6 过程强化与设备微型化

绿色过程工程GreenProcessEngineering1绪论2绿色过程工程与可持续发展3绿色过程工程基础4过程工程绿色化模式5过程工程生态学6过程强化与设备微型化7过程系统工程6过程强化与设备微型化传统化工企业的形象是高耸塔群连绵不断、刺耳噪音昼夜延展、难闻气味迎面扑鼻、粉尘液滴四处乱溅。提高自动化程度后的新型石油化工企业有很大改变，但仍未根本改观。从化工建设投资来看，用于大型设备、土建工程和管网设施的资金，一般占总投资的80%左右，如果设备微型化，流程密集化，生产过程精细化，就能重组化工生产。6过程强化与设备微型化1995年召开的第一次化工过程强化国际会议上,C.Ramshaw首先提出化工过程强化是指在生产能力不变的情况下，能够显著减小化工厂体积的措施。A.I.Stankiewicz和J.A.Moulign则认为，给定设备的体积减小2倍以上、每吨产品能耗降低、废物或副产物大量减少都可以看作是过程强化。6过程强化与设备微型化化工过程强化是指在生产和加工过程中运用新技术和新设备，极大地减小设备体积或者极大地增大设备生产能力，显著地提高能量效率，大量地减少废物排放。一句话，高效、节能、清洁、可持续发展的新技术都是过程强化。6过程强化与设备微型化6.1过程强化设备6.2过程强化技术6.3过程强化实例6.4设备微型化6过程强化与设备微型化6.1过程强化设备6.2过程强化技术6.3过程强化实例6.4设备微型化6过程强化与设备微型化6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器6.1.2超重力反应器6.1.3串式化学反应器6.1.4提升管-下行床耦合反应器6.1.5光催化反应器6.1.6膜反应器6.1.7色谱反应器6.1.8热交换器式反应器6.1.9喷雾流化床造粒器6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器6.1.2超重力反应器6.1.3串式化学反应器6.1.4提升管-下行床耦合反应器6.1.5光催化反应器6.1.6膜反应器6.1.7色谱反应器6.1.8热交换器式反应器6.1.9喷雾流化床造粒器6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器构件催化反应器是指采用在反应器尺寸规模上具有规则结构的催化剂的反应器。固定床催化反应器中，固体催化剂是以颗粒的形式随机堆积在反应器内。构件催化反应器可以分为整块蜂窝构件催化反应器、膜构件催化反应器和规整构件催化反应器三类。6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器整块蜂窝构件催化反应器是采用整块蜂窝构件催化剂的反应器。整块蜂窝构件催化剂具有许多相互隔离的、平行的直孔，与蜂窝的结构类似，起催化作用的物质均匀地分布在孔道的内表面。整块蜂窝构件催化反应器与固定床催化反应器相比，流动阻力小，反应速度快，气体和液体在整个反应器内分布均匀，不会产生局部过热等问题。使用整块蜂窝构件催化反应器可以使设备体积大大减小。6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器整块蜂窝构件催化反应器被用作汽车尾气、火力发电厂尾气和工业排放废气的净化器。因为不论是汽车尾气、火力发电厂尾气，还是工业废气，它们的排放压力一般都比较低，只有使用流动阻力很小的设备，才能在净化尾气的同时，不增加燃料和动力的消耗，在经济上具有竞争力。并且，火力发电厂尾气中一般含有固体粉尘，使用其他净化设备容易引起堵塞，增加维护费用。6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器膜构件催化反应器是采用膜构件催化剂的反应器。如果整块蜂窝构件催化剂的孔道壁上具有许多微小的孔道，允许一种或几种反应物料穿过孔道壁，则它被称为膜构件催化剂。这种允许一种或几种物质穿过的特性，称为膜构件的透过选择性。膜构件催化反应器的特点是利用膜构件的透过选择性，在一个反应器内同时实现化学反应和分离操作，这就是反应-分离耦合。6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器也可以利用膜构件的这一特性，在一个反应器中膜的两侧同时进行吸热和放热反应，用放热反应放出热量供给吸热反应，同时将一个反应的产物作为另一个反应的反应物，这就是反应-反应耦合。膜构件催化反应器的最初应用是海水脱盐生产淡水。逐步扩展到生物技术、环境保护、天然气和石油的开采与加工、化工生产等领域。膜构件催化反应器主要缺点是造价高、膜的透过量小、容易碎裂等。6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器规整构件催化反应器是采用规整构件催化剂的反应器。将颗粒状催化剂安排成各种各样规则的几何形状，就得到规整构件催化剂。在这类反应器中，催化剂颗粒被规则地装填在一个个开有许多孔的笼子内，或者将催化剂装填成串，然后合并在一起，以方便气体和液体反应物与催化剂接触。6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器规整构件催化反应器具有比传统固定床小得多的流动阻力，又具有很好的热量和物质交换能力，可以克服整块蜂窝构件催化反应器取热不便的缺点。但是，由于气体在笼子内部移动比较慢，这类反应器比较适合反应速度比较慢的反应。目前，笼式规整构件催化反应器己经成功地应用于重油馏分加氢脱除硫化物和氨化物的工业生产中。串式规整构件催化反应器则在醚化和酯化反应中获得了工业应用。6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器6.1.2超重力反应器6.1.3串式化学反应器6.1.4提升管-下行床耦合反应器6.1.5光催化反应器6.1.6膜反应器6.1.7色谱反应器6.1.8热交换器式反应器6.1.9喷雾流化床造粒器6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器6.1.2超重力反应器6.1.3串式化学反应器6.1.4提升管-下行床耦合反应器6.1.5光催化反应器6.1.6膜反应器6.1.7色谱反应器6.1.8热交换器式反应器6.1.9喷雾流化床造粒器6.1过程强化设备6.1.2超重力反应器超重力反应器是利用旋转产生的强大离心力来加快反应速度的设备。在高速旋转的设备中，由旋转产生的离心力可高达重力的1000倍以上。在强大离心力驱动下，物料的混合、传质将得到极大的强化，从而显著地加快那些受物料混合、传质速度限制的化学反应。6.1过程强化设备6.1.2超重力反应器美国Dow化学公司利用旋转填充床开发了一种经济的、低氯化物含量的次氯酸生产新技术，在气体进料量降低50%的情况下，还能增加10%的产量。所生产的低氯化物含量次氯酸是一种更好的自来水消毒剂，而采用传统方法无法获得这种低氯化物含量的产品。6.1过程强化设备6.1.2超重力反应器北京化工大学开发成功超重力反应沉淀法合成纳米材料，实现分子尺度上控制化学反应和成核结晶过程，得到粒度分布均匀的纳米材料。首条3000t/a15～30nm的碳酸钙工业生产线已在广东广平化工有限公司、内蒙古蒙西高新技术材料公司建成。纳米氢氧化铝、纳米碳酸钡、纳米碳酸锂、纳米碳酸锶的超重力反应合成技术亦已研究成功。还开发成功油田水脱气的旋转填充床，使原来30m高的真空脱气塔缩小成直径约lm的旋转填充床。6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器6.1.2超重力反应器6.1.3串式化学反应器6.1.4提升管-下行床耦合反应器6.1.5光催化反应器6.1.6膜反应器6.1.7色谱反应器6.1.8热交换器式反应器6.1.9喷雾流化床造粒器6.1过程强化设备6.1.3串式化学反应器固定床反应器是化学工业最常用的反应器之一，然而，对于许多气-固反应过程，压降的大小可能成为操作成本的决定性因素，如烟道气的处理在经济上可容许的压降只有1～2kPa，传统的固定床反应器很难适用，开发通量大、压降小的新型固定床反应器势在必行。6.1过程强化设备6.1.3串式化学反应器串式化学反应器正是这样一种新型的固定床反应器，其结构如图6-1所示，与传统固定床反应器的区别主要在于催化剂的装填方式。图6-1串式化学反应器结构示意图6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器6.1.2超重力反应器6.1.3串式化学反应器6.1.4提升管-下行床耦合反应器6.1.5光催化反应器6.1.6膜反应器6.1.7色谱反应器6.1.8热交换器式反应器6.1.9喷雾流化床造粒器6.1过程强化设备6.1.4提升管-下行床耦合反应器清华大学流态化研究组开发了提升管-下行床耦合反应器，如图6-2所示。装置分为提升管与下行床两部分，为了实现提升管与下行床的良好过渡，装置的上段设计成双套筒结构，套筒的环隙为提升管，中心管为下行床，环隙提升管与下行床顶部的连接部分为特殊设计的折返结构，主提升管与下行床内径均为192mm，为了保证流动的平稳性，环隙提升管部分设计成具有与主提升管、下行床基本相同的横截面积。321空气4567辅助空气主进空气1-主提升管2-环隙提升管3-下行床4-快速分离装置5-分布器6-固体通量计7-伴床6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器6.1.2超重力反应器6.1.3串式化学反应器6.1.4提升管-下行床耦合反应器6.1.5光催化反应器6.1.6膜反应器6.1.7色谱反应器6.1.8热交换器式反应器6.1.9喷雾流化床造粒器6.1过程强化设备6.1.5光催化反应器对于各种含难降解有机污染物的废水，尤其是各种工业废水，大多采用生化、化学等方法来处理。目前利用TiO2作为光催化剂催化降解有机污染物已逐渐由实验阶段的研究转向实际应用的研究，但距大规模工业化尚远，如果研制开发出可连续使用的高效光催化反应器，对于处理大量的含难降解物废水必将有广泛而诱人的前景。6.1过程强化设备6.1.5光催化反应器图6-3固定床光导纤维反应器示意图1234561-紫外灯2-石英透镜3-未包覆的石英纤维4-纤维分布板5-二氧化钛包覆纤维6-石英反应器6.1过程强化设备6.1.5光催化反应器图6-4多重石英管反应器示意图1234561-光源2-反射镜3-透镜4-二氧化钛包覆的中空石英管5-出口6-入口6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器6.1.2超重力反应器6.1.3串式化学反应器6.1.4提升管-下行床耦合反应器6.1.5光催化反应器6.1.6膜反应器6.1.7色谱反应器6.1.8热交换器式反应器6.1.9喷雾流化床造粒器6.1过程强化设备6.1.6膜反应器将化学反应与膜分离耦合起来的一种反应设备即膜反应器，是一种新型多功能反应器，主要有两种类型：一种是产物分离型，一种是反应物分配型。产物分离型膜反应器用于受平衡限制的可逆反应和中间产物为目的产物的连串反应，前者由于产物的不断分离，打破了平衡的限制，可使反应的单程转化率大幅度提高，后者因中间产物的及时移走，防止了它的进一步转化，可大大提高目的产物的收率。6.1过程强化设备6.1.6膜反应器反应物分配型膜反应器主要用于受动力学限制的平行反应，如烃类部分氧化反应。烃类部分氧化反应常伴有完全氧化反应，而后者对进料中的氧气浓度更加敏感,因此维持较低的氧气分压可以获得较高的产品收率。反应物分配型膜反应器的催化剂装填在内外管间的环形区，烃类由环形区的顶部加入，氧气由内管经膜沿径向进入反应区，由于氧气能始终维持较低的局部分压，故产品选择性与固定床反应器相比大幅度提高。6.1过程强化设备6.1.1构件催化反应器6.1.2超重力反应器6.1.3串式化学反应器6.1.4提升管-下行床耦合反应器6.1.5光催化反应器6.1.6膜反应器6.1.7色谱反应器6.1.8热交换器式反应器6.1.9喷雾流化床造粒器6.1过程强化设备6.1.7色谱反应器将化学反应与色谱分离耦合可以构成所谓的色谱反应器。色谱反应器的床层材料可以是催化剂与色谱固定相的混合物，也可以是兼有催化性能和吸附性能的树脂。由于反应物与产物在吸附剂上的吸附能力不同，在反应的同时，反应产物不断被分离出来，因而不仅可以得到高纯度的产品，而且可以打破化学平衡的限制，使得具有较小平衡转化率的反应也能获得较高的转化率。色谱反应器根据反应器型式和操作方式不同，可以分为固定床色谱反应器、移动床色谱反应器和模拟移动床色谱反应器。6.1过程强化设备6.1.7色谱反应器在模拟移动床色谱反应器中，Kruglov等对甲烷氧化耦合反应进行了研究，C2收率达55%，而传统的操作方式，C2收率只能达到20～25%，Kawase等研究了乙酸和苯乙醇的酯化反应，转化率大于99%，而该反应的