化工过程强化系列1:连续流过程的意义-汶颢股份
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化工过程强化系列1:连续流过程的意义

微通道反应器可以说是这几年最受关注的技术,我在技术交流中经常和客户讨论这个问题,也经常受到询问这个技术的私信,当然也见过很多厂家买了设备最后工艺推进不下去的。既然这个问题最受关注那么我就从这个技术说起。

首先,我要说明的是,所有的过程强化技术实际上是一个流程概念而不是一个设备概念。包括微通道反应器,它并不是一个简单的设备,而是一个流程,这个技术其实应该叫做微化工技术。那么这个技术给我们描绘了一个怎样的前景呢?这里我引用一篇十多年前的文章供大家参考。

http://tech.sina.com.cn/d/2006-09-04/09511117735.shtml

当然,这样的科技文章夸张的成分很大,里面有多少真实的东西很难说。但是这篇文章中描绘的未来化工的愿景却是值得我们关注的。以这篇文章做一个归纳,未来化工应当有以下几个特点:

小型化:设备尺寸小,工厂整体占地面积小,在较小的设备空间内达到高产量,这样可以降低工厂征地成本。化工生产甚至可以在“小作坊”内进行,具有更大的灵活性(如果要关停搬迁可以直接装车运走,哈哈)。同时设备尺寸的减小可以带来安全性的极大提升。

连续化:连续地将原料输入生产系统,连续地产出产品,整个过程采用自动化仪表进行控制。尽可能的避免人工操作,减少人员伤亡的可能。未来越来越多的人不愿意从事化工行业,因此员工必然是越来越难招的,在这种情况下要找到机器代替人的方法。

高价值化:化工生产的产品将是有高附加值的材料或者中间体,产品附加值越高,越有利于分摊技术成本,采用先进技术。

柔性化:化工生产线应当能够满足多种工艺要求,方便在各种产品中进行切换,设备生产的启动与停止耗费更少的资源。

当然,一个化工流程实际上只需要满足这四个条件中的一到两个就有可能对现有流程进行替代,产生巨大的经济效应。而微反应器却是目前来看可能同时满足这四个条件的技术,因此,它的未来最为广阔,受到的关注也最高。

我认为在这四点中连续化是最为重要的,而且是化工工艺技术改造优先应当考虑连续化的可能性。最著名的例子就是汽车工业的福特流水线,实际上可以的认为是一种连续化工艺,生产效率明显高出一台一台的组装。微通道反应器是一种连续化改造的方式,有可能是最好的方式,但不是唯一的方式。实际上很多化工过程只要进行连续化改造就能产生效益。这里我举一个浙江某染料厂重氮化反应的例子:

我们知道,重氮化反应是一个反应速度非常快而且放热非常剧烈的反应,一般来说我们做这个反应采用搅拌釜来做,大致操作步骤为:

将底物投加入搅拌釜中,然后滴加亚硝酸盐溶液进行反应。这个过程中滴加速度需要严格控制,加料过快反应非常剧烈,温度升高会非常明显,导致整体选择性下降。待试剂滴加完毕后再搅拌反应一段时间,进行放料。整个过程包括:底物投料->滴加药剂->搅拌反应->放料四个过程。

间歇操作下,这四个步骤反复进行,其中底物投料与放料是辅助操作过程,这种操作会严重降低反应效率。比如一个反应釜操作四个小时,其中两个小时在投料和放料,实际有效的反应时间只有两小时。同时每一次滴加药剂就涉及到阀门的开启关闭以及流量调节,这种反复操作可能带来失误概率的增高。而且批次间产品会有差异,一班工人操作熟练,滴加药剂速度控制的非常好,产品质量就高。换一班工人,滴加速度控制不好,反应温度波动大,副产物就多,产品质量就差。

在浙江这个染料厂的技改中,他们就使用了一套连续化的系统,那就是采用多个釜串联,物料连续进入,连续采出,每一个釜内采用一定的固定流速滴加亚硝酸盐溶液。这个过程一旦物料进入与采出的速度控制好后,就仅仅需要微调,甚至不需要调整。也没有投料放料过程,整个生产效率大大提高了,产能上比同样3个间歇釜扩大了3倍,产品质量还更加稳定。

图片1.png 

间歇工艺与连续工艺流程示意

在这个例子中我们可以看到,这个工艺技改优点很多。而且最关键的是,整个技术改造并没有使用什么高大上的技术,还是普通的搅拌反应釜只不过操作方式进行了改变。这个反应能不能用微通道反应器来做,当然是有可能的,而且效率应该更高,因为微通道反应器的移热能力更强。但是现实中不是每个单位都有资金与技术能力能够上这样的新技术。在技术能力有限的条件下,不必求全,只要做好一部分工作同样也能出效益。

当然,连续化工艺过程仍然有其大量的局限性,并不是所有流程都适合连续化改造。最主要的问题就在于连续化生产实际上与柔性化生产是矛盾的。特别是在精细化工行业中,往往对于小微化工企业,生产的产品受市场影响产量以及种类上都会存在变动。而连续工艺一般是一个匹配度较强的过程,一套工艺流程往往对应一种产品或一个过程,灵活性较差。当企业受市场影响需要生产其他产品的时候,很难直接将工艺设备进行移值。这个与我们现在的间歇反应釜不一样,间歇反应釜中我们可以投不同的物料进行多种产品的生产。但是连续流反应器在这一点上会受到限制,因此在推进连续流工艺的时候,生产厂家一定要考虑产品需求是否能保持稳定,如果需要频繁变化产品类型,不能进行稳定生产,那么上一套连续流装置效率上优势不大。

此外连续流化工过程,存在与其他流程的匹配问题,如果上下游流程都是间歇的,中段的流程即使是连续的,对于产能提高的意义也不会太大,类式于木桶原理,其他部分出现短板会限制整体的产能。这时候连续化更多的意义就是设备小型化,流程安全性方面的考虑了。

最后还涉及到仪表控制方面,连续流化工过程的仪表及控制系统问题目前来看还是一个薄弱点。主要的问题就是再一些极端工况下,仪表的准确度与寿命难保证,一些国内仪表质量确实不敢恭维。比如说,一个反应150℃下进行,如果希望检测反应过程中的pH变化,并以此确定反应终点,在这个工况下可能根本没有仪表供我们选用。因此对于连续流的过程控制,在设计上要尽量避免在极端工况下布置检测点。

关于连续流过程的基本介绍就到这里,下一讲我准备谈一谈微通道反应器背后的原理。

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