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(duì)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(guò)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(dòng)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(duì)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(huì)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(pán)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(wèn)題成了放大的瓶頸。因此，需要對(duì)盤(pán)管進(jìn)行改進(jìn)，zui后確定在釜內(nèi)布置三層盤(pán)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(duì)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(duì)氣液傳質(zhì)過(guò)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(duì)照見(jiàn)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(guò)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(méi)有越過(guò)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(zhǎng)。

客戶找到我公司后，希望我公司能在他原先釜不動(dòng)的前提下對(duì)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(zhǎng)，所以我公司選用自吸式攪拌器（號(hào)：CN200320109378.2）系列中的高吸氣量的自吸式葉輪對(duì)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(méi)有減少反而延長(zhǎng)了不少，經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)并與客戶方一起討論后我們覺(jué)得問(wèn)題是出在這個(gè)反應(yīng)是一個(gè)串聯(lián)反應(yīng)，會(huì)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(wèn)題。反應(yīng)過(guò)程中間取樣檢測(cè)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(shuō)明*步反應(yīng)過(guò)快會(huì)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(zhǎng)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(shù)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(kù)，掌握了相應(yīng)的放大準(zhǔn)則。

基于對(duì)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(lái)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(duì)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(shù)脂，堿消耗量、環(huán)氧當(dāng)量、老化樹(shù)脂含量、能耗等多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)超過(guò)引進(jìn)裝置。

某公司的環(huán)氧樹(shù)脂裝置（圖中所有攪拌器均由我公司提供）