化工过程强化系列5：问题解答——连续流反应器部分

现在针对连续流反应器更新期间大家提出的问题，进行整理汇总并作解答。

问题1：连续流化工设备目前国内是否有生产与工业化案例？

目前无论微通道反应器还是管道反应器国内均有设备厂家生产，设备的生产制造不是问题。国内已有若干成熟项目，例如绍兴某厂乙烯利项目，具体新闻链接如下：

https://zj.zjol.com.cn/news/692167.html

问题2：目前市面上非常小型的微通道反应器装置号称能达到1000吨/年产量，是否可信？

首先，现在市面上说的微通道反应器一般强调通量而非产量，你所说的应该是通量为1000吨/年，这个是可以达到的没有问题。微反应器的通量一般针对设备而言，也就是指流体力学上设备可以通过的流体流量。但是这个通量一般不等于产量，产量是与工艺有关的概念。微反应器实际能达到的产量还与停留时间与原料浓度有关。比如说一套微反应器设计通量1000吨/年，流体停留时间60s，如果你的反应能在60s内完成，那么就可以达到1000吨/年的产量。但如果反应完成需要120s，那么为了保证反应完全进行你只能以500吨/年的流量通入物料，产量自然打折。另外现在的反应一般有溶剂，不可能1000吨通的都是原料，可能大部分是溶剂，这种情况下原料浓度也会影响最终产量。

问题3：间歇搅拌釜与连续搅拌釜的设计区别是什么？

间歇搅拌釜一般是在知道产量的情况下，通过实验或者操作经验核算每批次的操作时间再选择釜的大小和数量。 连续搅拌釜大体上可以分单釜与多釜串联，单釜的设计方法首先确定想要得到的转化率，然后通过实验知道这个转化率下单位时间单位体积的产量，结合要求的产量计算反应釜的体积与数量。多釜串联可以按照物料在反应器内停留时间，结合产量来确定反应釜的大小。这个停留时间大概与间歇釜的纯反应时间相当，但是要经过一定的放大。这只是大体思路，但是实际过程中会根据加料方式以及是否产生惰性物质进行调整。

问题4：某强放热水解反应，但有可能生成固体，是否可以考虑采用微通道反应器？

原则上强放热快速反应适宜采用微通道反应器，但是生成固体的话需要看颗粒大小和固含量判断是否对通道有影响，当然也可以根据固体颗粒情况特殊设计通道或者采用管道反应器进行。

问题5：如何理解微通道反应器内边界层厚度的问题?

简单结构的微通道反应器通道内完全为层流，但是由于通道本身狭小，层流层的厚度还是很小的。复杂结构的微通道反应器，会通过通道设计尽可能产生部分湍流，当然流体阻力更大，但是流道中的层流层厚度是不可能超过流道的。

问题6：如何利用微通道反应器实现多级逆流萃取？

这个问题涉及到流程组织，最简单的做法可以设置多个微混合器，单台混合器内两股流体完全混合，但多台混合器之间为流体流动方向为逆流，当微混合器有一定数量（4块以上）就可以达到逆流萃取的目的。

问题7：除了文章中提到的T型与心型混合器，微通道反应器还有那些通道结构？

目前微通道反应器通道结构很多，除文章中提到的还有伞型与波节通道，我们之后的文章还会讲撞击流通道。另外清华大学方面也有很多有特色的通道结构。

问题8：对比传统反应器，同样生产能力下，是否微反应器的设备成本更高，但是操作费用降低？

微通道反应器操作费用低，但设备成本方面一般会高，包括微通道反应器的费用以及配到的控制仪表费用。但这并非绝对，特定条件下微通道反应器成本比传统反应器低。比如说反应特别快速可以用小型实验机完成大规模生产，这种情况当然成本低。另外要考虑路线经济性的问题，比如原来的多步反应，现在一步就可以进行还可以用便宜的物料，成本当然降低。总体来说选择合理的工艺和流程整体成本低于传统工艺，但如果工艺选择不正确，不应该用微通道反应器来做的流程强行使用当然会导致成本浪费。

问题9：能否对金属与陶瓷材质的微反应器做一个对比？

金属微通道反应器可以采用多种工艺加工得到更细的流道获得更大的比表面积与传递效果。此外金属材料力学热学性能较好，不容易破裂，可以承受更高的压力。但是最严重的问题在于金属耐腐蚀性能差，对于微通道反应器本身通道尺寸就在毫米或微米级，如果腐蚀量一年就在0.1mm左右这种后果一定是灾难性的。

陶瓷材质目前主要为碳化硅，耐腐蚀性能有一定保证，但是存在几个问题，首先通道尺寸受限，基本为毫米级通道。此外材料较脆，不能耐压。最后密封比金属困难，碳化硅真实耐腐蚀性实际取决于密封材质与结构。

问题10：另外，碳化硅传热好是不是一个优点？

碳化硅反应器整体传热效率未必比金属材质好。首先微反是无压烧结碳化硅，传热能力比热压烧结差。另外碳化硅不利于加工成细小管道，导致流体向通道壁传热效果不及金属反应器，换热比表面积大。最后，碳化硅反应器壁厚一般大于金属。因此实际上碳化硅反应器传热效果未必比金属反应器好。

问题11：高压重氮化（240-250℃，4mpa）是否可以考虑用微通道反应器

我认为常规重氮化有前景，但这个反应条件过度极端。目前没有可用的反应器，首先这个是重氮化材质上需要碳化硅，温度压力这么高碳化硅板密封很难，另外下高压下碳化硅板子会非常厚，板两侧温差还不能大怕温差应力炸裂，所以传热性质难以保证。如果实在要做只能考虑哈氏合金，但要进行严格腐蚀试验。总体而言这个流程很难做。

问题12：聚合反应粘度逐渐加大是否可以考虑用微通道反应器来做，有没有合适案例？

从反应特性来说应该是可以的，但是我没有见过类似案例。

问题13：作为微通道反应器生产企业，应该如何进行项目推进？

这个问题，我对市场可能判断不准确，我仅讲讲我的观点。首先微通道反应器现在设备上能做的不少。但是与工艺结合这个问题还是要多和生产单位合作，设备方解决工艺难度很大。另外我觉得可以尝试一些针对特定大类反应的专用反应器，比如说重氮化与硝化专用反应器，这样比较好推广。

问题14：微通道反应器的放大效应能不能详细解释一下？

理论上微通道反应器是进行数量放大的，这种情况下不应该有放大效应。但实际上由于实际生产上的经济性考虑不可能进行严格的数量放大，这就导致了放大效应的问题。

举例来说，试验过程中一台泵给一台反应器供料，不存在物料分配不均的问题。生产上为了节约成本一台泵给几台并联反应器供料，这就可能导致不同反应器内物料分配不均的问题。

或者小型反应器壁厚可以做得非常薄，传热效果自然好。放大后由于结构原因必须加大壁厚，这也会导致换热性能的差异。

再比如实际产量远大于小试产量，不得不增大微通道特征尺寸，这样一来传热传质性能都会比变化。

问题15：微通道反应器优点很多，但用微反试验了很多现有工艺效果都不好，这是怎么回事？

说实话这是常见现象，很多厂都这样。首先，现有工艺为了照顾现有设备一般都是慢速温和反应，对于这类反应微通道反应器本身就没有意义。微通道反应器应该用于测试开发一些现有设备做非常危险难控制的工艺。其次，微通道反应器的试验设备一般重视通用性，各方面性能比较平均，未必对特定流程是最优化的。如果出现试验有效果但无法达到预期，可以考虑针对这个流程单独特殊设计微通道结构。

问题16：管道反应器能代替微通道反应器吗

只能说各有适用范围，我觉得如果技改的话可以先从管道反应器改起，另外如果推微化工工艺，其实小试的时候可以先攻管道反应器试试，可行了再买设备。

问题17：反应时间特别长适合用管道反应器吗？管子会不会特别长？

你说的没错，反应时间特别长的话管道反应器也受限制，有的反应器长几百米，但是还是不够。管子越长要连接焊接的地方就越多，不确定性就越大。做成列管是一种思路，但是要考虑到流速不能太低，否则管道内部有可能结垢结疤之类的。

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