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化学反应工程及其在产业转型中的作用
3 月前
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化学和制药行业的转型发生在该行业的反应器、发酵罐和工厂中。因此,创新势在必行。化学反应工程处于化学和工艺工程的交汇处。任何谈论扩大工艺、电气化或使用氢气的人都必须自动考虑反应技术:它决定反应条件,调节在何时何地发生什么,确保能源效率并影响产品特性。

据专家介绍,目前反应技术中出现了三种特别明显的趋势:

  • 基于对反应器和反应的基本理解的集成产品和工艺设计
  • 基于模型、操作调查和过程数据的过程诊断
  • 化学转化过程的电气化以及电化学和化学储能的大规模实施

新的诊断方法、对工艺过程的更好理解以及反应器和组件的定制生产(例如借助 3D 打印)使得提供满足创新工艺要求的新设备成为可能。

从实验室到工业过程

人们越来越多地寻求从最初的想法到实验室反应器再到大规模工艺的最无缝路径,以避免在扩大规模过程中出现瓶颈,并快速将新工艺投入应用。各种诊断和建模方法对此有所帮助。即使在实验室规模下,反应器也配备了大量仪器,因此可以精确控制反应条件,例如温度、分压、生产时间等。此外,可以轻松配置的过程控制系统可用于长时间自动操作当今通常并行的反应器系统。自动数据采集和处理有助于解释实验结果,并为持续扩大工艺规模奠定基础。

化学计量、热力学、动力学、传输现象和相关安全数据了解得越精确,就越能预测工业规模工艺的性能。这些参数可用于计算反应时间和热量或电力消耗或产量。如果考虑到传输过程,则可以设计反应器以使反应可以安全进行并获得高产率。小型工厂研究为此至关重要,因为在设计和分析该工艺时还必须考虑回收流和部分负荷下的操作以及反应启动和关闭期间的操作。借助良好的模型,该工艺可以直接转移到生产工厂规模。然而在实践中,通常会介入一个中试工厂,以进一步降低扩大规模过程中的风险。

小结构中的大过程?

然而,目标并不总是尽可能大的反应堆。另一个重要的研究趋势——流动化学就证明了这一点。它为催化反应器和生产技术开辟了新途径。纳米颗粒和其他功能材料可以在具有精确定义特性的微流体反应器中生产。这种反应器还能实现更好的热量和质量传递。微结构反应器的特点是内部结构为十到几千微米。在这样的结构中,液体可以在几毫秒内加热或冷却。

目前,微结构生产工厂也正在开发中,例如利用可再生能源生产合成碳氢化合物或高质量的电转X化学品。由于其出色的传热性能,它们能够实现高时空产率和高选择性,精确控制产品质量,并延长催化剂使用寿命。如果它们采用模块化设计,可以快速增减,则它们特别适合在能源生产点进行分散使用。因此,包括 Ineratec 在内的多家公司已经开始着手考虑:他们不仅希望在开发中使用微结构反应器,还希望将其扩展到商业生产工厂。

近年来微结构反应器的发展表明,生产过程中热交换的强化最初主要限于单相系统,但也受其驱动。原则上,微结构反应器也可用于多相系统。表面张力、润湿或平行通道中的非均匀流动行为等影响使微反应器的工业应用变得复杂。  

对于大规模生产,需要采用集成放大概念来确保必要的流速,同时仅将通道直径的增加降到最低。这保留了微反应技术的优势,例如高混合率、出色的传热和有针对性的工艺控制。例如,可以通过将通道并联连接到反应器中的通道束来实现所需的吞吐量。

2016年,绍兴东湖高新技术有限公司在中国启用了第一台基于微反应技术的大容量生产反应器,用于生产农用原料。目前,三台这样的反应器连续运行,总产量为每年3万吨。

搅拌槽与混合工艺之间

新工艺的开发和化学反应器设备技术的开发齐头并进。如今,设备和反应器设计的范围与化工厂的产品组合一样广泛。由于其灵活性,搅拌槽仍然是最广泛使用的反应器类型。然而,技术范围从传统的熔盐或蒸发冷却固定床反应器到热交换反应器、气泡塔、喷射反应器、喷嘴和流化床反应器、高温反应器和更复杂的设备,如微结构、电化学和捏合机反应器,以及混合系统,如反应蒸馏、萃取或气体洗涤器。

尽管搅拌槽是最古老的化学反应器设计之一,但它仍在不断改进。搪瓷搅拌槽的“内部工作”已经开发出柔性挡板等新解决方案和其他改进,尽管搪瓷设备的生产潜力有限,但这些解决方案已显著提高了气液系统的灵活性和能源效率。

为了增加热传递,可以在搅拌槽中引入热交换板,这比内部热交换盘管具有更大的交换表面。这样可以更好地控制诸如悬浮氢化之类的放热反应。盐浴反应器是用于高温下放热、非均相催化气相反应的传统固定床反应器。例如,它们用于部分氧化,例如丙烯酸的合成。

如果对热交换或温度控制的要求较高,则可以使用所谓的热交换反应器。它们基于板式或管束式热交换器,可为单相系统提供非常高的热交换率。

应用挑战

新的工业流程、能源和原材料基础的变化以及对经济效率的追求将在未来几年继续对反应技术提出挑战。特别是考虑到生物基和再生原料的趋势,这些原料的成分和物理性质比传统石化原料变化更大,并且通常含有更多的杂质,因此反应器一方面必须尽可能优化,另一方面也必须足够坚固以应对不断变化的条件。

例如,一些生物技术工艺需要超过 1,000 立方米的大反应器体积,同时需要较高的比质量转移率。对于传统的曝气系统,很快就需要超过 10 兆瓦的电机输出功率,这在机械上很难实现。混合气体技术和新散热方式的发展有助于更快地将这些工艺投入工业应用。

另一方面,在高度个性化的新型基因和细胞疗法的生产中,所有的反应步骤都应该在靠近护理点的小空间内进行——紧凑、移动的“箱子”中的制药厂将是这里的一个可能的目标。

应用领域多种多样,反应工程师开发的解决方案以及工厂工程师和设备制造商提供设备的解决方案也同样具有创新性。鉴于众多新发展,未来几年仍可期待很多。

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