化工反应釜（共7篇）
化工反应釜 篇1
摘要：随着社会的不断发展, 反应釜被广泛应用于制药、化工等领域中。但就当前的现状来看, 反应釜温度控制在化工生产中仍然存在着某些不可忽视的问题, 为此, 基于化工领域可持续发展背景下, 应注重强调对反应釜温度控制系统的优化设计, 并注重结合反应釜工作特性, 选用最优控制器参数, 达到高效、稳定温度控制状态, 提升控制系统整体的运行水平。
关键词：化工,反应釜,温度控制,设计
在化工生产过程中, 反应釜作为原料向产品转换的主要设备, 其关系着整体生产效率。为此, 为了适应当前化工领域的发展需求, 在化工生产过程中应注重针对温度控制问题, 设计温度控制系统, 从而加强反应釜温度控制效果, 满足化工生产需求。以下就是对反应釜温度控制系统设计路径的详细阐述, 望其能为当前化工生产的健康稳定发展提供一定的参考, 并带动反应釜控制系统的不断优化。
1 化工反应釜工作特性
就当前的现状来看, 反应釜工作特性主要体现在以下几个方面:
1) 反应釜在对化工生产温度进行控制的过程中, 将热水阀门、冷却水阀门作为控制工具, 同时注重在温度调试过程中以均匀搅拌物料的方法控制温度, 并就此保障温度的均匀性。此外, 在工艺升温阶段, 为了保持温度恒定的运行空间, 在加热已达到预定反应温度的基础上, 将多余热量移走, 由此满足生产工艺的需求, 达到最佳的生产工艺状态。
2) 从反应釜操作流程角度来看, 要求相关技术人员在操作过程中, 应注重计量一批或几批反应物, 同时注重在加热反应阶段, 严格控制加热时间, 并确保反应釜内处在持续升温的状态下, 以保障温度或压力上升至开始反应过程的稳定性, 满足生产工艺的需求。此外, 在反应放热阶段, 由于反应温度、放热速率间存在着正反馈自激关系, 因而在反应釜系统操作过程中, 应加强对温度进行有效控制, 即确保其始终处在低于警戒线的状态下, 规避“爆聚”, 即能量或物质快速对称地向内会聚的过程, 提升生产工艺整体水平。
3)
2 化工反应釜温度控制系统设计路径
2.1 软件配置设计
在反应釜温度控制系统设计过程中, 为了满足合成釜、配料釜等的工艺温度控制, 并反馈液位、压力、流量等测点的实时检测数据, 要求相关技术人员在对软件进行配置过程中, 注重将S7-300作为系统支撑条件, 同时注重在软件系统设计过程中配备软件主界面、程序编辑器、符号编程器、硬件诊断等功能, 由此实现对LAD、FBD、STL, 即梯形图语言、功能块图、指令表语言等的编程与分析, 并实现对化工生产过程中数据的管理, 满足数据应用需求[1]。此外, 在软件配置设计过程中, 亦应注重完善统一通信环境, 即利用可编程序逻辑控制器, 连接各网络环境, 同时将报警信息、通信信息、编程信息等反馈至人机操作界面平台, 最终实现对反应釜设备的有效管理。另外, 在反应釜温度控制系统设计过程中, 亦应注重完善WINCC监控软件, 继而便于用户在对化工生产过程中的反应釜温度进行有效控制时, 可实时获取现场控制画面, 且通过人机界面, 调整反应釜加热阶段等温度状况, 由此满足生产工艺需求。
2.2 硬件配置设计
在硬件配置设计过程中, 首先要求相关技术人员注重依据化工生产需求, 将反应釜温度控制系统以输入模块、输出模块、通讯模块、数字量模块进行划分, 且注重在模块设计过程中调配硬件控制系统灵活度, 如, 在中央处理器设计过程中, 将S7-300作为核心组成部分, 同时注重运用远程设备ET200, 对调节阀、电机等现场设备的运行数据进行采集、整理, 并将其以I/O数据形式输出系统, 供用户使用。此外, 在反应釜温度控制系统设计过程中为了满足系统设计需求, 应注重在系统优化处理过程中配备1个以太网通讯模块、3个温度检测模块、6个模拟模块等, 由此来打造良好的温度控制空间[2]。
2.3 人机操作界面设计
在反应釜温度控制系统设计的基础上, 人机操作界面的设计应从以下几个层面入手:
(1) 在反应釜温度控制系统处理过程中, 为了便于用户的操作需求, 提升温度控制的整体效果, 应注重将WINDOWS2007作为人机控制系统设计的核心部分, 同时注重配置两台或以上的计算机, 由此来实现对化工生产现场的实时监控, 并以人机界面监控画面的形式对化工生产过程中设备运行参数进行反馈, 由此达到最佳的反应釜温度控制效果[3]。
(2) 在人机操作界面设计过程中, 为了提升反应釜温度控制的整体效果, 亦应注重完善酯化缩聚画面、总图画面等反馈功能, 由此实现对温度的实时操控, 且通过界面对设备运行曲线画面的观察, 对温度进行有效的调整, 规避“爆聚”等不安全事故问题的凸显。
2.4 参数因子自调整模糊控制器设计
在反应釜温度控制系统设计过程中, 为了满足系统的稳定运行, 应注重在系统优化处理过程中, 从调整因子、量化因子等角度出发, 对温度控制系统参数进行选择, 并设定釜温误差、误差变化分别为E、EC, 继而将釜温误差置入到对应域中, 即:E (k T) =K1e (k T) [4], 且通过对现场环境的观察, 对量化因子参数等进行调整, 最终将E控制在1.5左右, 由此来达到最佳的系统温度控制效果, 同时依据监控画面, 观察调试后参数变化状态, 实现对温度工艺曲线的最优调整。
3 结论
综上所述, 基于现代化工领域可持续发展背景下, 温度控制问题逐渐引起了人们的关注。因而在此基础上, 为了打造良好的工艺生产环境, 要求化工企业在实际生产过程中应注重从人机操作画面设计、硬件配置设计、软件配置设计等角度出发, 对反应釜温度控制系统进行优化处理, 并致力于打造实时监控环境, 以便于相关工作人员在实际生产过程中通过人机界面实时调试温度状况, 最终满足生产工艺需求。
参考文献
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[4]安丰颖.无模型自适应控制系统在聚合反应釜温度控制中的应用[J].化学工程与装备, 2014, 12 (04) :71-74.
化工反应釜 篇2
许多化工事故发生的原因在于人们对其反应危害了解不够, 有些工艺在设计时没有认真做好筛选测试, 从而导致化学物质在特定情况下发生不希望发生的反应, 异常的放热或吸热, 最终引发事故。例如1984年12月3日在印度博帕尔农药厂发生的贮罐被腐蚀产生铁离子使反应加快, 从而导致反应失控, 造成严重后果。又如2005年1月18日零时15分, 我国华北地区某化工厂聚氯乙烯聚合釜反应失控, 过压致使紧急泄压系统起动, 氯乙烯外泄, 引起爆燃。
在化工和石油化工中, 过氧化合物与氢过氧化合物由于其热稳定性很差通常被用作自由基引发剂[1]。这些化合物受热、机械撞击或者摩擦特别是某种特定催化剂影响会发生剧烈分解。因此, 对类似物质的反应危害评价是化工行业重点关注的环节。如果缺乏准确的反应物、中间体、产品有关反应化学知识, 后果将是灾难性的。通常生产操作中很微小的改变都会导致温度压力的变化以至于引发反应失控。有些情况下, 反应相关信息可以从文献中获得, 但是如果文献中无法查到相关重要信息, 那么就要通过量热器的方法估计反应危害, 从而进行筛选。
2 化工反应危害
一个化工工艺从化学方程式到最终的大规模生产要经过许多环节, 其中非常重要的一环即是筛选测试, 其目的就是要尽可能的在小试和中试阶段, 寻找其中所有反应的起始反应温度、物质分解温度等, 从而将反应危害辨识清楚, 消除和降低生产中的风险和危害。化工工艺生命周期如图1所示。
反应危害主要的表现是异常的放热吸热及伴随的压力波动。因此在分析反应危害时应对反应体系所涉及的所有化学反应, 包括主化学反应和可能发生的副反应, 都应进行反应热测量或计算。测量或计算反应热的方法很多, 既可以利用工艺过程中在用的各种测量器进行测量和计算, 也可利用化学反应过程进行推算, 或查阅相关文献资料获得这类数据。特别应识别反应混合物中的所有潜在反应, 取得这些反应的反应热数据。这就需要DSC、TSU、APTAC、RSST等筛选测试仪器。
3 反应危害筛选测试
筛选测试主要是基于通过观察放热的起始温度和放热的大小, 从而确定纯物质或混合物的潜在反应危害。筛选测试通常是取少量 (DSC取10mg以下, TSU取10mL以下) 样品进行加热 (-20～400℃) , 记录其温度、压力与时间关系的数据。这些数据既可以用于反应危害的辨识评估, 也可成为报警设定、安全阀、爆破片选型以及反应危害评估的依据。
该筛选测试通常选用DSC (差示扫描量热仪) 、DTA (差示热分析仪) 、TSU (热筛选单元仪) 、RSST (反应系统筛选工具) 。高效的筛选技术所遵循原则是用最小的代价最快速的获得必要数据。
筛选测试需在绝热环境中进行, 这样得到的温度和压力变化将完全来自于化学反应本身。如果希望模拟化工行业中的反应失控必须在绝热条件下进行。因为, 大尺寸的工业设备通常与绝热状况非常接近, 其反应容器的尺寸比较大, 反应的物料量也非常多, 其焓变绝对值也较大, 外界环境对其的影响相对于这些变化来说可以忽略不计, 因此将其看作一个绝热环境。
在化工工艺中, 乙炔基化合物、金属乙炔化合物、偶氮化合物、重氮化合物、亚硝基化合物、次氯酸盐、硝基化合物、过氧化物、亚硝烷烃、羟胺盐、氯酸盐、高氯酸化合物等都是高能分子结构的化合物, 应重点关注, 做好筛选测试。
有很多用于反应危害评价的量热仪, 通常是通过DSC、TSU和RSST实现对起始温度的测量。需要更精确测试时会用到其他量热器如APTAC (自动压力绝热量热器) 。
各类量热器对比情况如表1所示, 其中仪器的温度量程和测试压力根据型号和样品单元不同而有所差异。
经过实验比较和查阅相关文献[2]DSC/DTA缺点包括没有典型的样品, 不能做混合物, 放热起始温度点受扫描速度影响, 没有压力数据, 提取动力学数据困难。APTAC可以通过加热-等待-搜索 (HWS) 模式在绝热环境中较精确的测量反应过程中的温度和压力[3], 但价格较高且运行时间较长, 不能满足快速准确的反应危害筛选。TSU和RSST可以对固、液混合物进行筛选测试, 并能给出温度和压力数据。且购置和运行成本适中, 是较为合适的化学品筛选测试设备。
4 化学品反应危害程度分级
在目前, 化学品危险性分级多以闪点、爆炸极限等为指标进行, 然而表征化学品反应危害的指标还没有为大众接受。而国外通过大量实验发现, 可以通过对化合物在反应中第一次表现出放热的温度, 即起始温度 (Tonset) 进行测量, 有较好的针对性, 是筛选反应危害级别测试中的一个关键参数。于是Ando等提出了以起始温度划分反应化学品危害程度[5]。有了起始温度, 还可以推算出反应焓变, 这样两个指标可以帮助我们对化学品的反应危害有个更深入的了解。反应过程中放出能量 (-ΔH) 用公式 (1) 计算:
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其中
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ms是样品球质量, 是热惯量, Cps是样品球比热, m是样品质量, Cp是样品的比热 (平均都超过Tonset, Tmax) , Tmax是反应中样品能达到的最高温度。
根据量热数据, 对于单一的n级幂次法则反应, 速率常数k可以通过公式 (3) 计算得到:
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其中, n为反应级数[6,7]。
可以从温度时间量热数据中计算得到反应的总体热动力学和力学。在温度时间数据曲线中可以很容易的确定起始温度和反应热这两个筛选测试的参数。
在多个反应系统中进行具体的分析是很重要的。然而没有一种研究者公认的系统可以进行更为成熟的测试。因此, 建议采取一种基于化合物起始温度 (Tonset) 和反应热 (-ΔH) 的危害分类方法。根据实验数据, 建议分为四类, 如表2所示。
由于甲级化学品会在低温下发生反应伴随放出大量热, 因此最危险, 必须小心使用和处理。甲级到丁级化学品危险性逐渐递减。见图2。
根据化学品或化合物反应的起始温度和放热, 危害分类设有固定的严格的阀值或边界。通过采用模糊逻辑方法可以避免这些确定这些严格的边界, 然而, 研究的目标是建立一个反应化学分类的基础。Sanjeev等建议将200°C作为起始温度的临界值[6], 该值也与美国消防协会所确定的本质热稳定率一致[8], 美国消防协会根据绝热条件放热起始温度在200°C以下的物质定为二级危害物质。三硝基甲苯 (TNT) 被公认为高含能材料, 通常被作为炸药。其分解释放的能量大约是290kcal/mol[5]。反应热的临界值可以定为TNT分解释放热量的一半, 或约150kcal/mol。ASTM CHETAH程序根据热的形式计算分解的最大热量, 如果分解最大热量超过放热量-2.929kJ/g, 该物质可定为危险的。因此, 可以将反应热的临界阀值定为1.5kJ/g (350cal/g) 。见表3。
5 反应风险指数
一个接近真实的综合反应危害风险评估应该考虑一个反应系统的过程温度。因此, 可以根据起始温度和反应热对反应危害风险进行量化分析, 建议定义一个温度安全率:
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其中, τ是反应率的表征, τ越低越安全。根据Arrhenius方程, 随着温度的增进, 反应率也增加, 其指数型式如式 (5) 所示:
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其中, k是常数率, A是频率因子, Ea是激活能量, R是气体常数 (1.987cal/molK) 。
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β是一个热动力学数值, 是一种物质潜在能量释放的度量, 是对反应后果的度量。而τ是反应可能的度量。一种产品的τ和β涉及工艺过程中的热不稳定性和化学品在特定温度下存储的风险。这个风险可以定义为反应风险指数, 如式 (7) 所示进行计算:[6]
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RRI越低物质的反应性越低, 反应放出的能量越少, 也就越安全。
6 结论
(1) 不同于以往的建筑设计防火规范 (GB50016-2006) 和《危险货物品名表》 (GB12268) 用闪点和爆炸极限进行分级, 本文建议根据化学品的起始温度和反应热将其反应危害划分为甲、乙、丙、丁四级, 并根据起始温度和过程温度以及反应热建立了反应风险指数, 从而便于对反应化学品危害进行定性定量评价, 有一定的参考价值。
(2) 鉴于利用DSC、DTA、TSU、RSST等热分析筛选仪器可以对化学品和化合物进行起始温度和反应焓变的测量, 本文还对以上各类热分析筛选仪器进行了比较, 认为DSC/DTA在热稳定性筛选方面具有用量少, 操作方便等优势, 但是由于其进行化合物的测试较为困难, 测试量少也弱化了其结果的还原性, 缺乏压力数据也是其局限之一。TSU和RSST仪器相比DSC/DTA具有用量适中, 代表性强, 实验结果可还原性高, 可进行化合物的筛选测试, 并提供压力、温度数据, 从而更好的辨识反应化学品危害。从而为建立反应危害实验室提供了选型参考。
(3) 鉴于目前国家安监总局要求化工企业对其危险工艺装置及储罐进行自动化安全控制改造, 此类筛选测试方法也可用于改造设计, 如紧急停车装置安装控制点, 安全阀等安全控制系统相关参数的设定。
参考文献
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化工反应釜 篇3
关键词：微化工系统,微分散,传递性能,反应调控
1 微化工系统内多相流动和分散规律
根据传递的基本原理, 我们可以知道对于多相混合和反应过程, 尤其是以液相为连续相的过程来说, 体系的分散尺度在其中具有十分重要的地位与作用。通过对微结构进行有效的利用, 微化工系统可以对流体的分散尺度进行一定程度上的降级, 具体是将其从毫米量级降低到微米量级, 这样一来, 能够对多相混合和反应过程的强化起到有效的促进作用。目前状况下, 国内外的诸多学者都已经对微化工系统内流动规律进行了研究, 而研究的内容大多集中于对微设备中分散规律的探讨, 并对新高效的分散方法进行发展。而从研究体系的角度而言, 关于液/液和气/液两相流体系的研究较为充分。
从微结构的设计角度来看, 目前状况下主要存在着如下集中微化工系统设备得到较为广泛的应用, 主要有:T型错流剪切设备、水力学聚焦设备、同轴环管设备以及分枝破碎设备。而对于众多的微化工系统来说, 尽管它们外形多样, 但如果从分散方法的角度来看, 基本可以讲其归纳为上述的四种微化工系统。T型错流剪切是一种十分重要的流体分散方法, 连续相流体通过剪切垂直进入设备的分散相流体, 从而对分散相的破碎进行有效的实现。一般情况下, 这种方法在分散结构后续的主通道内得到液柱 (气柱) 流和液滴 (气泡) 流两种分散流型。水力学聚焦是一种将两相流体快速通过狭缝结构, 通过流体急剧的速度变化产生界面不稳定性, 实现流体分散的方法。这是一种较为容易获得小尺寸的液滴和气泡的分散方法, 一般可以实现小于通道尺寸一个数量级的分散流体制备, 而通过在该设备内引入静电场等更强的外场作用, 还能够实现小于通道尺寸两个数量级液滴的制备。同轴环管是一种在微小的同心圆管结构中分散液滴的方法, 这是一种轴对称的分散方式。这种方法的特点是分散相流体可以不接触通道壁面, 从而没有壁面浸润效应。通过这种设备可以较为容易地实现对分散相流体的控制, 在其内部不仅可以形成稳定的分散结构, 也可以形成稳定的层流结构。分枝破碎是一种利用分叉通道结构实现液滴再破碎的方法, 通过控制出口通道的阻力还可以获得丰富的破碎流型, 但由于设备结构复杂, 目前该方法的应用还较为少见。
2 微化工系统内的多相传递规律
相对于传统化工系统, 微化工系统内流体的流动和分散尺度要小1~2个数量级, 这使得微化工系统内的传递过程可以得到有效的强化。通过在反应体系中加入指示剂和荧光探针, 可以对微化工系统中单一液滴的传递行为进行有效的表征。研究结果表明, 在微化工系统内微米尺度的液滴具有传质系数高、比表面积大的特点, 传质过程可以在几秒钟甚至更短的时间内完成。更为重要的是在微化工系统内, 液滴的形成阶段对传质过程起到重要的贡献, 在一定条件下50%的传质量可以在液滴生成的瞬间完成。此外, 由于微化工系统内空间尺寸小, 因此容易形成较高的浓度梯度, 在大传质量的情况下还会发生Marangoni效应等界面不稳定现象。
3 微化工系统内多相反应强化和过程调控
多相反应是化工领域的难题之一, 尤其是快速的带有强放热的反应过程。因为反应体系内流动复杂, 反应器内温度场和浓度场容易出现局部不均匀的现象, 从而影响反应效果, 并且使反应器的放大十分困难。微化工系统的出现为解决多相反应过程中高能耗、高物耗、低效率、低选择性的问题提供了新的思路和方法。在微反应设备内可以获得微分散的多相流体系, 借助微分散体系良好的传热、传质性能, 就可以对反应器内的混合过程进行强化。利用微分散体系能够快速传热的特点, 能够使反应热得到有效控制。此外, 由于微反应器设备体积小, 因而能够减少物料的滞存, 提高反应器的安全性, 减少设备的固定投资。借助微化工系统内良好的传递性能, 还可以有效地提高带有串联或并联副反应的快速反应体系的选择性。对于带有串联副反应的体系, 控制反应完成的时间是关键性问题, 利用微反应器强化主反应的表观动力学, 缩短反应时间, 就可以有效地减少副产物的生成。对于带有并联副反应的体系, 强化反应物的混合, 快速消耗反应物, 减少反应物与反应产物进一步发生反应的概率是获得高反应选择性的关键。微反应器良好的混合和传热性恰恰适应了这一点。
结束语
本文主要针对微化工系统内多相流动及其传递反应性能研究进展进行研究与分析。主要从微化工系统内多相流动和分散规律、微化工系统内的多相传递规律以及微化工系统内多相反应强化和过程调控三个角度进行阐述与分析。希望我们的研究能够给读者提供参考并带来帮助。
参考文献
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[2]J.H.Xu, S.W.Li, C.Tostado, W.J.Lan, G.S.Luo.Preparationof monodispersed chitosan microspheres and in situ encapsulationof BSA in a co-axial microfluidic device[J], 2009.[2]J.H.Xu, S.W.Li, C.Tostado, W.J.Lan, G.S.Luo.Preparationof monodispersed chitosan microspheres and in situ encapsulationof BSA in a co-axial microfluidic device[J], 2009.
化工反应釜 篇4
1. 常规釜式反应器
在传统化工工业中,很多在间歇或半间歇釜式反应器内实施制药、精细化学品与化工中间体的合成,具备灵活操作、容易适应不一样的条件操作,一般适用于批量小、类别多的产品,在精细化学品和生物工程产品的生产中有较强的优势。但是存在的缺点也是非常明显,例如装料时,在卸料等辅助操作中,用时时间长、工作过程有断断续续,不能连续工作;常规釜式反应器在热质传递能力上要差很多,对产品造成很多的缺陷,例如产品质量得不到稳定,不能正确控制强放热反应。
2. 微反应器系统
(1)比表面积
比表面积提升,微反应器内部通道特点尺度减小,两者成反比。例:通道特点尺度100～1000μm,比表面积的区域达4000～40000m2/m3,100～1000m2/m3是常规尺度实验室或是工业反应器的比表面积,这时微反应器内部空气的层流传热系数100～1000W/(m2·K),水的层流传热系数2000～20000W/(m2·K),这个值是常规反应器内跨越不了的。因为微反应器将传热速率大大增加了,可以迅速的加热或是冷却反应物或产物,这样可以准确掌控在拟等温条件下的停留时间,对热反应的积累和反应床层热点产生可以有效地控制,在最后,反应的转化率与选取性以及产品的质量都大大的提升了,所以在强放热/吸热反应过程的微反应器经常被用到。
除此之外,在圆管内流动的层流,当进入管筒内的温度不变时,(1)公式发现,传热系数与通道特点尺度有着一定的关系,宏观角度看h与d成反比,就是愈小的通道特点尺度就愈大的传热系数。
所以高效换热过程在微通道内能完成。式中努塞尔数为Nu,导热系数为入。
一样的道理,圆管内流动的层流,当组分浓度在管壁处维持不变时,从公式(2)中可以发现,传值系数k会随着通道特点尺度d变小而变大,两者成反比。
所以液固高效传质过程要在微通道内完成。
(2)比相界面积
气液体系中的微通道里,流体特点尺度多在几十微米到数百微米,50～500μm区域,当特点尺度在这个区域时,理论上微流体的比表面积有2000～20000m2/m3。现在降膜式微反应器比相界面积最大,比相界面积有25000m2/m3,陈旧鼓泡塔比相界面积只有1 00m2/m3上下,利用比相界面积2000m2/m3左右的喷射式对撞流的气液接触式反应器,如果环流流动操作形式在微型鼓泡塔中使用,其比相界面积在理论上能达到50000m2/m3以上。对于液-液系统中,其比相界面积在液-液界面张力的功能下能够比相同操作条件的气液系统下的比相表面积大,可到达5000～50000m2/m3。
(3)内部环境小
微通道线尺度缩小,微系统内部体积减小,微反应系统来讲,能够有几个微升的典型值,由此可将结构材料和分析试剂的用量缩减。微反应器内部的体积缩小对传热产生影响,对反应过程的控制也会增强,假如自由基链不进行增长,对安全操作区拓宽反应。内部体积缩优点在于自由基能在微通道的壁面上被消灭,这样可以有效防止爆炸产生。
二、微化学工程和技术的发展现状
物理学家Richard Feynman于二十世纪五十年代末就曾预言过,未来科学技术的发展方向必将是化学工程微型化。自然科学和项目技术在半个多世纪来发展的一个关键趋势就是微型化,特别是已把微型化观念渗入到人类生活与工作的每一个范围的计算机为代表的信息技术的更新换代与微机电体系的发展,同时会对人类文明进程产生非常大的影响。Tuckerman与Pease在二十世纪八十年代初将微通道散热器的概念第一次提出,这一理论顺利解决了大规模集成电路与超大规模化所面对的热障问题。Swift等多人于1985年的时候,首先研制出了用于2种流体热交换的微尺度换热器。二十世纪九十年代初,微反应技术概念于二十世纪九十年代初期很快就被发达国家的研究机构与大公司重视,微化学项目和技术相继被美、德、英、法、日等国家关键的科研机构、名牌学校和许许多多的大化工公司展开研究。以微反应技术为主题的国际会议自1997年开始每年都举办一届;2003年4月召开了首届微通道与小通道国际会议。2001年同意微反应技术在工业生产中运用的示范工程和欧盟第六框架进行的Impulse计划,旨在将微反应技术的实用化进行加速促进。
三、微化工技术在化学反应中的运用进展
1. 微型氢源系统
作为将来电动汽车、潜艇的最好候选电源,质子交换膜燃料电池在许多范围都有广阔的运用前景。但是,质子交换膜燃料电池离技术商业化还有必然的间距,这是由于质子交换膜燃料电池的发展受很多因素的约束,当中,影响其技术商业化的关键原因之一就是氢源技术。这是由于氢气的分配、运输与储存困难,不能满足不一样同规模燃料电池的要求。而经过重整富氢燃料,例如醇类与烃类等,移动或现场制氢为燃料电池供应氢气,通过这种形式制取或输送氢源具备容易输送、能量密度大与能量转换效率高等优势,是供应燃料电池氢源最实际的途径。
2. 微混合技术
强放热快速反应是许多工业化的过程,由传质与传热过程进行控制,微混合技术具有迅速高效反应的特点。使用这种特点,可以加强与微型化这些过程。2007年9月研制出的微混合体系现已投入到工业进行工业项目的生产,进行试运行计划的实施。微混合体系具备很多的优点,例如混合结果优、换热结果好、系统操作稳定等,同时其运行的噪音也特别小,还具备没有振动等优势,这些优点都是陈旧工艺不能比拟的。
3. 芳烃硝化反应
强放热过程在化学工业中被作为主要反应过程,许许多多的反应都是强放热反应,所以很容易产生爆炸,并且我国的装备与技术都相对落后,造成化学生产过程中安全性得不到相应的保障。因为有机物硝化是一种迅速强放热反应,则爆炸很容易被引发,产生很大的危害。以前的实施硝化反应的化工工程,带冷却夹套的搅拌斧式反应器经常就是进行实施反应的大型容器,这种反应器的有这最大特点那就是进行换热的面积非常小,导致热传递的速率严重降低,就可以防止爆炸了,以往只能通过降低反应速率来防止热量攀升带来的爆炸。所以,假如有机物硝化形成的热量不可以及时移出反应系统,所以,陈旧硝化反应的反应时间长。
4. 硝化反应
硝化反应属于液液反应,混酸硝化反应发展到现在,已经发展成了一个非常成熟的反应过程了。关于混酸硝化反应,我们可以从很多地方得到相关的答案,在许多出版的专著中就有许多的相关问题答案。从理论上来讲,混硝酸反应是一个强放热的反应,是一个受到传质控制的迅速反应的过程,混硝酸反应的反应效果在非常大的程度上依赖于反应器的传递性能。如果需要更加专业的解释,这涉及到其本身的基本原理,就是我们所说的HNO3被浓硫酸催化,然后产生了2NO+离子,有机相里的有机分子被通过油水两相界的正离子的攻击,生成了硝基的取代物,在最后,硝基产物又扩散回有机相里,这个过程是一个强放热的过程。在硝化反应的过程中,通常情况下离子与有机分子的混合效果不好,倘若在这种情况下即是我们所称的传质效果差,那么给反应带来的问题就是,反应速率会相对的比较缓慢,发生这种现象非常容易导致一种副产物生成,即硝基取代物。
5. 相转移耦合反应
相转移耦合反应根据反应的状态,也属于液液反应,相转移耦合反应能够进展这与科研人员的实验,因为科研人员利用微反应技术进行的一次实验,相转移耦合反应才得以进展。关于相转移耦合实验科研人员将重氦盐溶液与耦合作分溶液分别注入到不同的反应器内,时间上也是有一定控制的,需要控制在2.3秒,在停留2.3秒之后呢在烧瓶中用电磁对溶液进行搅拌,经过电磁搅拌之后就会发现,在溶液的反应效果上,溶液会随着搅拌的力度加大,发应的效果也不断的得到很大的提高;但是一旦在搅拌的过程中发生效果不佳的状态,,又或者发生局部反应过量的现象,这两种情况的发生都会导致一些个副反应出现,例如出现二耦合或是重氦盐分解等。经过试验的观察,试验结果在最后,相转移耦合反应转化率最高可以达到百分之八十,发生沉淀,概率要想高这需要反应在非常有利的环境下,加入反应的环境不佳,那么反应的转化率就不会这么高,但是加入在此条件下利用微反应器进行反应,那么转化率就会接近百分之百,并且也不会发生沉淀的现象。总结以上所有叙述,在化学实验在中利用微反应器可以很大程度的实现呢将化工过程强化的目的。
结论
因为微化工技术进行初期的研究不是在大型工厂,而是在高校与科研机构的实验室,这是产业界非常重视,但是介入的不多得原因,所以就导致了微化工体系的放大与集成技术被研究的机会很少的结果,大大降低了微反应技术的实用化进程。微化工技术的发展与运用不仅会对能耗有相当大的降低,还会对化工设备性能进行一定高度的提升,节省了体积,将会给化工技术与设备制造区域带来非常大的改变,还会对人们的生活带来非常大的影响。
参考文献
[1]李金鹰,王勋章,赵英翠,陆书来,刘长清.微化工技术的研究与应用[J].化工科技.2011(01).
化工反应釜 篇5
化工厂有一套加工量为1500加仑的丙烯酸单体聚合反应器,可以生产一系列粉末涂料和油漆助剂。事发前,该工厂接到一份订单,需要的助剂量比其正常的批产量稍微大一些。装置负责人决定增加进料量以满足客户的需求。所有的丙烯酸单体被一次性加入到反应器(见图1)中,造成反应器能量释放速度超出正常情况一倍多,超过了反应器的冷凝器的冷却能力,导致反应失控。反应器压力迅速升高,溶剂蒸汽从反应器人孔泄漏出来,在厂房内形成可燃蒸汽云,遇到点火源后发生爆炸。
1事故经过
事发前一天,生产部门准备按照订单进行生产,订单量为6080磅丙烯酸聚合物,大约比装置正常产量高12%,装置负责人确定了生产这批产品所需的溶剂、单体和引发剂的用量。白班操作工先将溶剂混合,再用部分混合后的溶剂制备引发剂溶液,剩余部分被输入反应器。接班的操作工把部分单体加入反应器,剩余的单体留备反应过程使用。
1月31日早晨,白班工人向反应器夹套通入蒸汽,给反应器加热到指定的温度后停掉蒸汽。一名高级操作工把进料泵打开,将引发剂泵送到反应器中。然后,通过冷凝器的玻璃视镜观察冷凝溶剂的流动状况以监测反应速度。初始反应进行的不太快,逐渐地进入正常状态。几分钟后,这名操作工听到很响的咝咝声并看见有蒸汽从反应器的人孔泄漏出来。刺激的蒸汽迫使他和另外3名员工离开厂房。之后,该操作工又带着呼吸器重新进入到厂房,打开紧急冷却水阀门,向反应器夹套内通入冷水。但在他再次逃离出厂房还不到30秒时,就发生了爆炸。爆炸造成厂房周围人员全部受伤,其中1人因全身严重灼伤,经医治无效5天后死去。周围社区也遭到严重破坏。两栋教堂建筑和一户民宅被摧毁,距离工厂1/3英里远处的玻璃被炸碎。
2反应过程
丙烯酸聚合物是丙烯酸单体自由基聚合后产生的。事发时生产的产品品名为Modarez MFP-BH,是一种液态丙烯酸聚合物。聚合物在加工量为1500加仑的反应器内生成,最大的操作压力为75psig。
正常的反应顺序是由操作员先向反应器内添 加溶剂和单体的混合物,接着向反应器夹套内注入蒸汽,将反应混合物加热到指定的温度(通常为混合物的沸点)。然后再停掉蒸汽并把引发剂溶液注入反应器,开始聚合反应。反应放出的热量使溶剂和单体的混合物沸腾,热蒸汽流向反应器顶部的水冷换热器后被完全冷凝。从冷凝器底部流出的液态溶剂重新回流到反应器中。冷凝器出口通过一个小管排放到大气,正常操作情况下,可以保持反应器内的压力基本和大气压相同。在紧急情况下,可以将水注入反应器夹套以加快冷却速度。
整个生产过程包括多个反应步骤。液态聚合物最终从溶剂中被汽提出来,经冷却后装入桶中,运往各地。
3事故原因
3.1危险识别不充分
在涉及到发生化学反应的操作中,工厂应该高度注意可能会遇到的危险。先创公司用单体和引发剂在可燃性溶剂中混合后生产聚合产品,却没有对生产过程中发生的化学反应危险进行识别。此类化学反应涉及到的重要因素包括加热速度和温度的关系,除热能力及单体或引发剂是否会在反应器内过量积聚。如果处理不好这些问题,很可能会造成装置波动,甚至会造成反应失控。
该公司没有对其化学反应过程存在的危险进行识别,也没有正式的危险评估(或工艺危险分析)。更严重的是,该公司大多数的管理和操作人员从事此项工作的时间尚不足1年,有的工作时间则更短,并且缺乏聚合物生产经验。此外,先创公司的培训方案也不正规,反应危险培训未被包括在内。包括现场主管在内的员工都没有认识到产品配方发生变化可能会造成危险,也不知道如何应对反应失控情况。
3.2缺乏工艺安全信息和培训
尽管聚合物生产为其核心业务,该公司掌握的聚合工艺方面的信息却很少。在根据客户的要求对产品配方进行优化后,没有确定相应的工艺设备操作要求和安全操作限制条件。不了解聚合生产的安全限制条件,也不清楚反应器对产品配方、加工量及反应条件变化的敏感程度。
3.3批量生产配方变化
在准备生产一批MFP-BH后,该公司对产品配方的更改大大增加了反应器内反应的放热量,并提高了反应失控的可能性。但该公司却没有对配方变化进行有效的评估,也未识别出相应的危险。
客户订购的MFP-BH产品数量比反应器标准的批产量高12%。为了节省时间不必分两批生产,装置负责人决定增加进料量,一批生产出客户需要的全部产品。
MFP-BH的生产分两个阶段。在第一个阶段中,先将丙烯酸单体和溶剂初始进料装入反应器,加热后,再迅速加入引发剂进行反应。在第二个阶段中,剩余的单体和引发剂要一起慢慢地加入到反应器中。而事发时,该工厂的负责人把所有的单体都一次性加入到反应器中。
按照批量生产配方,加入到反应器中的芳香族和脂肪族溶剂的量应该几乎相同,由于低沸点脂肪族溶剂的存量不足,装置负责人决定用高沸点的芳香族溶剂进行替代,只是将总的溶剂用量稍稍减少一些。这些变更使反应器内单体总量增加了45%,单体的浓度增加了27%,混合物的大气压沸点大约升高了5℃。
所有的这些变更使反应器的热量输出比标准加工量至少高出2.3倍。
3.4化学过程安全防护问题
该公司主要依赖程序上的安全防护来预防反应器控制失败。批量生产记录表被当作操作程序使用。程序对于化学加工作业的安全来说应该是最基本的,但对于防止工艺事故却是最不可信的一种安全保障。像反应失控这类可能会造成严重后果的危险状况,应该有多个独立的安全保护措施。
3.5人孔螺栓数量不够
生产完每批产品后,操作员都会打开人孔清理反应器。按照惯例,把人孔关闭后,会用4个人孔夹扣把人孔固定住,而设备供应商要求的是用18个夹扣进行固定。当然,由于一般情况下反应器的操作压力几乎等于大气压,因此只用4个夹扣也没出现过什么危险。但此反应的压力较高,造成蒸汽从人孔内冲出。
3.6工艺设备结垢
该公司从未建立冷凝器正常维护程序,而冷凝器的正常运行对反应器的安全操作是非常重要的。在这台斜管壳式冷凝器内,溶剂蒸汽在管程内流动,被壳程内流动的冷水冷却。事发后对冷凝器的冷却水端检查发现结垢情况非常严重,至少会使冷凝器的处理能力下降25%。
冷凝器内的管程永久性地固定在其两端的底板上,很难进行检查和清理。该公司也未建立系统地监测和控制水结垢的程序。事后调查发现,该冷凝器使用30多年从未进行过除锈、除垢或清除沉淀物。该公司员工也没有认识到冷凝器结垢可能会带来的危险。
3.7未实施紧急疏散程序和操作员培训
事发时,没有一名员工疏散到安全位置。爆炸发生时,7名员工聚集在门外,全部受伤,其中1人因严重灼伤经医治无效死亡,另有2人受重伤。
该公司的应急预案没有列出可能需要疏散的事件或状况。操作程序中也没有说明出现化学品泄漏或反应失控时员工应如何反应。员工没有受过应急预案培训也没有进行过疏散演习,装置也没有安装应急报警系统。
4汲取的教训及预防措施
(1) 识别并控制反应危险。
要全面识别危险并分析危险度特征;系统地评价可能出现的危险,包括反应物添加错误、制冷失败、仪表故障及其他可能出现的故障危险;根据识别出的危险,实施、记录并维护适当的安保措施。为了确保反应过程的安全,可能会需要多个独立的安保措施。
(2) 控制变更。
化学品生产厂和其他涉及到化学反应操作的工厂应控制对批量生产配方的变更,包括关键操作条件,如:反应器进料量、比例和顺序,反应温度,可能会造成引发剂或单体聚合的条件及可能会引起单体抑制剂或稳定剂钝化的条件。
(3) 维护工艺设备的性能。
涉及到化学反应操作的工厂应记录工艺设备的性能要求及能力,并定期对工艺设备进行检查和维护以维持适当的安全余量。
(4) 对员工进行危险和程序培训。
培训的内容包括:反应危险的本质(包括工艺安全余量);操作程序(包括适当的提醒和警告,偏差可能造成的后果,偏差和异常操作识别及控制偏差和异常操作影响应做的适当反应)。
(5) 生产商应实施有效的应急计划,并对员工进行应急计划培训。
安装整个装置可以听到或看到的疏散警告系统,经常性地演练在紧急状况下如何疏散到安全位置。
摘要：对某化工厂一起因化学反应失控导致的蒸汽云爆炸事故进行了论述,对事故的经过、反应器的压力、反应过程、加热速度和温度等进行了分析,在今后的生产中识别并控制反应危险、反应器进料量、比例和顺序,反应温度,维护工艺设备的性能、应急预案等提出预防措施。
化工反应釜 篇6
某污水处理场采用“厌氧+纯氧曝气”工艺处理化工厂PTA (精对苯二甲酸, Pure Terephalic Acid) 装置产生的生产废水。工艺流程如图1。
来自上游生产装置的PTA废水经中和配水、均质后进入厌氧反应器, 厌氧反应器有效容积为8 250 m3, 设计进水COD 5 500 mg/L, 设计处理水量250 m3/h;厌氧反应器出水 (COD小于2 200mg/L) 经过吹脱后与低浓度水 (COD小于200 mg/L) 混合进入纯氧曝气装置, 纯氧曝气装置有效容积10 500 m3, 设计进水COD 1 500 mg/L, 设计处理水量800 m3/h;纯氧曝气装置出水 (COD小于60 mg/L) 一部分外排, 另一部分经过深度处理后回用。
因上游PTA装置需要进行全面的设备大检修, 装置停止生产运行, 停止排放生产废水30天, 厌氧反应器停运。为最大限度避免空气进入厌氧反应器, 厌氧反应器停运后, 使其进出水阀门、沼气管线阀门等全部处于关闭状态。PTA装置检修结束后, 从开车到生产稳定, 生产废水的排放量和排放水质都会有较大波动, 厌氧反应器在长时间停运后的稳定启动是保证后续纯氧曝气装置稳定运行, 出水达标的关键。
1 启动的影响因素及控制措施
1.1 p H值
PTA废水偏酸性, 正常排放时p H值在4.0~6.0之间。开车阶段, p H值波动幅度较大, 有时会降至3.0以下。厌氧微生物对p H值的波动十分敏感, 即使在其适宜生长的p H值区域内, p H值的迅速改变也会对细菌的生长产生重要的影响, 使其代谢活动明显下降。一般而言, 微生物对p H值变化的适应要比其对温度变化的适应慢得多。超过p H值适应范围将引起严重的问题, 超过适应范围一定时间会引起细胞活力丧失, 或者死亡。低于p H值下限并持续过久时, 会导致产甲烷菌活力散失殆尽, 而产乙酸菌大量繁殖, 引起反应器系统的“酸化”。严重酸化发生后, 反应器系统难以恢复至原来状态[2]。
p H值是厌氧污水处理的一个重要控制因素。产甲烷菌所能适应的p H值范围较窄, 一般认为最适p H值范围为6.8~7.2, 实际经验表明, 当p H值在6.5~7.5之间, 产甲烷菌均有较强的活性[3]。
为保证厌氧反应器内p H值在6.5~7.5之间, 在恢复运行时, 充分利用调节池的缓冲能力, 在PTA废水p H值小于3.0或大于8.0时, 将废水切入调节池缓存, 待水质平稳后, 逐步回调处理。
厌氧进水池是污水进入厌氧反应器前最后一处进行p H值监测和调节的设施。进水池内设有p H值在线检测仪和碱液 (氢氧化钠) 投加设施, 通过在线监测数据, 对碱液投加量进行调节, 控制进水p H值在6.5~7.5。此外, 厌氧反应器出水部分回流到进水池与原水混合, 对进水p H值起到很好的缓冲作用。
1.2 温度
温度主要是通过对厌氧微生物体内某些酶活性的影响而影响微生物的生长速率和微生物对基质的代谢速率, 进而影响有机物的去除速率。厌氧消化对温度的敏感程度随负荷的增加而增加, 温度影响基质的去除率这一点对应用厌氧工艺是很重要的。一般认为, 高温消化比中温消化对温度的波动更为敏感, 因此, 厌氧消化系统每天的温度波动以不大于2~3℃为好[2]。
厌氧反应器正常运行时, 控制进水温度在35~38℃之间, 属于中温厌氧发酵反应。反应器停运时间是9月份, 该地区正处夏季, 气温较高。启动前, 测得厌氧进水池内温度和反应器内部温度都为30℃, 与正常运行水温仅有5℃差距。在厌氧反应器开始进水时, 向厌氧进水池内补充少量蒸汽, 根据进水池内水温的在线监测数据逐步提高蒸汽补充量。因厌氧反应器出水循环, 反应器内部升温较快, 运行两天时间后, 进水池及反应器内温度达到36℃, 满足运行的温度要求。
1.3 营养物质及微量元素
在厌氧消化运行过程中, 产甲烷菌是其中最关键的一种细菌, 因为产甲烷菌本身的世代周期很长, 对于环境条件的微小变化很敏感, 而且在整个厌氧系统中, 产甲烷菌处在整个食物链的最后, 如果产甲烷菌生长的不好, 其活性不能得到充分发挥, 就会引起整个厌氧消化过程无法进行。产甲烷菌对硫化物和磷有专性需要, 在反应器中这两种离子维持非常低的浓度就可以满足其需要[2]。
在厌氧反应器启动后, 根据进水池COD浓度, 按照碳氮磷的比值控制在COD∶N∶P= (200~300) ∶5∶1的比例关系[4], 向进水池内投加尿素和磷酸氢二氨, 补充N、P营养物质, 同时向进水池内交替投加Na2S和Fe Cl3, 提供厌氧微生物, 尤其是产甲烷菌繁殖所需的微量元素。
1.4 负荷提升
厌氧滤池在中断运行长达几个月后可以很快恢复其原有处理能力[5]。PTA装置开车后, 排水水质较稳定, COD在4 000~5 000 mg/L之间。为避免负荷提升过快, 影响反应器的恢复, 按照开车计划, 最初按20 t/h水量进水运行, 并按照每天提升负荷不超过30%的速度提升水量。
实际运行中, 由于前方厂排水量较大, 调节池储存空间有限, 在反应器恢复进水后的第5天, 进水负荷大幅提升, 幅度达125%, 第6天提升60%负荷, 并在第7天达到160 t/h, 与前方厂废水排放量达到平衡, 比计划时间提前3天。从厌氧反应器的沼气产量和COD去除率来看, 反应器的运行并没有受到负荷大幅提升的影响。
2 主要指标变化情况
2.1 沼气量变化情况
厌氧反应器产生的沼气在罐顶进行收集后, 经过水封罐, 最终引入沼气燃烧装置燃烧排放。甲烷气体的产量、反应器内的p H值和出水中的VFA浓度是厌氧生物处理系统运行时的三个重要指标, 它们通常可以揭示系统的运行状况[3]。
沼气产量和进水水量变化曲线如图2所示。
在厌氧反应器启动前4天, 沼气产量为0, 但厌氧反应器内部压力逐步上升, 在压力达到3.0 KPa时, 沼气冲破水封罐水封, 进入沼气燃烧装置, 沼气流量计开始显示流量数据, 运行人员现场点燃沼气燃烧装置。从图2可以看出, 厌氧进水水量与沼气产生量趋势基本相同, 该现象反应出厌氧反应器启动顺利, 运行正常。
2.2 COD去除率变化情况
在厌氧反应器恢复进水第4天, COD去除率达到76% (设计COD去除率≥60%) 的较高水平, 随着厌氧反应器进水量的不断提升, COD去除率一直稳定在75%上下, 在启动后的第31天, COD去除率达到82% (见图3) , 并在以后几天一直稳定在80%以上, 恢复到反应器停运前水平。
随着厌氧反应器开始恢复运行, 出现污泥流失现象, 流失的污泥浮在厌氧吹脱池表面, 呈黑亮色, 厚度最高达5 cm, 覆盖整个厌氧吹脱池表面 (500 m2) 。在恢复运行后的20天, 浮泥开始逐渐减少, 直至消失。污泥的流失对COD去除率造成一定影响。
3 改进建议
1) 在厌氧反应器长时间停运再启动时, 在不进生产水的情况下, 通过反应器内部循环提升反应器温度到35~38℃的最适温度, 之后再逐步进生产水, 能够缩短反应器负荷提升时间, 有利于反应器的稳定启动。
2) 由于前方装置在开车时, 从不排废水到正常排放废水的时间很短, 导致厌氧反应器提升负荷过快, 不利于运行恢复。为使反应器有足够的恢复时间, 在停运前, 利用调节池的容积, 最大限度的储存生产废水。在前方装置计划开车前, 利用存储废水恢复厌氧反应器运行, 可以更稳定的提升反应器负荷, 利于反应器的运行恢复。
4 结语
1) 通过控制厌氧反应器的进水温度、p H值、营养元素、微量元素以及进水负荷等, 实现了厌氧反应器的顺利启动, 并在运行30天后, COD达到80%以上, 恢复到停运前水平。
2) 厌氧反应器的沼气产量和COD去除率有效反映了反应器恢复运行期间的运行状态。
3) 建议在以后操作中, 通过反应器内部循环提升水温以及停运前预留生产废水的方式, 缩短反应器负荷提升时间。
参考文献
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化工反应釜 篇7
BDO装置在生产过程中排放废水,此类废水具有水量小、流量极不稳定、组分复杂、含油、有机物浓度高(主要为溶解性和胶体性固体有机物)、p H值多变、具有一定的色度和臭味、盐分高、COD含量高(一般为8000~10000mg/L)等特点,属于典型的高浓度有机化工废水。BDO化学生产原理不同,不同类型化工装置排放出来的BDO废水水质差异大。虽然国内化工企业大都建有工业废水、生活污水等集中处理设施 , 但BDO生产废水若直接排至这些设施中,会对整个生化处理及回用系统带来强烈冲击,易引起处理系统故障。结合目前国内化工企业的环保设施设置情况,拟将BDO废水经过一定预处理后,再送至企业集中污水处理厂,与其他低浓度废水一起完成后续处理。
重庆某化学工业公司采用国外专利技术,新建一套年产6万吨BDO装置。在全厂污水处理工艺设计时,对BDO生产废水采用调节池 / 隔油、气浮 / 高级氧化/ 高效厌氧反应器工艺进行单独处理,得到的预处理水再进入该公司新建规模为2400m3/d的生化污水处理系统。
1水质水量
1.1水量及特点
该企业用天然气来制取BDO。BDO废水预处理系统设计处理能力按60m3/h计,装置24h连续运行,来水为间歇性有压生产排水。
1.2设计水质
BDO装置生产废水中的污染物主要包括COD、BOD5、油、SS等。预处理系统进水水质由化学工艺专业结合国内已建类似BDO工艺的实际生产情况提出。此高浓度污水主要水质情况如下表所示 :
2处理工艺及设计参数
2.1工艺流程
该项目采用调节 / 隔油、气浮 / 臭氧催化氧化 / 复合高效厌氧反应器工艺组合,具体流程见图1。
考虑到水质水量不稳定性,BDO压力来水先进入BDO废水调节池,经曝气搅拌均和水质后,由泵提升进入p H调节池,主要调节PH值8-9。之后废水进入隔油池,实现油水分离。去除沉淀物和浮油。出水经过加药搅拌后,进入气浮机去除剩余浮油和悬浮物,确保出水水质SS、COD达到臭氧催化氧化的进水要求。
隔油、气浮的浮渣和污泥排入中间污泥池,臭氧催化氧化出水进入中间水池,
通过潜水搅拌机完全混合后,再由泵提升进入复荷高效厌氧反应池,池内填充一种新型填料,不仅可以代替传统的三相分离器,且能很好的截留水中的活性污泥,提高抗冲击负荷的能力,使处理设施稳定运行。复荷高效厌氧反应池底部设布水管,使水流均匀流过填料表面,在填料上的水解微生物和厌氧微生物的共同作用下,BDO废水中的长链的有机物变成短链的有机物,提高了废水的可生化性,而大部分短链的有机物进而降解成甲烷、二氧化碳和水。复荷高效厌氧反应池出水进行150% 内回流,之后由泵提升进入全厂生产废水集中处理系统的调节池,与其他废水混合后一并完成后续处理。HAF池产生的沼气,通过沼气收集系统最后用火炬点火排放。
2.2主要构筑物、设备及设计参数
2.2.1 BDO废水调节池
BDO废水压力来水最先进入曝气调节池,停留时间24h,半地下式钢砼结构。池内设少许曝气管道曝气,防止悬浮物沉淀均匀水质。曝气调节池设管道流量计1台,超声波液位计1台,提升泵2台,1用1备,将废水提升至后续处理单元。
2.2.2 p H调节池
p H调节池停留时间2h,投加稀硫酸搅拌均匀,将废水p H调至8-9,配p H在线监测仪1台。之后废水进入隔油池。
2.2.3隔油、气浮池
废水流入隔油池,实现油水分离。停留时间1.5h。刮油刮泥机将表面浮渣油沫等刮入中间污泥池。
气浮机前加入混凝剂PAC、助凝剂PAM,PAC使乳化油破乳形成浮油,同时使胶体状的悬浮物脱稳形成细小的固体颗粒,PAM使小颗粒浮油形成较大颗粒的浮油,细小的固体颗粒形成较大的絮体,再进入气浮机去除。PAC投加量50mg/l,PAM投加量2mg/l。气浮机设两台,每台处理量30m3/h。
2.2.4臭氧催化氧化池
臭氧催化氧化池中放有椰壳活性炭,和臭氧释放头,可以有效地去除分解由隔油气浮残留下来的大分子有机物质,提高B/C。另外臭氧具有微絮凝作用,可以有效去除水中悬浮物质。活性炭吸附有机物质和臭氧,是这两种物质反应的载体。投加臭氧量10g/ 吨水。
2.2.5中间污泥池
收集隔油池、气浮池排出的浮渣和活化污泥。
2.2.6预热池
设温度传感器1台,气动蒸汽调节阀1台,冷凝回收管道1套,预热管道1套,冬期在进入后续厌氧池前给废水预热。与厌氧反应池合建。
2.2.7 复合高效厌氧反应器
复合厌氧生物滤池是一个内部填充有供微生物附着的填料的厌氧反应器。填料浸没在水中,微生物附着在填料上。废水从下部进入反应器,通过固定填料床,在厌氧微生物的作用下,废水中的有机物被厌氧分解。
厌氧生物滤池具有较大的抗冲击负荷能力,一般以为在相同的温度条件下,厌氧生物滤池的负荷可高出厌氧接触等其他工艺2-3倍,同时会有较高的COD去除率。高效厌氧反应器具有如下特点 :
① COD去除率达50% 以上 ;
②不需要三相分离器,安装简单 ;
③抗冲击负荷能力强 ;抗堵塞能力强 ;
④出水回流,加快进水流速,加快废水与污泥的混合,提高去除率 ;
⑤反应器中装有填料,对进水悬浮物浓度要求较低,可以处理高悬浮物的进水。
⑥无需专人管理。
⑦不需大的 高径比就 可取得与EGSB、IC同样的效果。节省运行维修费用 ;
⑧结合厌氧生物滤池和厌氧接触法优点,出水悬浮物保持在较低水平。
在本工程中含有很多高分子的有机物,废水进入厌氧滤池中,通过厌氧菌的作用对高分子有机物进行水解,降解为低分子易降解的物质,在好氧反应池内通过好氧菌的作用得到彻底的降解。池内充填有一种新型的填料,不仅可以代替传统的三相分离器,且能很好的截留水中的活性污泥,提高抗冲击负荷的能力,使处理设施稳定运行。停留时间62h,进水COD负荷2.5kg/m3d。设沼气收集系统1套,火炬1套,配备压力检测器及闸阀,根据压力不同,自动点火。回流泵4台,2用2备,回流量150%。
2.2.8 厌氧沉淀池
厌氧沉淀池为竖流式沉淀池,设2座停留时间1.5h。与厌氧反应器合建。有效去除厌氧污泥并回流。
3调试
自2014年2月中旬开始,BDO废水预处理系统进入调试阶段,直至系统出水稳定时,共经历90余天。调试的主要任务为厌氧反应器的启动投加活性厌氧污泥及运行,该容器启动分为三个阶段 :①反应器负荷为0.1~0.4kgC OD/(m3/d),控制水温为35℃,pH值为8.2~8.6。采用阶段进水,每3~4h进水1次,每次5~8min,之后为每小时1次,每次延长20~30min ;②当反应器容积负荷上升到1~3 kgC OD/(m3/d) 时,反应器开始产生污泥,此时维持水温、pH值及运行状态。以5%~10% 的增量控制进水负荷,并监控VFA指标 ;③进一步增加进水量,缩短进水时间,直至连续出水。
4实际运行效果
自2014年8月底至11月底,该BDO预处理系统的产水水质均达到设计指标,后续处理单元(全厂污水集中处理设施)的运行状况也持续稳定。该系统的具体产水水质见表2。
5运行成本分析
直接运行成本 :药剂费为0.34元 /m3,实际电费为2.85元 /m3,人工费为0.4元 /m3,工业蒸汽,给水及其他费用为0.75元 /m3,合计成本为4.34元 /m3。
6结语
①调节 / 隔油、气浮 / 臭氧催化氧化/ 高效厌氧反应器组合工艺适用于化工企业BDO装置废水的预处理,该工艺能有效去除悬浮物、油及COD,改善废水的可生化性,其工艺的出水可被考虑送入企业污水集中生化处理设施进行统一处理。
②由于BDO装置生产排水为间歇性有压排水,且在生产负荷变化期间的排水水质有一定波动,将系统进水调节池容积按24h考虑,可以对进水水量和水质进行有效调节。
摘要：BDO废水中含有悬浮物、油及大量有机物等污染物,属于化工行业高浓度有机废水。针对该废水特点,采用调节/隔油、气浮/臭氧催化氧化/复合高效厌氧工艺对其进行预处理,通过物化预处理、厌氧生物处理,可以去除废水中大部分悬浮物、油及有机物并提高B/C。该工艺出水进入厂区后续综合废水处理单元,与生活污水、车间地面杂排水一起集中处理。