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推廣微通道反應技術 促進精細化工行業綠色安全發展

發佈日期:2020-08-25 浏览次数:690

安全與綠色發展已成爲世界化工行業發展的新趨勢,在這種趨勢下,微通道反應技術依靠其獨特的優勢成爲國內外精細化工行業的研究熱點。典型微通道反應技術的特徵是在幾十到幾百微米的通道內進行化學反應。特徵尺度的微型化爲其從微尺度上理解“三傳一反”(動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞、化學反應過程)的規律提供了指導。然而,爲了實現微通道反應技術的工業化應用,其通道尺寸早已達到了毫米級,得益於先進的通道內結構設計,在實現高通量的同時仍能實現良好的傳質與傳熱性能。同時具有微量和連續流動優點的微通道反應技術不僅將產能和設備體積脫鉤,而且將產能與生產效率有效結合,爲精細化工本質安全水平及其經濟性的提高開闢了新道路。


微通道反應技術在提高本質安全方面的優勢與特點

精細化工行業處於快速發展的階段,但隨之而來的是安全生產方面的問題越來越嚴重。隨着精細化工生產規模的提高,諸多生產裝置的規模也越來越大,重大災害性化學事故頻繁發生,後果也愈發嚴重。故而,精細化工行業的本質安全水平的提升已刻不容緩。本質安全的核心思想是從源頭上減少或消除危險,微通道反應技術選用連續流反應,反應過程持液量低,推動了化工設備的小型化,確實做到從根源上降低事故產生的概率,從而達到本質安全。對比常規尺度的技術,微通道反應技術的優勢非常明顯。

1、傳質、傳熱效率高

微通道反應設備的特徵尺寸在微米至毫米級,總傳熱係數爲2000~10000 kW/(m3﹒K),比表面積可達104~106 m2/m3。其特徵尺寸小,混合時間短,帶來了較強的傳質能力;比表面積大,提高了反應物與器壁之間的熱交換效率;傳熱係數高,化學反應放出的熱量容易移出,進而避免過熱導致的衝料事故甚至是爆炸事故。

2、工藝條件控制程度高

微通道反應設備實現了物料配比、反應溫度和時間的精準調控。較小的反應通道能夠準確控制物料混合比,物料可以在通道內迅速混合,適用於對物料配比控制要求較高的快速反應,有助於提高反應選擇性;換熱效率高,使反應產生的熱量能夠快速導出,確保了穩定的反應溫度;能夠實現連續流動反應,當反應達到最優時間時,即刻將物料進行轉移,或直接停止,從而避免停留時間過長而生成副產物。

3、間歇操作變爲連續化操作

將傳統的釜式反應器間歇式生產改變爲連續化操作,可以大大減少現場操作人員的數量,實現無人值守,避免因人爲操作失誤導致的安全問題;連續自動進料,不僅減少了批次切換,簡化了工藝流程,降低了誤操作風險,而且可以方便地引發或終止反應,有利於反應過程的控制,大大提高了反應的安全性;再者,連續化流動反應減少了反應裝置中的殘餘物,即使操作失控,危害程度也極小。

4、增加原料轉化率、反應選擇性和產品收率

基於微通道反應技術對適合的化學反應進行充分的工藝優化將有極大可能增加原料的轉化率,實現反應過程的精準控制,從而減少發生副反應,提高反應的選擇性和目標產物的收率,減少對環境的影響。

5、节能环保

基於良好的傳質、傳熱效能,微通道反應技術可以將一些低溫危險工藝的反應溫度有效提升,從而降低冷媒的消耗量,實現節能目的。通過減少發生副反應和生成雜質,實現環保。

6、放大效應小

微通道反應設備具備多個反應通道並且能夠並聯放大。與常規的小試裝置相比,該反應設備通道尺寸變化小,放大效應也小,可縮短研發週期,減少中試環節,節約研發時間和試驗設備經費,有助於實現研究成果從實驗室向產業化的快速落地。

7、节约占地

微通道反應設備爲連續流設備,多采用模塊化、撬裝化設計,設備集成度高,用較小的佔地面積實現高效的工藝,不僅安全性高,而且還有較高的經濟價值和生態效益。

根據微通道反應技術的上述特徵,微通道反應技術可以用於多種反應工藝類型的工藝開發或優化,例如易燃易爆物質、高溫高壓、強放熱、有毒物質、不穩定產物、腐蝕性試劑等條件存在下的易失控反應。微通道反應技術能實現多種常規反應設備無法達成的反應條件,爲高危反應提出了全新的解決方案,例如,過去需要操作時極爲小心的反應,經微通道反應技術轉變成安全且高效的工藝;以往因選擇性低導致無工業價值的工藝,被改造成具備較高工藝價值的工藝;某些因受限於溫度和壓力導致反應緩慢的工藝,溫度和壓力條件被提高,加速反應的進行等。總之,微通道反應技術拓展了工業設計研發的視野,爲提高精細化工安全生產提供了新的方法。


國內外微通道反應技術研究進展

前我國精細化工產業具有很好的發展勢頭,然而相應裝備的落後嚴重製約了整個產業的進展。裝備落後導致工藝的研發也相對落後,進而導致精細化工整體根基落後。由於我國的精細化工行業仍然大量採用釜式反應器,生產方式多數爲間歇式生產,帶來了多種安全問題和環境問題。裝備無法達到環保要求,滿足不了安全保障,難以進行具有高附加值反應的研發,延緩了產業化的進程。

微化工技術可在一定程度上緩解精細化工研發和工程化脫節問題,推動精細化工行業發展、解決困擾行業發展難題。國際上先進的精細化工企業由於長期的工藝技術積累、研發人才積累和裝備開發應用經驗積累,已經進行了“微通道裝備技術”替代“間歇式反應釜技術”的過程,並形成知識產權,持續加強這種優勢,近幾年,部分國際微通道反應裝備品牌進入中國市場,受到精細化工公司歡迎,也受到了我國校企及科研院所的廣泛參與和關注。

目前我國也有企業同樣開發出了具備同等功能的微反應裝備,性價比上具有優勢,也得到較快的發展和推廣,獲得了行業內的認可,如山東豪邁集團研究開發的微反應裝備已成功實現硝化、氧化等高危反應產品的規模化生產。

近幾十年來,許多國內外研究機構和企業意識到微通道反應技術的優越性,開展了大量相關研究工作。作爲一個新興的多學科交叉技術,微通道反應技術在微觀尺度下的微觀理論等方面,還有待深入研究。


推廣微通道反應技術面臨的困境

近年來,我國某些領域使用微通道反應技術進行工業化取得了優異的成果,例如橡膠助劑領域等,但是目前微通道反應技術在工業化推廣上還面臨着諸如技術、經濟、理論知識、人才以及政策等方面的諸多挑戰。

1、技术方面

微通道反應設備並非適用於所有的化學反應,例如某些液-固反應,存在中間體需要移除的平衡反應,或者反應動力學速率很慢的反應等等。

2、经济方面

對於一些反應時間較長的反應,需要更多的微通道反應設備,使得成本過高,不適用於微反應過程;此外,由於微通道反應設備不能單獨使用,要有配套的工藝路線,因此企業需要投入的資金較多,承擔的經濟壓力較大,這也給微化工技術的工業化推廣帶來了難題。

3、理論知識與人才缺乏

相对于传統的化工技術,微反應技術是一項創新技術,其需要一整套全新的化學反應基礎理論和系統做支撐,系統中每個環節都與傳統釜式反應有所區別,工藝條件、設備選型、助劑、催化劑匹配都要以微反應的理論作指導,而不能基於傳統的經驗和思維模式。然而微反應技術的理論知識還沒有得到廣泛普及。因此,在推廣微反應技術的進程中,專業人才的缺乏也是限制行業發展的瓶頸之一。

4、政策层面

自2017年微通道反應設備正式進入國家層面的文件以來,其獲得了諸多化工園區的青睞,微通道反應設備製造商也隨之如雨後春筍般涌現。然而,由於缺乏行業標準,缺乏市場準入制度,某些製造商還沒有從根本上掌握微通道反應技術的理論知識就貿然進入該行業,導致產出了一些不良產品。因此,儘管微通道反應技術是本質安全技術,但並不意味着製造出的所有的微通道反應設備都是本質安全設備。微通道反應技術面臨諸多挑戰,但是其具備的安全價值、產業化的前景以及帶來的經濟效果無可置疑。況且,在精細化工行業的安全水平亟待提高的局勢下,有理由相信微通道反應技術是最值得推行與研究的技術。


大力推廣微通道反應技術,促進精細化工行業綠色安全發展

按照精細化工行業的發展規律,加快工藝、裝備和產業化三方融合,儘量降低污染物產出和排放,建立產業鏈上下游的“產學研用”相結合的開放平臺是一條比較現實的實現行業動能轉換的技術路線。因此,提出建議如下:

1、將微通道反應設備作爲新建或改建項目的優先選擇,例如對現有工藝進行微通道反應技術改造,或者直接建立全新的微通道反應工廠。

2、將具備大規模生產能力的企業、具備工藝或設備研發能力的企業以及科研院所等強強聯合,組建微通道反應技術示範區,將設備、工藝以及產業化融爲一體,成爲引領中國精細化工的先驅。

3、建立市場準入制度,實行一品一證,有關部門聯合設立發證機構和相關程序,保護社會公共利益,淘汰劣質產品。

4、支持建立化工微通道反應技術行業組織,其職能包括:制定行業安全標準,強制規定高危化學品單位使用本質安全設備,減少安全隱患;對微反應設備研發技術標杆企業和微反應設備應用示範企業的進行評選認定。

5、制定激勵措施,對於化工微通道反應技術行業組織認定的研發和應用微反應設備的優秀企事業單位,由應急管理、環保、科技、工信、發改等多個部門給予供給方和使用方合理的減稅或政策支持。

6、加大對微通道反應技術專業人才的教育培訓力度,積極組織對相關負責人、工程技術人員開展微通道反應技術專業培訓,普及微通道反應技術相關知識,建立專門的人才隊伍,滿足行業和企業對人才的需求,推動該技術在中國的發展。由於微通道反應設備的應用與化學反應原理,以及對溫度和流速等反應條件的控制緊密相關,使用了微通道反應設備並不意味着一定沒有安全問題。推廣微通道反應技術的同時,更要推廣本質安全的概念,推廣重視化工生產全鏈條的安全性,最終實現化工生產的本質安全。



此內容轉載自微信公衆號“中國化學品安全協會”,作者:路念明

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