从实验室到工业装置氢化加氢釜的转化
超重力技术进展——从实验室到工业化
第57卷第8期化工学报VOl.57NO.82006年8月JOur nal Of Che mical Industr y and En g i neeri n g Chi na Au g ust 2006综述与专论超重力技术进展!!!从实验室到工业化邹海魁!邵磊!陈建峰北京化工大学教育部超重力工程研究中心 北京100029摘要 超重力 旋转床 技术是一种能够极大强化传递和分子混合过程的突破性过程强化新技术 本文对超重力技术的基础研究 在反应与分离过程强化 纳米材料制备方面的应用研究以及工业化应用的最新进展情况进行了综述 重点介绍了本中心的研究成果.关键词"超重力旋转床技术 过程强化 反应 分离中图分类号"TK 124文献标识码"A文章编号"0438-1157 2006 08-1810-07Pr o 9r ess o f hi 9ee t echn o I o 9y !f r o m I abor at or yt o co mmer c i aI i zati onZOU Hai kui #SHAO Le i #CHEN Ji anf en 9Researc h C enter f or ~i g h G raUit $En g ineerin g and T ec hnolo g$ M inist r $o f Educ ation Bei j in gUniUersit $o f Che m ic al T ec hnolo g$ Bei j in g 100029 ChinaAbstr act ~i g ee t echnOl O gy carri ed Out i n a r Ot ati n g p acked bed i s a nOvel t echnOl O gy f Or p r Ocess i nt ensifi cati On Whi ch can tre m endOusl y i nt ensif y m ass and heat transf er and m i cr O m i xi n g p r Ocesses .Thi s p a p er revi e Ws t he st at e-Of-t he-art hi g ee t echnOl O gy i n f unda m ent al research a pp li cati Ons i n reacti On and se p arati On en g i neeri n g nanO-m at eri al s s y nt heses as Well as its cO mm erci ali zati On .The WOr k i n t he Research Cent er f Or ~i g h G ravit y En g i neeri n g and T echnOl O gy i s hi g hli g ht ed .Ke y Wor ds "hi g ee t echnOl O gy p r Ocess i nt ensifi cati On reacti On se p arati On2006-02-22收到初稿 2006-05-08收到修改稿.联系人"陈建峰.第一作者"邹海魁 1973 男 博士 副研究员.基金项目"国家自然科学杰出青年基金项目 20325621国家自然科学基金重点项目 20236020 国家重点基础研究发展计划项目 2004CB217804 .引言自1995年举行首次化工过程强化的国际会议以来 以节能 降耗 环保 集约化为目标的化工过程强化就受到研究者的广泛关注 化工过程强化已经被列为当前化学工程优先发展的领域之一.超重力技术则是过程强化技术中最先受到人们关注的几项关键技术之一 1-2.所谓超重力指的是在比地球重力加速度大得多的环境下 物质所受到的力 包括引力或排斥力 .在地球上 实现超重力环境的最简便方法是通过旋转产生离心力而实现 即通过旋转床实现.在超重Rece i ved dat e "2006-02-22.Corr es P ondi n 9aut hor "Pr Of .C~EN Ji anf en g .E -mai I "chen f ＠m Foundati on i t em "su pp Ort ed b y t he Nati Onal Nat ural S ci enceFundati On f Or Outst andi n g YOun g S ci enti sts Of Chi na 20325621 t he Nati Onal Nat ural S ci ence FOundati On Of Chi na 20236020 andt he Nati Onal Basi c Research Pr O g ra m Of Chi na 2004CB217804 .力环境下 不同大小分子间的分子扩散和相间传质过程均比常规重力场下的要快得多 气液 液液 液固两相在比地球重力场大上百倍至千倍的超重力环境下的多孔介质或孔道中产生流动接触 巨大的剪切力和快速更新的相界面使相间传质速率比传统的塔器中的提高1～3个数量级微观混合和传质过程得到极大强化3.超重力技术开发研究始于20世纪70年代末. 1976年美国太空署征求微重力场实验项目英国I C I公司帝国化学工业公司的Ra m sha W教授等做了化工分离单元操作蒸馏吸收等过程中微重力场和超重力场影响效应的研究发现超重力使液体表面张力的作用相对变得微不足道液体在巨大的剪切力作用下被拉伸成微小的液膜液丝和液滴产生出巨大的相间接触面积因此极大地提高了传递速率系数而且还使气液逆流操作的泛点速率提高大大增加了设备生产能力这些都对分离过程有利.这一研究成果促成了超重力分离技术的诞生随后引起了美英中俄等国大规模的工业化应用技术研究和开发热潮4.国外从事超重力技术研究的公司和科研机构包括Du POnt公司DO W化学公司G litsch公司NOrt On公司F l Our公司I C I公司Ne Wcatstl e 大学Case W est er n Reser ve大学W ashi n g t On大学T axas Austi n州立大学等重点研究的技术有超重力精馏分离技术甲醇乙醇的分离等超重力吸收分离技术天然气脱硫分离CO2等超重力解吸分离技术水脱氧聚合物脱单体地下污水脱苯甲苯等等.近几年在几个化工能源过程中实现了工业化运行如1999年美国DO W 化学公司成功地将超重力技术应用于次氯酸的工业生产展现出广阔的应用前景和重大的经济效益3.北京化工大学教育部超重力工程研究中心从1988年开始与Case W est er n Reser ve大学合作进行了超重力技术的开发研究.10多年来本中心已经在超重力技术的基础和应用研究方面取得了具有国际领先和先进水平的研究成果5并成功主办了第一届和第三届国际超重力工程技术研讨会确立了我国在国际超重力技术领域的重要地位.本文全面综述了超重力技术的基础研究在反应与分离方面的应用研究及超重力技术在纳米材料制备油田注水脱氧纳米药物制备超重力反应分离耦合法生产化工产品等工业化开发方面的研究进展情况注文中的研究成果除特别标明研究者姓名单位外其他均为本中心的研究成果.1超重力旋转床技术的基础研究1.1超重力旋转床内流体流动现象及描述对流体在超重力旋转床填料中流动状态的了解是建立超重力环境下传递和混合理论的物理基础.电视摄像和高速频闪照像的实验研究结果表明在超重力水平相对较低的情况下约小于60g填料内的液体主要是以填料丝上的单面膜与连接填料丝网间隙的双面膜两种状态存在而在超重力水平较高的情况下大于100g液体主要是以填料丝上的膜与空间的液滴两种形态存在另外还有少量的液丝将电导探头固定于旋转的转子上测得了不同情况下液体在转子填料内的停留时间约为0.1～1.0s通过图像分析得到了不同条件下的液膜厚度在0.1～0.3mm并拟合了丝网填料上平均液膜厚度与液体黏度流量及超重力水平之间的关系36.另外在超重力技术基础理论的研究方面本中心还取得了以下研究成果实验测得填料层中液滴的直径在0.1～0.3mm拟合出液体在填料中的平均径向速率与液体流量超重力水平之间的函数关系用电导的方法对填料层中持液量的研究得出了持液量与平均径向速度之间的函数关系逆流旋转床的液泛线要比填料塔中的整砌拉西环的液泛线高40%左右气相压降不高于传质效果与之相当的塔用五孔探针测试出旋转床内腔的速度和压力场是轴对称的并发现流道突变区对气相压降的影响很大3逆流旋转床中的传质主要发生在填料层内从液体分布器到填料空腔内的传质约占整个旋转床内传质的10%以下7填料内支撑布置在填料端效应区时会极大地强化传质在10%～100%的开孔率范围内内支撑的加入有利于传质而在2.5%～10%的开孔率范围内内支撑的加入不利于传质8.1.2旋转填充床内传递过程的研究Ra m sha W等用水吸收氨测定了逆流旋转床填料层的平均气膜传质系数用比表面积为1650的不锈钢丝网填料在760g下得到气膜传质系数为10.8>10-8s m-1朱慧铭等也利用水吸收氨测定了填料层的平均气膜传质系数得到加速度与平均体积传质系数及传质单元高度的关系沈浩等用空气解吸废水中的氨得到传质单元高度为3～10c m3.1181第8期邹海魁等超重力技术进展从实验室到工业化本中心的研究人员对用氮气解吸水中氧的液膜传质过程及对以黄原胶水溶液为对象的拟塑性非牛顿流体在逆流旋转床中的气液传质过程进行了研究结果表明超重力旋转床能大大强化液相的传质过程;逆流旋转床的转子中填料内缘的传质系数很大气液传质过程在填料层中主要发生在靠近转子填料内径的区域存在传质端效应3];对用水吸收空气中SO2这个气液两相对传质阻力均有影响的吸收过程的研究结果表明逆流时在旋转床的填料层内外缘处分别存在液相端效应区和气相端效应区而并流时气液两相端效应区都集中在填料层内缘处9].采用基于颗粒轨道模型的欧拉-拉格朗日法对超重力旋转床中的气液两相流动与传质进行了数值模拟研究将模拟计算得到的液相传质系数用于氮气解吸水中溶解氧的计算其计算值与实验结果符合良好.计算分析表明对超重力旋转床在一定的转速下液体和气体流量以及填料内径的变化对体积传质系数有重要影响10].旋转床填料内的径向温度分布与转子的转速和液体流量有关但气体流量的变化对温度分布的影响很小.研究中还发现了传热端效应的存在11]. 1.3旋转填充床内的微观混合特性研究微观混合对快速化学反应过程有着重要的影响.工业上受微观混合影响的快速反应过程包括燃烧~聚合~反应~结晶等过程.一些复杂有机合成反应如氧化~中和~卤化~硝化及偶氮等也都属于快速反应微观混合直接影响反应产物的分布3].采用1-萘酚与对氨基苯磺酸重氮盐偶合竞争串联反应体系对旋转填充床内的微观混合进行了实验研究证实旋转填充床中微观混合能被极大地强化12];建立了旋转填充床内微元流动的物理模型模拟计算了液体微元经过实验条件下50层丝网填料最终流出填料空间的浓度分布由浓度分布得到的微观混合特征指数与实验值进行了对比吻合良好13-14];采用沿程分子探头实验方法从实验上证实了旋转填充床内存在分子混合端效应区计算得到旋转填充床中的分子混合时间在100卜s量级说明旋转填充床反应器是目前分子混合速率最快的设备之一可用于各类快速反应或快速混合过程的调控15].1.4超重力旋转床的设计及工程放大技术的研究经过十几年的研究本中心已经在超重力旋转床的设计和工程化放大方面积累了较丰富的经验能够根据不同的生产规模和工艺条件设计不同结构和规格的超重力旋转床提出了超重力旋转床中介质进出口管径~喷淋管的形式及尺寸~填充床层的尺寸的计算方法及功率的计算~配套电机的选择及转子用转鼓的结构设计及强度的计算方法等3]为超重力旋转床的工业化应用提供了基础.2超重力旋转床技术的应用研究进展本中心在超重力技术的应用方面进行了一系列的研究和开发并取得了诸多创新性成果.2.1超重力技术在传递和分子混合控制的反应过程的应用(1>超重力技术在纳米材料合成中的应用纳米颗粒(材料>的制备方法与技术是当今世界高技术竞争的热点之一.这其中反应沉淀法由于具有成本低~生产能力大~易于工业化~化学组成达分子原子尺度均匀化等优点受到研究者和工业界的青睐.但传统的反应沉淀法一般在搅拌釜或塔中实现存在粒径分布不均且难控~批次间重复性差及工业放大困难等缺点.理论分析表明在传统反应器中成核过程是在非均匀微观环境中进行的微观混合状态严重影响成核过程这就是目前传统沉淀法制备颗粒过程中粒度分布不均和批次重现性差的理论根源.相反在超重力条件下混合传质得到了极大强化分子混合时间在100卜s量级这可使成核过程在微观均匀的环境中进行从而使成核过程可控粒度分布窄化.这就是超重力法合成纳米颗粒技术的思想来源和理论依据315-17].本中心于1995年在国际上率先发明了超重力反应沉淀法(简称为超重力法>合成纳米颗粒新方法在国家高技术研究发展计划等的资助下探索了气液~液液及气液固超重力法合成纳米颗粒的新工艺相继开发出系列纳米颗粒实验室小试合成技术并在纳米颗粒工业化制备技术及理论研究方面取得突破性进展3].例如气液固超重力法用于合成纳米Ca CO3可以制备出立方形~链锁状~纺锤形~针状~片状等不同形态的纳米Ca CO3.在不添加任何晶体生长抑制剂的情况下可以制备出平均粒度为15～40n m~分布很窄的纳米立方形Ca CO3颗粒;在添加特定晶习控制剂的条件下可以制备2181化工学报第57卷出轴比大于10 单个颗粒平均粒度小于10n m 分布均匀的链锁状Ca CO 3 18等.采用气液相超重力法制备的纳米材料有纳米氢氧化铝 纤维状 粒径为1～5n m 长度为100～300n m 纳米二氧化硅 球形 平均粒径约为30n m 3 纳米氧化锌 球形 粒度约为30n m 19纳米二氧化钛 球形 粒径20～30n m 20纳米硫化锌 球形 粒径约40n m 21 等.采用液液相超重力法制备的纳米材料有纳米碳酸锶 平均粒径约30n m 纳米碳酸钡 比表面积约20m 2 g -1纳米氢氧化镁 六方形片状物 平均粒径为70n m 3纳米钛酸钡 球形 粒径50～70n m 22等.在实验室及中试规模的研究基础上 本中心提出并突破了系列关键技术 创制了超重力法制备无机纳米粉体的成套技术 成功进行了超重力法生产纳米碳酸钙的工业放大 生产出平均粒度15～40n m 粒度和形貌可调控的纳米碳酸钙产品 粒度指标优于美国等国际同类产品 具有碳化时间缩短 粒度分布窄 生产成本低 生产质量稳定易控等突出优点.目前利用该技术建成了5条纳米碳酸钙工业生产线 总产能达3.6万吨 年 产品已出口欧美 东南亚等地区.另外 1000t 年超重力法纳米氢氧化镁工业生产线于2004年7月在天津汉沽建成投产.可见 采用超重力技术能够制备出多种纳米材料 具有很强的通用性 是一项平台性的高新技术 可望进一步推广至其他纳米材料的制备中.2 超重力法原位合成纳米功能复合材料无机有机纳米复合材料是一类非常重要的纳米复合材料 其制备及应用的技术关键是如何实现纳米无机颗粒在有机基体中以纳米级分散.本中心提出了采用超重力法原位合成纳米功能复合材料的新方法 通过气液固反应结晶和原位相转移耦合方法 在超重力反应器中成功合成出高碱值石油磺酸钙润滑油清净剂纳米复合材料 产品的碱值大于300m g KO~ g -1 电镜照片如图1所示 纳米碳酸钙胶粒的粒径小于30n m 分布均匀.目前 本中心已经与中国石油天然气股份有限公司合作 开发建立了超重力法制备高碱值石油磺酸钙润滑油清净剂纳米复合材料20t 年中试生产线.3 超重力结晶法制备纳米药物口服难溶性药物的溶出过程是限制其吸收及生物利用度的关键F i g .1TE M p hOt O g ra p hs Of Ca CO 3p articl es f r O m RPB -p re p ared Oil based dis p ersi On因素 一般来说 药物的溶出速率与药物颗粒的粒度呈反比关系 所以通过减小难溶性药物颗粒的粒度可以大大提高其溶出速度 对气雾剂而言 颗粒大小同样是决定药物能否到达作用部位的关键因素 23-25.在成功实现超重力法合成无机纳米材料的基础上 在国家高技术研究发展计划等的资助下 本中心发明了超重力结晶法制备纳米药物的新方法 采用超重力结晶法得到了平均粒度为1.5卜m 的解热镇痛消炎药 布洛芬重结晶产品 23-24制得了粒度小于500n m 的治疗哮喘病的药物 硫酸沙丁胺醇颗粒 25制备了超细头孢拉定抗生素药物粒子 通针性 混悬效果 溶出速率及溶解度要明显优于常规法产品 26-27 .此外还探索了用超重力法制备其他纳米药物粉体 如抗哮喘药物 抗生素类药物和药物辅料等.在实验室研究的基础上 本中心研究了该技术的放大规律 并与华北制药集团倍达有限公司合作 成功实现了40t 年超重力法制备无定形头孢呋辛酯纳米药物的工业化生产 图2为产品头孢呋辛酯的扫描电镜照片 得到的头孢呋辛酯是无定形的 粒径小于500n m.产品的溶解速率和溶解度较市售产品都有明显的提高 更易溶解 吸收 生物利用度也高于市售微米级药物产品.鉴于超重力技术在药物微粉化方面的独特优势 Abhi it 等 28发表综述评论认为 超重力结晶法代表了疏水药物纳米化的第二代战略性方法 由于其简单 易于放大和纳米效应 有可能3181 第8期邹海魁等 超重力技术进展 从实验室到工业化F i g.2SE M p hOt O g ra p hs Of nanOsizedCef ur Oxi m e Axetile成为一种未来的技术.4超重力技术在多相快速反应中的应用利用烷基化反应以异丁烷为原料在强酸等催化剂的作用下与C3～C5烯烃反应生成烷基化油.烷基化油是一种理想的汽油调和组分烷基化生产装置的全球生产能力为8000万吨年以上.烷基化反应涉及液液快速反应过程现工业上采用~F和浓~2SO4催化反应传统工艺存在腐蚀性强环境污染严重等问题.本中心将超重力反应器作为烷基化反应器应用于离子液体催化的烷基化反应合成烷基化油.该液液反应过程中微观传递和分子混合是关键实验结果表明烷基化油辛烷值可达97以上反应器体积可缩小至原先的110～16优于传统~F和浓~2SO4法工艺而且无污染物排放可实现高效低能耗清洁生产的目的为替代污染严重的~F和浓~2SO4法生产烷基化油提供了一种洁净生产新技术.最近本中心将超重力旋转床作为气液反应器用于环己烷空气氧化制备环己酮反应过程初步研究结果表明在环己烷转化率与现有工艺相当的情况下过氧化物的含量约降低70%左右可以大幅度减少后续由于过氧化物分解产生的废碱液可望开发出一种绿色环保新工艺.5超重力技术在生化反应中的应用大多数的生化反应都是好氧反应过程.由于好氧微生物的呼吸基质的氧化所需要的氧是液相中溶解的氧因此在好氧发酵过程中氧的气液传质十分重要氧溶解速度成为好氧发酵过程的限制因素.根据生化反应的特点本中心将超重力旋转床和内循环反应器的优点结合起来成功开发了内循环超重力生化反应器实验表明拟塑性流体在超重力旋转床中的氧传递速率较鼓泡搅拌釜中快6～20倍.在此反应器中进行了超氧化物歧化酶SOD的发酵实验发酵液中酵母的最大湿重为66g L-1超过气升式反应器中得到的51g L-1的优化结果采用此反应器时透明质酸的产量为6.5～7.2g L-1而操作条件基本相同的搅拌釜的产量只能达到4～5g L-1表明内循环超重力生化反应器可作为一种新型高效的发酵设备3.2.2超重力技术在强化分离过程的应用1超重力水脱氧技术的研究超重力技术的第一个工业化应用实例是油田注水脱氧.油田注水的国家标准是水中的氧含量小于50卜g L-1.1993年本中心为胜利油田研制了一台50t h-1的超重力脱氧机进行了用天然气对水进行氧解吸的实验出口氧含量全部达到低于50卜g L-1的注水要求最低低于20卜g L-1与现有的真空脱氧技术相比无论在脱氧指标上还是在动力消耗上都有较大的优越性3.1995年本中心开发研制了国际上第一台最大的工业化超重力样机300t h-1水脱氧超重力装置并于1998年在胜利油田投入实验应用之后两台250t h-1的工业装置也在胜利油田海上石油平台上投入了生产3.此外采用超重力法还进行了锅炉用水脱氧的研究使用0.03～0.2MPa表压的蒸汽在103～133时就可以将水中的含氧量减少至7卜g L-1以下而且不需添加任何化学药剂.与热力法相比超重力法可以在较低的温度压力下达到很好的脱氧指标能较好地解决锅炉的氧腐蚀问题在锅炉行业中具有广阔的推广应用前景3.2超重力技术在废水处理中的应用本中心与原中国天然气总公司下属大型合成氨企业合作开发建立了一套处理水量为5t h-1的超重力尿素水解工业侧线在220～230 2.4～2.6MPa条件下将尿素解吸废水中尿素含量由100m g L-1左右降至5m g L-1以下可以满足中压锅炉用水的要求.本中心采用超重力气提技术及设备处理合成氨厂铜洗车间存在的含氨量20000～30000m g L-1的废水成功地将废水中的氨含量降至100m gL-1以下满足环保要求的同时还得到可以利用的4181化工学报第57卷15%～20%的浓氨水解决了困扰企业的一个难题3.<3>超重力技术在废气治理中的应用工业及生活所排放的二氧化硫是空气的主要污染源新型脱硫技术及设备的研究与开发成为当前迫切需要加强的环保科研课题之一.本中心与国内硫酸厂合作采用亚胺吸收法进行了超重力脱硫的工业侧线实验经过超重力设备吸收后尾气中二氧化硫含量降至100m g L-1<世界银行标准为300m gL-1>.若将单级超重力脱硫与喷射脱硫器相结合可在设备投资动力消耗气相压降等方面较原有技术有较大优势35.除尘是由作为单元操作之一的气固相分离操作发展起来的是现代工业生产中一项不可缺少的环节.采用超重力旋转床对发电厂燃煤飞灰的捕集效率达99%以上切割粒径范围为0.02～0.3卜m 压降不大于3000Pa与电除尘相当但设备占地面积价格及能耗方面远优于电除尘法是一种极有推广前景的除尘技术及设备329.2.3超重力反应分离耦合法在化工产品生产中的应用1999年美国DO W化学公司与本中心合作成功地将超重力技术应用于反应分离耦合过程在次氯酸的生产中将直径6m高30m的钛材塔式反应分离设备用直径3m高3m的超重力装置进行了成功替代在一台超重力设备中同时完成反应和分离两种操作次氯酸的产率由原先的80%提高到90%以上生产效率大大提高并节省了设备投资70%和操作费用.这一技术的开发成功为超重力技术的应用提供了一个极好的工业化范例3.3结束语已有的理论研究和应用研究的结果表明超重力技术是一种高效的过程强化的新技术在众多领域具有广阔的应用前景.由于它广泛的适用性可生产出传统设备所难以生产出的更小更精更安全更高质量的产品以及具有更能适应环境和对环境友好等特殊性能可望成为21世纪过程工业过程强化的主导技术之一.致谢本文的研究成果包括了郑冲冯元鼎周绪美艾大刚等中心退休教师及郭锴郭奋王玉红张鹏远刘晓林宋云华陈建铭沈志刚毋伟初广文等中心教师及张军刘骥竺洁松李振虎钟杰杨海健等毕业和在读博士研究生张海峰廖颖万冬梅王刚李文博李树华赵永华崔建华梁继国刘方涛张春光张新军马静续京周敏毅徐春艳李亚玲许明王东光等毕业和在读硕士研究生的研究成果.同时超重力技术的研究得到了国家自然科学基金国家自然科学基金重点项目国家自然科学杰出青年基金国家科委八五九五和十五攻关项目及国家重点基础研究发展计划教育部和北京市等科技计划的资助在此一并表示感谢！Re f er ences1Ra m sha W C.The i ncenti ve f Or p r Ocess i nt ensifi cati On//1stI nt er nati Onal COnf erence On Pr Ocess I nt ensifi cati On f Or t heChe m i cal I ndustr y.LOndOn19952Fei W ei y an g<费维扬>.The p r O g ress Of p r Ocessi nt ensifi cati On.W orl d Sci T ec h R SD<世界科技研究与发展>2004 2 <5>1-43Chen Ji anf en g<陈建峰>.~i g h G ravit y T echnOl O gy andA pp li cati On A Ne W G enerati On Of Reacti On and S e p arati OnT echnOl O gy<超重力技术及应用新一代反应与分离技术>.Bei i n g Che m i cal I ndustr y Press20034GuO Kai<郭锴>L i u SOn g ni an<柳松年>Chen Ji anf en g <陈建峰>Zhen g ChOn g<郑冲>.Recent p r O g ress Of hi g hg ravit y t echnOl O gy.Che m ic al I ndust r$and En g ineerin gPro g ress<化工进展>199711-45W an g YuhOn g<王玉红>GuO Kai<郭锴>Chen Ji anf en g <陈建峰>Zhen g ChOn g<郑冲>.~i g ee t echnOl O gy and itsa pp li cati On.M et al M ine<金属矿山>1999425-296Zhan g Jun<张军>GuO Kai<郭锴>GuO Fen<郭奋> Zhu Ji esOn g<竺洁松>Zhen g ChOn g<郑冲>.Ex p eri m ent al st ud y abOut fl O W Of li c ui d i n r Ot ati n g p ackedbed.J ournal o f Che m ic al En g ineerin g o f ChineseUniUersities<高校化学工程学报>200014<4>378-3817GuO Fen<郭奋>W an g DOn gg uan g<王东光>W u Ji nli an g<吴金梁>GuO Kai<郭锴>Zhen g ChOn g<郑冲>ShaO Lei<邵磊>.E ff ect Of diff erent i niti al li c ui ddi stri buti On On m ass transf er i n a cOunt er current fl O Wr Ot ati n g p acked bed.J ournal o f Bei j in g UniUersit$o fChe m ic al T ec hnol o g$<北京化工大学学报>2003 3<3>30-348GuO Fen<郭奋>ZhaO YOn g hua<赵永华>Cui Ji anhua <崔建华>Chen Ji anf en g<陈建峰>GuO Kai<郭锴>Zhen g ChOn g<郑冲>.E ff ects Of i nner su pp Orts On li c ui d-fil m cOntr Oll ed m ass transf er i n r Ot ati n g p acked bed.J ournal o f Nort h China I nstit ute o f T ec hnol o g$<华北工学院学报>200122<6>420-4249L i Zhenhu<李振虎>GuO Kai<郭锴>Yan W ei m i n<燕为民>Zhen g ChOn g<郑冲>.The cO m p ari sOn Of t he g as5181第8期邹海魁等超重力技术进展从实验室到工业化。
加氢反应釜使用的五大步骤
加氢反应釜使用的五大步骤
加氢反应釜在氢化的时候，一定要把装置的密封性检查好，然后按照加氢反应釜正确使用的五个步骤进行。
步骤一，首先要检查加氢反应釜的各个阀门形状和安全阀，确保不漏气、不漏液就可以反应了。
步骤二，要检查反应釜上面的压力表和温度计，这个一定要矫正。
步骤三，一般工业加氢反应釜要耐一定的压力，但是要做氢化，一定要加压。
步骤四，如果小试，最好用耐压的反应釜，如果是不锈钢反应釜对催化剂有影响，那么就要对釜体内衬四氟。
步骤五，小试或者中试时，置换后的氢气可以通道水池里，一般的化工厂都有水池，一定是清水池，放氢气的时候要缓慢放出，最后还要抽一下，再冲氮气置换。
以上便是加氢反应釜正确使用的五个步骤，如果催化剂是钯碳类，放到湿润的地方不会着火，往加氢反应釜里加的时候要快速加入，然后加入反应所用的溶液，不要等。
制氢装置转化工艺管理和操作规程
制氢装置转化工艺管理和操作规程1.1 转化部分的任务及主要工艺指标1.1.1 转化部分的任务及主要工艺指标转化部分的任务是将合格的脱硫气在催化剂存在条件下与水蒸汽发生复杂的强吸热氢解反应，生成含H2、CO、CO2和未反应的水蒸汽、CH4的转化气。
1.1.2 转化部分的主要工艺指标入口温度480～520℃出口温度≯820℃炉膛最高温度≯1020℃炉膛温差≯100℃入口压力 3.1MPa出口压力 1.85MPa炉管压差≯0.38MPa碳空速1000h-1水碳比 3.3～5.0转化气中CH4≯10%1.2 转化入口温度与转化率操作转化温度是烃类－水蒸汽转化法制H2的重要影响因素。
提高温度，甲烷转化率提高，转化气CH4含量降低。
但考虑到设备的承受能力，转化炉的炉膛温度最高不能超过1020℃。
转化炉温度根据转化炉对流段入口温度TI7208的变化情况进行控制。
对流段入口温度信号通过切换开关，同时进入TCA7201A及TCA7201B，使燃料系统在不同的情况下，可采用不同的控制回路。
（1）开停工期间装置开停工时转化炉使用高压瓦斯（副燃料）燃料，采用燃料气流量FC7201与转化炉对流段入口温度TCA7201A的串级控制回路控制转化炉炉温。
（2）变换气作燃料当装置生产出变换气后，根据需要可投用变换气。
变换气通过PC7501控制阀后压力为0.05MPa，送入燃料气混合器MI2001，然后进入转化炉作为燃料使用，其燃料热值不够部分由副燃料提供。
（3）PSA脱附气作燃料PSA运行以后，转化炉燃料投用脱附气作主燃料，脱附气流量可通过FC7503投自动进行控制，其燃料热值不够部分可通过FC7502补充高压瓦斯来提供。
转化炉出口温度采用瓦斯流量FC7502与转化炉对流段入口温度TCA7201B的串级控制。
以上转化炉温度的主副燃料气两种不同控制回路之间的切换，可将一个控制回路由串级控制切换至副表单控，再切换至另一个控制回路的副表单控，然后由另一个控制回路的副表单控切换至串级控制。
加氢操作规程-制氢
Q/SHCL加氢制氢联合装置制氢工艺操作规程中国石化股份公司长岭分公司发布加氢制氢联合装置制氢工艺操作规程1 范围本标准规定了长岭炼油化工厂加氢制氢车间制氢装置各岗位操作方法。
本标准适用于加氢制氢车间制氢装置的生产操作过程。
2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。
3 定义3.1转化度溶液中的总K2CO3变换成KHCO2的分率。
可用以下公式表示，转化度Fc = 转化成KHCO3的K2CO3摩尔数/K2CO3的总摩尔数Fc = 0.69KHCO3/(0.69KHCO3 + K2CO3)式中： Fc --转化度KHCO3 --溶液中的碳酸氢钾浓度K2CO3 --溶液中的碳酸钾浓度3.2水碳比入转化炉水蒸汽的分子数与原料烃的碳原子数之比，称之水碳比。
水蒸汽流量(Nm3/h)水碳比 =烃类流量(Nm3/h)×总碳3.3碳空速每小时的烃类进料所含当碳元素在标准状态下全部以气体碳原子存在时所占的体积除以转化催化剂的体积所得到的空速。
即碳流量除以催化剂体积。
单位是1/h。
碳流量Nm3/h碳空速 Vc =催化剂体积m33.4转化率转化气中的总碳的体积百分数与CO、CO2体积百分数之比叫转化率。
CO%+CO2%转化率 X =CO%+CO2%+CH4%3.5变换率在变换过程中，一氧化碳反应了的百分数叫变换率。
CO入%-CO出%变换率X = ×100%CO入(1+CO出%)3.6硫容在满足脱硫要求条件下，每100公斤脱硫剂吸收硫的公斤数叫硫容。
常以百分数表示：(进口平均含硫-出口平均含硫)mg/Nm3总硫容 = 原料气总处理量××100%脱硫剂装填量3.7平衡温距平衡温距是转化出口的实际温度与转化出口气组成的平衡温度的差值。
加氢装置工艺流程图
加氢装置工艺流程图加氢装置工艺流程图是指加氢装置生产过程中各个环节的流程图，通过这个流程图可以清晰地了解加氢装置的生产工艺流程，包括原料输送、反应器、加氢过程、产品分离等各个环节。
下面将详细介绍加氢装置工艺流程图的各个环节。
首先，原料输送环节。
在加氢装置工艺流程图中，原料输送是整个生产过程的第一步。
通常原料输送包括原料的储存、输送管道、泵站等设备。
原料输送的稳定和高效对后续生产过程至关重要。
其次，反应器环节。
在加氢装置工艺流程图中，反应器是加氢装置的核心设备之一。
反应器内进行加氢反应，将原料转化为所需的产品。
反应器的设计和操作对产品质量和产量有重要影响。
接着，加氢过程环节。
加氢过程是加氢装置的关键环节之一。
在这个环节中，原料经过反应器进行加氢反应，产生所需的产品。
加氢过程需要严格控制温度、压力、氢气流量等参数，以确保反应效果和产品质量。
然后，产品分离环节。
在加氢装置工艺流程图中，产品分离是将反应产物中的目标产品与其他杂质分离的过程。
产品分离通常包括蒸馏、萃取、结晶、过滤等操作，以获得高纯度的目标产品。
最后，产品储存和输送环节。
在加氢装置工艺流程图中，产品储存和输送是生产过程的最后一步。
生产出的产品需要进行储存并输送到下游工艺或客户手中。
产品储存和输送需要保证产品的质量和安全。
综上所述，加氢装置工艺流程图涵盖了加氢装置生产过程中的各个环节，包括原料输送、反应器、加氢过程、产品分离、产品储存和输送等。
通过加氢装置工艺流程图，可以清晰地了解生产过程，指导生产操作，确保产品质量和生产效率。
加氢装置工艺流程图的设计和优化对加氢装置的稳定运行和产品质量有重要影响。
制氢装置的大概工艺原理说明
建滔化工环、安、能评所需提供的资料一、提供加制氢装置所发生的主副反应方程式1. 加氢装置反应机理：⑴非烃类的加氢反应①加氢脱硫反应加氢原料油中的硫化物主要有硫醇、硫醚、二硫化物、噻吩、苯并噻吩等，在加氢精制条件下，这些硫化物分别转化为H 2S 和相应的烃类，从而被脱除掉。
硫醇：RSH ＋H 2→RH ＋H 2S硫醚：RSR ’＋H 2→RSH ＋R ’H二硫化物：RSSR ’＋H 2→RSH ＋R ’SH →RH ＋R ’H ＋H 2S＋3H 2→ C 4H 4SH→H 2S②加氢脱氮反应柴油的氮化物是造成柴油安全性差和变色的主要原因，石油馏分中的氮化物可分为三类：a.脂肪胺及芳香胺类。
b.吡啶、喹啉类型的碱性杂环化合物。
c.吡咯、茚及咔唑的非碱性氮化物。
各加氢脱氮反应如下： 胺类：R －NH2＋H2 RH ＋NH3吡啶：吡啶＋H2 C5H12＋NH3吡咯：吡咯＋H2 C4H10＋NH3从热力学观点看，吡啶的加氢脱氮比其它氮化物更加困难，为了脱氮完全，一般需要比脱硫通常采用的压力范围更高的压力。
③含氧化合物的加氢脱氧反应石油和石油产品中含氧化合物的含量很少，在石油馏分中经常遇到的含氧化合物是环烷H 2H 2 C 4H 100酸。
各种含氧化合物的加氢反应：RO＋H2RH＋H2O⑵烃类的加氢反应在加氢精制条件下，烃类的加氢反应主要是不饱和烃和芳烃的加氢饱和。
这些反应对改善油品的质量和性能具有重要意义。
例如烯烃，特别是二烯烃的加氢可以提高油品的安定性，芳烃的加氢可以提高柴油的十六烷值。
①不饱和烃的加氢反应直馏馏分中一般不含有不饱和烃，但二次加工产品催化柴油、焦化柴油中则含有大量的不饱和烃。
这些不饱和烃在加氢精制条件下很容易饱和。
代表性反应如下：a H2→R－CH23b＋H2c H2②芳烃的加氢饱和反应加氢原料油中的芳烃加氢，主要是指稠环芳烃（菲系、萘系）的加氢。
加氢活性：环烯烃＞烯烃》芳烃多环＞双环》单环提高反应温度，芳烃加氢转化率下降，提高反应压力，芳烃加氢转化率增大。
加氢反应器的基本工作原理
加氢反应器的基本工作原理
加氢反应器是一种常用的化学反应设备，包括工业加氢反应器和实验室加氢反应器。
其基本工作原理如下：
1. 原料进料：加氢反应器的原料通常是有机化合物，例如烯烃、酮、醛等。
原料通过管道进入反应器中。
2. 催化剂：加氢反应器内通常装有催化剂，在反应过程中起到催化作用。
常用的催化剂包括金属（如铂、铑、钯）和合金。
催化剂的选择通常与反应物的性质和反应条件有关。
3. 加氢反应：在反应器内，原料与氢气发生加氢反应。
加氢反应是一种氢气与有机化合物发生原子或分子间水素转移反应的过程。
加氢反应可以使原料分子中的不饱和键被氢气加成饱和键，生成饱和化合物。
4. 温度和压力控制：加氢反应的温度和压力通常是反应条件的重要参数。
适当的温度可以提高反应速率和选择性，而适当的压力可以增加氢气溶解度和反应的进行。
5. 产品分离：在反应结束后，得到的产物需要进行分离。
分离通常通过蒸馏、萃取、吸附等方法来实现。
氢化釜 氢化反应釜-概述说明以及解释
氢化釜氢化反应釜-概述说明以及解释1.引言1.1 概述引言部分为文章的开篇，是对文章主题的简要介绍和概述。
在本篇文章中，我们将重点介绍氢化釜及其在化工领域中的重要应用。
氢化釜是一种用于进行氢化反应的设备，通常用于有机合成、催化反应等过程中。
氢化釜的设计和操作对保证反应的安全和高效进行具有重要意义。
在本文中，我们将首先介绍氢化釜的定义和原理，对其结构和工作原理进行详细解析。
然后，我们会探讨氢化釜在不同领域中的应用，例如药物合成、化工生产等方面。
最后，我们会分享一些氢化釜设计和操作的注意事项，以帮助读者更好地了解和应用氢化釜。
通过本文的阅读，希望能够让读者对氢化釜有一个更全面的了解，同时也能够为相关领域的研究者和从业者提供一些实用的参考和指导。
1.2文章结构1.2 文章结构本文将先介绍氢化釜的概念和原理，包括氢化反应的基本原理和氢化釜的构造设计。
接着将详细探讨氢化釜在不同应用领域的具体应用及其重要性。
最后，本文将重点讨论氢化釜的设计和操作注意事项，帮助读者更好地了解氢化釜的操作规范。
通过对氢化釜的全面介绍，可以帮助读者深入了解和掌握这一重要设备在化工生产中的作用和应用。
1.3 目的：本文旨在深入探讨氢化釜在化工工业中的重要性和应用领域，介绍氢化釜的定义、原理、设计和操作注意事项，以及展望其在未来发展中的潜力。
通过对氢化釜的全面介绍，帮助读者了解氢化反应釜在化工生产中的作用，促进氢化釜技术的推广和应用，推动化工行业的发展和进步。
2.正文2.1 氢化釜的定义和原理氢化釜是一种用于氢化反应的反应器，通常由压力容器和加热系统组成。
在氢化反应中，氢气作为还原剂，与有机物或无机物发生加氢反应，生成相应的氢化产物。
氢化釜具有密封性好、操作简便、反应速率快等优点，因此被广泛应用于有机合成、化工领域以及材料科学等领域。
在氢化釜中进行的氢化反应遵循氢气与有机物或无机物之间的化学反应原理。
氢气在反应釜中与反应溶液接触，通过质量传递和热力学条件下的协同作用，在一定条件下促使反应物发生加氢反应。
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从实验室到工业装置氢化加氢釜的转化
从实验室到工业装置氢化加氢釜的转化，氢化加氢釜缩小到实验室条件范围内进行有效的工艺放大。
1)目前市场上氢化反应器到底有哪些类型可供利用？
2)哪些是这类反应器的关键因素？
3)如何将这些因素缩小到实验室条件范围内进行有效的工艺放大。
大体来讲，氢化反应器可分为两大类，一类是传统搅拌式反应器，容器上端空间气体在液相内得不到循环；另一类是气体在液相内得到循环的反应器，代表这一类型的有回路反应器和装有中空自吸排气搅拌系统的特殊反应器。
前者主要靠搅拌产生气液界面间的紊流来引发传质，这对于实验室小试规模尚可被接受，但随之容量增大至工业装置，其气液传质界面会因容量增大而急剧减少，所以实验室结果放到这一类传统搅拌式反应器内其传质的表现便大为走样了。
带液相气体循环的反应器则不同，气体以微细的气泡进入液相所产生的界面气液接触远过于反应速率的要求，以此类反应器作为实验室缩小实验的对象，工艺放大的可靠性便有了很大程度的提高。
在实验室内进行缩小实验所收集的主要数据是：反应的放热量；气体在液相内的进入量；气体在反应中的吸收量。
其中反应的放热情况经常在工艺放大中被忽视。
多数氢化反应是放热的，实验室小试由于装置的容量小，因而容器内的反应区域和容器外的冷却介质温差是很小的。
但随着容量的增大，散热外表面积受到限制，它和容量的比率在急剧下降，除非放入内热交换器，否则很难将实验室结果放大到工业装置中去。
目前对于高度放热的氢化反应多数采用的是内热交换盘管，但在某些剧烈放热反应情况下(如硝基还原为氨基)，由于散热问题得不到彻底解决还是不得不将反应速度放慢。
因此，如何根据需要配置足够的热交换面积是反应器的一个极为重要的因素。
工艺放大除了要达到工业装置生产目的之外，考察其生产的经济性也显得同样重要。
反应速率由氢气的压力和气液传质的能力决定。
在实验室中为了加快反应速率而随意增高搅拌釜的压力是很容易的，但工业装置因高压而带来的设备造价和其他一系列问题可能会使其得不偿失。
如上所述，加强反应器的气液传质便成了提高反应速率的理想途径。
氢化反应使用的催化剂在很多情况下采用贵金属如钯或铂等，因而催化剂的活性和其反复使用次数对生产成本起到举足轻重的作用。
催化剂在不同类型的反应器中它的活性和寿命有不同的表现，在带有液相气体循环的反应器中它受到过量氢气的保护，中毒机会大大减少，从而提高了它的活性和寿命。
综上所述，在工艺放大过程中能引入工艺缩小的概念，预先了解氢化反应工业装置的性能并将其某些关键因素在实验室小试装置内加以模拟和观察，不但可以得到事半功倍的效果，甚至还可以跳过费用不菲的中试。
当然我们这里所指的实验室小试装置并非一般高压搅拌釜，而是具有高度工业装置模拟性能的实验室氢化反应器。
我们的氢化系统在设计、建造和操作氢化及其他气/液反应工厂方面，我公司拥有广泛的技术和丰富的经验。
我公司的工业反应器具有极高的效率，加之其冷却能力几乎不受限制。
主要特点
氢化反应是以高度放热和高度传质阻抗为特点的。
经过大量的研究工作和实验室开发，
我公司克服了这些困难，发展了新颖的高性能氢化反应器，其设计独具特性。
反应器：压力容器的设计可满足100bar的压力(特殊情况可达200bar)，内部配置的强力自吸排气系统，大面积的冷却/加热交换系统。
反应容量可为0.5～50m3，温度可达350℃。
排气系统：此由一套特殊的组件构成，以达到设计的传质要求和剪切效应，高度的氢气内循环和液流，适当的功率输入。
搅拌器由全封闭的磁力偶合系统驱动，无泄漏，无需保养，解决了一般压力容器的密封问题。
冷却/加热系统:采用新型的内置式大面积固定湍流导热板块总成，防止了催化剂和反应物料在排放时可能的沉积。
优点
氢化系统的主要优点是:高产，因高速反应而缩短了班产时间;催化剂消耗量少;完全的等温条件，因热交换在反应区内(不同其他热交换在外部的反应系统);不带机械密封和外循环泵，消除了垫圈磨损和一般高压装置精而难的保养;采用功率可达100KW以上的磁力驱动，防止泄漏和环境污染，提高了安全性;优良的批量复制性，由于均相条件和全自动控制操作。
工业氢化装置典型的多功能工业装置(搅拌槽型)如图5所示，反应器配置了空心轴自吸排气搅拌器。
氢气的进口在液面上面并能被反应器的压力所控制，温度的控制可以通过二次热交换来实现。
带压的水(或导热油)在位于两个外交换器(一个加热器，另一个冷却器)以及一个大面积的内交换器中循环，这种热交换的设计须以防止催化剂结垢和不干扰气-液传质为佳。
底物的投料可以是液体，溶液或悬浮液。
后两种底物的投料可在毗邻的容器中制备，这样就不至于因开启和关闭人孔来投入固料而耽误反应器的操作时间。
催化剂的悬浮液也在一个小型的辅助罐体内制备，它是锁闭的，所以催化剂可以在惰性情况下投入反应器。
如有必要，反应期间也可添加。
反应的开始是先启动交换器的加热回路来加热反应物料，一旦反应开始，交换的加热回路便切换到冷却回路实施冷却。
反应完成之后，反应器开始降温并通过一个涤气器进行泄放。
在将反应物料转移到中间储槽之前，催化剂(如密度足够)可以先让其重力沉降以提供下一批间歇反应。
产品通过一台烛式过滤器与催化剂分离。
根据过滤器的过滤形式不同(如烧结金属，，还应配置一个保险过滤器来防止催化剂的流失。
经洗去催化剂中残留的产品之后，催化剂一般用氮气反吹脱离过滤介质并被回收到反应器中循环使用或送到催化剂制造商进行再生。
实验室反应系统主要特点：
1.既是合成反应器，又是反应量热器
2.在计算机控制下，一切操作全自动进行
3.准确提供反应的热、传热、动力学和物化数据
4.在实际条件下研究反应的安全性和最优化条件
5.实验室里的”中试厂“：参数可直接用于工艺放大，是工厂中半间歇反应釜地的真实模型。
化学过程在接近实际的条件下以立升规模进行，自动控制和测量温度、压力、加料、搅拌、反应热、热传递等一切重要的过程变量。
从升级规模获得的结果可放大至工厂生产条件，或反过来，工厂中的生产过程能缩小到升级规模，从而容易地得以研究和最优化.应用产品
对氨基苯甲酸、间氨基甲苯、C5,C9等石油氢化树脂、TDI、邻氨基苯甲醚、普利、邻氨基对叔丁基苯酚、对氨基酚(PAP)、葡甲胺、间氨基苄胺、4,4'-二氨基二苯基甲烷(DDM)、烷基伯胺、香精加氢、甲基环戊二烯三羰基锰(MMT)、异丙甲草胺、草甘磷、苯佐卡因、盐酸普鲁卡因、2,6-二乙基苯胺(DEA)、2-甲基-6-乙基苯胺(MEA)、间苯二胺、对苯二胺、3,3'-二氯联苯胺(DCB)、对氨基甲苯、天然VE、木糖醇、β-酸氢化、RT培司、吡啶加氢、丙二胺、三氟甲基苯胺、普利、乙醚、苯环和杂环加氢等。