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如何提升精细化工本质安全水平?专家表示微通

2019-07-22 04:19 点击:

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  近年来,精细化工企业安全事故频发,特别是一些剧烈反应引发的爆炸事故,更让精细化工行业戴实了“高危”这顶帽子。中国化工报记者从6月底在山东高密举行的精细化工反应安全技术研讨会上了解到,连续流微通道反应器是目前精细化工行业最看好的提升本质安全的技术之一,我国正逐步实现相关设备和成套技术的自主研发生产,未来微通道反应器将成为精细化工行业工艺选择的一个重要趋势。

  精细化工反应是化工行业最容易发生安全事故的领域之一。原国家安监总局发布的《精细化工反应安全风险评估导则》就指出,对于反应工艺危险度为4级和5级的工艺过程,尤其是风险高但必须实施产业化的项目,要努力优先开展工艺优化或改变工艺方法降低风险,例如通过微反应、连续流完成反应。

  此次在高密豪迈集团的生产车间,记者看到了我国自主研发的多种微通道反应器。那么这台小小的设备,如何能提升化学反应的本质安全呢?

  豪迈集团技术总监杨洪梅表示,连续流微通道反应器持液量小,不同于传统反应釜的以吨为单位的实时反应量,反应器内的有效容积小,相当于该反应器内每一时刻发生化学反应的物质只有几毫升到几升,所以危险因素是可控的。同时,微通道反应器的另一大特点就是换热效率高,反应热量可以及时通过反应器移走,有效避免了反应过程中的热量积累。

  据中石化青岛安全工程研究院孙冰博士介绍,微流控技术是一种利用几十到几百微米的通道来操控和处理极小量液体的技术,被誉为“改变未来的7种技术之一”,能有效提升化学反应本质安全水平,具有几项明显的特点,如特征尺寸小,比表面积大;流动行为以层流为主,停留时间可精确控制;传热传质快,较传统设备高1~2个数量级;以数增为放大方法,无放大效应等。

  记者了解到,不同于传统夹套搅拌釜动辄上百平方米的占地面积,微通道反应器小而紧凑,占地面积只有几平方米,可谓是“迷你化工厂”。化学反应在微通道中连续流动发生,反应快速完成,且过程精确可控,可实现无人化连续操作,极大减少了精细化工在研发和生产中的安全隐患。

  除了体积小,多位专家还特别强调了微反应器在换热方面的优势,这使得微反应器可以适用于多个领域。

  天津大学-英国阿斯利康过程安全联合实验室教授卫宏远指出,化学反应从实验室向工业化放大过程中,会存在放大效应。实验室一些反应虽然放热,但因反应规模小,热量总体较少,且反应容器可以及时将热量传递出去。而在同样条件和原料配比下进行放大时,反应釜的比表面积往往会明显减小,这意味着供反应传热面积减少。传热效果不好,就容易导致热生成和热移除不平衡,发生热量积累,造成反应釜内温度急剧升高,进一步加速化学反应,最终导致反应失控甚至爆炸。而微通道反应器基于这方面考虑,是将反应通道变成微米级,在同样的外部尺寸下,大大增加了容器的比表面积,极大提高了反应传热效率,且反应是以数增为放大方法,而非扩大规模,所以不存在放大效应,很适用于剧烈的放热反应。

  中科院天然产物合成化学重点实验室主任赵刚也介绍,中和反应、重排反应、开环反应等放热剧烈的反应类型,常规反应器一般采用逐渐滴加的方式,但即使如此,滴加瞬时局部也会因过热和产生副产物;重氮化反应、丁基锂反应等原料危险,且存在反应物或生成物不稳定的问题,常规反应器中停留时间一长就会分解;硝化、氨化反应等容易失控,在常规反应器中容易发生反应温度急剧升高甚至爆炸。因此,这种快速剧烈放热、原料或者产品不稳定、危险化学反应及高温高压反应就适用微通道反应器。此外,微反应器还适用氟化反应、氯化反应、烷基化反应、过氧化反应、磺化反应等多种反应类型,在农药、医药、专用化学品等领域具有很广的应用范围。

  在豪迈集团技术总监杨洪梅展示的案例中记者看到,以某企业4000吨/年规模的硝化反应为例,传统反应釜需要40平方米占地面积和12名员工操作,而微通道反应器仅占地8平方米,需要3名员工。而在某化工企业4000吨/年的加成反应中,传统反应釜必须使用大量低温冷媒将反应温度控制在30℃以下,以防出现安全事故,而微通道反应器中的反应温度为45℃~85℃,不需要消耗冷媒,每年为企业节约300余万元。

  中科院天然产物合成化学重点实验室主任赵刚指出,现阶段我国连续流设备多种多样,但精细化工反应工况复杂,单独从设备改造和工艺改进,很难实现化工生产的本质安全,需要设备和工艺的紧密结合。尽管连续流设备已得到学术界和企业界的初步认可,但由于人员认可度差异、配套资源缺乏等因素,连续流设备在整个行业尚属于初级推广阶段,其优势和意义尚未完全展现出来,还需要各领域的共同推动。

  记者采访发现,该项技术因涉及流体力学、工程热力学、化工工艺工程、有机合成、应力分析、材料分析、自动化集成控制、机械加工、信息工程等多项专业领域,研发生产难度非常高,此前相关技术主要集中在少数国际化工巨头手中,我国在这一领域起步较晚。2016年,豪迈化工工业化连续流微通道反应器试车成功。目前,豪迈集团生产的微通道反应器产品已经在国内外超过150家化工企业中实现了应用。

  豪迈集团副总经理唐立星介绍,豪迈集团是轮胎模具和气门芯两项制造领域的“隐形冠军”,市场份额居全球首位。正因具备大型和精密机械产品研发制造的优势,豪迈集团率先突破了微通道反应器这种集多种学科于一体的技术。豪迈微通道反应器具有独特的伞形通道结构,可以提高流体混合程度和反应的总传热效率,此外,豪迈微通道反应器还可采用多种金属材质及碳化硅材质,根据工艺情况定制最佳装置,以缩短反应时间,减少溶剂用量,提高反应选择性、产品收率及产品纯度,消除安全隐患,降低环境污染,完成实验室研发到工业化生产的无缝对接。

  谈到微通道反应器的智能化水平,豪迈集团副总经理唐立星还表示,微通道反应器之所以被业界认为可以提升本质安全水平并迅速获得应用,还有一个重要的原因就是生产操作过程中可对整个流程进行从“启动”到“停机”的无人化自动操作,减少人为操作带来的不确定风险,同时确保一线员工的人身安全。反应器中,各反应片通道中均有热电阻,可准确测量反应过程中反应体系各点温度,设备和系统还能随时监控及记录反应过程中系统的进料流量、管路压力,并针对实际情况作出调控。当遇到超温、超压等情况,连续流微反应器还可以进行报警并紧急切断进料。