微通道反應(yīng)器：提升化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)安全

　　近年來，精細(xì)化工企業(yè)安全事故頻發(fā)，特別是一些劇烈反應(yīng)引發(fā)的爆炸事故，更讓精細(xì)化工行業(yè)戴實(shí)了“高?！边@頂帽子。從6月底在山東高密舉行的精細(xì)化工反應(yīng)安全技術(shù)研討會(huì)上了解到，連續(xù)流微通道反應(yīng)器是目前精細(xì)化工行業(yè)*看好的提升本質(zhì)安全的技術(shù)之一，我國(guó)正逐步實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備和成套技術(shù)的自主研發(fā)生產(chǎn)，未來微通道反應(yīng)器將成為精細(xì)化工行業(yè)工藝選擇的一個(gè)重要趨勢(shì)。

　　“迷你化工廠”

　　提升本質(zhì)安全水平

　　精細(xì)化工反應(yīng)是化工行業(yè)*容易發(fā)生安全事故的領(lǐng)域之一。原國(guó)家安監(jiān)總局發(fā)布的《精細(xì)化工反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估導(dǎo)則》就指出，對(duì)于反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度為4級(jí)和5級(jí)的工藝過程，尤其是風(fēng)險(xiǎn)高但必須實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的項(xiàng)目，要努力優(yōu)先開展工藝優(yōu)化或改變工藝方法降低風(fēng)險(xiǎn)，例如通過微反應(yīng)、連續(xù)流完成反應(yīng)。

　　此次在高密豪邁集團(tuán)的生產(chǎn)車間，記者看到了我國(guó)自主研發(fā)的多種微通道反應(yīng)器。那么這臺(tái)小小的設(shè)備，如何能提升化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)安全呢？

　　豪邁集團(tuán)技術(shù)總監(jiān)楊洪梅表示，連續(xù)流微通道反應(yīng)器持液量小，不同于傳統(tǒng)反應(yīng)釜的以噸為單位的實(shí)時(shí)反應(yīng)量，反應(yīng)器內(nèi)的有效容積小，相當(dāng)于該反應(yīng)器內(nèi)每一時(shí)刻發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)只有幾毫升到幾升，所以危險(xiǎn)因素是可控的。同時(shí)，微通道反應(yīng)器的另一大特點(diǎn)就是換熱效率高，反應(yīng)熱量可以及時(shí)通過反應(yīng)器移走，有效避免了反應(yīng)過程中的熱量積累。

　　據(jù)中石化青島安全工程研究院孫冰博士介紹，微流控技術(shù)是一種利用幾十到幾百微米的通道來操控和處理極小量液體的技術(shù)，被譽(yù)為“改變未來的7種技術(shù)之一”，能有效提升化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)安全水平，具有幾項(xiàng)明顯的特點(diǎn)，如特征尺寸小，比表面積大；流動(dòng)行為以層流為主，停留時(shí)間可*控制；傳熱傳質(zhì)快，較傳統(tǒng)設(shè)備高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)；以數(shù)增為放大方法，無(wú)放大效應(yīng)等。

　　記者了解到，不同于傳統(tǒng)夾套攪拌釜?jiǎng)虞m上百平方米的占地面積，微通道反應(yīng)器小而緊湊，占地面積只有幾平方米，可謂是“迷你化工廠”?；瘜W(xué)反應(yīng)在微通道中連續(xù)流動(dòng)發(fā)生，反應(yīng)快速完成，且過程*可控，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化連續(xù)操作，極大減少了精細(xì)化工在研發(fā)和生產(chǎn)中的安全隱患。

　　換熱效率高

　　適用多種反應(yīng)類型

　　除了體積小，多位*還特別強(qiáng)調(diào)了微反應(yīng)器在換熱方面的優(yōu)勢(shì)，這使得微反應(yīng)器可以適用于多個(gè)領(lǐng)域。

　　天津大學(xué)-英國(guó)阿斯利康過程安全聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室教授衛(wèi)宏遠(yuǎn)指出，化學(xué)反應(yīng)從實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)化放大過程中，會(huì)存在放大效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室一些反應(yīng)雖然放熱，但因反應(yīng)規(guī)模小，熱量總體較少，且反應(yīng)容器可以及時(shí)將熱量傳遞出去。而在同樣條件和原料配比下進(jìn)行放大時(shí)，反應(yīng)釜的比表面積往往會(huì)明顯減小，這意味著供反應(yīng)傳熱面積減少。傳熱效果不好，就容易導(dǎo)致熱生成和熱移除不平衡，發(fā)生熱量積累，造成反應(yīng)釜內(nèi)溫度急劇升高，進(jìn)一步加速化學(xué)反應(yīng)，*終導(dǎo)致反應(yīng)失控甚至爆炸。而微通道反應(yīng)器基于這方面考慮，是將反應(yīng)通道變成微米級(jí)，在同樣的外部尺寸下，大大增加了容器的比表面積，極大提高了反應(yīng)傳熱效率，且反應(yīng)是以數(shù)增為放大方法，而非擴(kuò)大規(guī)模，所以不存在放大效應(yīng)，很適用于劇烈的放熱反應(yīng)。

　　中科院天然產(chǎn)物合成化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任趙剛也介紹，中和反應(yīng)、重排反應(yīng)、開環(huán)反應(yīng)等放熱劇烈的反應(yīng)類型，常規(guī)反應(yīng)器一般采用逐漸滴加的方式，但即使如此，滴加瞬時(shí)局部也會(huì)因過熱和產(chǎn)生副產(chǎn)物；重氮化反應(yīng)、丁基鋰反應(yīng)等原料危險(xiǎn)，且存在反應(yīng)物或生成物不穩(wěn)定的問題，常規(guī)反應(yīng)器中停留時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)分解；硝化、氨化反應(yīng)等容易失控，在常規(guī)反應(yīng)器中容易發(fā)生反應(yīng)溫度急劇升高甚至爆炸。因此，這種快速劇烈放熱、原料或者產(chǎn)品不穩(wěn)定、危險(xiǎn)化學(xué)反應(yīng)及高溫高壓反應(yīng)就適用微通道反應(yīng)器。此外，微反應(yīng)器還適用氟化反應(yīng)、氯化反應(yīng)、烷基化反應(yīng)、過氧化反應(yīng)、磺化反應(yīng)等多種反應(yīng)類型，在農(nóng)藥、醫(yī)藥、專用化學(xué)品等領(lǐng)域具有很廣的應(yīng)用范圍。

　　在豪邁集團(tuán)技術(shù)總監(jiān)楊洪梅展示的案例中記者看到，以某企業(yè)4000噸/年規(guī)模的硝化反應(yīng)為例，傳統(tǒng)反應(yīng)釜需要40平方米占地面積和12名員工操作，而微通道反應(yīng)器僅占地8平方米，需要3名員工。而在某化工企業(yè)4000噸/年的加成反應(yīng)中，傳統(tǒng)反應(yīng)釜必須使用大量低溫冷媒將反應(yīng)溫度控制在30℃以下，以防出現(xiàn)安全事故，而微通道反應(yīng)器中的反應(yīng)溫度為45℃~85℃，不需要消耗冷媒，每年為企業(yè)節(jié)約300余萬(wàn)元。

　　應(yīng)用拓展快

　　自主研發(fā)取得突破

　　中科院天然產(chǎn)物合成化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任趙剛指出，現(xiàn)階段我國(guó)連續(xù)流設(shè)備多種多樣，但精細(xì)化工反應(yīng)工況復(fù)雜，單獨(dú)從設(shè)備改造和工藝改進(jìn)，很難實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)的本質(zhì)安全，需要設(shè)備和工藝的緊密結(jié)合。盡管連續(xù)流設(shè)備已得到學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的初步認(rèn)可，但由于人員認(rèn)可度差異、配套資源缺乏等因素，連續(xù)流設(shè)備在整個(gè)行業(yè)尚屬于初級(jí)推廣階段，其優(yōu)勢(shì)和意義尚未完全展現(xiàn)出來，還需要各領(lǐng)域的共同推動(dòng)。

　　記者采訪發(fā)現(xiàn)，該項(xiàng)技術(shù)因涉及流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、化工工藝工程、有機(jī)合成、應(yīng)力分析、材料分析、自動(dòng)化集成控制、機(jī)械加工、信息工程等多項(xiàng)專業(yè)領(lǐng)域，研發(fā)生產(chǎn)難度非常高，此前相關(guān)技術(shù)主要集中在少數(shù)國(guó)際化工巨頭手中，我國(guó)在這一領(lǐng)域起步較晚。2016年，豪邁化工工業(yè)化連續(xù)流微通道反應(yīng)器試車成功。目前，豪邁集團(tuán)生產(chǎn)的微通道反應(yīng)器產(chǎn)品已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外超過150家化工企業(yè)中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。

　　豪邁集團(tuán)副總經(jīng)理唐立星介紹，豪邁集團(tuán)是輪胎模具和氣門芯兩項(xiàng)制造領(lǐng)域的“隱形*”，市場(chǎng)份額居全球首位。正因具備大型和精密機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)制造的優(yōu)勢(shì)，豪邁集團(tuán)*突破了微通道反應(yīng)器這種集多種學(xué)科于一體的技術(shù)。豪邁微通道反應(yīng)器具有獨(dú)特的傘形通道結(jié)構(gòu)，可以提高流體混合程度和反應(yīng)的總傳熱效率，此外，豪邁微通道反應(yīng)器還可采用多種金屬材質(zhì)及碳化硅材質(zhì)，根據(jù)工藝情況定制*佳裝置，以縮短反應(yīng)時(shí)間，減少溶劑用量，提高反應(yīng)選擇性、產(chǎn)品收率及產(chǎn)品純度，消除安全隱患，降低環(huán)境污染，完成實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到工業(yè)化生產(chǎn)的無(wú)縫對(duì)接。

　　談到微通道反應(yīng)器的智能化水平，豪邁集團(tuán)副總經(jīng)理唐立星還表示，微通道反應(yīng)器之所以被業(yè)界認(rèn)為可以提升本質(zhì)安全水平并迅速獲得應(yīng)用，還有一個(gè)重要的原因就是生產(chǎn)操作過程中可對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行從“啟動(dòng)”到“停機(jī)”的無(wú)人化自動(dòng)操作，減少人為操作帶來的不確定風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)確保一線員工的人身安全。反應(yīng)器中，各反應(yīng)片通道中均有熱電阻，可準(zhǔn)確測(cè)量反應(yīng)過程中反應(yīng)體系各點(diǎn)溫度，設(shè)備和系統(tǒng)還能隨時(shí)監(jiān)控及記錄反應(yīng)過程中系統(tǒng)的進(jìn)料流量、管路壓力，并針對(duì)實(shí)際情況作出調(diào)控。當(dāng)遇到超溫、超壓等情況，連續(xù)流微反應(yīng)器還可以進(jìn)行報(bào)警并緊急切斷進(jìn)料。