原正攪拌的經(jīng)典案例--聚合攪拌

年產(chǎn)3000t鄰氨基苯甲醚加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)

1. 反應(yīng)原理及其對反應(yīng)器設(shè)計(jì)的要求

鄰氨基苯甲醚是一種重要的染料和醫(yī)藥中間體，用于生產(chǎn)偶氮染料、冰染染料、色酚AS-OL等染料以及愈創(chuàng)木酚、安痢平等藥物，還可制取香蘭素等產(chǎn)品。

鄰硝基苯甲醚和氫氣以甲醇作溶劑在Raney-Ni催化劑、溫度150度、壓力2.5MPa下進(jìn)行催化加氫反應(yīng)，其反應(yīng)方程式如下：

 

本反應(yīng)采取半連續(xù)操作方式，即一次性加入溶劑甲醇、Raney-Ni催化劑和鄰硝基苯甲醚，反應(yīng)過程中連續(xù)加入氫氣。

該反應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

（1）反應(yīng)是非均相。反應(yīng)物須克服氣液界面和液固界面兩種主要擴(kuò)散阻力才能進(jìn)行反應(yīng)。氣液界面阻力與氣液兩相界面的湍動程度及氣液兩相接觸比表面有關(guān)，液固界面的傳質(zhì)阻力依賴液相中的湍流強(qiáng)度及催化劑在液相中的分散程度。因此，對這種反應(yīng)器要求是，氣液兩相接觸面積大、液體有足夠的湍流強(qiáng)度、固體催化劑能夠很好的分散。

（2）反應(yīng)速度快，且大量放熱。鄰硝基苯甲醚的氫化反應(yīng)熱為130Kacl/mol，如此大的反應(yīng)熱若不及時(shí)移除，會使反應(yīng)溫度迅速上升，引起副反應(yīng)甚至發(fā)生爆炸事故，所以反應(yīng)器的換熱設(shè)計(jì)也很重要。

2. 基于自吸式攪拌器的新型反應(yīng)器設(shè)計(jì)

首先在投料量為1m3自吸式反應(yīng)釜中進(jìn)行中試研究，中試反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，中試結(jié)果符合生產(chǎn)要求，接著進(jìn)行年產(chǎn)3000t鄰氨基苯甲醚工業(yè)放大。

2.1 反應(yīng)器容積

根據(jù)年產(chǎn)3000t鄰氨基苯甲醚的要求，經(jīng)核算反應(yīng)每批投料量為4.2m3，反應(yīng)器按中試釜按幾何相似放大，直徑1800mm，直邊高度1800mm。

2.2 換熱面積確定

按照中試換熱面積等比例放大，4.2m3反應(yīng)器中的換熱面積至少應(yīng)為42m2才能保證換熱要求。原中試釜中盤管布置一層，如果放大釜仍按一層布置，其換熱面積就達(dá)不到傳熱要求，換熱問題成了放大的瓶頸。因此，需要對盤管進(jìn)行改進(jìn)，zui后確定在釜內(nèi)布置三層盤管，經(jīng)核算釜內(nèi)換熱面積達(dá)50m2，滿足工藝要求。

2.3 攪拌器設(shè)計(jì)

對于氣液固體三相反應(yīng)體系，進(jìn)行放大時(shí)，既要滿足氣液混合的放大準(zhǔn)則，又要滿足液固混合的放大準(zhǔn)則，因?yàn)闅怏w和固體都要求均勻分散在液體中，所以首先采用氣液混合和液固混合的放大準(zhǔn)則進(jìn)行各自放大，當(dāng)調(diào)整攪拌器直徑、轉(zhuǎn)速等使得兩個(gè)準(zhǔn)則同時(shí)滿足時(shí)，認(rèn)為放大是合適的。在自吸式攪拌器中，針對氣液傳質(zhì)過程，影響氣液傳質(zhì)速率的一個(gè)重要參數(shù)是液相總傳質(zhì)系數(shù)kLa，kLa越大氣液傳質(zhì)速率越快，反應(yīng)時(shí)間越短，因此可以選擇kLa作為氣液傳質(zhì)的放大準(zhǔn)則。

放大前后反應(yīng)器比較：中試結(jié)果和放大結(jié)果對照見下表。放大后的自吸式反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間與中試結(jié)果相比略有增加，產(chǎn)品質(zhì)量合格，基本符合生產(chǎn)要求。

放大后自吸式攪拌器出廠前試車效果圖

放大前后反應(yīng)器比較
項(xiàng)目	中試自吸式反應(yīng)器	放大后自吸式反應(yīng)器
投料量Vr，m3	1	4.2
筒體直徑T，mm	1100	1800
總換熱面積S，m2	10	50
電機(jī)功率P，Kw	4	15
反應(yīng)時(shí)間t，h	3.5	4.0
產(chǎn)品質(zhì)量	合格	合格

3，4，5－*氧基甲苯加氫反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)

3，4，5－*氧基甲苯是醫(yī)藥工業(yè)的重要中間體，由3，4，5－*氧基苯甲醛在Pd/C催化劑下經(jīng)催化加氫制得，反應(yīng)方程式如下：

 

本反應(yīng)采取半連續(xù)操作方式，即一次性加入原料、溶劑和催化劑，反應(yīng)過程中連續(xù)通入氫氣。

此項(xiàng)目為一改造項(xiàng)目，改造前客戶采用的是山東某廠家生產(chǎn)的低轉(zhuǎn)速自吸式攪拌器，使用中發(fā)現(xiàn)，由于采用磁力密封和攪拌器設(shè)計(jì)等因素其攪拌運(yùn)行轉(zhuǎn)速只能達(dá)到100多轉(zhuǎn)，如此低的運(yùn)行轉(zhuǎn)速還沒有越過自吸式攪拌器的臨界吸氣轉(zhuǎn)速，自吸式葉輪基本不具吸氣功能，攪拌不能使氫氣在釜內(nèi)進(jìn)行良好的分散，反應(yīng)時(shí)間長。

客戶找到我公司后，希望我公司能在他原先釜不動的前提下對其攪拌系統(tǒng)進(jìn)行改造，以適應(yīng)生產(chǎn)需要。根據(jù)客戶描述是因?yàn)槲鼩饬坎粔虿艑?dǎo)致反應(yīng)時(shí)間的延長，所以我公司選用自吸式攪拌器（號：CN200320109378.2）系列中的高吸氣量的自吸式葉輪對其舊釜進(jìn)行改造，這種自吸式攪拌器采用高速一體化機(jī)械密封，在工業(yè)反應(yīng)釜上運(yùn)行速度可以達(dá)到500多轉(zhuǎn)，因此具有優(yōu)良的吸氣效果?？蛻羰褂梦覀兊臄嚢杵骱蟀l(fā)現(xiàn)反應(yīng)時(shí)間不但沒有減少反而延長了不少，經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn)并與客戶方一起討論后我們覺得問題是出在這個(gè)反應(yīng)是一個(gè)串聯(lián)反應(yīng)，會有中間產(chǎn)物*氧基苯甲醇的生成，存在兩步反應(yīng)間的相互平衡問題。反應(yīng)過程中間取樣檢測后發(fā)現(xiàn)*氧基苯甲醛能夠很快轉(zhuǎn)化成中間產(chǎn)物*氧基苯甲醇，而從*氧基苯甲醇進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)物*氧基甲苯卻很緩慢，即說明*步反應(yīng)過快會不利于第二步反應(yīng)，這是導(dǎo)致用高吸氣量自吸式攪拌器后反應(yīng)時(shí)間反而比低轉(zhuǎn)速自吸式攪拌器延長的主要原因。

發(fā)現(xiàn)原因后，我們提出應(yīng)該把*步反應(yīng)控制在合適的速度，即減緩醇的生成速度以使得生成的醇中間產(chǎn)物能及時(shí)轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)物，根據(jù)此指導(dǎo)思想我們把原攪拌系統(tǒng)的葉輪換成中等吸氣量的葉輪，反應(yīng)時(shí)間和原有相比明顯縮短，且收率提高了3～4個(gè)百分點(diǎn)，改造取得了成功。

環(huán)氧樹脂整套工藝反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大

在原正十年的工程經(jīng)驗(yàn)中，從3立方反應(yīng)器逐步放大到50立方，逐漸掌握了大多數(shù)環(huán)氧品種的工程數(shù)據(jù)，建立了數(shù)據(jù)庫，掌握了相應(yīng)的放大準(zhǔn)則。

基于對放大準(zhǔn)則的把握，以下是重點(diǎn)考慮的：

（1）需要懸浮程度相同；

（2）需要滴加下來的液體迅速分散到體系中的程度相同；

（3）滴加的液滴進(jìn)行水油兩相分散程度相同；

工業(yè)上不是每一項(xiàng)都追求相等，實(shí)際上也是不可能做到都相等，在大量研究的基礎(chǔ)上得到某些基本的放大規(guī)律，要求某些值大于一定值即可。

尤其是對于反應(yīng)釜，發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，放大更為復(fù)雜，除了滿足混合條件的放大要求外，還需滿足反應(yīng)的放大要求，即阿侖尼烏斯方程：。

根據(jù)原正設(shè)計(jì)與放大的環(huán)氧樹脂，堿消耗量、環(huán)氧當(dāng)量、老化樹脂含量、能耗等多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)超過引進(jìn)裝置。

某公司的環(huán)氧樹脂裝置（圖中所有攪拌器均由我公司提供）