【成果推荐】张跃教授部分成果发布

   发布时间: 2019-10-28    访问次数: 23

新型微通道反应器系统设计及其在硝化反应中的应用

     (一)综合介绍

      微通道反应器是一种依靠微加工技术在特定的固体基质上蚀刻出固定形态的通道,并且具有一定化学反应适用性的化工设备。与常规反应器相比,其内部通道直径细小,通常为10~500μm,其拥有极大的比表面积,可达常规反应器比表面积的几百倍甚至上万倍,因此产生极大的换热效率和传质效率,可以精确控制反应温度,确保反应物料瞬间混合,有助于提高化学反应收率、选择性、安全性,以及产品质量。硝化反应过程通常是一种快速的强放热反应过程,在常规反应器中硝化反应如果控制不当就会引起温度飞升、冒料甚至爆炸等失控现象。通过强传质和传热条件,可使反应在强化工艺条件下迅速完成,具有体系封闭、过程连续、工艺稳定、控制精确、副反应少、收率较高、反应区持液量少、安全性高、放大效应小、装置效率高、占地省、能快速应对市场变化等特点。


       张跃教授带领的流动化学和过程工程研究团队是致力于连续流化学反应工艺、药物中间体绿色合成、传统化工过程优化与耦合、流动化学及动力学、多级串联全混流反应器设计开发等领域研究的反应工程技术中心和绿色工艺推广平台。经过课题组数年的持续研究,设计开发了一种新型微通道反应器(通道直径5~10mm),通过若干微型全混流单元(multi-CSTR)的串联设计,实现了不同物料之间的高效混合,解决了连续流完全混合反应器(CSTR)模型和理想推流反应器(PFR)模型在实际装置运行中难以克服的混合不均、层流、返混等问题,尤其适用于以硝化、氧化、磺化等液-液非均相为主体的连续流反应工艺。


     (二)创新要点

      课题组通过创新性研究设计将传统反应器的三维属性做扁平化、二维化处理,实现了反应器换热比表面积的大幅度提升,是传统釜式装置的1000~5000倍,实现了反应物料和换热介质之间的高效换热。通过对微通道反应器整体结构的总体设计、模块化处理、装备材质的合理搭配,使得本反应器技术具有广谱的耐腐蚀能力和良好的耐温耐压能力,通过对微反应器内通道尺寸的适度放大拓展设计,易于实现量产化生产应用。


     (三)技术指标

      课题组通过设计并研制了具有高效传热、传质功能的毫米级微通道结构模块,结合连续串/并联组合式反应器,以量产化的连续流高通量微通道反应系统为核心的工艺技术和反应装备和硝化反应有机结合起来,相继推广建立了数套微通道反应系统连续安全生产硝基胍、硝基氯苯、二硝基萘以及4-氯-3,5-二硝基三氟甲苯系列硝化产品生产装置并进行了规模化生产,示范生产试验中技术指标满足相应的工艺技术要求,强化了工艺条件,提高了反应效率,装置操作稳定性得到大幅度提高,实现了产品的连续、安全、高效、稳定生产,产品纯度和品质显著提高。采用微通道连续流反应工艺,反应工艺过程的可控性大大提升,反应装置效率显著增强;连续化操作和大幅降低的反应区物料量使过程的危险性显著降低,单位体积生产装置的产能成倍增加,从而避免了传统硝化法所具有的易爆炸的缺点,并大幅降低污水的产生量。与传统工艺相比,在强化传热、传质、环保以及安全方面有着可靠的保障,通过过程强化、精确控温以及减少反应持液量等手段大幅度削减了废酸的产生,生产能力得到显著的提高,极大的提升了产品档次,在同行业中获得了良好的声誉,该微通道反应器可以柔性组合,在硝化、氧化、重氮化、氟化、磺化、烷基化等非均相反应中得到应用,成功地解决了强放热、易爆炸等安全性问题,建成了20余套不同规模的工业生产装置,实现了硝基胍、硝基氯苯、二硝基萘、己二酸、生物柴油、溴代叔丁烷、环氧脂肪酸甲酯、环氧氯丙烷、硝酸异辛酯等20多种化工产品连续化安全高效生产,实现成果转化项目10余项,已在医药、染料、化工中间体行业科技成果转化并建立了千吨级~万吨级工业化示范装置,为企业增收资金累计达20亿元,新增利润3.7亿元。



对位芳纶高盐废水无害化处理技术开发

     (一)综合介绍

      本项目是中石化科技十条龙攻关项目中的子项目之一,通过对用于芳纶高盐废水处理的多效蒸发析盐、盐渣焚烧、生化降解、催化氧化降解、蒸发脱挥、耐盐菌生化处理等不同单元工艺技术的研究,获取各种单元工艺的最佳条件;通过对不同单元工艺技术的不同组合工艺的研究,结合技术经济分析,确定其最佳组合工艺方法;最终形成对位芳纶高盐废水的高效工程化处理技术,工艺简洁,运行稳定,废水出水COD≤80mg/L,处理成本≤80元/吨,处理量为2.754 T/h。


     (二)创新要点

      开发了含NMP的CaCl2-NaCl混合盐溶液的结晶行为,多效蒸发析盐优化工艺,典型盐渣焚烧技术、催化氧化降解技术、生化降解处理技术和耐盐菌生化处理方法在本案中的应用可行性技术;不同单元处理工艺技术的组合技术以及高盐废水中低浓度氯仿的转化技术。


     (三)技术指标

      氯仿<10ppm,盐份<0.3%,NMP<0.13%,  固废废弃物要求:处理后废盐满足一般固废要求,湿含量<5% ,吨水处理成本:  60~80元。


对位芳纶溶剂脱盐技术

     (一)综合介绍

      本项目是以仪征化纤已建成的年产百吨级PPTA生产装置为基础,结合企业的技术人员和装备力量,依托行业内长期从事PPTA技术研究的科研单位的技术支撑,开发NMP聚合溶剂的高效回收工程技术;从而提高装置运行的稳定性、经济性。


     (二)创新要点

      本项目创新性地采用连续操作的真空转鼓刮板脱盐工艺技术对对位芳纶聚合溶剂进行回收处理,通过连续蒸发脱盐核心装备的成功设计,结合脱盐疏松化改进工艺技术,显著地解决了现有工艺技术中面临的诸多困难,实现了聚合溶剂回收过程的连续化、高效率、低能耗、高回收率、低污染。该工艺技术的系统研究和成功开发,可望形成自主知识产权的专利工艺及装备技术应用于对位芳纶的规模化生产中,具有良好的前景。


     (三)技术指标

      NMP含量(%)≥99.90,水分(ppm)≤200,NMP聚合溶剂的回收率≥97%。



硫酸法碳四烷基化微反应器及反应过程研发与应用研究

     (一)综合介绍

      本项目采用理想连续流反应器生产C4烷基化汽油,通过加强传质传热效果可缩短反应停留时间。同时,由于反应器换热面积大,换热效率极高,可将反应温度精准控制在±1℃,避免了局部温度过高造成副反应增多的问题。而理想连续流反应器体积小,无需搅拌,换热面积大,换热效率高,因此能耗显著减小。应用小体积的反应器实现了更宽的温度操作范围,以达到稳定的质量操控,反应条件优化能在最短时间内实现;在废酸处理上,采用连续流反应器浓缩技术,提高了催化剂的回收率,减少了对环境的污染。


     (二)创新要点

      适用于C4 烷基化反应的多级串联全混流微通道反应器系统(理想平推流反应器系统)的设计和工程实现,在以多级串联全混流策略建立的微型化组合反应器装置中研究C4 烷基化反应过程强化的原理及连续合成技术,该工作未见相关报道。


     (三)技术指标

      烷基化油的辛烷值97.0~97.9,1-丁烯总转化率≥99%,烷基化油选择性约63.5~64.2%。  



由燃料乙醇废渣木质素制造环保人造板的技术研究

     (一)综合介绍

      本项目开发以纤维乙醇废渣为原料制造环保人造板技术,通过对燃料乙醇废渣成分分析及控制,结合废渣水相合成胶粘剂工艺技术、木质素与胶粘剂的制板工艺技术,完成新型人造板工艺技术开发,形成燃料乙醇废渣制造环保纤维板关键技术,产品的物理力学性能满足GB/T11718-2009要求,环保等级达到E1~E0级要求,实现废渣的合理处理和综合利用。


     (二)创新要点

      以燃料乙醇含水废渣为主要原料,经固液分离,形成废水和干渣两股物料;将分离出的废水用于制成纤维板用微游离醛脲醛树脂,并与分离出的干渣混配,经特定的板材加工工艺,制造成环保型纤维板产品。


     (三)技术指标

      游离甲醛含量≤0.1%,固含量60.0%~65.0%;粘度150~300 mPa·s;固化时间25~30s;贮存期≥30d。板材的物理力学性能满足GB/T11718-2009的技术要求,板材中的游离醛含量达到E1~E0级要求。