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未來的精細化工要做連續(xù)化工藝
發(fā)布時間：
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、助劑等精細化工產(chǎn)品規(guī)模小、產(chǎn)量低、生產(chǎn)步驟多品類繁多，遠超基礎(chǔ)大宗化工產(chǎn)品。全球年需求總量在十萬噸以下的品種，幾乎均是間歇化的生產(chǎn)過程為主，精細產(chǎn)品、粗糙生產(chǎn)，設(shè)備簡單，反應(yīng)器單一，多個反應(yīng)釜完成相同的反應(yīng)，并使用大量的水或溶劑進行工藝分離，工藝狀況本身決定了安全環(huán)保無法提高檔次。
目前大部分的精細化工企業(yè)都是建立于90年代，那是一個中國精細化工行業(yè)大爆發(fā)的十年，生產(chǎn)量和出口量都急劇增加，但當(dāng)時的工藝水平都是間歇式工藝條件，很少有自控，極少實現(xiàn)了連續(xù)化的自控生產(chǎn)工藝。雖然后來部分的危險工藝按照安監(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。目前面臨越來越大的EHS監(jiān)管壓力，以及工人對于職業(yè)健康的要求都對精細化工的工藝生產(chǎn)提出了更高的要求。
如何對連續(xù)化工藝進行思考？
我們都知道連續(xù)化工藝的優(yōu)勢明顯，如工藝先進，生產(chǎn)線整線連續(xù)化、全自動化，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)能擴大，可以24小時不停連續(xù)化生產(chǎn)，產(chǎn)能基本上可以在原基礎(chǔ)上擴大一倍; 全自動化，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，新項目還可以減少高壓釜、反應(yīng)釜等等投資;由于實現(xiàn)了連續(xù)化，各反應(yīng)階段的熱量回收更易于實施，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，本文將通過幾點對連續(xù)化工藝進行思考，連續(xù)化工藝在精細化工中的應(yīng)用也將是趨整。
1. 從反應(yīng)本質(zhì)出發(fā)
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對于反應(yīng)，傳熱、傳質(zhì)、反應(yīng)速率是非常重要的三個方面，也是反應(yīng)有三種瓶頸。傳熱問題，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)問題，如:由于氣液兩相，或者水油兩相混合不好，所以反應(yīng)時間很長（環(huán)氧氯丙烷的水解，加氫）；反應(yīng)速率，如:很多反應(yīng)本來的速率就很慢，加強傳質(zhì)傳熱都不會有強化（酯化）。
以上這3點在反應(yīng)器上可以體現(xiàn)為混合效果，傳熱效果，反應(yīng)停留時間，其中傳熱效果和反應(yīng)停留時間都可以建立模型計算（如下圖），也就是做連續(xù)化工藝要重點考慮的，需要從熱力學(xué)動力學(xué)的數(shù)據(jù)來分析，或者設(shè)計一些實驗來驗證；然后針對這些瓶頸做“工程強化”或者“連續(xù)化”。
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2. 依據(jù)反應(yīng)器的不同特點
常見的反應(yīng)器有釜、塔、管、床、微通道，其差別在于長徑比不同。長徑比在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。長徑比越大，傳質(zhì)、傳熱效果相對越好，但是對多相體系的適用性越差。徑比越小，傳質(zhì)、傳熱效果相對越差，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)問題
當(dāng)一個反應(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)時間長的工藝，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)時間，實際上是可以體現(xiàn)真實的反應(yīng)速率，基本上連續(xù)化與小試的時間是一樣的。由于小試的傳熱和傳質(zhì)都很好，我們在放大生產(chǎn)中遇到的問題，往往也都是這兩方面的問題。這一點在微通道反應(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)工藝實現(xiàn)方案
理解了連續(xù)化工藝要考慮和思考的幾個方面，對反應(yīng)充分認識及搞清楚反應(yīng)機理，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，本篇文章先說說反應(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。下面列舉幾個進行分析。
1. 全混流反應(yīng)器：
采用多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器；解決返混問題；實現(xiàn)各個不同溫度段的停留時間；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；因為物料量少較安全；實現(xiàn)分段溫度控制。不過該反應(yīng)器無法做的特別長，大化工上有3000m的管道反應(yīng)器，精細化工，一般最多也是500m，所以停留時間無法做的特別長。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)計成一種絕熱類型的，來克服很多精細化學(xué)反應(yīng)放熱大，無法放大和連續(xù)化的情況，減少工藝風(fēng)險點。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)器國外用在加氫上很多，是改善氣液混合的一個好的方案。利用文丘里管來實現(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的1-2mm減小到0.003-0.07mm；傳質(zhì)系數(shù)從原來的0.15-0.35 kLa /s提高到1.6-2.0kLa /s；整個反應(yīng)的動力學(xué)狀態(tài)得到很大的改善。在線的連續(xù)法過濾催化劑的技術(shù)；可以實現(xiàn)間歇化或連續(xù)化生產(chǎn)；適合H2/NH3/CO2/低級有機胺。
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)時間很長的反應(yīng)。
5. 固定床反應(yīng)器：
對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)。對于停留時間特別長的，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。使用了文丘里來實現(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，全線自動化操作，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、工作強度大的正是后處理過程，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、離心機萃取機、碟式離心機、液液離心機等技術(shù)，實現(xiàn)反應(yīng)后處理的連續(xù)化。連續(xù)化工藝中可以進行多次的萃取洗滌；全自動化操作，只需要輸入流量即可自動完成；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。高效的液液離心機也可用于破乳。
2、連續(xù)化蒸餾濃縮
使用多級的薄膜蒸發(fā)器系統(tǒng)，實現(xiàn)連續(xù)的真空濃縮蒸餾，使溶劑殘留達到要求。再配合特殊的高真空下使用的輸送泵，實現(xiàn)冷凝液和濃縮液的同步轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)全連續(xù)。
蒸發(fā)濃縮是一個系統(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)式離心機使用。
連續(xù)化工藝中的工程問題
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)。
其要解決的工程問題包括：反應(yīng)釜的溫控；計量問題；堵塞問題；溢流問題液液位控制系統(tǒng)；各種工況下的物料連續(xù)轉(zhuǎn)移問題；泵的選擇；設(shè)備的備用和切換；自動化的氮氣保護問題；取樣問題等。下面列舉幾個技術(shù)和解決方案：
1、反應(yīng)釜的精密溫度控制
需要注意的有：多點溫度測定（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；最小測溫體積；測溫探頭的延遲問題；高報-高高報的報警和連鎖；一些安監(jiān)局要求的危險工藝的溫控連鎖等。
2、反應(yīng)裝置的自動化精密溫控技術(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，以及細致的溫度過程控制曲線及數(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)需要在氮氣保護下進行，但是不停的吹掃氮氣會導(dǎo)致溶劑損失，特別是回流情況下。工人長時間的操作不可靠，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，實現(xiàn)釜內(nèi)的壓力恒定在30-100KPa的微正壓狀態(tài)；實現(xiàn)一鍵式自動氮氣置換/氮氣保護；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；玻璃反應(yīng)釜類隔離防護；反應(yīng)過程中的取樣；離心機、壓濾器密閉進出料；烘干設(shè)備（三合一、平板烘箱、單錐、雙錐）密閉進出料；粉碎（整粒、氣流、粉碎）、過篩、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；高活實驗室定制化各類防護隔離器等。
5、反應(yīng)釜投料類隔離設(shè)備
保證反應(yīng)釜投料密閉，是在惰性化保護下投入固體，反應(yīng)釜放出可燃氣體的情況下投料（如：分次加入鈉氫）；可以防止粉塵擴散（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）；強腐蝕物料（如：各種酸性或堿性物料）等。根據(jù)企業(yè)實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；測試PH；簡單可靠，無污染；價格低廉；耐腐蝕；方便沖洗等優(yōu)點。
7、離心機的自動化氮氣保護技術(shù)
離心機是化工醫(yī)藥的事故多發(fā)點，多數(shù)是由于溶劑揮發(fā)和靜電導(dǎo)致，氮氣保護是一種重要手段。
解決方案：實現(xiàn)一鍵自動置換；實時氮氣保護；簡單可靠；不會因為腐蝕和粘稠固體問題導(dǎo)致失效。
8、連續(xù)化工藝的儀表問題
連續(xù)化的生產(chǎn)工藝，基本都是全自動化，需要整體設(shè)計。在連續(xù)化生產(chǎn)中，連續(xù)進料的計量系統(tǒng)是最關(guān)鍵的設(shè)備。特別對于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，和自動糾錯的功能。否則一旦儀表有了偏差問題，整個長時間的產(chǎn)品都出現(xiàn)質(zhì)量問題了。如果A大大過量的反應(yīng)，就相對好很多了。另外反應(yīng)釜一定要做自動化的溫控系統(tǒng)，對于國家重點監(jiān)管的危險工藝，需要按照要求設(shè)計緊急切斷，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)險問題
風(fēng)險在于安全問題和質(zhì)量問題。
安全方面的風(fēng)險，在于各種失控，需要嚴(yán)格的做一個HAZOP，分析出風(fēng)險點，要充分考慮所有儀表閥門的失控失效問題。
質(zhì)量風(fēng)險在于，當(dāng)控制參數(shù)發(fā)生微小的偏差的時候，所有的儀表和工人都看不出來，但是會影響質(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、時間用久了之后的偏差）對工藝的影響，是否需要做冗余的二次保障系統(tǒng)等。
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