微通道反應器：提升化學反應的本質(zhì)安全

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

　　“迷你化工廠”

　　提升本質(zhì)安全水平

　　精細化工反應是化工行業(yè)*容易發(fā)生安全事故的領(lǐng)域之一。原國家安監(jiān)總局發(fā)布的《精細化工反應安全風險評估導則》就指出，對于反應工藝危險度為4級和5級的工藝過程，尤其是風險高但必須實施產(chǎn)業(yè)化的項目，要努力優(yōu)先開展工藝優(yōu)化或改變工藝方法降低風險，例如通過微反應、連續(xù)流完成反應。

　　此次在高密豪邁集團的生產(chǎn)車間，記者看到了我國自主研發(fā)的多種微通道反應器。那么這臺小小的設備，如何能提升化學反應的本質(zhì)安全呢？

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

　　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)，被譽為“改變未來的7種技術(shù)之一”，能有效提升化學反應本質(zhì)安全水平，具有幾項明顯的特點，如特征尺寸小，比表面積大；流動行為以層流為主，停留時間可*控制；傳熱傳質(zhì)快，較傳統(tǒng)設備高1~2個數(shù)量級；以數(shù)增為放大方法，無放大效應等。

　　記者了解到，不同于傳統(tǒng)夾套攪拌釜動輒上百平方米的占地面積，微通道反應器小而緊湊，占地面積只有幾平方米，可謂是“迷你化工廠”?；瘜W反應在微通道中連續(xù)流動發(fā)生，反應快速完成，且過程*可控，可實現(xiàn)無人化連續(xù)操作，極大減少了精細化工在研發(fā)和生產(chǎn)中的安全隱患。

　　換熱效率高

　　適用多種反應類型

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

　　天津大學-英國阿斯利康過程安全聯(lián)合實驗室教授衛(wèi)宏遠指出，化學反應從實驗室向工業(yè)化放大過程中，會存在放大效應。實驗室一些反應雖然放熱，但因反應規(guī)模小，熱量總體較少，且反應容器可以及時將熱量傳遞出去。而在同樣條件和原料配比下進行放大時，反應釜的比表面積往往會明顯減小，這意味著供反應傳熱面積減少。傳熱效果不好，就容易導致熱生成和熱移除不平衡，發(fā)生熱量積累，造成反應釜內(nèi)溫度急劇升高，進一步加速化學反應，*終導致反應失控甚至爆炸。而微通道反應器基于這方面考慮，是將反應通道變成微米級，在同樣的外部尺寸下，大大增加了容器的比表面積，極大提高了反應傳熱效率，且反應是以數(shù)增為放大方法，而非擴大規(guī)模，所以不存在放大效應，很適用于劇烈的放熱反應。

　　中科院天然產(chǎn)物合成化學重點實驗室主任趙剛也介紹，中和反應、重排反應、開環(huán)反應等放熱劇烈的反應類型，常規(guī)反應器一般采用逐漸滴加的方式，但即使如此，滴加瞬時局部也會因過熱和產(chǎn)生副產(chǎn)物；重氮化反應、丁基鋰反應等原料危險，且存在反應物或生成物不穩(wěn)定的問題，常規(guī)反應器中停留時間一長就會分解；硝化、氨化反應等容易失控，在常規(guī)反應器中容易發(fā)生反應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、危險化學反應及高溫高壓反應就適用微通道反應器。此外，微反應器還適用氟化反應、氯化反應、烷基化反應、過氧化反應、磺化反應等多種反應類型，在農(nóng)藥、醫(yī)藥、專用化學品等領(lǐng)域具有很廣的應用范圍。

　　在豪邁集團技術(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)模的硝化反應為例，傳統(tǒng)反應釜需要40平方米占地面積和12名員工操作，而微通道反應器僅占地8平方米，需要3名員工。而在某化工企業(yè)4000噸/年的加成反應中，傳統(tǒng)反應釜必須使用大量低溫冷媒將反應溫度控制在30℃以下，以防出現(xiàn)安全事故，而微通道反應器中的反應溫度為45℃~85℃，不需要消耗冷媒，每年為企業(yè)節(jié)約300余萬元。

　　應用拓展快

　　自主研發(fā)取得突破

　　中科院天然產(chǎn)物合成化學重點實驗室主任趙剛指出，現(xiàn)階段我國連續(xù)流設備多種多樣，但精細化工反應工況復雜，單獨從設備改造和工藝改進，很難實現(xiàn)化工生產(chǎn)的本質(zhì)安全，需要設備和工藝的緊密結(jié)合。盡管連續(xù)流設備已得到學術(shù)界和企業(yè)界的初步認可，但由于人員認可度差異、配套資源缺乏等因素，連續(xù)流設備在整個行業(yè)尚屬于初級推廣階段，其優(yōu)勢和意義尚未完全展現(xiàn)出來，還需要各領(lǐng)域的共同推動。

　　記者采訪發(fā)現(xiàn)，該項技術(shù)因涉及流體力學、工程熱力學、化工工藝工程、有機合成、應力分析、材料分析、自動化集成控制、機械加工、信息工程等多項專業(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)國際化工巨頭手中，我國在這一領(lǐng)域起步較晚。2016年，豪邁化工工業(yè)化連續(xù)流微通道反應器試車成功。目前，豪邁集團生產(chǎn)的微通道反應器產(chǎn)品已經(jīng)在國內(nèi)外超過150家化工企業(yè)中實現(xiàn)了應用。

　　豪邁集團副總經(jīng)理唐立星介紹，豪邁集團是輪胎模具和氣門芯兩項制造領(lǐng)域的“隱形*”，市場份額居全球首位。正因具備大型和精密機械產(chǎn)品研發(fā)制造的優(yōu)勢，豪邁集團*突破了微通道反應器這種集多種學科于一體的技術(shù)。豪邁微通道反應器具有獨特的傘形通道結(jié)構(gòu)，可以提高流體混合程度和反應的總傳熱效率，此外，豪邁微通道反應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，以縮短反應時間，減少溶劑用量，提高反應選擇性、產(chǎn)品收率及產(chǎn)品純度，消除安全隱患，降低環(huán)境污染，完成實驗室研發(fā)到工業(yè)化生產(chǎn)的無縫對接。

　　談到微通道反應器的智能化水平，豪邁集團副總經(jīng)理唐立星還表示，微通道反應器之所以被業(yè)界認為可以提升本質(zhì)安全水平并迅速獲得應用，還有一個重要的原因就是生產(chǎn)操作過程中可對整個流程進行從“啟動”到“停機”的無人化自動操作，減少人為操作帶來的不確定風險，同時確保一線員工的人身安全。反應器中，各反應片通道中均有熱電阻，可準確測量反應過程中反應體系各點溫度，設備和系統(tǒng)還能隨時監(jiān)控及記錄反應過程中系統(tǒng)的進料流量、管路壓力，并針對實際情況作出調(diào)控。當遇到超溫、超壓等情況，連續(xù)流微反應器還可以進行報警并緊急切斷進料。