化工過程強化系列9:常規反應釜的氣液強化改進
從前幾期我們介紹的氣液接觸強化技術來看,諸如噴射式反應器或者超重力反應器雖然能夠很高效的進行氣液接觸,但是在很多方面局限性很大,因此這兩種技術的推廣目前來看并不順利。就拿噴射式反應器來說,第一臺引入國內的噴射式反應器是一個以環氧乙烷為介質的烷氧基化反應,距今已經有接近30年的歷史了。但是直到今天,人們談到噴射式反應器第一個反應都是這還是一種“新”技術,可見其推廣之慢。
一方面來看化工廠本身對與這些新設備的接受都比較慢,從工廠角度出發,他們更加優先選擇從工藝與合成路線上進行技改,一般不輕易動設備,對新設備的接受程度有限。另一方面從設備生產單位來看,確實有些技術問題我們的制造業解決不好。這兩方面都導致了氣液過程強化技術推廣比較緩慢。那么從企業立場來看,如果生產中確實有一個反應存在氣液接觸不良的問題,同時企業自身比較保守或者在技術上能力有限,無法支撐超重力反應器與噴射式反應器的技術開發,有沒有一個折中的方案呢?
這樣的方案當然是存在的,我們談到氣液接觸過程的時候我們就談到很多氣液反應本征反應速率實際上不高。因此對于很多氣液過程,我們沒有必要追求特別高的氣液強化效果。因此在這里就有了一個思路,那就是我們可以退而求其次地犧牲一部分氣液強化效果,但是盡可能不改變裝置結構,這樣一來就可以以最小的改動達到提高生產效率的目的。同樣的道理,對于氣液反應的換熱問題我們也可以采用類似的解決方案。
一個比較簡便的解決方案就是,我們直接就對攪拌釜進行一系列改進與設計,這樣一來整體工藝的大流程可以不動,但是又能確實提高生產能力。這個改進分為兩部分:
首先,是氣液接觸過程的強化。我們可以通過對攪拌槳以及導流件的合理設計增加氣液接觸效率。其最核心的技術就是將普通攪拌槳換成自吸式攪拌設備。這里我簡單的介紹一下自吸攪拌槳的結構。所謂自吸式攪拌就是將攪拌軸做成中空結構,同時在攪拌軸上端開有吸氣孔。當攪拌槳轉動的時候,由于流體力學的原理葉片處的壓力會低于攪拌軸上端氣孔處的壓力,這樣一來就可以通過中空的攪拌槳將氣體吸入。攪拌槳上設有排氣口,吸入的氣體從排氣口排出形成氣泡,再由攪拌器的攪拌直接打碎氣泡,這樣一來也能取得較高的傳質效果。這一套改進,無需使用回路循環泵這樣的制造要求非常高的機械,只要對攪拌槳進行改造就可以實現。其他工藝操作與普通攪拌流程沒有差別。作為工藝技改,這樣的攪拌設備往往容易被企業接受。
經過這樣的改造即使是普通的反應釜也能具有噴射式反應器的部分特點:首先,因為攪拌過程本身就是自吸的,整個反應在封閉體系中就可以進行,無需設置氣體排出口,避免了鼓泡反應廢氣夾帶溶劑的問題。此外自吸攪拌器的氣液傳質效果也并非那么難看,可以達到普通攪拌的1.5-2倍,噴射反應器的1/3~1/5。而這個攪拌效率可以滿足相當一部分氣液反應的技改需要。
當然自吸攪拌也有一定局限,主要是耐腐蝕方面,由于攪拌軸是中空的,不可避免的軸內部會與物料接觸,而且非常不巧的是軸內部不容易做防腐,搪瓷之類的更是困難。所以,腐蝕性強的物料做自吸攪拌困難較大。
同時對于攪拌釜內的傳熱也有改善辦法,普通反應釜最主要的問題就是傳熱面積不足,作為解決方案最簡單的方法就是在反應釜內加蛇管,蛇管本身就是一個靜密封部件,耐壓水平可以做到很高控制蛇管管徑就可以得到較大的比表面積。這種方法化工當中已經用的非常普遍了,現在的換熱管還可以加螺紋和波節,進一步增大換熱系數。除此之外,還可以在反應釜內加板式換熱器,這種換熱器結構簡單,就是兩塊鋼板,沖壓形成一定凹凸的形狀,再通過激光點焊在一起,加工非常方便,成本低廉,由于換熱板本身形狀特點,也可以提高換熱系數。另外就是換熱板位置放的好可以當導流板使用,進一步提高攪拌釜內的混合效果。
所以說氣液過程強化,土豪有土豪的做法,平民有平民的門路。作為生產單位面對氣液強化方面的問題,如果沒有能力采用噴射反應器以及超重力反應器等技術,那么可以完全可以嘗試這樣比較保守的療法。
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