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化工过程强化系列4:管道反应器

在前几期内容中我们主要介绍了微通道反应系统,实际上连续流化工过程中还有一种更简单,更加容易实现的反应系统,那就是今天我们要来说的管道反应器。

管道反应器的尺寸一般在DN10-DN100之间,在这个尺度范围内管道容易加工成各种形状,如盘管或者蛇管。同时对于管道连接,我们也有更多的标准件可以使用。实际上我们之前提到的微通道反应器也是管道反应器的一种。只不过微通道反应器要求尺寸特征在1mm以下,可以说是一种变细的管道反应器。在这里我们将管道反应器和微通道反应器的优劣势做一个对比。

首先,对于反应器系统来说比较重要的就是换热比表面积。我们之前曾经提过,比表面积大体上是与特征尺寸成反比的。最小的管道反应器直径都在微通道反应器的10倍以上也就是说比表面积为微通道反应器的1/10。同时管道反应器内传热系数不及微通道反应器, 经验上大概只有微反应器的1/10-1/20。所以从传热能力的角度上来说,管道反应器的换热效果大概在微反应器的百分之一,因此不可能进行强放热过程。当然管道反应器的换热能力仍然明显高于反应釜,目前也有一些新技术,主要对管道进行加工,增加螺纹或收缩扩张等结构进行传热强化。通过传热强化,管道反应器实际上传热系数方面可以达到微反应器的1/2甚至接近。例如我在专栏中曾经介绍过的螺旋管换热器,传热系数上已经接近部分结构的微通道反应器了。所以管道反应器对于放热反应是介于微通道反应器与搅拌釜反应器的中间品种,对于一些放热稍强的反应,依然可以采用管道反应器起到过程强化的目的,没有必要采用微通道反应器。

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带有波结结构的换热管,通过管径不断变化形成湍流,强化传热。

在传递特征尺寸方面管道反应器依然不及微通道反应器,这是由于反应管尺寸特性决定的。但是在实际工程中,依旧可以通过一些方式进行混合过程的强化经过强化后的管道反应器可以得到接近微通道反应器的混合效果。比如对于气液过程可以在管道前方加入气液混合喷射机等进行强化,实际混合效果也可以接近微通道反应器。甚至在一些流程中,在反应初始时采用微通道反应器进行混合,在反应末端才用管道反应器,这样也可以降低成本。

以上是管道反应器较微通道反应器不足的地方,下面我们来说说管道反应器的优点。

首先是成本,管道反应器的成本可以说是非常低廉的,最简单的管道反应器采用普通的化工管道以及管道标准件就可以连接安装,加工非常方便。不考虑额外的自动控制系统的话,成本甚至比常规反应釜更加低廉。

生产中的管道反应器,管道反应器可根据场地需要做成直管,蛇管或者盘管

生产中的管道反应器,管道反应器可根据场地需要做成直管,蛇管或者盘管

其次,管道反应器的适用范围较微通道反应器广。管道反应器既可以用于液相反应,液液萃取过程也可以用于含有固体颗粒的催化反应。由于管道反应器的通道尺度更大,对固体的耐受能力更加,因此对于含大量固体的体系,管道反应器更加使用。同时,由于管道尺寸较大也有利于采用规整结构的催化剂。

另外就是管道反应器设计方面比较成熟。相对而言,微反应器是一项新技术,设计经验需要一定时间的积累。但是管道反应器结构简单,设计上有大量案例可以遵循,技术可靠性较高。另外就是从与现有工艺的适应性角度来看,除了一些较危险的工艺如硝化,重氮化等为强放热反应。现在工厂中大部分反应都较为温和,这类反应一般停留时间较长,采用微通道反应器经济上不合理而采用管道反应器却是一个成本较低的选择。

在这里做一个总结,管道反应器是介于搅拌釜与微通道反应器之间的反应系统,成本上明显低于微通道反应器,当然一分价钱一分货,在一些技术性能上管道反应器也远不及微反应器。导致管道反应器无法适用于强放热以及要求流动规律性的场合,但是对于现有的较为温和的反应,管道反应器对微反应器有明显的成本优势。实际上工厂进行技术改造的过程中,如果要在连续化方面做一些工作,有没有资金与能力做微反应器开发的时候,建议从管道反应器起步。另外在微化工小试实验阶段,也可以采用管道反应器初步判断工艺可行性,成本较低结论上也具有一定的指向性。

内容来源于  YEBOSS的化工知识大杂烩  作者:法式滚筒YEboss  原文链接