旋转填充床反应器强化新技术及其工业应用-摘要-陈建峰

分子混合反应工程：旋转填充床反应器强化新技术及工业应用

陈建峰

北京化工大学化学工程学院，北京100029

化学工业是我国国民经济的重要支柱产业，但由于搅拌釜等传统反应器分子混合和传质速率低，使生产过程存在收率低、能效低等难题，导致了“高能耗、高污染、高物耗”（“三高”）等工业问题。因此，研究分子混合、传递与反应协同性理论，研制新型结构反应器及过程强化新技术，有效解决化工生产过程的反应共性问题，成为上世纪九十年代初国际学术界和工业界的研究前沿。鉴于此，我们研究提出了跨尺度分子混合反应工程理论模型，发明了强化分子混合和传递过程的新途径，发明了强化调控反应过程的旋转填充床新型反应器，并经过长达二十年的基础理论、新技术和工程化应用三个层面的系统研究，取得了被国内外同行誉为“First”（首次）的突破性工业化应用成果，构建了旋转填充床反应与分离技术平台，并在大宗化学品、碳纤维、气体分离和纳米材料制备等方面实现了大规模工业应用。本文主要介绍以下创新内容：

1 旋转填充床反应器设计方法与新结构装备技术

研究揭示了旋转填充床反应器内流体流动、混合和传质及其与反应过程耦合的行为规律，研究表明：旋转填充床反应器具有数量级强化分子混合和传质过程的优势；建立了旋转填充床反应器理论模型以及基于模型和实验相结合的反应器结构设计方法，开发了适用于液-液、气-液(-固)等不同多相流反应体系和低浓度、高粘度体系物质分离的系列新颖结构旋转填充床反应器/分离器，包括转子内缘混合式、预混式、多环多层组合式及整体结构化式等新结构高效旋转填充床反应器等，为相应过程强化新工艺开发提供了核心反应器，形成了转子直径从0.8米到3.5米的系列化工业反应器装备设计技术。

2 旋转填充床反应强化新技术

在理论研究基础上，提出了“受分子混合或传递限制”的液相快速反应过程旋转填充床反应器强化调控的新方法，通过合作，开发了缩合、磺化、聚合、氧化、碳化等多相流反应过程旋转填充床反应器强化系列新工艺技术，并成功应用于三条总计产能100万吨/年聚氨酯单体MDI、11万吨/年己内酰胺、1万吨/年纳米碳

酸钙等产品的工业化生产中，取得了显著的节能降耗、增产提质效果。如应用于MDI制造，与原反应器工艺相比，其缩合反应进程加快100%，产能提升了75%，产品杂质含量下降了30%，技术经系统集成后单位产品能耗降低30%以上，比跨国公司低约20%，产品质量处于世界领先水平，有力提升了产品的市场竞争力；应用于环己酮肟重排反应工业过程，在11万吨/年己内酰胺技术改造中获得应用，实现了工业化生产，工业运行结果表明：使用新反应器技术后，主要微量杂质含量下降了80%，一等品产品产率由原工艺的85%提升至100%，强化效果显著。

应用于MDI的旋转填充床反应器工业化生产线(宁波万华公司，40万吨/年）

3 旋转填充床分离强化新技术

利用旋转填充床具有百倍级强化分子混合和传质速度的特征，我们研究开发了以分离为目的的系列旋转填充床过程强化新技术，包括酸性气体(SO2、H2S、CO2等)反应吸收分离、水脱氧、高粘体系聚合物脱挥等，并成功实施应用于20万吨/年硫酸尾气二氧化硫深度脱除、250吨/小时油田注水脱氧、1000吨/年T300碳纤维等生产中，取得了显著强化效果。如应用于碳纤维原丝聚合液脱单脱泡，与原工艺相比，残单含量下降90%，碳纤维力学强度提高了5%、离散系数下降0.4个百分点、生产质量稳定性显著提高等；用于硫酸尾气脱SO2，处理后尾气中SO2浓度小于200mg/m3，远低于国家新排放标准(400 mg/m3)，与传统填料塔技术相比，新技术具有脱硫效率高、设备小、运行成本低等优点。

本研究成果受到了国内外同行的正面评价，如：美国橡树岭国家实验室和美国Dow Chemical 公司的同行在其公开综述论文和会议论文中等评论道：“…在国际上首次（First）实现了商业化应用…”。

理论研究与工业应用表明：旋转填充床新型反应器与现有其它类型反应器相比，在分子混合和传质效率方面具有双重明显的高效率优势，与常规反应器比，分子混合速率和传质速率可快10-100倍，因此，旋转填充床反应器技术在受“微观分子混合和传质过程限制”的多相反应或分离工业领域中具有重要的应用价

值，其应用范围可遍及化学工业中受微观分子混合和传递控制的多相流反应过程、分离过程和纳米材料制备过程，如：煤基合成气直接法制备低碳烯烃新技术开发等，该技术的推广应用，为促进我国化工行业的节能减排和产业结构的调整具有积极的意义。