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未來(lái)的精細(xì)化工要做連續(xù)化工藝
發(fā)布時(shí)間：
2023-07-18 09:35
為什么要做連續(xù)化工藝？
農(nóng)藥、醫(yī)藥中間體、染料、助劑等精細(xì)化工產(chǎn)品規(guī)模小、產(chǎn)量低、生產(chǎn)步驟多品類繁多，遠(yuǎn)超基礎(chǔ)大宗化工產(chǎn)品。全球年需求總量在十萬(wàn)噸以下的品種，幾乎均是間歇化的生產(chǎn)過(guò)程為主，精細(xì)產(chǎn)品、粗糙生產(chǎn)，設(shè)備簡(jiǎn)單，反應(yīng)器單一，多個(gè)反應(yīng)釜完成相同的反應(yīng)，并使用大量的水或溶劑進(jìn)行工藝分離，工藝狀況本身決定了安全環(huán)保無(wú)法提高檔次。
目前大部分的精細(xì)化工企業(yè)都是建立于90年代，那是一個(gè)中國(guó)精細(xì)化工行業(yè)大爆發(fā)的十年，生產(chǎn)量和出口量都急劇增加，但當(dāng)時(shí)的工藝水平都是間歇式工藝條件，很少有自控，極少實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化的自控生產(chǎn)工藝。雖然后來(lái)部分的危險(xiǎn)工藝按照安監(jiān)局的要求做了一些安全連鎖，但是整體上工藝部分幾乎沒有優(yōu)化，還是批次化操作。目前面臨越來(lái)越大的EHS監(jiān)管壓力，以及工人對(duì)于職業(yè)健康的要求都對(duì)精細(xì)化工的工藝生產(chǎn)提出了更高的要求。
如何對(duì)連續(xù)化工藝進(jìn)行思考？
我們都知道連續(xù)化工藝的優(yōu)勢(shì)明顯，如工藝先進(jìn)，生產(chǎn)線整線連續(xù)化、全自動(dòng)化，具備多重安全連鎖。將合成技術(shù)/自控/工藝安全融為一體;產(chǎn)能擴(kuò)大，可以24小時(shí)不停連續(xù)化生產(chǎn)，產(chǎn)能基本上可以在原基礎(chǔ)上擴(kuò)大一倍; 全自動(dòng)化，可減少60%的工人數(shù)量; 投資減少，1-2年內(nèi)便可以收回所有投資，新項(xiàng)目還可以減少高壓釜、反應(yīng)釜等等投資;由于實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化，各反應(yīng)階段的熱量回收更易于實(shí)施，基本改造后至少可以節(jié)約能源5-10%。為了更好的理解連續(xù)化工藝，本文將通過(guò)幾點(diǎn)對(duì)連續(xù)化工藝進(jìn)行思考，連續(xù)化工藝在精細(xì)化工中的應(yīng)用也將是趨整。
1. 從反應(yīng)本質(zhì)出發(fā)
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對(duì)于反應(yīng)，傳熱、傳質(zhì)、反應(yīng)速率是非常重要的三個(gè)方面，也是反應(yīng)有三種瓶頸。傳熱問(wèn)題，如:由于放熱太猛，反應(yīng)釜冷卻不好，所以需要慢慢滴加（硝化反應(yīng)）；傳質(zhì)問(wèn)題，如:由于氣液兩相，或者水油兩相混合不好，所以反應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng)（環(huán)氧氯丙烷的水解，加氫）；反應(yīng)速率，如:很多反應(yīng)本來(lái)的速率就很慢，加強(qiáng)傳質(zhì)傳熱都不會(huì)有強(qiáng)化（酯化）。
以上這3點(diǎn)在反應(yīng)器上可以體現(xiàn)為混合效果，傳熱效果，反應(yīng)停留時(shí)間，其中傳熱效果和反應(yīng)停留時(shí)間都可以建立模型計(jì)算（如下圖），也就是做連續(xù)化工藝要重點(diǎn)考慮的，需要從熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)的數(shù)據(jù)來(lái)分析，或者設(shè)計(jì)一些實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證；然后針對(duì)這些瓶頸做“工程強(qiáng)化”或者“連續(xù)化”。
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2. 依據(jù)反應(yīng)器的不同特點(diǎn)
常見的反應(yīng)器有釜、塔、管、床、微通道，其差別在于長(zhǎng)徑比不同。長(zhǎng)徑比在1-3的叫釜，3-100的叫塔，100以上的叫管，更大的以上可以是微通道。長(zhǎng)徑比越大，傳質(zhì)、傳熱效果相對(duì)越好，但是對(duì)多相體系的適用性越差。徑比越小，傳質(zhì)、傳熱效果相對(duì)越差，但是配合攪拌之后適用性越廣。
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3. 放大中的傳質(zhì)問(wèn)題
當(dāng)一個(gè)反應(yīng)體系的工藝條件例如催化劑溫度壓力物料配比等確定之后該體系的宏觀反應(yīng)速率主要受傳質(zhì)影響。在大生產(chǎn)中，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的工藝，往往并不是反應(yīng)速率慢，而是傳熱太慢，或者傳質(zhì)不好。小試的反應(yīng)時(shí)間，實(shí)際上是可以體現(xiàn)真實(shí)的反應(yīng)速率，基本上連續(xù)化與小試的時(shí)間是一樣的。由于小試的傳熱和傳質(zhì)都很好，我們?cè)诜糯笊a(chǎn)中遇到的問(wèn)題，往往也都是這兩方面的問(wèn)題。這一點(diǎn)在微通道反應(yīng)器的應(yīng)用上體現(xiàn)得尤為出色。
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常見的連續(xù)工藝實(shí)現(xiàn)方案
理解了連續(xù)化工藝要考慮和思考的幾個(gè)方面，對(duì)反應(yīng)充分認(rèn)識(shí)及搞清楚反應(yīng)機(jī)理，才能選擇出合適的反應(yīng)器。連續(xù)化工藝的解決手段分為反應(yīng)和后處理，本篇文章先說(shuō)說(shuō)反應(yīng)部分。
在連續(xù)化工藝中的反應(yīng)器主要有：微反應(yīng)器，管道平推流反應(yīng)器，釜式連續(xù)全混流反應(yīng)器；固定床反應(yīng)器，高效氣液混合反應(yīng)器，連續(xù)加氫反應(yīng)器，絕熱反應(yīng)器；連續(xù)反應(yīng)精餾反應(yīng)器，光催化連續(xù)化反應(yīng)器等。下面列舉幾個(gè)進(jìn)行分析。
1. 全混流反應(yīng)器：
采用多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器；解決返混問(wèn)題；實(shí)現(xiàn)各個(gè)不同溫度段的停留時(shí)間；輔助的加熱/冷卻方案；易于在原車間系統(tǒng)做改造。
2. 管道反應(yīng)器：
平推流，返混小，容積效率高；適合要求轉(zhuǎn)化率較高或有串聯(lián)副反應(yīng)的反應(yīng)；換熱效率大幅度提高；出現(xiàn)超溫超壓等情況可以迅速得到控制；即使發(fā)生異常；因?yàn)槲锪狭可佥^安全；實(shí)現(xiàn)分段溫度控制。不過(guò)該反應(yīng)器無(wú)法做的特別長(zhǎng)，大化工上有3000m的管道反應(yīng)器，精細(xì)化工，一般最多也是500m，所以停留時(shí)間無(wú)法做的特別長(zhǎng)。以及有固體的，有氣體放出的，都不是很適合。
管式反應(yīng)器，還可以設(shè)計(jì)成一種絕熱類型的，來(lái)克服很多精細(xì)化學(xué)反應(yīng)放熱大，無(wú)法放大和連續(xù)化的情況，減少工藝風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。全絕熱管道反應(yīng)器技術(shù)，是將反應(yīng)的放熱和移熱分成了兩部分，給物料以充分的稀釋，用多倍的產(chǎn)品來(lái)稀釋反應(yīng)熱，使反應(yīng)熱得到平穩(wěn)的釋放和轉(zhuǎn)移，這樣的工藝在熱力學(xué)方面完全沒有放大效應(yīng)，特別適合于放熱量大反應(yīng)迅速的反應(yīng)類型。
3. 回路反應(yīng)器&連續(xù)加氫：
回路反應(yīng)器國(guó)外用在加氫上很多，是改善氣液混合的一個(gè)好的方案。利用文丘里管來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體和反應(yīng)液的高效混合，和常見的高壓反應(yīng)釜相比，氫氣的氣泡直徑從原來(lái)的1-2mm減小到0.003-0.07mm；傳質(zhì)系數(shù)從原來(lái)的0.15-0.35 kLa /s提高到1.6-2.0kLa /s；整個(gè)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)得到很大的改善。在線的連續(xù)法過(guò)濾催化劑的技術(shù)；可以實(shí)現(xiàn)間歇化或連續(xù)化生產(chǎn)；適合H2/NH3/CO2/低級(jí)有機(jī)胺。
4. 微通道反應(yīng)器：
目前大家熟知比較多的反應(yīng)器。微通道反應(yīng)器可以顯著提高流體混合程度，增強(qiáng)傳質(zhì)性能，提高總傳熱效率；適用于低溫、高溫、高危、非均相等多種化學(xué)、強(qiáng)放熱、反應(yīng)物或產(chǎn)物不穩(wěn)定的反應(yīng)，如：高壓加氫；丁基鋰使用；硝化；氧化；非均相。但不適用于固體生成/放出氣體的反應(yīng)，也不適合反應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng)的反應(yīng)。
5. 固定床反應(yīng)器：
對(duì)于一些可以固載催化劑的液液反應(yīng)或者氣液反應(yīng)，可以將釜式反應(yīng)改成固定床;可以增大催化劑和物料的比例，大大提高了反應(yīng)速度。絕熱型/換熱型/自熱型; 液固;氣液固，氣固反應(yīng)。對(duì)于停留時(shí)間特別長(zhǎng)的，或者反應(yīng)前后段參數(shù)差異大，可以使用多段固定床連續(xù)化生產(chǎn)。
6. 連續(xù)流光催化反應(yīng)器：
氯氣的自由基取代反應(yīng)，現(xiàn)在幾乎所有的工廠都是采用偶氮類化合物作為催化劑，但是此類鏈?zhǔn)竭B鎖的自由基反應(yīng)非常容易失控，很多工廠都發(fā)生過(guò)反應(yīng)被爆發(fā)式引發(fā)導(dǎo)致沖料和爆炸的事故。由櫟安化學(xué)（上海）有限公司開發(fā)的光催化的反應(yīng)技術(shù)：采用了LED光催化技術(shù)，波長(zhǎng)集中（在10納米之內(nèi)）電光轉(zhuǎn)化率高，不發(fā)熱。使用了文丘里來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的氯氣和反應(yīng)液的混合，和之前的鼓泡器相比，氣液混合效果提高了200倍。采用了連續(xù)化的設(shè)計(jì)，全線自動(dòng)化操作，崗位上基本不需要員工。
連續(xù)化工藝的后處理
后處理往往為工藝開發(fā)者忽視，但在工廠實(shí)際中，設(shè)備占用數(shù)量多、投資較大、收率損失較高、污染物排放量多、安全隱患程度大、工作強(qiáng)度大的正是后處理過(guò)程，因此，后處理同樣需要高度重視。主要包括：固液分離、萃取洗滌、蒸餾濃縮、蒸發(fā)結(jié)晶/冷卻結(jié)晶、精餾。
1、萃取洗滌
通常使用連續(xù)式萃取塔、離心機(jī)萃取機(jī)、碟式離心機(jī)、液液離心機(jī)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)后處理的連續(xù)化。連續(xù)化工藝中可以進(jìn)行多次的萃取洗滌；全自動(dòng)化操作，只需要輸入流量即可自動(dòng)完成；連續(xù)化“萃取-濃縮”一體化系統(tǒng)；是密度差很小、乳化的較好處理方案。
其中，離心萃取機(jī)是萃取能力一般，分離能力好。萃取塔，萃取能力很好，分離能力一般。高效的液液離心機(jī)也可用于破乳。
2、連續(xù)化蒸餾濃縮
使用多級(jí)的薄膜蒸發(fā)器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的真空濃縮蒸餾，使溶劑殘留達(dá)到要求。再配合特殊的高真空下使用的輸送泵，實(shí)現(xiàn)冷凝液和濃縮液的同步轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)全連續(xù)。
蒸發(fā)濃縮是一個(gè)系統(tǒng)工程，包括傳熱，蒸發(fā)，真空，冷凝器等，在工業(yè)化設(shè)計(jì)中需要保守。
3、連續(xù)化蒸發(fā)結(jié)晶
蒸發(fā)式連續(xù)結(jié)晶器，適合于反應(yīng)液除鹽；冷卻式連續(xù)結(jié)晶器，適合于料液的冷卻析晶；配合連續(xù)式離心機(jī)使用。
連續(xù)化工藝中的工程問(wèn)題
連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用范圍有：連續(xù)硝化技術(shù)；連續(xù)加氫反應(yīng)（液相或氣相）；連續(xù)氯化技術(shù)；連續(xù)酯化技術(shù)；連續(xù)氧化技術(shù)；新型烷基化技術(shù)；連續(xù)胺化（氨化）技術(shù)；連續(xù)重氮化水解技術(shù)。
其要解決的工程問(wèn)題包括：反應(yīng)釜的溫控；計(jì)量問(wèn)題；堵塞問(wèn)題；溢流問(wèn)題液液位控制系統(tǒng)；各種工況下的物料連續(xù)轉(zhuǎn)移問(wèn)題；泵的選擇；設(shè)備的備用和切換；自動(dòng)化的氮?dú)獗Ｗo(hù)問(wèn)題；取樣問(wèn)題等。下面列舉幾個(gè)技術(shù)和解決方案：
1、反應(yīng)釜的精密溫度控制
需要注意的有：多點(diǎn)溫度測(cè)定（釜內(nèi)、夾套、底閥）；釜內(nèi)溫度控制；夾套溫度控制；程序升溫；緊急降溫；“釜內(nèi)-夾套”溫差控制；數(shù)據(jù)的保存和圖形分析；最小測(cè)溫體積；測(cè)溫探頭的延遲問(wèn)題；高報(bào)-高高報(bào)的報(bào)警和連鎖；一些安監(jiān)局要求的危險(xiǎn)工藝的溫控連鎖等。
2、反應(yīng)裝置的自動(dòng)化精密溫控技術(shù)（TCU）
該技術(shù)的溫度范圍為-20~160℃；帶前饋適應(yīng)可編程控制器，控制中不過(guò)沖、不回調(diào)；P I D控溫技術(shù)，控溫精度±0.5℃；有釜溫控制模型、夾套控制模型、程序升溫模型，以及細(xì)致的溫度過(guò)程控制曲線及數(shù)據(jù)。還有各種形式的TCU：雙板換型（使用導(dǎo)熱油）；單板換型（使用乙二醇）；深冷型（-80℃）；熱水器（干燥設(shè)備使用）。
3、反應(yīng)裝置的壓力控制技術(shù)
很多反應(yīng)需要在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，但是不停的吹掃氮?dú)鈺?huì)導(dǎo)致溶劑損失，特別是回流情況下。工人長(zhǎng)時(shí)間的操作不可靠，釜內(nèi)溫度變化也導(dǎo)致壓力變化很大。
解決方案：采用雙調(diào)節(jié)閥的方案，實(shí)現(xiàn)釜內(nèi)的壓力恒定在30-100KPa的微正壓狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)一鍵式自動(dòng)氮?dú)庵脫Q/氮?dú)獗Ｗo(hù)；防止放空、真空管線的倒吸，殘液回流到釜。
4、密閉生產(chǎn)技術(shù)
應(yīng)用于高活性藥物（腫瘤藥、細(xì)胞毒、劇毒品、激素類藥物等）；粉塵、臭氣、有毒氣體的控制。還適用于原料分裝稱量及取樣（控制濕度；控制氧含量）；原料藥粉體投料解決方案、中間體密閉轉(zhuǎn)移（PE袋包裝；噸袋包裝；紙板桶包裝等）；溶劑桶抽料的防護(hù)；玻璃反應(yīng)釜類隔離防護(hù)；反應(yīng)過(guò)程中的取樣；離心機(jī)、壓濾器密閉進(jìn)出料；烘干設(shè)備（三合一、平板烘箱、單錐、雙錐）密閉進(jìn)出料；粉碎（整粒、氣流、粉碎）、過(guò)篩、稱量包裝密閉操作；粉體密閉傳遞閥‐αβ閥；RTP閥；密閉塑料卡扣；高活實(shí)驗(yàn)室定制化各類防護(hù)隔離器等。
5、反應(yīng)釜投料類隔離設(shè)備
保證反應(yīng)釜投料密閉，是在惰性化保護(hù)下投入固體，反應(yīng)釜放出可燃?xì)怏w的情況下投料（如：分次加入鈉氫）；可以防止粉塵擴(kuò)散（如：活性炭、大多數(shù)鹽類等投料隔離器）；固體遇空氣易燃（如：鈀碳、疊氮鈉、鈉氫）；高活性物料（如：反應(yīng)過(guò)程中各種中間體等）；易升華物料（如：碘）；劇毒品（如：氰化物、三光氣等）；強(qiáng)腐蝕物料（如：各種酸性或堿性物料）等。根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況也可以定制解決方案。
6、密閉取樣技術(shù)
具有反應(yīng)釜密閉取樣；測(cè)試PH；簡(jiǎn)單可靠，無(wú)污染；價(jià)格低廉；耐腐蝕；方便沖洗等優(yōu)點(diǎn)。
7、離心機(jī)的自動(dòng)化氮?dú)獗Ｗo(hù)技術(shù)
離心機(jī)是化工醫(yī)藥的事故多發(fā)點(diǎn)，多數(shù)是由于溶劑揮發(fā)和靜電導(dǎo)致，氮?dú)獗Ｗo(hù)是一種重要手段。
解決方案：實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)置換；實(shí)時(shí)氮?dú)獗Ｗo(hù)；簡(jiǎn)單可靠；不會(huì)因?yàn)楦g和粘稠固體問(wèn)題導(dǎo)致失效。
8、連續(xù)化工藝的儀表問(wèn)題
連續(xù)化的生產(chǎn)工藝，基本都是全自動(dòng)化，需要整體設(shè)計(jì)。在連續(xù)化生產(chǎn)中，連續(xù)進(jìn)料的計(jì)量系統(tǒng)是最關(guān)鍵的設(shè)備。特別對(duì)于A、B兩種物料需要精確配比（如1：1.03）的控制，需要在工程和設(shè)備上做好冗余設(shè)計(jì)，和自動(dòng)糾錯(cuò)的功能。否則一旦儀表有了偏差問(wèn)題，整個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的產(chǎn)品都出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題了。如果A大大過(guò)量的反應(yīng)，就相對(duì)好很多了。另外反應(yīng)釜一定要做自動(dòng)化的溫控系統(tǒng)，對(duì)于國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)工藝，需要按照要求設(shè)計(jì)緊急切斷，緊急冷卻，緊急卸放系統(tǒng)或者SIS系統(tǒng)。
連續(xù)化工藝中的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題
風(fēng)險(xiǎn)在于安全問(wèn)題和質(zhì)量問(wèn)題。
安全方面的風(fēng)險(xiǎn)，在于各種失控，需要嚴(yán)格的做一個(gè)HAZOP，分析出風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，要充分考慮所有儀表閥門的失控失效問(wèn)題。
質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)在于，當(dāng)控制參數(shù)發(fā)生微小的偏差的時(shí)候，所有的儀表和工人都看不出來(lái)，但是會(huì)影響質(zhì)量。所以需要系統(tǒng)的思考所有的儀表發(fā)生偏差（正常范圍內(nèi)的偏差、時(shí)間用久了之后的偏差）對(duì)工藝的影響，是否需要做冗余的二次保障系統(tǒng)等。
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