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摘要:隨著科學與技術的不斷發展和生產企業對于效率提升的追求,連續化生產的概念越來越受到關注。本文對連續生產、間歇生產就生產方式的本質和各自的優缺點進行了對比分析,并進一步分析了我國連續化生產方式的應用現狀。
連續生產是將各種反應原料按一定比例和恒定的速度連續不斷地加到反應器中,而且從反應器中以恒定的速度連續不斷地排出反應產物,反應器中某一特定部位的反應物料組成、溫度和壓力始終保持恒定。
間歇式生產是相比較連續生產較為傳統的一種生產方式,我國的精細化工目前主要采用這種生產方式,間歇過程是指將有限量的原料按規定的加工流程,在一個或者多個設備中生產,以獲得有限量產品的加工過程,通過重復整個過程可以獲得更多的產品。
間歇生產的反應設備以反應釜為主,具有一定的局限性
間歇生產法最常見的反應設備是反應釜,基本上能應用于所有的反應過程,氣、液、固均能處理,也可用結晶、蒸餾等其他用途,具有成熟的放大路徑,操作簡單,因此在化工行業的應用較為廣泛。
反應釜也具有較大的局限性,化工產品的合成過程中,雖然反應條件因產品而異,但其核心內容主要在于傳質和傳熱,如最常見的滴加式反應過程,對于反應速度快、釋放熱量大的反應,控制滴速非常重要,因為會影響反應溫度的控制,反應釜難以達到此類反應的傳熱要求,只能通過慢慢滴加來達到目的。如果反應器具有足夠的換熱面積,及時移走反應熱,就能加快加料速度,縮短反應時間,提高生產效率。再者,反應釜通過滴加來保證溫度,進行物料滴加的局部濃度和溫度都會過高,易發生副反應,只有傳質速度夠快,消除局部濃度和溫度過高的問題,才能使反應結果得到改善。綜上,反應釜不是最佳的傳質和傳熱設備。
連續生產能夠突破釜式反應的局限性,具有一定優勢
釜式反應的局限性促進了連續生產技術的發展,連續生產相比間歇生產使用不同類型的反應器、具有不同的特征,在某些方面突破了間歇反應的局限性。
⑴連續生產反應器
常見的反應設備按照長徑比分為釜(長徑比為1-3)、塔(長徑比為3-100)、管(長徑比為100-106)、微通道(長徑比大于106),長徑比越大,傳質和傳熱的效果相對越好,對于多相反應體系的適應性越差。連續生產技術能夠做到在了解反應機理和反應條件的基礎上,并運用反應熱力學、動力學知識進行反應器的設計,能夠對反應器的尺寸和性能進行很好的優化調整,在滿足反應對于傳質和傳熱的要求的基礎上,使體積盡量小。
⑵連續生產的特征
間歇生產使用的反應釜,同一釜內不同時間點的物料狀態不同,一開始是反應物濃度最高,最后是產物濃度最高。連續生產過程中,同一空間反應物和產物的濃度始終恒定,不隨時間變化。以管式反應器為例,物料進管位置相當于反應釜的初始時間,中部位置相當于反應釜的中間反應時間,末端位置相當于反應釜的終了時間,連續生產的空間點與間歇生產的時間點相對應,實現了時空轉換。
⑶連續生產的優勢和缺陷
可以看出,連續生產一定程度上突破了間歇生產在傳質和傳熱方面的局限性,具有很多間歇反應無法比擬的優勢:連續生產容易實現自動化控制,產品的質量和產量穩定,間歇生產難以實現自動控制且費用昂貴;連續生產能夠縮短反應時間,提高生產效率,而間歇生產需要花費時間調整溫度和壓力、投料、準備下一批投料等;物料流動有利于反應熱及時導出,而且反應物的濃度較低,有效防止副反應;連續操作能夠實現節能。
連續生產也具有一定的缺陷:連續生產技術開發比間歇生產要難的多,對于小規模生產性價比不高;間歇生產開工、停工比連續生產容易,在產量大小和產品更改上也更有靈活性;受某些原料或者產物的物理性質等因素,難以進行連續操作。
目前連續生產方式在我國的化工領域應用相對較少,但已經受到一些關注
我國目前只有大型石油化工及基礎化工的生產過程基本采用自動連續化生產方式,但是在精細化工領域,尤其一些產品的全球年需求量不超過十萬噸,基本采用間歇式生產。精細化工產品品種較多,對某一個產品的生產工藝無法深入研究,而且產量較小,導致很多研發機構和企業不愿投入精力和時間去進行深度研發。而國外很多大型化工廠基本進行大型化、連續化的生產,例如陶氏化學,在對工藝深入研究的基礎上才敢于將產品的生產進行放大,一種產品擁有多個20立方米的反應罐,向全球市場供應,我國在這方面目前距離世界先進水平還有較大差距。實施專業的、優化的、連續生產工程化技術,能夠促使生產企業變得節能高效,提升核心競爭力,隨著制造技術的提升,我國也有企業開始重視生產方式的連續化改造,也出現了一些專門將間歇生產工藝轉換成連續化工藝的科技公司,可能會給這些企業帶來新的發展。
結語
連續生產方式在一定程度上能夠突破間歇生產的局限性,具有間歇生產無法比擬的優勢。受限于一些現實因素,我國的連續化生產應用還未普及,隨著制造技術的提升,連續化生產改造可能受到越來越多的關注,有助于提升企業的核心競爭力。
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