氣液攪拌-原正攪拌的經(jīng)典案例

氣液反應(yīng)技術(shù)與裝備

 

技術(shù)背景

氣液分散與反應(yīng)問(wèn)題在化工和醫(yī)藥中是經(jīng)常遇到的，例如硝基芳烴、脂肪腈、烯烴和炔烴的液相催化加氫反應(yīng)、烷基化反應(yīng)、羰基化反應(yīng)、氧化反應(yīng)等。其共同特點(diǎn)是反應(yīng)速率受氣/液傳質(zhì)的控制，而氣/液傳質(zhì)涉及到氣體分散、氣體循環(huán)、以及固體催化劑懸浮等過(guò)程，問(wèn)題變得比較復(fù)雜。

    由于氣液的不相容性，且密度差別非常大，氣液反應(yīng)器中未反應(yīng)的氣體聚積在反應(yīng)器內(nèi)的上部空間，嚴(yán)重影響反應(yīng)速率和效率。同時(shí)，固體催化劑懸浮的不均勻也約束了反應(yīng)的速率。為提高反應(yīng)速率，工業(yè)上一般采用氣體外循環(huán)、液體外循環(huán)和氣體內(nèi)循環(huán)三種方式。

·A 氣體外循環(huán)是將反應(yīng)氣體從氣相空間引出，氣體通過(guò)壓縮機(jī)增壓后再?gòu)姆磻?yīng)器底部通入，在攪拌器的配合下，可得到較大的持氣量和相接觸面積，從而提高反應(yīng)速率，其優(yōu)點(diǎn)是可得到任意的氣體循環(huán)量，缺點(diǎn)是需要大量的氫氣循環(huán)設(shè)備，增加了裝置的復(fù)雜性和資金投入；

·B 液體外循環(huán)是用離心泵將反應(yīng)液體從反應(yīng)器底部抽出，通過(guò)文丘里管抽吸反應(yīng)器氣相空間內(nèi)的反應(yīng)氣體，在一文丘里管內(nèi)充分混合與分散，可得到十分細(xì)小的氣泡，大幅度提高氣液相接觸面積和反應(yīng)速率。液體外循環(huán)式的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速率快，可連續(xù)生產(chǎn)，傳熱方便等，缺點(diǎn)是能耗大，對(duì)循環(huán)泵的要求十分苛刻；

·C 氣液內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器即自吸式氣液反應(yīng)器，它是原正公司開(kāi)發(fā)的氣/液反應(yīng)裝置的核心技術(shù)之一，是一種不用額外的氣體輸送機(jī)械而能自行吸入反應(yīng)器上部空間氣體進(jìn)行氣液接觸的反應(yīng)裝置，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的空心渦輪攪拌器在料液混合的同時(shí)不斷吸入液面上的反應(yīng)氣體，達(dá)到氣液循環(huán)與分散目的，同時(shí)，組合使用的軸流槳能將氣體與固體催化劑均勻地彌散在反應(yīng)器內(nèi)，達(dá)到快速反應(yīng)的目的。

技術(shù)歷程

2002年	設(shè)計(jì)了*套液相催化加氫裝置，用于苯佐卡因的生產(chǎn)，反應(yīng)速率比原國(guó)外同規(guī)格裝置提高了近三倍；
2003年	“自吸式氣液攪拌裝置”獲國(guó)家（號(hào)200320109378.2），并通過(guò)了浙江省科技廳組織的鑒定，技術(shù)屬國(guó)內(nèi)；
2005年	開(kāi)發(fā)成功了第二代氣液攪拌反應(yīng)裝置，產(chǎn)品在穩(wěn)定性、使用壽命、氣/液傳質(zhì)效率等方面得到了進(jìn)一步的改善；
2007年	從單一的氣/液攪拌設(shè)備發(fā)展到系統(tǒng)的氣/液反應(yīng)裝置，為您提供專業(yè)的工藝設(shè)計(jì)、配套設(shè)備和控制系統(tǒng)，使您的工程放大風(fēng)險(xiǎn)降至zui低；
2008年	建立了一套氣/液反應(yīng)模試裝置，可對(duì)氣/液反應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)研究并對(duì)小試工藝進(jìn)行驗(yàn)證，為工程放大提供重要保證。

工藝流程

液相催化加氫的工藝流程一般包括氫化反應(yīng)系統(tǒng)、催化劑過(guò)濾系統(tǒng)和其他氫源、取樣、冷卻、產(chǎn)品精制等配套系統(tǒng)，不同工藝需要不同工藝流程和設(shè)備。反應(yīng)系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)成間歇生產(chǎn)，特殊要求時(shí)也可設(shè)計(jì)成連續(xù)生產(chǎn)。

工藝流程簡(jiǎn)圖之一

關(guān)鍵設(shè)備

    氫化裝置的核心設(shè)備是自吸式氣液反應(yīng)器（號(hào)200320109378.2），它是容器和攪拌裝置組成。容器有特殊的高徑比規(guī)定，并設(shè)置盤管和夾套，以滿足物料的預(yù)熱和反應(yīng)撤熱的要求，反應(yīng)器內(nèi)還設(shè)置改善流場(chǎng)的附件，防止混合死區(qū)，提高換熱能力。各種結(jié)構(gòu)需要合理組合，并通過(guò)CFD優(yōu)化。

    攪拌裝置由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、空心軸、軸封、自吸式葉輪和軸流槳組成。高速運(yùn)行的自吸式空心葉輪能使大量液體在葉輪內(nèi)外進(jìn)行循環(huán)，根據(jù)文丘里噴射原理，液面上的氣體通過(guò)空心攪拌軸被高速運(yùn)動(dòng)的液體夾帶后從葉輪排出，這樣，氣體在反應(yīng)器內(nèi)不斷被吸入至深層液相，并被攪拌分散，周而復(fù)始，形成均勻的氣液混合體系。實(shí)現(xiàn)氣液接觸，強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過(guò)程，縮短氣液反應(yīng)時(shí)間。底層軸流槳的功能是將催化劑均勻懸浮，并將從自吸式葉輪噴出的氣體均勻地彌散在反應(yīng)器內(nèi)，包括反應(yīng)器的底部。

    由于氫化反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱需用冷卻水通過(guò)內(nèi)置的盤管和外置的夾套移走，根據(jù)反應(yīng)熱、反應(yīng)溫度和反應(yīng)速率的不同，可設(shè)計(jì)成不同的冷卻介質(zhì)、冷卻流程和不同的冷卻面積，工業(yè)化裝置中反應(yīng)器內(nèi)盤管可多層設(shè)置，冷卻面積可達(dá)8~12m2/m3，特殊傳熱要求時(shí)可外置換熱器。

    氫化反應(yīng)一般為中高壓反應(yīng)，直接取樣十分危險(xiǎn)，原正公司設(shè)計(jì)的工藝流程包含了安全帶壓取樣系統(tǒng)，可以幫您安全、便捷地取得不含催化劑的樣品。

催化劑一般為一次加入，特殊工藝要求是我們可以設(shè)計(jì)催化劑帶壓補(bǔ)加系統(tǒng)，可以在反應(yīng)過(guò)程中安全地補(bǔ)加催化劑；

    催化劑的過(guò)濾同樣非常重要，不同類型的催化劑需要不同的過(guò)濾系統(tǒng)，例如釜內(nèi)沉降法、釜外沉降法、微孔過(guò)濾法、壓濾法等，部分過(guò)濾系統(tǒng)中還需要配置安全過(guò)濾器和催化劑失活系統(tǒng)。

	氣泡分散狀態(tài)
反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖	準(zhǔn)備出廠的反應(yīng)器

工藝放大與工藝保證

您的實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品已經(jīng)完成了，可如何進(jìn)行工程放大以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的目標(biāo)？這個(gè)問(wèn)題困擾了許多工程師，因?yàn)楣I(yè)上很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)室尺度的動(dòng)量傳遞、質(zhì)量傳遞和熱量傳遞，盲目放大很可能只是在冒險(xiǎn)。那么，就將問(wèn)題交給我們，我們的工程師具有豐富的經(jīng)驗(yàn)、出色的能力和先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段，可以根據(jù)需要為您提供：

·  工程放大計(jì)算和工藝流程設(shè)計(jì)； 

·  攪拌反應(yīng)器和配套設(shè)備設(shè)計(jì)； 

·  催化劑過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 

·  根據(jù)需要提供配套PLC或DCS控制系統(tǒng)； 

·  提供完整的氣/液反應(yīng)裝置； 

·  需要時(shí)可在我們的實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行工藝驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)室于2008年初建成并投入使用，坐落在杭州近郊的杭州原正化學(xué)工程技術(shù)裝備有限公司機(jī)械廠內(nèi)，建筑面積達(dá)160m2。實(shí)驗(yàn)室擁有一支高水平的專家隊(duì)伍，現(xiàn)有工程師2人，中級(jí)工程師1人，碩士2人。本實(shí)驗(yàn)室的建立可為客戶提供各種不同的氣液反應(yīng)研究，并使公司的科研水平有了很大的提升。

模試裝置簡(jiǎn)介

為保證工程放大的一次成功性，根據(jù)我們多年的工業(yè)化經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)建造了一套價(jià)值近百萬(wàn)元的氣液反應(yīng)（主要用于液相催化加氫）模試裝置系統(tǒng)。

模試系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力6.4Mpa、溫度300℃，攪拌系統(tǒng)采用原正公司的產(chǎn)品自吸式攪拌器，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)在線采樣及氫氣質(zhì)量流量計(jì)瞬時(shí)流量值的變化可得到反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)；冷卻水管路上的流量和溫度測(cè)量?jī)x表可得到反應(yīng)熱力學(xué)數(shù)據(jù)。

通過(guò)本模試裝置系統(tǒng)可有效地解決諸如以下的一系列問(wèn)題：

·工業(yè)放大后反應(yīng)時(shí)間到底是多少？

·間反應(yīng)熱和傳熱能力如何計(jì)算？

·催化劑用量需要按小試比例投加嗎？

·采用何種過(guò)濾設(shè)備更有效？

模試裝置示意圖

    科研成果

已完成科研項(xiàng)目

·法尼基丙酮加氫制植物酮

客戶原工業(yè)化8000L釜反應(yīng)時(shí)間為14h，1L釜小試時(shí)間為8h，采用自吸式攪拌后，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到客戶要求的前提下，在我們20L釜內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間僅為3.5h，實(shí)驗(yàn)取得了成功

論文成果

·基于自吸式攪拌的液相催化加氫模試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，2008

·液相催化加氫中催化劑的分離方法，2008

成果

·自吸式氣液攪拌裝置，號(hào)：200320109378.2，2004

安全保證

    催化加氫的安全風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源于其反應(yīng)及裝置本身，包括：

·  易燃易爆的氫氣及溶劑； 

·  高活性催化劑的加料和過(guò)濾； 

·  中高壓操作； 

·  強(qiáng)大的反應(yīng)熱導(dǎo)致溫度的可控性降低； 

·  含催化劑的物料從進(jìn)氣管返回氫氣管道和系統(tǒng)，埋下隱患； 

·  帶壓取樣的安全性。

    這些問(wèn)題在您的實(shí)驗(yàn)室里或許不那么嚴(yán)重，但經(jīng)過(guò)數(shù)千倍甚至數(shù)萬(wàn)倍的工業(yè)放大后，每個(gè)細(xì)小的問(wèn)題都需要十分關(guān)注，我們的裝置可以為您提供安全保證：

·  如果我們還沒(méi)有掌握反應(yīng)的特性，那么可以通過(guò)20L的試驗(yàn)裝置驗(yàn)證反應(yīng)速率及反應(yīng)熱，并以此為依據(jù)進(jìn)行工業(yè)裝置的計(jì)算與放大； 

·  通過(guò)傳熱計(jì)算確定的充足的換熱面積，高傳熱能力使反應(yīng)變得可控； 

·  精心設(shè)計(jì)的取樣裝置，保證您取樣工作的安全； 

·  強(qiáng)大的氫氣內(nèi)循環(huán)功能，使反應(yīng)器底部進(jìn)氣的優(yōu)勢(shì)不再存在，采用頂部進(jìn)氣就不再擔(dān)心液體物料的倒流引起的危險(xiǎn)； 

·  當(dāng)采用上出料方式時(shí)，為消除出料管內(nèi)的混合死區(qū)，一部分氫氣通過(guò)出料管進(jìn)入反應(yīng)器底部，另一部分氫氣仍進(jìn)入反應(yīng)器頂部，同樣可防止物料的液體倒流； 

·  催化劑一般為一次加入，特殊需要時(shí)可在反應(yīng)過(guò)程中安全地補(bǔ)加催化劑； 

·  不同類別的催化劑采用不同的過(guò)濾回收方式；

主要業(yè)績(jī)

    從2002年到2008年，原正公司已在國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)建造了100多套氣/液反應(yīng)裝置或氣/液反應(yīng)器，主反應(yīng)器容積從0.3m3到20m3，反應(yīng)壓力從常壓到10.0MPa，反應(yīng)溫度從低溫到300℃，主要包括：

硝基化合物氫化還原 ·  對(duì)氨基苯甲酸  ·  對(duì)氨基甲苯  ·  間氨基甲苯  ·  鄰氨基苯甲醚  ·  鄰氨基對(duì)叔丁基苯酚  ·  對(duì)氨基酚（PAP）  ·  4,4'-二氨基二苯基甲烷（DDM） ·  H酸 ·  間位酯 ·  鄰氨基苯酚 脂肪氰加氫 ·  烷基伯胺 ·  戊胺 碳烷基化 ·  2,6-二乙基苯胺（DEA）  ·  2-甲基-6-乙基苯胺（MEA）

羰基化 ·  甲基環(huán)戊二烯三羰基錳（MMT） 氮烷基化 ·  異丙甲草胺  ·  苯佐卡因  ·  鹽酸普魯卡因 硅烷基化 ·  乙烯基單封頭 其它不飽和鍵加氫 ·  3,3'-二氯聯(lián)苯胺（DCB）  ·  天然VE轉(zhuǎn)型  ·  芳樟醇   ·  糖醇生產(chǎn)  ·  β-酸氫化 ·  阿奇霉素   ·  2-甲氧基四氫呋喃 ·  對(duì)羥基苯丁酮（覆盤子酮）