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微反应器对反应安全性的提升,流程再造、提质提效必看

更新时间:2023-12-07  |  点击率:1120
  无论是基于改进的混合效果还是强化的传递过程,微反应器的应用提高了很多化工过程的本质安全性。下面从传热传质的加强、苛刻操作条件的实现以及约束效应3个方面予以介绍。
 
  传热传质的加强  
 
  对于快速放热反应来说,反应器传热能力不足可能成为限制其应用的主要原因。因此,此类反应一般采用缓慢加入原料、稀释原料、剧烈搅拌等方法避免热量积累。由于传热速率与表面积成正比,而反应放热量与反应器体积成正比,所以随着反应体量的增加移热变得愈发困难。与传统反应器相比,微反应器的传热系数可由2kW/(m2·K)升至20kW/(m2·K)。
 
  其优良的传热性能能够提升产率、提高选择性、增加催化剂寿命,甚至使一些曾经难以实现的反应成为可能。尤其是对于放热量大的快反应,将反应产生的热量迅速移除,可以避免局部温度过热,减少副反应的发生,更能够防止由于热量积聚而产生飞温现象,降低反应失控风险。微反应器本身就具有迅速移除热量的功能,已经被用于多种反应,如芳香族化合物的硝化反应、异丁烯加氢反应、二甲醚部分氧化、合成气制备等反应。
 
  欧世盛科技已经开发了大量实验室规模的,中试及工业化规模微反应器的应用。如微反应合成平台(图1)、H-Flow微反应加氢平台(图2)、高通量全自动催化剂评价装置(图3)图等。

图1:H-Flow微反应加氢平台

图2:H-Flow微反应加氢平台

图3:高通量全自动催化剂评价装置

 
  反应时间的缩短和装置自动化程度的提高降低了反应的危险性。传热传质的加强一方面缩短了反应所需的时间,直接降低了实验的风险;另一方面显著提高了体系温度和浓度的均一性及可控性,极大缓解了局部过热或反应物浓度过大的问题,提升了反应的安全性。
 
  苛刻操作条件的实现  
 
  为了在保证选择性的前提下提高反应速率,通常需要采取高温高压等苛刻的操作条件。在常规工业应用中,由于反应器体积大,设备材质和自动化水平的限制导致高温高压不易实现,人们往往宁可延长反应时间,也不愿面对苛刻的操作条件带来的巨大风险。微反应器温压耐受性高,是一条实现苛刻操作条件的捷径。
 
  以邻苯二胺与乙酸的缩合反应为例,室温下反应完需要9周,但如将反应温度提升至100°C则只需要5h,若将温度进一步提升至200°C只需要3min。将此反应在一个SiC微反应器中以313°C、5MPa的条件实现,则停留时间只需要6s。微反应器的采用,极大缩短了反应时间,提高了反应效率,也降低了长时间操作可能引起安全事故的可能性。
 
  微反应器也能为反应动力学的研究提供更广阔的可能。受到工艺条件的限制,传统反应动力学的研究一般仅能在某些温度压力范围内进行,微反应器对高温高压的耐受性可以极大扩展测试条件,使在更大范围内研究反应的动力学成为可能。
 
  约束效应  
 
  当工艺流程中涉及有毒有害、腐蚀性、不稳定物质时,一旦容器泄漏,造成的危害将是巨大的,限制了此类工艺的进一步发展。微反应单元是相对密闭的操作系统,且自动化程度较高,这就约束了危险物质的时空分布,可以安全实现此类常规情况下难以实现或风险很高的反应,因而被用作有毒有害、不稳定、爆炸性物质的生产工具。微反应器的应用为含有此类物质的化工过程提供了一条本质安全化的流程再造方法,也使一些传统工业难以实现的生产过程成为可能。
 
    爆炸性物质  
 
  气体的燃烧爆炸是自由基传递的过程,当微通道的特征尺度小于可燃气体燃爆的临界直径时,自由基在传播过程中会与管壁不断碰撞而淬灭,火焰无法传递。因此,即使在可燃气体的爆炸极限浓度范围内,微反应器的使用可以降低甚至消除燃爆风险,这就使得一些难以实现的危险工艺成为了可能。过氧化氢是一种重要的化工产品,其市场需求逐年递增,尤以用于电子产品清洁剂及医用消毒剂的高纯过氧化氢为甚。此外,出于安全考虑,过氧化氢产品的运输范围一般不超过300km,对其应用造成了极大限制。目前的主流工艺蒽醌法过程复杂、环境污染严重、产品纯度低;与之相对应,氢气氧气直接合成法简单、绿色、经济,副产物仅为水,产品纯度高,成为人们关注的焦点工艺。但是,氢氧混合气体极易燃爆,生产风险过高,一直得不到工业化推广。使用通道特征尺度小于氢气燃爆临界直径的微反应器能够抑制氢氧混合气体的燃爆,安全地实现过氧化氢的直接合成(表1)。此外,微反应装置占地小,能够方便地安装在使用场所,消除了运输带来的风险。
 
表1 近年来过氧化氢直接合成过程在微反应器中的实现情况

 

 
    有毒物质  
 
  将有毒的原料约束在反应器中避免与操作人员直接接触,能够降低整个工艺的危险性。以氟化反应为例,含氟化合物凭借其化学惰性在众多工业领域得到了应用,但将反应原料氟化的过程往往风险很高。微反应器已经在亲核氟化、亲电氟化和三氟甲基化反应中得到了应用。作为化工合成的基础小分子,一氧化碳在工业化规模合成醛、酮、羧酸及其衍生物中起到非常重要的作用,但由于其毒性,实验室中和精细化工行业一般采用更加安全方便的固态一氧化碳前体作为碳源。微反应器能够精确控制气液混合过程,传质高效且能够耐受高压,可以用于实现一氧化碳气体参与的反应。
 
    不稳定物质  
 
  如何避免不稳定活性中间体的分解是诸多工艺过程面临的挑战,利用微反应器缩短操作步骤之间的转换时间,消除物料转移的必要,能够克服这一难题。诸如过甲酸或过乙酸一类的化合物在较高的温度下或杂质存在的情况下极易分解。
 
  结语  
 
  新催化剂和新工艺过程的问世不断要求更安全、更环保的实现手段。微反应装置以其特殊的优势提升了化工过程的安全性和经济性,正在扮演愈发重要的角色。流体在反应器中的存在形式,并归纳了微反应器安全性得以加强的3个原因:传递过程的加强、苛刻操作条件的实现以及约束效应。微反应器的优势使安全开展危险反应研究成为可能,并为反应本征动力学的研究提供了一种新的途径。
 
  参考文献
 
  [1]孙冰等,微混合与微反应技术在提升化工安全中的应用,化工进展,2017,36

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