6 過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化

綠色過(guò)程工程

GreenProcessEngineering

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緒論綠色過(guò)程工程與可持續(xù)發(fā)展

綠色過(guò)程工程基礎(chǔ)過(guò)程工程綠色化模式

過(guò)程工程生態(tài)學(xué)過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化

過(guò)程系統(tǒng)工程

16過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化傳統(tǒng)化工企業(yè)的形象是高聳塔群連綿不斷、刺耳噪音晝夜延展、難聞氣味迎面撲鼻、粉塵液滴四處亂濺。提高自動(dòng)化程度后的新型石油化工企業(yè)有很大改變，但仍未根本改觀(guān)。從化工建設(shè)投資來(lái)看，用于大型設(shè)備、土建工程和管網(wǎng)設(shè)施的資金，一般占總投資的80%左右，如果設(shè)備微型化，流程密集化，生產(chǎn)過(guò)程精細(xì)化，就能重組化工生產(chǎn)。

26過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化1995年召開(kāi)的第一次化工過(guò)程強(qiáng)化國(guó)際會(huì)議上,C.Ramshaw首先提出化工過(guò)程強(qiáng)化是指在生產(chǎn)能力不變的情況下，能夠顯著減小化工廠(chǎng)體積的措施。A.I.Stankiewicz和J.A.Moulign則認(rèn)為，給定設(shè)備的體積減小2倍以上、每噸產(chǎn)品能耗降低、廢物或副產(chǎn)物大量減少都可以看作是過(guò)程強(qiáng)化。36過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化化工過(guò)程強(qiáng)化是指在生產(chǎn)和加工過(guò)程中運(yùn)用新技術(shù)和新設(shè)備，極大地減小設(shè)備體積或者極大地增大設(shè)備生產(chǎn)能力，顯著地提高能量效率，大量地減少?gòu)U物排放。一句話(huà)，高效、節(jié)能、清潔、可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)都是過(guò)程強(qiáng)化。46過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)6.3過(guò)程強(qiáng)化實(shí)例6.4設(shè)備微型化56過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)6.3過(guò)程強(qiáng)化實(shí)例6.4設(shè)備微型化66過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器6.1.2超重力反應(yīng)器6.1.3串式化學(xué)反應(yīng)器6.1.4提升管-下行床耦合反應(yīng)器6.1.5光催化反應(yīng)器6.1.6膜反應(yīng)器6.1.7色譜反應(yīng)器6.1.8熱交換器式反應(yīng)器6.1.9噴霧流化床造粒器76.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器6.1.2超重力反應(yīng)器6.1.3串式化學(xué)反應(yīng)器6.1.4提升管-下行床耦合反應(yīng)器6.1.5光催化反應(yīng)器6.1.6膜反應(yīng)器6.1.7色譜反應(yīng)器6.1.8熱交換器式反應(yīng)器6.1.9噴霧流化床造粒器86.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器構(gòu)件催化反應(yīng)器是指采用在反應(yīng)器尺寸規(guī)模上具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的催化劑的反應(yīng)器。固定床催化反應(yīng)器中，固體催化劑是以顆粒的形式隨機(jī)堆積在反應(yīng)器內(nèi)。構(gòu)件催化反應(yīng)器可以分為整塊蜂窩構(gòu)件催化反應(yīng)器、膜構(gòu)件催化反應(yīng)器和規(guī)整構(gòu)件催化反應(yīng)器三類(lèi)。

96.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器整塊蜂窩構(gòu)件催化反應(yīng)器是采用整塊蜂窩構(gòu)件催化劑的反應(yīng)器。整塊蜂窩構(gòu)件催化劑具有許多相互隔離的、平行的直孔，與蜂窩的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，起催化作用的物質(zhì)均勻地分布在孔道的內(nèi)表面。整塊蜂窩構(gòu)件催化反應(yīng)器與固定床催化反應(yīng)器相比，流動(dòng)阻力小，反應(yīng)速度快，氣體和液體在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)分布均勻，不會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)熱等問(wèn)題。使用整塊蜂窩構(gòu)件催化反應(yīng)器可以使設(shè)備體積大大減小。

106.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器整塊蜂窩構(gòu)件催化反應(yīng)器被用作汽車(chē)尾氣、火力發(fā)電廠(chǎng)尾氣和工業(yè)排放廢氣的凈化器。因?yàn)椴徽撌瞧?chē)尾氣、火力發(fā)電廠(chǎng)尾氣，還是工業(yè)廢氣，它們的排放壓力一般都比較低，只有使用流動(dòng)阻力很小的設(shè)備，才能在凈化尾氣的同時(shí)，不增加燃料和動(dòng)力的消耗，在經(jīng)濟(jì)上具有競(jìng)爭(zhēng)力。并且，火力發(fā)電廠(chǎng)尾氣中一般含有固體粉塵，使用其他凈化設(shè)備容易引起堵塞，增加維護(hù)費(fèi)用。116.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器膜構(gòu)件催化反應(yīng)器是采用膜構(gòu)件催化劑的反應(yīng)器。如果整塊蜂窩構(gòu)件催化劑的孔道壁上具有許多微小的孔道，允許一種或幾種反應(yīng)物料穿過(guò)孔道壁，則它被稱(chēng)為膜構(gòu)件催化劑。這種允許一種或幾種物質(zhì)穿過(guò)的特性，稱(chēng)為膜構(gòu)件的透過(guò)選擇性。膜構(gòu)件催化反應(yīng)器的特點(diǎn)是利用膜構(gòu)件的透過(guò)選擇性，在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)和分離操作，這就是反應(yīng)-分離耦合。

126.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器也可以利用膜構(gòu)件的這一特性，在一個(gè)反應(yīng)器中膜的兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行吸熱和放熱反應(yīng)，用放熱反應(yīng)放出熱量供給吸熱反應(yīng)，同時(shí)將一個(gè)反應(yīng)的產(chǎn)物作為另一個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)物，這就是反應(yīng)-反應(yīng)耦合。膜構(gòu)件催化反應(yīng)器的最初應(yīng)用是海水脫鹽生產(chǎn)淡水。逐步擴(kuò)展到生物技術(shù)、環(huán)境保護(hù)、天然氣和石油的開(kāi)采與加工、化工生產(chǎn)等領(lǐng)域。膜構(gòu)件催化反應(yīng)器主要缺點(diǎn)是造價(jià)高、膜的透過(guò)量小、容易碎裂等。

136.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器規(guī)整構(gòu)件催化反應(yīng)器是采用規(guī)整構(gòu)件催化劑的反應(yīng)器。將顆粒狀催化劑安排成各種各樣規(guī)則的幾何形狀，就得到規(guī)整構(gòu)件催化劑。在這類(lèi)反應(yīng)器中，催化劑顆粒被規(guī)則地裝填在一個(gè)個(gè)開(kāi)有許多孔的籠子內(nèi)，或者將催化劑裝填成串，然后合并在一起，以方便氣體和液體反應(yīng)物與催化劑接觸。146.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器規(guī)整構(gòu)件催化反應(yīng)器具有比傳統(tǒng)固定床小得多的流動(dòng)阻力，又具有很好的熱量和物質(zhì)交換能力，可以克服整塊蜂窩構(gòu)件催化反應(yīng)器取熱不便的缺點(diǎn)。但是，由于氣體在籠子內(nèi)部移動(dòng)比較慢，這類(lèi)反應(yīng)器比較適合反應(yīng)速度比較慢的反應(yīng)。目前，籠式規(guī)整構(gòu)件催化反應(yīng)器己經(jīng)成功地應(yīng)用于重油餾分加氫脫除硫化物和氨化物的工業(yè)生產(chǎn)中。串式規(guī)整構(gòu)件催化反應(yīng)器則在醚化和酯化反應(yīng)中獲得了工業(yè)應(yīng)用。

156.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器6.1.2超重力反應(yīng)器6.1.3串式化學(xué)反應(yīng)器6.1.4提升管-下行床耦合反應(yīng)器6.1.5光催化反應(yīng)器6.1.6膜反應(yīng)器6.1.7色譜反應(yīng)器6.1.8熱交換器式反應(yīng)器6.1.9噴霧流化床造粒器166.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器6.1.2超重力反應(yīng)器

6.1.3串式化學(xué)反應(yīng)器6.1.4提升管-下行床耦合反應(yīng)器6.1.5光催化反應(yīng)器6.1.6膜反應(yīng)器6.1.7色譜反應(yīng)器6.1.8熱交換器式反應(yīng)器6.1.9噴霧流化床造粒器176.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.2超重力反應(yīng)器

超重力反應(yīng)器是利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力來(lái)加快反應(yīng)速度的設(shè)備。在高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備中，由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力可高達(dá)重力的1000倍以上。在強(qiáng)大離心力驅(qū)動(dòng)下，物料的混合、傳質(zhì)將得到極大的強(qiáng)化，從而顯著地加快那些受物料混合、傳質(zhì)速度限制的化學(xué)反應(yīng)。

186.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.2超重力反應(yīng)器

美國(guó)Dow化學(xué)公司利用旋轉(zhuǎn)填充床開(kāi)發(fā)了一種經(jīng)濟(jì)的、低氯化物含量的次氯酸生產(chǎn)新技術(shù)，在氣體進(jìn)料量降低50%的情況下，還能增加10%的產(chǎn)量。所生產(chǎn)的低氯化物含量次氯酸是一種更好的自來(lái)水消毒劑，而采用傳統(tǒng)方法無(wú)法獲得這種低氯化物含量的產(chǎn)品。196.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.2超重力反應(yīng)器

北京化工大學(xué)開(kāi)發(fā)成功超重力反應(yīng)沉淀法合成納米材料，實(shí)現(xiàn)分子尺度上控制化學(xué)反應(yīng)和成核結(jié)晶過(guò)程，得到粒度分布均勻的納米材料。首條3000t/a15～30nm的碳酸鈣工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)已在廣東廣平化工有限公司、內(nèi)蒙古蒙西高新技術(shù)材料公司建成。納米氫氧化鋁、納米碳酸鋇、納米碳酸鋰、納米碳酸鍶的超重力反應(yīng)合成技術(shù)亦已研究成功。還開(kāi)發(fā)成功油田水脫氣的旋轉(zhuǎn)填充床，使原來(lái)30m高的真空脫氣塔縮小成直徑約lm的旋轉(zhuǎn)填充床。

206.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器6.1.2超重力反應(yīng)器6.1.3串式化學(xué)反應(yīng)器6.1.4提升管-下行床耦合反應(yīng)器6.1.5光催化反應(yīng)器6.1.6膜反應(yīng)器6.1.7色譜反應(yīng)器6.1.8熱交換器式反應(yīng)器6.1.9噴霧流化床造粒器216.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.3串式化學(xué)反應(yīng)器固定床反應(yīng)器是化學(xué)工業(yè)最常用的反應(yīng)器之一，然而，對(duì)于許多氣-固反應(yīng)過(guò)程，壓降的大小可能成為操作成本的決定性因素，如煙道氣的處理在經(jīng)濟(jì)上可容許的壓降只有1～2kPa，傳統(tǒng)的固定床反應(yīng)器很難適用，開(kāi)發(fā)通量大、壓降小的新型固定床反應(yīng)器勢(shì)在必行。226.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.3串式化學(xué)反應(yīng)器串式化學(xué)反應(yīng)器正是這樣一種新型的固定床反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)如圖6-1所示，與傳統(tǒng)固定床反應(yīng)器的區(qū)別主要在于催化劑的裝填方式。圖6-1串式化學(xué)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖236.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器6.1.2超重力反應(yīng)器6.1.3串式化學(xué)反應(yīng)器6.1.4提升管-下行床耦合反應(yīng)器6.1.5光催化反應(yīng)器6.1.6膜反應(yīng)器6.1.7色譜反應(yīng)器6.1.8熱交換器式反應(yīng)器6.1.9噴霧流化床造粒器246.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.4提升管-下行床耦合反應(yīng)器清華大學(xué)流態(tài)化研究組開(kāi)發(fā)了提升管-下行床耦合反應(yīng)器，如圖6-2所示。裝置分為提升管與下行床兩部分，為了實(shí)現(xiàn)提升管與下行床的良好過(guò)渡，裝置的上段設(shè)計(jì)成雙套筒結(jié)構(gòu)，套筒的環(huán)隙為提升管，中心管為下行床，環(huán)隙提升管與下行床頂部的連接部分為特殊設(shè)計(jì)的折返結(jié)構(gòu)，主提升管與下行床內(nèi)徑均為192mm，為了保證流動(dòng)的平穩(wěn)性，環(huán)隙提升管部分設(shè)計(jì)成具有與主提升管、下行床基本相同的橫截面積。256.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器6.1.2超重力反應(yīng)器6.1.3串式化學(xué)反應(yīng)器6.1.4提升管-下行床耦合反應(yīng)器

6.1.5光催化反應(yīng)器

6.1.6膜反應(yīng)器6.1.7色譜反應(yīng)器6.1.8熱交換器式反應(yīng)器6.1.9噴霧流化床造粒器266.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.5光催化反應(yīng)器

對(duì)于各種含難降解有機(jī)污染物的廢水，尤其是各種工業(yè)廢水，大多采用生化、化學(xué)等方法來(lái)處理。目前利用TiO2作為光催化劑催化降解有機(jī)污染物已逐漸由實(shí)驗(yàn)階段的研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用的研究，但距大規(guī)模工業(yè)化尚遠(yuǎn)，如果研制開(kāi)發(fā)出可連續(xù)使用的高效光催化反應(yīng)器，對(duì)于處理大量的含難降解物廢水必將有廣泛而誘人的前景。

276.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.5光催化反應(yīng)器

圖6-3固定床光導(dǎo)纖維反應(yīng)器示意圖286.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.5光催化反應(yīng)器

圖6-4多重石英管反應(yīng)器示意圖296.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器6.1.2超重力反應(yīng)器6.1.3串式化學(xué)反應(yīng)器6.1.4提升管-下行床耦合反應(yīng)器

6.1.5光催化反應(yīng)器6.1.6膜反應(yīng)器

6.1.7色譜反應(yīng)器6.1.8熱交換器式反應(yīng)器6.1.9噴霧流化床造粒器306.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.6膜反應(yīng)器

將化學(xué)反應(yīng)與膜分離耦合起來(lái)的一種反應(yīng)設(shè)備即膜反應(yīng)器，是一種新型多功能反應(yīng)器，主要有兩種類(lèi)型：一種是產(chǎn)物分離型，一種是反應(yīng)物分配型。產(chǎn)物分離型膜反應(yīng)器用于受平衡限制的可逆反應(yīng)和中間產(chǎn)物為目的產(chǎn)物的連串反應(yīng)，前者由于產(chǎn)物的不斷分離，打破了平衡的限制，可使反應(yīng)的單程轉(zhuǎn)化率大幅度提高，后者因中間產(chǎn)物的及時(shí)移走，防止了它的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，可大大提高目的產(chǎn)物的收率。

316.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.6膜反應(yīng)器

反應(yīng)物分配型膜反應(yīng)器主要用于受動(dòng)力學(xué)限制的平行反應(yīng)，如烴類(lèi)部分氧化反應(yīng)。烴類(lèi)部分氧化反應(yīng)常伴有完全氧化反應(yīng)，而后者對(duì)進(jìn)料中的氧氣濃度更加敏感,因此維持較低的氧氣分壓可以獲得較高的產(chǎn)品收率。反應(yīng)物分配型膜反應(yīng)器的催化劑裝填在內(nèi)外管間的環(huán)形區(qū)，烴類(lèi)由環(huán)形區(qū)的頂部加入，氧氣由內(nèi)管經(jīng)膜沿徑向進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，由于氧氣能始終維持較低的局部分壓，故產(chǎn)品選擇性與固定床反應(yīng)器相比大幅度提高。326.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器6.1.2超重力反應(yīng)器6.1.3串式化學(xué)反應(yīng)器6.1.4提升管-下行床耦合反應(yīng)器

6.1.5光催化反應(yīng)器6.1.6膜反應(yīng)器6.1.7色譜反應(yīng)器

6.1.8熱交換器式反應(yīng)器6.1.9噴霧流化床造粒器336.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.7色譜反應(yīng)器

將化學(xué)反應(yīng)與色譜分離耦合可以構(gòu)成所謂的色譜反應(yīng)器。色譜反應(yīng)器的床層材料可以是催化劑與色譜固定相的混合物，也可以是兼有催化性能和吸附性能的樹(shù)脂。由于反應(yīng)物與產(chǎn)物在吸附劑上的吸附能力不同，在反應(yīng)的同時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物不斷被分離出來(lái)，因而不僅可以得到高純度的產(chǎn)品，而且可以打破化學(xué)平衡的限制，使得具有較小平衡轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)也能獲得較高的轉(zhuǎn)化率。色譜反應(yīng)器根據(jù)反應(yīng)器型式和操作方式不同，可以分為固定床色譜反應(yīng)器、移動(dòng)床色譜反應(yīng)器和模擬移動(dòng)床色譜反應(yīng)器。346.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.7色譜反應(yīng)器

在模擬移動(dòng)床色譜反應(yīng)器中，Kruglov等對(duì)甲烷氧化耦合反應(yīng)進(jìn)行了研究，C2收率達(dá)55%，而傳統(tǒng)的操作方式，C2收率只能達(dá)到20～25%，Kawase等研究了乙酸和苯乙醇的酯化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率大于99%，而該反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率只有63%。由此可見(jiàn)，選擇適當(dāng)?shù)纳V固定相作為吸附劑，色譜反應(yīng)器的確能突破平衡的限制，大大提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和收率。為使色譜反應(yīng)器早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，當(dāng)前的首要任務(wù)是開(kāi)發(fā)高吸附量高選擇性的吸附劑。

356.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器6.1.2超重力反應(yīng)器6.1.3串式化學(xué)反應(yīng)器6.1.4提升管-下行床耦合反應(yīng)器6.1.5光催化反應(yīng)器6.1.6膜反應(yīng)器6.1.7色譜反應(yīng)器6.1.8熱交換器式反應(yīng)器6.1.9噴霧流化床造粒器366.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.8熱交換器式反應(yīng)器熱交換器式反應(yīng)器是一種結(jié)構(gòu)緊湊的由一疊擴(kuò)散接合(diffusion-bonded)的薄板構(gòu)成，這些薄板有用化學(xué)蝕刻法制成的流槽。由英國(guó)BHRSolutions公司和英國(guó)Chart熱交換器公司研制的，試驗(yàn)在英國(guó)Hickson&Welch公司的一家工廠(chǎng)進(jìn)行。進(jìn)行的反應(yīng)是硫醚兩段催化氧化成亞砜中間體，然后轉(zhuǎn)化成砜。此放熱反應(yīng)需要兩種液相物質(zhì)混合，通常是在一攪拌反應(yīng)器中以半連續(xù)的方式進(jìn)行的。熱交換器式反應(yīng)器使此反應(yīng)可連續(xù)進(jìn)行，并通過(guò)改善混合和傳熱操作縮短在反應(yīng)器中的滯留時(shí)間。首次工業(yè)規(guī)模試驗(yàn)中己將反應(yīng)時(shí)間由通常的18h縮短到30min，而產(chǎn)率基本上不變。

376.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器6.1.2超重力反應(yīng)器6.1.3串式化學(xué)反應(yīng)器6.1.4提升管-下行床耦合反應(yīng)器6.1.5光催化反應(yīng)器6.1.6膜反應(yīng)器6.1.7色譜反應(yīng)器6.1.8熱交換器式反應(yīng)器

6.1.9噴霧流化床造粒器386.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.9噴霧流化床造粒器噴霧流化床造粒是將溶液、懸浮液、熔融液或粘結(jié)液噴霧到已經(jīng)干燥或部分干燥顆粒的流化床床層內(nèi)，在同一設(shè)備內(nèi)一步完成蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥或化學(xué)反應(yīng)的造粒過(guò)程。與傳統(tǒng)造粒方法相比，流化床造粒不僅具有工藝流程簡(jiǎn)單、設(shè)備裝置緊湊、投資省、生產(chǎn)強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，而且所得到的產(chǎn)品無(wú)灰、無(wú)塊，具有良好的流動(dòng)性能。396.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.9噴霧流化床造粒器近20年來(lái)，流化床造粒技術(shù)在許多化工產(chǎn)品造粒過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用。荷蘭NSM公司和日本TEC公司早在20世紀(jì)80年代初就開(kāi)發(fā)成功了大型尿素流化床造粒裝置；英國(guó)NIRO公司也已將流化床造粒技術(shù)用于氯化鈣、硫酸鋅等化工產(chǎn)品的造粒過(guò)程中。

406.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備

6.1.9噴霧流化床造粒器天津大學(xué)開(kāi)發(fā)成功帶導(dǎo)流筒的噴動(dòng)流化床造粒器。實(shí)驗(yàn)流程如圖6-5所示。來(lái)自鼓風(fēng)機(jī)的氣體通過(guò)加熱電爐加熱后進(jìn)入流化床下部的氣體分布室。流化氣流速利用熱球風(fēng)速儀測(cè)量。物料在熔料罐中經(jīng)過(guò)電爐加熱溶化后，由料泵經(jīng)金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)，由安裝在流化床底部的雙流體噴嘴噴入床層中。

1-鼓風(fēng)機(jī)；2-壓縮機(jī)；3-閥門(mén)；4-玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)；5-電熱風(fēng)爐；6-盤(pán)管加熱器；7-熔料罐；8-進(jìn)料料倉(cāng)；9-星形閥；10-流化床造粒器；11-金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)；12-料泵；13-振動(dòng)出料機(jī)圖6-5噴霧流化床造粒實(shí)驗(yàn)裝置流程圖416.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.1.1構(gòu)件催化反應(yīng)器6.1.2超重力反應(yīng)器6.1.3串式化學(xué)反應(yīng)器6.1.4提升管-下行床耦合反應(yīng)器6.1.5光催化反應(yīng)器6.1.6膜反應(yīng)器6.1.7色譜反應(yīng)器6.1.8熱交換器式反應(yīng)器

6.1.9噴霧流化床造粒器426過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)6.3過(guò)程強(qiáng)化實(shí)例6.4設(shè)備微型化436過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)6.3過(guò)程強(qiáng)化實(shí)例6.4設(shè)備微型化446過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.2.1脈動(dòng)燃燒干燥技術(shù)

6.2.2撞擊流技術(shù)6.2.3強(qiáng)化傳熱技術(shù)6.2.4以強(qiáng)化傳質(zhì)為目標(biāo)的耦合分離技術(shù)6.2.5以提高選擇性為目標(biāo)的生物分離技術(shù)6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)456過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.2.1脈動(dòng)燃燒干燥技術(shù)

脈動(dòng)燃燒干燥技術(shù)是利用脈動(dòng)燃燒產(chǎn)生的具有強(qiáng)振蕩特性的高溫尾氣流對(duì)物料進(jìn)行干燥。在強(qiáng)振蕩流場(chǎng)(振蕩頻率在50-300Hz之間)的作用下，物料表面與干燥介質(zhì)間的速度、溫度及濕分濃度邊界層的厚度均大大降低，從而強(qiáng)化了物料與氣流之間的熱量和質(zhì)量傳遞過(guò)程，特別是液體物料在該強(qiáng)振蕩流場(chǎng)的作用下被沖擊、破碎成極小的液滴，大大提高了其表面積，再輔以高溫(氣流溫度一般在700-1200℃之間)在極短的時(shí)間內(nèi)即可完成物料的干燥過(guò)程。6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)466過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.2.1脈動(dòng)燃燒干燥技術(shù)

實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)咖啡、工業(yè)廢液等物料的干燥，在0.01s之內(nèi)即可將其干燥為粉狀產(chǎn)品。由于干燥時(shí)間極短，物料的溫度一般不超過(guò)50℃。良好的傳熱、傳質(zhì)特性帶來(lái)了極高的蒸發(fā)效率，與理想蒸發(fā)能力2.674kJ/kgH2O比較，脈動(dòng)燃燒干燥過(guò)程的蒸發(fā)能力最多達(dá)2900kJ/kgH2O(一般干燥器該值在5000～10000kJ/kgH2O之間)。

6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)476過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.2.1脈動(dòng)燃燒干燥技術(shù)

與傳統(tǒng)的干燥系統(tǒng)比較，脈動(dòng)燃燒干燥具有下述優(yōu)點(diǎn)：干燥速率可提高2～3倍；熱量及質(zhì)量傳遞速率可提高2～5倍；熱效率提高可達(dá)40%；污染排放水平可降低10%，特別是NOx的排放可降至1%；除去單位水分的空氣耗量可降至30～40%；物料在干燥器內(nèi)停留時(shí)間短，溫度低，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的保護(hù)；較低的投資及操作成本；干燥器的體積小。

6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)486過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.2.1脈動(dòng)燃燒干燥技術(shù)6.2.2撞擊流技術(shù)6.2.3強(qiáng)化傳熱技術(shù)6.2.4以強(qiáng)化傳質(zhì)為目標(biāo)的耦合分離技術(shù)6.2.5以提高選擇性為目標(biāo)的生物分離技術(shù)6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)496過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.2.2撞擊流技術(shù)撞擊流(ImpingingStreams,IS)的概念由Elperin首先提出，但其應(yīng)用可追溯到20世紀(jì)50年代初開(kāi)發(fā)的Koppers-Totzek粉煤氣化爐。以氣-固兩相體系為例，撞擊流的基本原理如圖6-8所示。兩股兩相流相向高速(≥20m/s)流動(dòng)撞擊，在兩加速管之間造成一個(gè)高度湍動(dòng)的撞擊區(qū)。

6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)506過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.2.2撞擊流技術(shù)6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)圖6-8撞擊流原理圖圖6-9噴頭結(jié)構(gòu)示意圖516過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.2.1脈動(dòng)燃燒干燥技術(shù)6.2.2撞擊流技術(shù)6.2.3強(qiáng)化傳熱技術(shù)6.2.4以強(qiáng)化傳質(zhì)為目標(biāo)的耦合分離技術(shù)6.2.5以提高選擇性為目標(biāo)的生物分離技術(shù)6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)526過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.2.3強(qiáng)化傳熱技術(shù)強(qiáng)化傳熱技術(shù)是指能顯著改善傳熱性能的節(jié)能新技術(shù)，其主要內(nèi)容是采用強(qiáng)化傳熱元件，改進(jìn)換熱器結(jié)構(gòu)，提高傳熱效率，使設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用最低，達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程最優(yōu)化。早在18世紀(jì)初就提出讓風(fēng)吹過(guò)物體表面強(qiáng)化對(duì)流傳熱。但該技術(shù)真正引起人們重視是在20世紀(jì)60年代后，由于生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展的需要，強(qiáng)化傳熱技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)536過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.2.3強(qiáng)化傳熱技術(shù)在熱電廠(chǎng)中，如果將鍋爐也作為換熱設(shè)備，則換熱器的投資約占整個(gè)電廠(chǎng)投資的70%左右；在一般石油化工企業(yè)中，換熱器的投資要占全部投資的40～50%；在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中也要占30～40%。在制冷機(jī)中蒸發(fā)器的質(zhì)量要占總質(zhì)量的30～40%，其動(dòng)力消耗約占總值的20～30%。6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)546過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.2.1脈動(dòng)燃燒干燥技術(shù)6.2.2撞擊流技術(shù)6.2.3強(qiáng)化傳熱技術(shù)6.2.4以強(qiáng)化傳質(zhì)為目標(biāo)的耦合分離技術(shù)6.2.5以提高選擇性為目標(biāo)的生物分離技術(shù)6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)556過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.2.4以強(qiáng)化傳質(zhì)為目標(biāo)的耦合分離技術(shù)6.2.4.1制備型電動(dòng)色譜技術(shù)電場(chǎng)與色譜技術(shù)耦合6.2.4.2膨脹床色譜技術(shù)

6.2.4.3連續(xù)床色譜技術(shù)6.2.4.4灌注色譜技術(shù)6.2.4.5旋轉(zhuǎn)填充床技術(shù)6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)566過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.2.1脈動(dòng)燃燒干燥技術(shù)6.2.2撞擊流技術(shù)6.2.3強(qiáng)化傳熱技術(shù)6.2.4以強(qiáng)化傳質(zhì)為目標(biāo)的耦合分離技術(shù)6.2.5以提高選擇性為目標(biāo)的生物分離技術(shù)6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)576過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.2.5以提高選擇性為目標(biāo)的生物分離技術(shù)6.2.5.1親和萃取技術(shù)6.2.5.2親和膜分離技術(shù)6.2.5.3置換色譜技術(shù)6.2.5.4非水介質(zhì)電泳技術(shù)

6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)586過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)6.3過(guò)程強(qiáng)化實(shí)例6.4設(shè)備微型化596過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.3.1靜態(tài)混合反應(yīng)器進(jìn)行硝化反應(yīng)6.3.2懸浮床催化蒸餾合成異丙苯6.3過(guò)程強(qiáng)化實(shí)例606過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.3.1靜態(tài)混合反應(yīng)器進(jìn)行硝化反應(yīng)

6.3.2懸浮床催化蒸餾合成異丙苯6.3過(guò)程強(qiáng)化實(shí)例616.3過(guò)程強(qiáng)化實(shí)例6.3.1靜態(tài)混合反應(yīng)器進(jìn)行硝化反應(yīng)

有機(jī)物的硝化反應(yīng)進(jìn)行得非?？?，反應(yīng)過(guò)程中釋放出大量的熱量。如果反應(yīng)過(guò)程中放出的熱量不能及時(shí)散發(fā)，就會(huì)引起爆炸。傳統(tǒng)的硝化反應(yīng)是在帶冷卻夾套或盤(pán)管的攪拌反應(yīng)罐中進(jìn)行的。

626.3過(guò)程強(qiáng)化實(shí)例6.3.1靜態(tài)混合反應(yīng)器進(jìn)行硝化反應(yīng)

由于夾套或盤(pán)管的換熱面積小，單位時(shí)間內(nèi)能夠移走的熱量有限，為了及時(shí)移走反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，以免反應(yīng)過(guò)程失去控制，需要控制反應(yīng)物料的加入速度。因此，硝化反應(yīng)往往需要很長(zhǎng)時(shí)間，反應(yīng)罐的體積也非常巨大。636.3過(guò)程強(qiáng)化實(shí)例6.3.1靜態(tài)混合反應(yīng)器進(jìn)行硝化反應(yīng)

如一個(gè)年產(chǎn)15t硝基化合物的反應(yīng)器體積達(dá)13m3，每次硝化反應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)18h以上。而如果采用一種被稱(chēng)為“靜態(tài)混合反應(yīng)器”的新型硝化反應(yīng)器，反應(yīng)器的體積將減小到0.2L，為帶夾套的攪拌反應(yīng)器體積的1/65000；硝化反應(yīng)時(shí)間縮短為0.25s，為原來(lái)的1/259200；而年生產(chǎn)能力卻為原來(lái)的3.3倍，投資不到原來(lái)的40%，由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見(jiàn)的。同時(shí)，由于硝化反應(yīng)的時(shí)間短，基本上消除了副產(chǎn)物的生成，減少了環(huán)境污染。

646過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.3.1靜態(tài)混合反應(yīng)器進(jìn)行硝化反應(yīng)6.3.2懸浮床催化蒸餾合成異丙苯

6.3過(guò)程強(qiáng)化實(shí)例656過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.3.2懸浮床催化蒸餾合成異丙苯

催化蒸餾是催化反應(yīng)過(guò)程和蒸餾分離過(guò)程的耦合。通常是通過(guò)在蒸餾塔的精餾段和提餾段之間增設(shè)一反應(yīng)段實(shí)現(xiàn)。在普通的催化蒸餾過(guò)程中如圖6-12(a)，是將催化劑制成“催化劑構(gòu)件”后以一定的方式固定在反應(yīng)段中。這種固定床形式的催化蒸餾技術(shù)在MTBE等醚類(lèi)的生產(chǎn)中獲得了應(yīng)用，但在難于將催化劑制成“催化劑構(gòu)件”或者當(dāng)催化劑的壽命較短時(shí)就難于應(yīng)用。同時(shí)，“催化劑構(gòu)件”內(nèi)的傳質(zhì)問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)重。

6.3過(guò)程強(qiáng)化實(shí)例666過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.3.2懸浮床催化蒸餾合成異丙苯

為了克服普通催化蒸餾存在的缺陷，溫朗友等將懸浮床催化反應(yīng)與蒸餾分離過(guò)程耦合而成的懸浮床催化蒸餾(SuspensionCatalyticDistillation，SCD)如圖6-8(b)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索。

6.3過(guò)程強(qiáng)化實(shí)例（a）催化蒸餾（b）懸浮床催化蒸餾圖6-12催化蒸餾和懸浮床催化蒸餾示意圖676過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.3.2懸浮床催化蒸餾合成異丙苯

懸浮床催化蒸餾是一種嶄新的催化蒸餾技術(shù)，通過(guò)丙烯與苯烷基化合成異丙苯的實(shí)驗(yàn)表明只要選擇合適的催化劑，這一過(guò)程能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；懸浮床催化蒸餾合成異丙苯適宜的工藝條件為：常壓，反應(yīng)段溫度80～1OO℃，催化劑濃度0.015～0.02g?mL-1，進(jìn)料苯丙烯摩爾比1.75～3.在上述條件下，丙烯轉(zhuǎn)化率接近100%，異丙苯的選擇性>90%，產(chǎn)物經(jīng)普通蒸餾就可得到純度>99.9%,雜質(zhì)正丙苯和C8芳烴含量小于100μg.g-1的異丙苯產(chǎn)品；與普通催化蒸餾（CD）相比，采用負(fù)載型雜多酸為催化劑的懸浮床催化蒸餾制異丙苯工藝具有不需制作催化劑元件、不需停車(chē)更換催化劑、催化劑效率高、反應(yīng)條件緩和、產(chǎn)品純度高及雜質(zhì)低等優(yōu)點(diǎn)

6.3過(guò)程強(qiáng)化實(shí)例686過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化6.1過(guò)程強(qiáng)化設(shè)備6.2過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)6.3過(guò)程強(qiáng)化實(shí)例6.4設(shè)備微型化696過(guò)程強(qiáng)化與設(shè)備微型化微化學(xué)工程包括微型構(gòu)造的傳質(zhì)、傳熱、混合、分離、反應(yīng)設(shè)備等微型單元操作設(shè)備，微型傳感技術(shù)以及利用微型構(gòu)造設(shè)