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          微反應器對反應安全性的提升,流程再造、提質提效必看

          更新時間:2023-12-07  |  點擊率:831
            無論是基于改進的混合效果還是強化的傳遞過程,微反應器的應用提高了很多化工過程的本質安全性。下面從傳熱傳質的加強、苛刻操作條件的實現以及約束效應3個方面予以介紹。
           
            傳熱傳質的加強  
           
            對于快速放熱反應來說,反應器傳熱能力不足可能成為限制其應用的主要原因。因此,此類反應一般采用緩慢加入原料、稀釋原料、劇烈攪拌等方法避免熱量積累。由于傳熱速率與表面積成正比,而反應放熱量與反應器體積成正比,所以隨著反應體量的增加移熱變得愈發困難。與傳統反應器相比,微反應器的傳熱系數可由2kW/(m2·K)升至20kW/(m2·K)。
           
            其優良的傳熱性能能夠提升產率、提高選擇性、增加催化劑壽命,甚至使一些曾經難以實現的反應成為可能。尤其是對于放熱量大的快反應,將反應產生的熱量迅速移除,可以避免局部溫度過熱,減少副反應的發生,更能夠防止由于熱量積聚而產生飛溫現象,降低反應失控風險。微反應器本身就具有迅速移除熱量的功能,已經被用于多種反應,如芳香族化合物的硝化反應、異丁烯加氫反應、二甲醚部分氧化、合成氣制備等反應。
           
            歐世盛科技已經開發了大量實驗室規模的,中試及工業化規模微反應器的應用。如微反應合成平臺(圖1)、H-Flow微反應加氫平臺(圖2)、高通量全自動催化劑評價裝置(圖3)圖等。

          圖1:H-Flow微反應加氫平臺

          圖2:H-Flow微反應加氫平臺

          圖3:高通量全自動催化劑評價裝置

           
            反應時間的縮短和裝置自動化程度的提高降低了反應的危險性。傳熱傳質的加強一方面縮短了反應所需的時間,直接降低了實驗的風險;另一方面顯著提高了體系溫度和濃度的均一性及可控性,極大緩解了局部過熱或反應物濃度過大的問題,提升了反應的安全性。
           
            苛刻操作條件的實現  
           
            為了在保證選擇性的前提下提高反應速率,通常需要采取高溫高壓等苛刻的操作條件。在常規工業應用中,由于反應器體積大,設備材質和自動化水平的限制導致高溫高壓不易實現,人們往往寧可延長反應時間,也不愿面對苛刻的操作條件帶來的巨大風險。微反應器溫壓耐受性高,是一條實現苛刻操作條件的捷徑。
           
            以鄰苯二胺與乙酸的縮合反應為例,室溫下反應完需要9周,但如將反應溫度提升至100°C則只需要5h,若將溫度進一步提升至200°C只需要3min。將此反應在一個SiC微反應器中以313°C、5MPa的條件實現,則停留時間只需要6s。微反應器的采用,極大縮短了反應時間,提高了反應效率,也降低了長時間操作可能引起安全事故的可能性。
           
            微反應器也能為反應動力學的研究提供更廣闊的可能。受到工藝條件的限制,傳統反應動力學的研究一般僅能在某些溫度壓力范圍內進行,微反應器對高溫高壓的耐受性可以極大擴展測試條件,使在更大范圍內研究反應的動力學成為可能。
           
            約束效應  
           
            當工藝流程中涉及有毒有害、腐蝕性、不穩定物質時,一旦容器泄漏,造成的危害將是巨大的,限制了此類工藝的進一步發展。微反應單元是相對密閉的操作系統,且自動化程度較高,這就約束了危險物質的時空分布,可以安全實現此類常規情況下難以實現或風險很高的反應,因而被用作有毒有害、不穩定、爆炸性物質的生產工具。微反應器的應用為含有此類物質的化工過程提供了一條本質安全化的流程再造方法,也使一些傳統工業難以實現的生產過程成為可能。
           
              爆炸性物質  
           
            氣體的燃燒爆炸是自由基傳遞的過程,當微通道的特征尺度小于可燃氣體燃爆的臨界直徑時,自由基在傳播過程中會與管壁不斷碰撞而淬滅,火焰無法傳遞。因此,即使在可燃氣體的爆炸極限濃度范圍內,微反應器的使用可以降低甚至消除燃爆風險,這就使得一些難以實現的危險工藝成為了可能。過氧化氫是一種重要的化工產品,其市場需求逐年遞增,尤以用于電子產品清潔劑及醫用消毒劑的高純過氧化氫為甚。此外,出于安全考慮,過氧化氫產品的運輸范圍一般不超過300km,對其應用造成了極大限制。目前的主流工藝蒽醌法過程復雜、環境污染嚴重、產品純度低;與之相對應,氫氣氧氣直接合成法簡單、綠色、經濟,副產物僅為水,產品純度高,成為人們關注的焦點工藝。但是,氫氧混合氣體極易燃爆,生產風險過高,一直得不到工業化推廣。使用通道特征尺度小于氫氣燃爆臨界直徑的微反應器能夠抑制氫氧混合氣體的燃爆,安全地實現過氧化氫的直接合成(表1)。此外,微反應裝置占地小,能夠方便地安裝在使用場所,消除了運輸帶來的風險。
           
          表1 近年來過氧化氫直接合成過程在微反應器中的實現情況

           

           
              有毒物質  
           
            將有毒的原料約束在反應器中避免與操作人員直接接觸,能夠降低整個工藝的危險性。以氟化反應為例,含氟化合物憑借其化學惰性在眾多工業領域得到了應用,但將反應原料氟化的過程往往風險很高。微反應器已經在親核氟化、親電氟化和三氟甲基化反應中得到了應用。作為化工合成的基礎小分子,一氧化碳在工業化規模合成醛、酮、羧酸及其衍生物中起到非常重要的作用,但由于其毒性,實驗室中和精細化工行業一般采用更加安全方便的固態一氧化碳前體作為碳源。微反應器能夠精確控制氣液混合過程,傳質高效且能夠耐受高壓,可以用于實現一氧化碳氣體參與的反應。
           
              不穩定物質  
           
            如何避免不穩定活性中間體的分解是諸多工藝過程面臨的挑戰,利用微反應器縮短操作步驟之間的轉換時間,消除物料轉移的必要,能夠克服這一難題。諸如過甲酸或過乙酸一類的化合物在較高的溫度下或雜質存在的情況下極易分解。
           
            結語  
           
            新催化劑和新工藝過程的問世不斷要求更安全、更環保的實現手段。微反應裝置以其特殊的優勢提升了化工過程的安全性和經濟性,正在扮演愈發重要的角色。流體在反應器中的存在形式,并歸納了微反應器安全性得以加強的3個原因:傳遞過程的加強、苛刻操作條件的實現以及約束效應。微反應器的優勢使安全開展危險反應研究成為可能,并為反應本征動力學的研究提供了一種新的途徑。
           
            參考文獻
           
            [1]孫冰等,微混合與微反應技術在提升化工安全中的應用,化工進展,2017,36

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