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    化工过程强化系列9:常规反应釜的气液强化改进

    从前几期我们介绍的气液接触强化技术来看,诸如喷射式反应器或者超重力反应器虽然能够很高效的进行气液接触,但是在很多方面局限性很大,因此这两种技术的推广目前来看并不顺利。就拿喷射式反应器来说,第一台引入国内的喷射式反应器是一个以环氧乙烷为介质的烷氧基化反应,距今已经有接近30年的历史了。但是直到今天,人们谈到喷射式反应器第一个反应都是这还是一种“新”技术,可见其推广之慢。

    一方面来看化工厂本身对与这些新设备的接受都比较慢,从工厂角度出发,他们更加优先选择从工艺与合成路线上进行技改,一般不轻易动设备,对新设备的接受程度有限。另一方面从设备生产单位来看,确实有些技术问题我们的制造业解决不好。这两方面都导致了气液过程强化技术推广比较缓慢。那么从企业立场来看,如果生产中确实有一个反应存在气液接触不良的问题,同时企业自身比较保守或者在技术上能力有限,无法支撑超重力反应器与喷射式反应器的技术开发,有没有一个折中的方案呢?

    这样的方案当然是存在的,我们谈到气液接触过程的时候我们就谈到很多气液反应本征反应速率实际上不高。因此对于很多气液过程,我们没有必要追求特别高的气液强化效果。因此在这里就有了一个思路,那就是我们可以退而求其次地牺牲一部分气液强化效果,但是尽可能不改变装置结构,这样一来就可以以最小的改动达到提高生产效率的目的。同样的道理,对于气液反应的换热问题我们也可以采用类似的解决方案。

    一个比较简便的解决方案就是,我们直接就对搅拌釜进行一系列改进与设计,这样一来整体工艺的大流程可以不动,但是又能确实提高生产能力。这个改进分为两部分:

    首先,是气液接触过程的强化。我们可以通过对搅拌桨以及导流件的合理设计增加气液接触效率。其最核心的技术就是将普通搅拌桨换成自吸式搅拌设备。这里我简单的介绍一下自吸搅拌桨的结构。所谓自吸式搅拌就是将搅拌轴做成中空结构,同时在搅拌轴上端开有吸气孔。当搅拌桨转动的时候,由于流体力学的原理叶片处的压力会低于搅拌轴上端气孔处的压力,这样一来就可以通过中空的搅拌桨将气体吸入。搅拌桨上设有排气口,吸入的气体从排气口排出形成气泡,再由搅拌器的搅拌直接打碎气泡,这样一来也能取得较高的传质效果。这一套改进,无需使用回路循环这样的制造要求非常高的机械,只要对搅拌桨进行改造就可以实现。其他工艺操作与普通搅拌流程没有差别。作为工艺技改,这样的搅拌设备往往容易被企业接受。

    分析图 

    经过这样的改造即使是普通的反应釜也能具有喷射式反应器的部分特点:首先,因为搅拌过程本身就是自吸的,整个反应在封闭体系中就可以进行,无需设置气体排出口,避免了鼓泡反应废气夹带溶剂的问题。此外自吸搅拌器的气液传质效果也并非那么难看,可以达到普通搅拌的1.5-2倍,喷射反应器的1/3~1/5。而这个搅拌效率可以满足相当一部分气液反应的技改需要。

    当然自吸搅拌也有一定局限,主要是耐腐蚀方面,由于搅拌轴是中空的,不可避免的轴内部会与物料接触,而且非常不巧的是轴内部不容易做防腐,搪瓷之类的更是困难。所以,腐蚀性强的物料做自吸搅拌困难较大。

    同时对于搅拌釜内的传热也有改善办法,普通反应釜最主要的问题就是传热面积不足,作为解决方案最简单的方法就是在反应釜内加蛇管,蛇管本身就是一个静密封部件,耐压水平可以做到很高控制蛇管管径就可以得到较大的比表面积。这种方法化工当中已经用的非常普遍了,现在的换热管还可以加螺纹和波节,进一步增大换热系数。除此之外,还可以在反应釜内加板式换热器,这种换热器结构简单,就是两块钢板,冲压形成一定凹凸的形状,再通过激光点焊在一起,加工非常方便,成本低廉,由于换热板本身形状特点,也可以提高换热系数。另外就是换热板位置放的好可以当导流板使用,进一步提高搅拌釜内的混合效果。

    实物图 

    所以说气液过程强化,土豪有土豪的做法,平民有平民的门路。作为生产单位面对气液强化方面的问题,如果没有能力采用喷射反应器以及超重力反应器等技术,那么可以完全可以尝试这样比较保守的疗法。

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