精細化工反應器及車間工藝設計分析

方 飛，張平利，方永豪

（1.江西盛源新材料有限公司，江西贛州 341500；2.濮陽市市政設施管理處，河南濮陽 457000；3.中原工學院，河南鄭州 450007）

0 引言

精細化加工的反應過程相對繁瑣、復雜，在實際反應中極易出現(xiàn)各種風險。目前，在精細化精密加工生產(chǎn)依然采用傳統(tǒng)模式，反應器及車間工藝設計過于單一，創(chuàng)新性不足?；诖?，對精細化工反應器及車間工藝設計進行研究，提出相應優(yōu)化措施，包括創(chuàng)新車間工藝設計、優(yōu)化廠房空間設計、反應工藝流程設計等，為后續(xù)研究工作的開展奠定基礎。

1 精細化反應現(xiàn)狀

1.1 精細化加工行業(yè)概述

精細化加工是當下熱門行業(yè)之一，精細化產(chǎn)業(yè)在發(fā)展中逐漸由以往的單一性向多元化轉變，從精細化加工模式、精細化架構設計等均體現(xiàn)其科技性，為更精準的精細生產(chǎn)加工奠定基礎。精細化加工屬于技術密集型產(chǎn)業(yè)，在實際生產(chǎn)加工中主要特點為工藝的整體流程較長、單元反應相對較多、原材料相對復雜，并要求整個加工過程嚴謹控制、科學優(yōu)化。精細化生產(chǎn)加工的領域應用較廣，涉及多學科領域及多種專業(yè)技能，如多步合成、分離技術、分析測試、性能篩選、復配技術、劑型研制、商品化加工、應用開發(fā)及技術服務等（圖1）。

1.2 精細化反應過程較為復雜

精細化加工的反應過程相對較為復雜。首先在反應過程中會產(chǎn)生高溫或高壓情況，一旦出現(xiàn)持續(xù)高溫、高壓的狀況，會促進更為強烈的波動反應。在反應過程中，所采用的原材料均為有機物，反應過程的復雜性要求對反應器的選擇、應用更加科學。只有綜合分析產(chǎn)物及反應器應用，才能提升精準性。其化工工藝流程圖如圖2 所示。

圖2 化工工藝流程

1.3 精細化反應條件要求嚴格

在精細化生產(chǎn)加工中，反應的進行不是單一、片面的簡單流程，而需要基于現(xiàn)場環(huán)境及技術條件進行合理布局。實際反應進行中的條件因素有：反應工序、溫度、濕度、壓力等。需要精確地計算反應時間，包括反應物加入時間、反應過程所用時間，精準計算與測量方法可以提高其精確性。在濕度、溫度及壓力的計算、測量方面，需要采用專業(yè)設備。反應材料也相對復雜，對材料的用法及用量均需要嚴格控制。部分原材料需要存放在特定的環(huán)境條件下，否則極易發(fā)生變質。如果對原材料把控不嚴，可能造成發(fā)應異常，不僅浪費原材料還會增加運行風險。其工藝流程組成如圖3 所示。

圖3 工藝流程組成

1.4 反應會生成多種副產(chǎn)品

在精細化加工反應中可能產(chǎn)生多種副產(chǎn)品，并可能成為污染源。如果在反應過程中會出現(xiàn)大量的熱，選擇科學合理的反應器可以有效降低其反應風險。同時，反應生成的副產(chǎn)品可能具有腐蝕性，可能對土壤及水質造成破壞，需要進行二次處理。在反應過程中還可能產(chǎn)生易燃易爆氣體，需要在封閉條件下對其進行二次反應，處理、吸收易燃易爆氣體，降低安全風險?；し磻L險評估流程如圖4 所示。

圖4 化工反應風險評估流程

2 化學反應器操作規(guī)范與要求

按照反應過程特征、產(chǎn)品需求及物料特性，分析基礎工藝條件，選擇反應器類型，并選擇操作方式，主要以連續(xù)性、間歇性等操作方式為主。如果同一生產(chǎn)裝置生產(chǎn)多品種或多牌號產(chǎn)品時，采用間歇性操作較為方便。物料反應過程對外供能量或移出熱量的需求，需在反應裝置上進行適度調整。如果反應要求在催化劑環(huán)境下進行，還需注重催化反應方式和催化劑的應用。

2.1 間歇式操作要點

反應過程不是完全連續(xù)性或持續(xù)性的，也需要一定的間隔時間進行冷卻。在實際的反應器操作中，要根據(jù)升溫過程與添加原料的需求，合理地設置反應時間，注重間歇操作的把控要點，分析復雜反應工序所涉及的各種問題。間歇式操作在于降低持續(xù)反應時出現(xiàn)的劇烈波動，該操作方法具有安全性、可靠性等優(yōu)勢。

2.2 連續(xù)性操作要點

將原材料不間斷、不間歇地投入到反應當中，會提升其效率與質量。但持續(xù)性操作需要投入大量的人力、物力成本，在實際操作中需要注重其規(guī)范性。目前，針對連續(xù)性反應操作的建議有采用人工智能、自動化技術，以增強設備運行的持續(xù)性、連續(xù)性。

2.3 半連續(xù)性操作

半連續(xù)性操作以連續(xù)性、間歇式操作融合的操作方式為主，部分原材料需一次性注入反應器中，而部分原材料需間歇地投入其中。在實際操作中需在特定的時間進行作業(yè)。半連續(xù)性操作需要人工干預、人工控制，半連續(xù)性操作方式具有間歇式操作和連續(xù)性操作兩種方式的優(yōu)點[1]。

3 精細化工反應器及車間工藝設計優(yōu)化策略

3.1 創(chuàng)新車間工藝設計

精細化反應器及車間工藝設計對加工生產(chǎn)效率、質量影響較大。針對當前車間工藝存在的主要問題，對車間工藝設計進行創(chuàng)新。首先，需提升車間廠房的安全性，在精細化產(chǎn)品加工中，反應的不正常必然會導致風險。在車間設計上，需要提升吸收有害氣體及防火、防爆等能力，設置相應的安全保障設施，如消防、應急、急救等保障設施，做好降低風險的一切準備。其次，規(guī)范生產(chǎn)反應的合理性、有序性架構設計。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，提升車間的各個工序與流程的規(guī)范標準，如反應流程、反應器操作等的檢測、監(jiān)測工藝，提升精細化加工的效率[2]。

3.2 優(yōu)化廠房空間設計

在廠房空間設計中需強調空間的利用率及功能性，空間設計對生產(chǎn)加工過程與整體布局影響很大，也關聯(lián)反應器使用及精細化加工效率。首先，需要合理設計空間布局，多數(shù)精細化加工車間采用T 形設計，便于各個生產(chǎn)單元及加工模塊的配置，也有利于人員的風險疏散。其次，在廠房空間上需要注重反應過程，例如發(fā)揮性反應區(qū)域要遠離熱反應區(qū)域，科學降低風險，避免反應事故的發(fā)生。最后，在功能性設計上要強化空間的互動性，為反應器材提供存放空間、檢修空間、測試空間等，方便具體工作的開展[3]。

3.3 反應工藝流程設計

在反應工藝流程設計中需考慮多種因素、多種問題，反應工藝流程設計不是單一片面的簡單流程，而是科學合理的系統(tǒng)布局。首先，在精細化加工中，要選擇科學的反應方式、反應原材料，分析反應過程中可能出現(xiàn)的各種問題。對反應器的功能、參數(shù)等進行預先檢測，保證反應裝置的可靠性。其次，需要全面考慮反應中可能出現(xiàn)的各種副產(chǎn)品、污染源等，并對其進行綜合評估。然后，優(yōu)化反應原材料的存放及運輸管理，并制定相應的工作報告、反應計劃，降低事故發(fā)生的可能性。最后，要對工藝線路、工藝參數(shù)的可行性及安全性進行評估，生成安全風險評估報告，穩(wěn)定加工生產(chǎn)、降低風險事故[4]。

4 結論

綜上所述，通過對精細化工反應器及車間工藝設計進行分析，結合行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，對反應器操作要求及精細化加工步驟進行探究，提出針對性的車間工藝設計優(yōu)化方案，闡明反應過程中的風險控制要點，主要包括創(chuàng)新車間工藝設計、優(yōu)化廠房空間設計、反應工藝流程設計等，對后期工作的開展具有促進作用。