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推广微通道反应技术 促进精细化工行业绿色安全发展

 

科技兴安  加入时间:2020-08-25 14:46  点击:497   回首页

安全与绿色发展已成为世界化工行业发展的新趋势,在这种趋势下,微通道反应技术依靠其独特的优势成为国内外精细化工行业的研究热点。典型微通道反应技术的特征是在几十到几百微米的通道内进行化学反应。特征尺度的微型化为其从微尺度上理解“三传一反”(动量传递、热量传递、质量传递、化学反应过程)的规律提供了指导。然而,为了实现微通道反应技术的工业化应用,其通道尺寸早已达到了毫米级,得益于先进的通道内结构设计,在实现高通量的同时仍能实现良好的传质与传热性能。同时具有微量和连续流动优点的微通道反应技术不仅将产能和设备体积脱钩,而且将产能与生产效率有效结合,为精细化工本质安全水平及其经济性的提高开辟了新道路。

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微通道反应技术

在提高本质安全方面的优势与特点


精细化工行业处于快速发展的阶段,但随之而来的是安全生产方面的问题越来越严重。随着精细化工生产规模的提高,诸多生产装置的规模也越来越大,重大灾害性化学事故频繁发生,后果也愈发严重。故而,精细化工行业的本质安全水平的提升已刻不容缓。本质安全的核心思想是从源头上减少或消除危险,微通道反应技术选用连续流反应,反应过程持液量低,推动了化工设备的小型化,确实做到从根源上降低事故产生的概率,从而达到本质安全。对比常规尺度的技术,微通道反应技术的优势非常明显。
01
传质、传热效率高

微通道反应设备的特征尺寸在微米至毫米级,总传热系数为2000~10000 kW /(m3﹒K),比表面积可达104~106 m2/m3。其特征尺寸小,混合时间短,带来了较强的传质能力;比表面积大,提高了反应物与器壁之间的热交换效率;传热系数高,化学反应放出的热量容易移出,进而避免过热导致的冲料事故甚至是爆炸事故。

02
工艺条件控制程度高

微通道反应设备实现了物料配比、反应温度和时间的精准调控。较小的反应通道能够准确控制物料混合比,物料可以在通道内迅速混合,适用于对物料配比控制要求较高的快速反应,有助于提高反应选择性;换热效率高,使反应产生的热量能够快速导出,确保了稳定的反应温度;能够实现连续流动反应,当反应达到最优时间时,即刻将物料进行转移,或直接停止,从而避免停留时间过长而生成副产物。

03
间歇操作变为连续化操作

将传统的釜式反应器间歇式生产改变为连续化操作,可以大大减少现场操作人员的数量,实现无人值守,避免因人为操作失误导致的安全问题;连续自动进料,不仅减少了批次切换,简化了工艺流程,降低了误操作风险,而且可以方便地引发或终止反应,有利于反应过程的控制,大大提高了反应的安全性;再者,连续化流动反应减少了反应装置中的残余物,即使操作失控,危害程度也极小。

04
增加原料转化率、反应选择性和产品收率

基于微通道反应技术对适合的化学反应进行充分的工艺优化将有极大可能增加原料的转化率,实现反应过程的精准控制,从而减少发生副反应,提高反应的选择性和目标产物的收率,减少对环境的影响。

05
节能环保

基于良好的传质、传热效能,微通道反应技术可以将一些低温危险工艺的反应温度有效提升,从而降低冷媒的消耗量,实现节能目的。通过减少发生副反应和生成杂质,实现环保。

06
放大效应小

微通道反应设备具备多个反应通道并且能够并联放大。与常规的小试装置相比,该反应设备通道尺寸变化小,放大效应也小,可缩短研发周期,减少中试环节,节约研发时间和试验设备经费,有助于实现研究成果从实验室向产业化的快速落地。

07
节约占地

微通道反应设备为连续流设备,多采用模块化、撬装化设计,设备集成度高,用较小的占地面积实现高效的工艺,不仅安全性高,而且还有较高的经济价值和生态效益。

根据微通道反应技术的上述特征,微通道反应技术可以用于多种反应工艺类型的工艺开发或优化,例如易燃易爆物质、高温高压、强放热、有毒物质、不稳定产物、腐蚀性试剂等条件存在下的易失控反应。微通道反应技术能实现多种常规反应设备无法达成的反应条件,为高危反应提出了全新的解决方案,例如,过去需要操作时极为小心的反应,经微通道反应技术转变成安全且高效的工艺;以往因选择性低导致无工业价值的工艺,被改造成具备较高工艺价值的工艺;某些因受限于温度和压力导致反应缓慢的工艺,温度和压力条件被提高,加速反应的进行等。总之,微通道反应技术拓展了工业设计研发的视野,为提高精细化工安全生产提供了新的方法。

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国内外微通道反应技术研究进展


当前我国精细化工产业具有很好的发展势头,然而相应装备的落后严重制约了整个产业的进展。装备落后导致工艺的研发也相对落后,进而导致精细化工整体根基落后。由于我国的精细化工行业仍然大量采用釜式反应器,生产方式多数为间歇式生产,带来了多种安全问题和环境问题。装备无法达到环保要求,满足不了安全保障,难以进行具有高附加值反应的研发,延缓了产业化的进程。

微化工技术可在一定程度上缓解精细化工研发和工程化脱节问题,推动精细化工行业发展、解决困扰行业发展难题。国际上先进的精细化工企业由于长期的工艺技术积累、研发人才积累和装备开发应用经验积累,已经进行了“微通道装备技术”替代“间歇式反应釜技术”的过程,并形成知识产权,持续加强这种优势,近几年,部分国际微通道反应装备品牌进入中国市场,受到精细化工公司欢迎,也受到了我国校企及科研院所的广泛参与和关注。

目前我国也有企业同样开发出了具备同等功能的微反应装备,性价比上具有优势,也得到较快的发展和推广,获得了行业内的认可,如山东豪迈集团研究开发的微反应装备已成功实现硝化、氧化等高危反应产品的规模化生产。

近几十年来,许多国内外研究机构和企业意识到微通道反应技术的优越性,开展了大量相关研究工作。作为一个新兴的多学科交叉技术,微通道反应技术在微观尺度下的微观理论等方面,还有待深入研究。

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推广微通道反应技术面临的困境


近年来,我国某些领域使用微通道反应技术进行工业化取得了优异的成果,例如橡胶助剂领域等,但是目前微通道反应技术在工业化推广上还面临着诸如技术、经济、理论知识、人才以及政策等方面的诸多挑战。
01
技术方面

微通道反应设备并非适用于所有的化学反应,例如某些液-固反应,存在中间体需要移除的平衡反应,或者反应动力学速率很慢的反应等等。

02
经济方面

对于一些反应时间较长的反应,需要更多的微通道反应设备,使得成本过高,不适用于微反应过程;此外,由于微通道反应设备不能单独使用,要有配套的工艺路线,因此企业需要投入的资金较多,承担的经济压力较大,这也给微化工技术的工业化推广带来了难题。

03
理论知识与人才缺乏

相对于传统的化工技术,微反应技术是一项创新技术,其需要一整套全新的化学反应基础理论和系统做支撑,系统中每个环节都与传统釜式反应有所区别,工艺条件、设备选型、助剂、催化剂匹配都要以微反应的理论作指导,而不能基于传统的经验和思维模式。然而微反应技术的理论知识还没有得到广泛普及。因此,在推广微反应技术的进程中,专业人才的缺乏也是限制行业发展的瓶颈之一。

04
政策层面

自2017年微通道反应设备正式进入国家层面的文件以来,其获得了诸多化工园区的青睐,微通道反应设备制造商也随之如雨后春笋般涌现。然而,由于缺乏行业标准,缺乏市场准入制度,某些制造商还没有从根本上掌握微通道反应技术的理论知识就贸然进入该行业,导致产出了一些不良产品。因此,尽管微通道反应技术是本质安全技术,但并不意味着制造出的所有的微通道反应设备都是本质安全设备。

微通道反应技术面临诸多挑战,但是其具备的安全价值、产业化的前景以及带来的经济效果无可置疑。况且,在精细化工行业的安全水平亟待提高的局势下,有理由相信微通道反应技术是最值得推行与研究的技术。

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大力推广微通道反应技术

促进精细化工行业绿色安全发展


按照精细化工行业的发展规律,加快工艺、装备和产业化三方融合,尽量降低污染物产出和排放,建立产业链上下游的“产学研用”相结合的开放平台是一条比较现实的实现行业动能转换的技术路线。因此,提出建议如下:

1

将微通道反应设备作为新建或改建项目的优先选择,例如对现有工艺进行微通道反应技术改造,或者直接建立全新的微通道反应工厂。

2

将具备大规模生产能力的企业、具备工艺或设备研发能力的企业以及科研院所等强强联合,组建微通道反应技术示范区,将设备、工艺以及产业化融为一体,成为引领中国精细化工的先驱。

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建立市场准入制度,实行一品一证,有关部门联合设立发证机构和相关程序,保护社会公共利益,淘汰劣质产品。

4

支持建立化工微通道反应技术行业组织,其职能包括:制定行业安全标准,强制规定高危化学品单位使用本质安全设备,减少安全隐患;对微反应设备研发技术标杆企业和微反应设备应用示范企业的进行评选认定。

5

制定激励措施,对于化工微通道反应技术行业组织认定的研发和应用微反应设备的优秀企事业单位,由应急管理、环保、科技、工信、发改等多个部门给予供给方和使用方合理的减税或政策支持。

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加大对微通道反应技术专业人才的教育培训力度,积极组织对相关负责人、工程技术人员开展微通道反应技术专业培训,普及微通道反应技术相关知识,建立专门的人才队伍,满足行业和企业对人才的需求,推动该技术在中国的发展。

由于微通道反应设备的应用与化学反应原理,以及对温度和流速等反应条件的控制紧密相关,使用了微通道反应设备并不意味着一定没有安全问题。推广微通道反应技术的同时,更要推广本质安全的概念,推广重视化工生产全链条的安全性,最终实现化工生产的本质安全。



延伸阅读

《产业关键共性技术发展指南(2017年)》

2017年10月18日,工业和信息化部印发《产业关键共性技术发展指南(2017年)》(工信部科[2017]251号),共提出优先发展的产业关键共性技术174项,其中,原材料工业53项、装备制造业33项、电子信息与通信业36项、消费品工业27项、节能环保与资源综合利用25项。

在节能环保与资源综合利用中,提出了促进剂M(2-巯基苯并噻唑)微反应管道连续法工艺技术,主要技术内容:新型二硫化碳和硫磺缩合反应催化剂;高压微通道器和反应工艺;高效纯化和分离M的萃取剂和萃取工艺等。

《石化绿色工艺名录(2019年版)》

2019年12月26日,中国石油和化学工业联合会发布《石化绿色工艺名录(2019年版)》,共发布23项石化绿色工艺,其中,第19项为微通道自动化生产工艺。


作者  路念明

中国化学品安全协会

党委书记、副理事长、秘书长



(本文刊载于2020年第8期《精细与专用化学品》杂志)


来源:中国化学品安全协会