小了篩選化學工藝參數的難度,縮短研發時間; 每次投料可觀察多個參數,同一溶劑、濃度條件下觀察不同溫度流速的反應狀況
穩 定 性:反應條件的穩定而精確的控制;
缺 點:易堵塞,固體顆粒和固體顆?;蛘吒碑a品聚合物能夠聚集在微反應器極細的孔道中,一段時間后就會堵塞(結垢),越細的反應器通道,越容受影響。
適用工況:
定制合成:微反應器穩定的反應條件重現有利于重復性較高的定制合成業務;
工藝革新:連續流合成取代間歇反應;
特殊工況:溴素、硝化、氟、氫氣、光化學等特殊物料參與;低溫反應等;
高選擇性:強制溫控抑制副反應生成;
三、固液反應技術:
高粘捏合反應技術:固液反應,廢溶劑回收。
四、結晶技術:
熔融結晶技術:
目的:同分異構體分離
適用:同分異構體熔點差別較大如苯環不同位置取代物分離
手段:垂直換熱板陣列
換熱板均勻的陣列使箱體內的溫度可以均勻下降,熔融結晶的工作原理就是當溫度下降到某一溫度時,有一種物質從中結晶析出,待結晶過程完成后,將未結晶物料放出、洗滌。物料分離之后將結晶物熔化或部分熔化取出。。
五、光化學反應技術:
目的:篩選利用不同光波段、合理使用光源減少副反應
適用:自由基反應、光催化反應、光化學反應
手段:光源、濾波器、反應器器皿材料、防護措施
光化學反應工程技術在國外已經有25年歷史,德國公司對有著豐富的光化學應用和工藝開發和工程解決方案。光作為一種反應“物料”參與了諸多光催化反應、自由基反應、取代反應。光的波段和光子流強度是這種反應物料“光”的兩個重要參數;合理安排光源和反應器形式,對反應物料的近二十個參數強化控制。成熟工藝:微反應器+光化學反應、浸入式光化學反應等、以及特殊物料的整個光化學生產工藝包等。
六、環保技術:
廢酸處理技術:
化工和醫藥的生產過程中經常有廢硫酸產生,一種辦法是將廢酸中和然后蒸發處理,另外一種辦法就是將廢酸中有機成分通過氧化和汽提等辦法除去,再將稀的廢酸濃縮為可回用的廢酸?;焖嵊嗔肯跛岷偷趸衔镆部梢灾匦赂患暮吞崛橄跛帷:侠淼墓に嚵鞒踢_到低能耗高效率的目的。特種材料的使用保證工程治理的可靠性和裝置穩定性。