精細(xì)化工安全管理中微反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用

馬 凱，王茂祥，韓傳茂，陳德平

（安徽省應(yīng)急管理科學(xué)研究院，安徽合肥 230061）

精細(xì)化工行業(yè)很容易發(fā)生各種安全事故。其中最主要的原因就是精細(xì)工業(yè)的化學(xué)反應(yīng)特別強(qiáng)烈，它的加工方式不同于其他的方式，它們的生產(chǎn)方式更加靈活，使用起來更加方便，而且產(chǎn)量也不小，這個特點使得進(jìn)入該行業(yè)的門檻特別低，雖然企業(yè)的數(shù)量很大，但是規(guī)模一般都不大。與傳統(tǒng)的大型化工企業(yè)相比，小型的化工企業(yè)管理水平不高，規(guī)模特別小，不僅如此，人數(shù)也并不多，技術(shù)上沒有明顯的優(yōu)勢，在安全生產(chǎn)上的投入也完全沒有任何優(yōu)勢。目前來說，精細(xì)化工行業(yè)存在著各種各樣的問題，有關(guān)部門需要投入大量人力和物力才能更好地解決以上的種種問題?；馂?zāi)和爆炸的發(fā)生是精密化學(xué)中最常見的兩種事故類型。一種類型是精密化學(xué)品和特殊材料。二是在化學(xué)反應(yīng)中的傳遞，微反應(yīng)技術(shù)開始得非常早，始于19世紀(jì)，現(xiàn)如今，科研工作者開始著手研究前面提到的兩個問題。未來在醫(yī)藥和精細(xì)化工行業(yè)中，這項技術(shù)的發(fā)展具有非常大的上升空間。

1 微反應(yīng)技術(shù)的特點

微反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用范圍特別廣，它的核心是微反應(yīng)器，只有提高微反應(yīng)器的性能才能保證微反應(yīng)技術(shù)能夠發(fā)揮更大的作用，微反應(yīng)技術(shù)的優(yōu)點可以無限放大，即可以添加微反應(yīng)單元完成批量的生產(chǎn)過程，此功能帶來的優(yōu)勢特別明顯，它可以添加或刪除一些微反應(yīng)單元，為了更好地適應(yīng)生產(chǎn)變化的需求，一定要及時改變管道的連接方法。

2 微反應(yīng)技術(shù)對精細(xì)化工安全性的提升

在微化學(xué)領(lǐng)域中，微反應(yīng)技術(shù)可以大大地提高精細(xì)化學(xué)過程的安全性，在常溫條件下進(jìn)行，并且沒有熱量的積聚，可以明顯地提高化學(xué)反應(yīng)的速度，當(dāng)然，由于控制通道的尺寸是大小不一的，一旦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以馬上切斷自由基的鏈反應(yīng)，因此不會發(fā)生危險事件。為了防止有毒物質(zhì)發(fā)生泄漏，破壞周圍的環(huán)境，即使泄漏量非常小，也會對人體的各個器官造成危害，不僅如此，還需要根據(jù)實際的情況保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。根據(jù)研究的結(jié)果可以知道，微反應(yīng)技術(shù)可以應(yīng)用在各個行業(yè)中，為了提高各個行業(yè)的安全性，需要進(jìn)行一系列嘗試工作，因為精密化學(xué)涉及各個方面，由于基礎(chǔ)的設(shè)備研究已經(jīng)起步，它的利用效率將會逐漸提高。

2.1 硝化反應(yīng)

三角內(nèi)交叉趾柱形單通道反應(yīng)器一般會在室溫（25℃）下進(jìn)行，如果沒有添加惰性溶劑和含氮物質(zhì)作為穩(wěn)定劑。反應(yīng)的停留時間將會明顯提高，不僅如此，在常規(guī)反應(yīng)器的1/210的范圍，硝酸異氰酸酯的收率非常大，甚至可以達(dá)到100%以上。結(jié)果顯示，為了節(jié)約熱能的消耗，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，需要保證反應(yīng)的安全性。有研究顯示，T型微反應(yīng)器中的硝化作用十分明顯，反應(yīng)速率主要由內(nèi)在動力學(xué)的因素所決定。另外，如果沒有檢測到副產(chǎn)物，可以更好地控制反應(yīng)過程。從2000年開始，一直到現(xiàn)在，我們開始研究了微反應(yīng)器中的連續(xù)硝化反應(yīng)。隨著技術(shù)在一直發(fā)展，微反應(yīng)器中的溫度變化越來越明顯，明顯可以高于室溫，隨著反應(yīng)時間的不斷縮短，最小能達(dá)到0.5s以下，以上種種的數(shù)據(jù)可以表明微反應(yīng)技術(shù)正在不斷地發(fā)生變化。2015年，西安萬德能源化學(xué)股份有限公司開始建立一期40kt/a微通道及其他材料的家用柴油機(jī)制造工業(yè)設(shè)備。從傳統(tǒng)意義上來說，傳統(tǒng)批處理反應(yīng)的風(fēng)險很高。而我國也只有少部分的企業(yè)總產(chǎn)能不超過5 000t/a。這也說明了微反應(yīng)技術(shù)是非常安全可靠的。

2.2 氧化及過氧化反應(yīng)

工業(yè)生產(chǎn)中會大量使用到過氧化氫，人們開始通過各種方法進(jìn)行嘗試，把氧氣和氫氣結(jié)合在一起，轉(zhuǎn)化為過氧化氫。在過去的十年中，外國科學(xué)家已經(jīng)開始研究，微反應(yīng)器可以直接合成過氧化氫，霍尼韋爾公司已經(jīng)開始著手研究，并已制定了大規(guī)模的生產(chǎn)計劃。吳巍等開始研究石英毛細(xì)管的微反應(yīng)器，在研究的過程中，一般會選擇在60～80℃進(jìn)行。從生產(chǎn)的安全方面進(jìn)行考量，可以為過氧乙酸投入生產(chǎn)提供了必要的理論依據(jù)。鄭亞峰研究發(fā)現(xiàn)，在載體的表面涂覆α-Al2O3，并負(fù)載銀催化劑。在毛細(xì)管微反應(yīng)器中，可以進(jìn)行乙烯氧化反應(yīng)，環(huán)氧乙烷的收率可以達(dá)到60%以上，風(fēng)速為5 000h-1，反應(yīng)在安全的環(huán)境中進(jìn)行。余錫孟等研究了甲苯、環(huán)己烷在微反應(yīng)器中發(fā)生的液相氧化反應(yīng)，在反應(yīng)的過程中，可以隨時檢查工藝的運(yùn)行條件，不僅如此，麻省理工學(xué)院的Slingivasan設(shè)計了一種集成加熱器，它是集流量和溫度于一體的傳感器。在國外對這方面的研究不是特別深入，原因是氧化反應(yīng)增加了各種風(fēng)險，許多氧化反應(yīng)需要金屬催化劑，并考慮了微反應(yīng)器的尺寸和催化劑的回收率。表1顯示了幾種可燃?xì)怏w和爆炸性氣體的臨界直徑與微反應(yīng)器的特征尺寸之間的比較情況。

表1 一些氣體的臨界直徑與微反應(yīng)器的特征尺寸

2.3 其他危險反應(yīng)

克拉里安特公司可以在微反應(yīng)器中進(jìn)行一系列的試驗，在試驗的過程中，一定要合理地控制工藝參數(shù)，比如時間和溫度控制，保證它們能夠在合理地范圍內(nèi)，并可以得到高質(zhì)量的偶氮著色劑。通常情況下，僅需0.5s的停留時間，即可在微反應(yīng)器中可以發(fā)生各種各樣的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)然，這就可以減少毒素留在反應(yīng)器中的時間，并減少了毒素發(fā)生泄漏的可能性。杜邦公司使用多晶銀顆粒微反應(yīng)器進(jìn)行一系列試驗，在試驗的過程中，對氧氣反應(yīng)形成的異氰酸甲酯進(jìn)行研究，微反應(yīng)器能夠控制有害物質(zhì)的生成。而日本旭硝子公司已經(jīng)開發(fā)出了可以投入生產(chǎn)的氟化裝置，該裝置可以降低潛在的風(fēng)險。大量研究表明，微反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用可以提高了微化學(xué)領(lǐng)域的安全。

3 結(jié)論

從以上的分析結(jié)果可以知道，目前來說，為了提高中國的精細(xì)化工行業(yè)的整體水平，還是需要嚴(yán)格的相關(guān)技術(shù)，當(dāng)然，微反應(yīng)技術(shù)是值得大力推廣和研究的。但是，當(dāng)前的微反應(yīng)技術(shù)有兩個極端。有些人還夸大了它在化學(xué)工業(yè)中的作用。個人認(rèn)為不能在實驗室進(jìn)行兩項理論研究。真正的工業(yè)化是不可能的。首先，不可能提高精密化工行業(yè)的安全性，主要是因為精密化工行業(yè)反應(yīng)速度快，熱輻射大，操作簡便，且物質(zhì)本身易于燃燒爆炸。與毒藥反應(yīng)。盡管使用了微反應(yīng)技術(shù)，但這些反應(yīng)并未從根本上消除危險，因此有必要加深對反應(yīng)風(fēng)險的全面理解和控制。其次，可以肯定的是，微反應(yīng)技術(shù)對應(yīng)用程序的推廣提出了巨大的挑戰(zhàn)。