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)，設備簡單，反應器單一，多個反應釜完成相同的反應，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/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、反應釜等等投資；由于實現(xiàn)了連續(xù)化，各反應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用也將是趨勢。

1. 從反應本質(zhì)出發(fā)

對于反應，傳熱、傳質(zhì)、反應速率是非常重要的三個方面，也是反應有三種瓶頸。傳熱問題，如:由于放熱太猛，反應釜冷卻不好，所以需要慢慢滴加（硝化反應）；傳質(zhì)問題，如:由于氣液兩相，或者水油兩相混合不好，所以反應時間很長（環(huán)氧氯丙烷的水解，加氫）；反應速率，如:很多反應本來的速率就很慢，加強傳質(zhì)傳熱都不會有強化（酯化）。

以上這3點在反應器上可以體現(xiàn)為混合效果，傳熱效果，反應停留時間，其中傳熱效果和反應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，需要從熱力學動力學的數(shù)據(jù)來分析，或者設計一些實驗來驗證；然后針對這些瓶頸做“工程強化”或者“連續(xù)化”。

2. 依據(jù)反應器的不同特點

常見的反應器有釜、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。

3. 放大中的傳質(zhì)問題

當一個反應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速率主要受傳質(zhì)影響。在大生產(chǎn)中，反應時間長的工藝，往往并不是反應速率慢，而是傳熱太慢，或者傳質(zhì)不好。小試的反應時間，實際上是可以體現(xiàn)真實的反應速率，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器的應用上體現(xiàn)得尤為出色。

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，對反應充分認識及搞清楚反應機理，才能選擇出合適的反應器。連續(xù)化工藝的解決手段分為反應和后處理，本篇文章先說說反應部分。

在連續(xù)化工藝中的反應器主要有：微反應器，管道平推流反應器，釜式連續(xù)全混流反應器；固定床反應器，高效氣液混合反應器，連續(xù)加氫反應器，絕熱反應器；連續(xù)反應精餾反應器，光催化連續(xù)化反應器等。下面列舉幾個進行分析。

1. 全混流反應器：

采用多釜串聯(lián)的全混流反應器；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)副反應的反應；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。不過該反應器無法做的特別長，大化工上有3000m的管道反應器，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。

管式反應器，還可以設計成一種絕熱類型的，來克服很多精細化學反應放熱大，無法放大和連續(xù)化的情況，減少工藝風險點。全絕熱管道反應器技術，是將反應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)品來稀釋反應熱，使反應熱得到平穩(wěn)的釋放和轉(zhuǎn)移，這樣的工藝在熱力學方面完全沒有放大效應，特別適合于放熱量大反應迅速的反應類型。

3. 回路反應器&連續(xù)加氫：

回路反應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)氣體和反應液的高效混合，和常見的高壓反應釜相比，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；整個反應的動力學狀態(tài)得到很大的改善。在線的連續(xù)法過濾催化劑的技術；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. 微通道反應器：

目前大家熟知比較多的反應器。微通道反應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、強放熱、反應物或產(chǎn)物不穩(wěn)定的反應，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，也不適合反應時間很長的反應。

5. 固定床反應器：

對于一些可以固載催化劑的液液反應或者氣液反應，可以將釜式反應改成固定床;可以增大催化劑和物料的比例，大大提高了反應速度。絕熱型/換熱型/自熱型; 液固;氣液固，氣固反應。對于停留時間特別長的，或者反應前后段參數(shù)差異大，可以使用多段固定床連續(xù)化生產(chǎn)。

6. 連續(xù)流光催化反應器：

氯氣的自由基取代反應，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，但是此類鏈式連鎖的自由基反應非常容易失控，很多工廠都發(fā)生過反應被爆發(fā)式引發(fā)導致沖料和爆炸的事故。由櫟安化學（上海）有限公司開發(fā)的光催化的反應技術：采用了LED光催化技術，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)化的設計，全線自動化操作，崗位上基本不需要員工。

參考資料：《精細化工醫(yī)藥的連續(xù)化生產(chǎn)技術》 楊智深 櫟安化學（上海）有限公司

來源： 化工邦服務號