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连续流微反应技术——实现化工生产本质安全的利器

更新时间:2022-03-16 点击数:574

    化工行业的安全生产一直是民众关注的焦点。与机械、冶金、造船等行业相比,化工生产过程中会使用大量可燃性、有毒物质,因此引起的火灾、爆炸及中毒的危险性很大。化工生产设备大型化、处理量大,很多操作都是在危险环境及高温、高压等苛刻条件下进行的,增加了装置本身破坏的危险性。

 

    据统计,这些危险反应事故有近70%发生在化学工业,约30%的事故发生在使用大量化学品(如废料加工和石油炼制)的其它行业,几乎100%的危险反应事故与化学品有关。而危险反应事故的发生都会涉及到设备。因此,做好化工工艺设备的安全工作是非常重要的,能减少或消除绝大多数危险反应事故的发生,从而保证人们的生命安全,减少财产损失、人员伤亡以及环境污染。 

 

化工设备本质安全化途径

 

    本质安全是指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性,即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能。消除危险因素是防止事故发生的最有效方法,也是本质安全的基本原理。完全消除所有危险源是不可能的,但通过改变工艺、生产设备设计、操作方式等来减少事故发生的可能性是比较可行的办法。化工设备本质安全化途径如下:

1、最小化

     减少设备装置中危险品的库存和使用量是实现本质安全最普遍使用的方法,库存量削减适用于工艺单元和储罐。通过连续生产代替间歇生产,可以减少物料在线存量。如硝酸甘油的生产,早期工艺生产为每批10t,变成连续生产后,存量大为降低,只在一个反应器中进行,存量可至5kg以下。与最终产品相比,一些中间产物毒性更大。采用连续工艺也有助于减少中间产物的存量,可以极大降低危险严重程度,使工艺变得更安全。

2、替代

     使用危险性低且仍能满足工艺要求的替代物质,可以降低风险,减轻工艺单元或储存设施的泄漏后果。例如,使用次氯酸钠代替纯氯气来进行水的消毒,或在精炼厂烷烃化单元中使用硫酸代替氢氟酸。

3、弱化或缓和

     在比较缓和的条件下使用危险化学品,如较低的压力或温度,可将危险的化学反应状态转化成相对安全的化学反应状态,或者以一种相对安全的形式存储和运输危险物质。例如,氯气和氨气应以冷冻的方式在常压下储存,来取代常温下的高压储存方式。

4、限制影响

     通过改变设计或者工艺参数的方式来限制失效导致的影响。例如:如果设备可以通过垫圈设计使设备失效后泄漏量最小化,也就容易控制。

5、简化

     简化的工艺装置可以减少出错的几率。简单的工厂比一个复杂的工厂的成本低的同时,也提升了本质安全程度。

 

 

 

 

 

连续流微反应技术对安全性的提升

 

    无论是基于改进的混合效果还是强化的传递过程,微反应技术的应用提高了很多化工过程的本质安全性。

1、传质效果加强

     增强传质效果是微反应技术的一大优势。微米至毫米级的反应通道,可以实现物料在毫秒甚至微秒级别的反应时间内充分混合,停留时间分布窄,系统响应迅速,也减少了可能的副反应,同时降低了反应的危险性。Yu报道了连续流硝化合成1,4- 二氟-2- 硝基苯的方法(图1)。通过这种程序控温的连续流硝化,大大缩短了反应停留时间,有效避免了多硝化等副反应的发生,目标产物收率为98%。

2、传热效率提升

     对于强放热工艺,能及时移出反应产生的热量,提高工艺生产的安全性,从源头上避免因局部温度过高或者系统飞温等造成副反应的发生等各种可能性危害。一般采用缓慢加入原料、稀释原料、剧烈搅拌等方法避免热量积累。比如,酸碱中和反应,釜式工艺只能是将原料一点点地加到反应釜里,反应釜用冷却水进行冷却,加料速度完全取决于反应釜的移热能力,整个过程可能需要几个小时的时间,但实际上这个反应很快。但由于传热速率与表面积成正比,而反应放热量与反应器体积成正比,所以随着反应体量的增加移热变得愈发困难。微通道反应器的比表面积大,传热系数高(图2),将反应产生的热量迅速移除,可以避免局部温度过热,减少副反应的发生,更能够防止由于热量积聚而产生飞温现象,使反应安全快速地进行,降低反应失控风险。 

3、在线持液量小

      通道反应器的反应体积小,只有很少的物料停留在反应器中。一套工业化微通道反应器有效持液体积为几升,针对危险物料工艺,与传统反应釜相比,能大大减少设备的持液量,减少爆炸、火灾等危险源,进而从本质上提高化工生产的安全性。

4、自动控制精准

     反应过程中的参数控制精确(包括浓度分布、温度分布、压力分布等),可以强化反应过程,精确物料配比,进而提高反应的转化率、选择性和收率。

     连续流设备系统可以设定安全参数,实现自动控制的基础上装备紧急停车系统和其它安全联锁装置,实现工艺过程的自动控制和主要参数指标的自动报警。采用隔离、远程遥控等方式,实现化工设备从复杂操作到一键化的转变,减少现场操作人员。

     另外,由于自动化程度高,微反应器温压耐受性高,可以尝试采取高温高压等苛刻的操作条件,在保证选择性的前提下提高反应速率。以邻苯二胺与乙酸的缩合反应为例,室温下反应完全需要9周,但如将反应温度提升至100℃则只需要5 h,若将温度进一步提升至200℃只需要3 min。将此反应在微反应器中以313℃、5 MPa的条件下实现,则停留时间只需要 6s。 

5、数增放大

      常规传统反应器的放大通常需要通过逐级放大来实现,放大效应存在使反应设备由实验室规模到工业化生产设备时工艺条件无法保持一致,而且每级放大都需要反复实验来调试反应条件,耗时费力。微通道反应器则采用增加通道数量的方式达到增加产能的目的,实验室小试与工业化生产反应条件保持一致,可快速放大,减少中试环节,缩短研发周期,提高研发效率。目前,实验室级别反应系统可以实现从公斤级至吨级的合成制备,而工业化上采用多反应器数目并行放大,可实现千吨级至万吨级的通量。

6、撬装设计,节约占地

    连续流反应技术采用撬装化的设计理念,将进料系统、反应系统、控制系统集成在一起,将占地几百平米的传统反应装置,浓缩至几平米的空间,极大的减小了设备的占地面积,改善了生产环境。同时,生产规模可以根据实时需求进行灵活调节,具有较高的操作弹性。其便携、集成的特点能够实现分散生产和按需转移,保证资源利用的最大化和运输风险的最小化。

 

 

总结

 

  连续流微反应技术以其独特的微通道结构,实现对传质与传热过程的强化,一方面缩短了反应所需的时间,直接降低了生产的风险,另一方面显著提高了体系温度和浓度的均一性及可控性,极大缓解了局部过热或反应物浓度过大的问题,提升了反应的安全性。通过约束效应及苛刻操作条件的实现,降低了有毒、易燃、易爆及不稳定中间产物可能造成的危害,使生产装置的本质安全得到提高。

 


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