气液搅拌-原正搅拌的经典案例

气液反应技术与装备

 

技术背景

气液分散与反应问题在化工和医药中是经常遇到的，例如硝基芳烃、脂肪腈、烯烃和炔烃的液相催化加氢反应、烷基化反应、羰基化反应、氧化反应等。其共同特点是反应速率受气/液传质的控制，而气/液传质涉及到气体分散、气体循环、以及固体催化剂悬浮等过程，问题变得比较复杂。

    由于气液的不相容性，且密度差别非常大，气液反应器中未反应的气体聚积在反应器内的上部空间，严重影响反应速率和效率。同时，固体催化剂悬浮的不均匀也约束了反应的速率。为提高反应速率，工业上一般采用气体外循环、液体外循环和气体内循环三种方式。

·A 气体外循环是将反应气体从气相空间引出，气体通过压缩机增压后再从反应器底部通入，在搅拌器的配合下，可得到较大的持气量和相接触面积，从而提高反应速率，其优点是可得到任意的气体循环量，缺点是需要大量的氢气循环设备，增加了装置的复杂性和资金投入；

·B 液体外循环是用离心泵将反应液体从反应器底部抽出，通过文丘里管抽吸反应器气相空间内的反应气体，在一文丘里管内充分混合与分散，可得到十分细小的气泡，大幅度提高气液相接触面积和反应速率。液体外循环式的优点是反应速率快，可连续生产，传热方便等，缺点是能耗大，对循环泵的要求十分苛刻；

·C 气液内循环反应器即自吸式气液反应器，它是原正公司开发的气/液反应装置的核心技术之一，是一种不用额外的气体输送机械而能自行吸入反应器上部空间气体进行气液接触的反应装置，通过特殊设计的空心涡轮搅拌器在料液混合的同时不断吸入液面上的反应气体，达到气液循环与分散目的，同时，组合使用的轴流桨能将气体与固体催化剂均匀地弥散在反应器内，达到快速反应的目的。

技术历程

2002年	设计了*套液相催化加氢装置，用于苯佐卡因的生产，反应速率比原国外同规格装置提高了近三倍；
2003年	“自吸式气液搅拌装置”获国家（号200320109378.2），并通过了浙江省科技厅组织的鉴定，技术属国内；
2005年	开发成功了第二代气液搅拌反应装置，产品在稳定性、使用寿命、气/液传质效率等方面得到了进一步的改善；
2007年	从单一的气/液搅拌设备发展到系统的气/液反应装置，为您提供专业的工艺设计、配套设备和控制系统，使您的工程放大风险降至zui低；
2008年	建立了一套气/液反应模试装置，可对气/液反应进行动力学和热力学研究并对小试工艺进行验证，为工程放大提供重要保证。

工艺流程

液相催化加氢的工艺流程一般包括氢化反应系统、催化剂过滤系统和其他氢源、取样、冷却、产品精制等配套系统，不同工艺需要不同工艺流程和设备。反应系统一般设计成间歇生产，特殊要求时也可设计成连续生产。

工艺流程简图之一

关键设备

    氢化装置的核心设备是自吸式气液反应器（号200320109378.2），它是容器和搅拌装置组成。容器有特殊的高径比规定，并设置盘管和夹套，以满足物料的预热和反应撤热的要求，反应器内还设置改善流场的附件，防止混合死区，提高换热能力。各种结构需要合理组合，并通过CFD优化。

    搅拌装置由驱动机构、空心轴、轴封、自吸式叶轮和轴流桨组成。高速运行的自吸式空心叶轮能使大量液体在叶轮内外进行循环，根据文丘里喷射原理，液面上的气体通过空心搅拌轴被高速运动的液体夹带后从叶轮排出，这样，气体在反应器内不断被吸入至深层液相，并被搅拌分散，周而复始，形成均匀的气液混合体系。实现气液接触，强化气液传质过程，缩短气液反应时间。底层轴流桨的功能是将催化剂均匀悬浮，并将从自吸式叶轮喷出的气体均匀地弥散在反应器内，包括反应器的底部。

    由于氢化反应为强放热反应，反应热需用冷却水通过内置的盘管和外置的夹套移走，根据反应热、反应温度和反应速率的不同，可设计成不同的冷却介质、冷却流程和不同的冷却面积，工业化装置中反应器内盘管可多层设置，冷却面积可达8~12m2/m3，特殊传热要求时可外置换热器。

    氢化反应一般为中高压反应，直接取样十分危险，原正公司设计的工艺流程包含了安全带压取样系统，可以帮您安全、便捷地取得不含催化剂的样品。

催化剂一般为一次加入，特殊工艺要求是我们可以设计催化剂带压补加系统，可以在反应过程中安全地补加催化剂；

    催化剂的过滤同样非常重要，不同类型的催化剂需要不同的过滤系统，例如釜内沉降法、釜外沉降法、微孔过滤法、压滤法等，部分过滤系统中还需要配置安全过滤器和催化剂失活系统。

	气泡分散状态
反应器结构示意图	准备出厂的反应器

工艺放大与工艺保证

您的实验室产品已经完成了，可如何进行工程放大以实现工业化生产的目标？这个问题困扰了许多工程师，因为工业上很难达到实验室尺度的动量传递、质量传递和热量传递，盲目放大很可能只是在冒险。那么，就将问题交给我们，我们的工程师具有丰富的经验、出色的能力和先进的实验手段，可以根据需要为您提供：

·  工程放大计算和工艺流程设计； 

·  搅拌反应器和配套设备设计； 

·  催化剂过滤系统设计； 

·  根据需要提供配套PLC或DCS控制系统； 

·  提供完整的气/液反应装置； 

·  需要时可在我们的实验室里进行工艺验证。

实验室简介

实验室于2008年初建成并投入使用，坐落在杭州近郊的杭州原正化学工程技术装备有限公司机械厂内，建筑面积达160m2。实验室拥有一支高水平的专家队伍，现有工程师2人，中级工程师1人，硕士2人。本实验室的建立可为客户提供各种不同的气液反应研究，并使公司的科研水平有了很大的提升。

模试装置简介

为保证工程放大的一次成功性，根据我们多年的工业化经验设计建造了一套价值近百万元的气液反应（主要用于液相催化加氢）模试装置系统。

模试系统设计压力6.4Mpa、温度300℃，搅拌系统采用原正公司的产品自吸式搅拌器，实验中通过在线采样及氢气质量流量计瞬时流量值的变化可得到反应动力学数据；冷却水管路上的流量和温度测量仪表可得到反应热力学数据。

通过本模试装置系统可有效地解决诸如以下的一系列问题：

·工业放大后反应时间到底是多少？

·间反应热和传热能力如何计算？

·催化剂用量需要按小试比例投加吗？

·采用何种过滤设备更有效？

模试装置示意图

    科研成果

已完成科研项目

·法尼基丙酮加氢制植物酮

客户原工业化8000L釜反应时间为14h，1L釜小试时间为8h，采用自吸式搅拌后，各项指标达到客户要求的前提下，在我们20L釜内的反应时间仅为3.5h，实验取得了成功

论文成果

·基于自吸式搅拌的液相催化加氢模试系统设计，2008

·液相催化加氢中催化剂的分离方法，2008

成果

·自吸式气液搅拌装置，号：200320109378.2，2004

安全保证

    催化加氢的安全风险来源于其反应及装置本身，包括：

·  易燃易爆的氢气及溶剂； 

·  高活性催化剂的加料和过滤； 

·  中高压操作； 

·  强大的反应热导致温度的可控性降低； 

·  含催化剂的物料从进气管返回氢气管道和系统，埋下隐患； 

·  带压取样的安全性。

    这些问题在您的实验室里或许不那么严重，但经过数千倍甚至数万倍的工业放大后，每个细小的问题都需要十分关注，我们的装置可以为您提供安全保证：

·  如果我们还没有掌握反应的特性，那么可以通过20L的试验装置验证反应速率及反应热，并以此为依据进行工业装置的计算与放大； 

·  通过传热计算确定的充足的换热面积，高传热能力使反应变得可控； 

·  精心设计的取样装置，保证您取样工作的安全； 

·  强大的氢气内循环功能，使反应器底部进气的优势不再存在，采用顶部进气就不再担心液体物料的倒流引起的危险； 

·  当采用上出料方式时，为消除出料管内的混合死区，一部分氢气通过出料管进入反应器底部，另一部分氢气仍进入反应器顶部，同样可防止物料的液体倒流； 

·  催化剂一般为一次加入，特殊需要时可在反应过程中安全地补加催化剂； 

·  不同类别的催化剂采用不同的过滤回收方式；

主要业绩

    从2002年到2008年，原正公司已在国内设计建造了100多套气/液反应装置或气/液反应器，主反应器容积从0.3m3到20m3，反应压力从常压到10.0MPa，反应温度从低温到300℃，主要包括：

硝基化合物氢化还原 ·  对氨基苯甲酸  ·  对氨基甲苯  ·  间氨基甲苯  ·  邻氨基苯甲醚  ·  邻氨基对叔丁基苯酚  ·  对氨基酚（PAP）  ·  4,4'-二氨基二苯基甲烷（DDM） ·  H酸 ·  间位酯 ·  邻氨基苯酚 脂肪氰加氢 ·  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 ·  甲基环戊二烯三羰基锰（MMT） 氮烷基化 ·  异丙甲草胺  ·  苯佐卡因  ·  盐酸普鲁卡因 硅烷基化 ·  乙烯基单封头 其它不饱和键加氢 ·  3,3'-二氯联苯胺（DCB）  ·  天然VE转型  ·  芳樟醇   ·  糖醇生产  ·  β-酸氢化 ·  阿奇霉素   ·  2-甲氧基四氢呋喃 ·  对羟基苯丁酮（覆盘子酮）