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微反應器:挑戰傳統生產方式

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微反應器:挑戰傳統生產方式

發布日期:2017-04-01 作者: 點擊:

微反應器技術被譽為21世紀能給化工生產方式帶來革命性變革的一項技術,是解決化工生產面臨的低效率、高能耗、產品質量不穩定、資源浪費等難題最有效的技術途徑之一,特別是在節能降耗、提高反應本質安全等方面,具有傳統反應器所無法比擬的優勢。

 微反應器技術的推廣應用,需要學術界與產業界的共同努力,在現有研究基礎上,企業在產業化方面的實踐與經驗積累顯得尤為重要。在微反應器技術落地的過程中云平臺、互聯網、物聯網等新技術與新的運營模式也將發揮重要作用。 
  占地體積只有微波爐大小的一組微反應器,這個看起來不起眼的“小家伙”,在一些領域已經實實在在地取代了“傻大黑粗”的傳統反應器。由于微反應器的誕生,未來的一個塔器高聳、管道縱橫的大型化工車間就有可能被濃縮在一輛面包車大小的空間中,其安全性、環保性都會隨之有本質提高。 采用微反應器,反應速率可以是傳統反應器的100倍以上,換熱速率是傳統設備1000倍。一個劇烈的放熱反應,如果在傳統反應釜中進行,就要非常緩慢地滴加物料,反應有可能持續幾個甚至十幾個小時,而采用微反應器,反應時間可以縮短到幾分鐘甚至幾秒鐘。在精細化工反應中,大約有20%的反應可以通過微反應器技術來實現。 

 基于微反應器的微化工技術早在上世紀90年代就引起了世界各國化學家的關注,特別是德國、美國、法國、日本等化工發達國家。歐盟還專門為微反應器技術設立了一個旨在建立“未來、柔性和快速”化工廠的計劃,日本也設立了微納空間反應計劃,一些大型跨國公司也開發了相關設備和技術。 

 位于世界前列的我國自主開發的微反應器技術,包括濕法磷酸萃取微型設備、納米碳酸鈣微反應技術、微反應器制備磷酸二氫銨技術等。此外,該技術還成功應用在了氯苯硝化工藝上,橡膠防老劑、促進劑方面也已開始進行試驗。 
  “微反應器技術將會給化工產業帶來重大變革,首先是生產效率可以得到明顯提高,其次生產過程的安全性會不斷提高,再有就是提高產品質量的穩定性。總結起來就是讓化工生產更高效、更安全、更環保、更具成本優勢,這正是化學工業孜孜以求的可持續發展的目標。”
  

 微反應器技術給化工行業帶來的變革不僅僅是技術水平的提升,更重要的是生產方式的轉變。顧名思義,對“微反應器”最直接的理解應該是“微小”和“精細”,反應器和配套裝備的微型化、小型化,工藝技術和管理水平的精細化,都要求生產企業從根本上改變傳統化工生產中慣用的粗放的生產模式,以全新的理念布局、設計、規劃、實施一個新項目。這一點才是微反應器技術帶給化工行業最大的挑戰,也是微反應器在一些企業用的不理想的重要原因所在。 從大釜生產到微反應器是一種生產方式的轉變,由于改變了原來的物料輸送方式,與微反應器配套的工程設計也要做出相應的改變,這是一個非常復雜、艱辛的過程,要有非常強的工程能力才可以實現,一般的化工企業還不具備這方面能力。 

 化工企業目前的生產大多是粗放式的,現在正在朝著精細化方向努力,微反應器技術中的設備、管道、流量控制等都必須是精細化的,目前企業短時間內要接受精細化的生產方式還比較困難,需要一個過程,從管理人員到工程技術人員再到現場操作工在理念上都要有所轉變才行。”為了應對微反應器技術帶來的挑戰,一種新型的技術服務也在悄然興起,將成為化工行業‘中國制造2025’的重要組成部分。” 

 

微反應器介紹

 微反應器又稱微通道反應器,是微混合器、微換熱器、微控制器、微萃取器、微化學分析等一系列微型化工設備的統稱,是利用精密加工技術制造的特征尺寸在10~1000微米之間的三維結構元件,工藝流體通道在微米級別,可用于進行的化學反應包括換熱、混合、分離、分析和控制等,在化學化工、精細化工、制藥工業、生物化學等領域應用廣泛。

 微反應器技術的研究工作主要集中在三方面:一是傳統化工技術的更新換代,主要集中在石油化工、醫藥、農藥、染料、火炸藥等領域,主要包括磺化、硝化、直接氟化、氧化、過氧化、酰胺化、重氮化等各類強放熱和易燃易爆的氣—液和液—液反應過程。二是國家安全領域的研究工作,主要涉及化學激光器微型化、核燃料高效處理、特種材料的安全生產等。三是納米材料合成等領域,特別是可以將精細化工、醫藥化工等間歇式、效率較低的合成工藝變為像石油化工那樣可控的連續工藝,讓反應時間從幾小時縮短到幾十秒。

 微反應器有多種類型,按照操作模式可分為連續微反應器、半連續微反應器和間歇微反應器;按照反應相態可分為氣固相催化微反應器、氣液相微反應器、液液相微反應器和氣液固相微反應器。微反應器有多種幾何結構,最簡單的是管式結構,還有板式結構、微通道結構以及集成試劑注射、混合、換熱、溶劑交換、相分離等多種功能為一體的復合式結構。微反應器制作材料種類繁多,包括玻璃、硅、陶瓷、金屬和聚合物等,要針對化學反應的溫度、壓力、腐蝕性、比熱容等特性選擇合適的制作材料。


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