地区：上海市 宝山区
关键词：中国科学院过程工程研究所;中国石油化工股份有限公司石家庄炼化分公司
成果类型：其它
成果领域：生物与新医药
成果编号：A2021061000000474
成果描述：
| 反应器放大是实验室到化工厂的必经之路，是工程设计的核心问题，关系到能否减少副产物、简化流程和降低分离负担。国内外普遍使用传统的逐级试验放大方法，成本高、周期长，难以实现全局最优，导致收率大幅下降。数值放大技术(小试→数值模拟→工业化)是理想的放大方法，也是化学工业国际先进水平的重要标志。超过80%的工业反应器是搅拌槽，包括课题组在内的国内外同行基本解决了均相和低浓度非均相搅拌反应器数值放大的技术问题，但工业使用最多和放大困难的却是含高浓度分散相的非均相搅拌反应器。国际上没有高浓度搅拌反应器数值放大技术，是因为2个难题：一是缺少高浓度非均相微观混合的计算模型；二是缺少计算与收敛速度快、准确性高的高效数值方法。将混合分数方差引入微观混合模型，与欧拉多相流模型耦合，建立了非均相微观混合模型；构建各向异性的非均相湍流模型，提髙雷诺时均方法的精度，建立了快而准的算法；从而有效解决了上述2个问题，发明了实用的数值放大技术、强化非均相混合的向心流搅拌桨和旋转进料混合器，实现了高浓度搅拌反应器数值放大走向工业应用的突破。主要技术发明点如下：数值放大新技术：提出了非均相微观混合的欧拉模拟方法；发明了多相显式代数应力模型等3种计算技术，满足了工业计算对快而准的要求。发明的数值放大技术已用于解决高浓度搅拌反应器的工业放大难题，如盐酸吉西他滨反应器数值放大后的选择性比逐级放大提高了9.7个百分点。新型搅拌反应器：针对传递速率滞后于反应速率所造成的普遍性放大问题，发明了强化非均相混合的向心流桨、随轴同步旋转的流体分布混合器，实现了传递速率与反应速率的匹配，从而显著提高反应选择性。成功实施了24台套高浓度搅拌反应器的新设计及工业数值放大，实现了增产降耗，如ε-氨基己酸反应器数值放大后的收率提高了5.2个百分点。新型搅拌反应结晶器：针对非均相混合差导致的结晶器放大效应和粒径多峰分布的问题，发明了强化微观混合的旋转进料器和混合器；建立了混合、流动与反应结晶动力学的耦合计算方法，突破了高浓度反应结晶模拟和粒径多峰分布调控的技术困难；实现了高浓度搅拌结晶器的低成本、短周期放大，解决了国际工程公司用商业软件没有解决的己内酰胺工艺放大的瓶颈问题。授权发明专利12项（包括1项美国专利）、实用新型2项；建立了有自主知识产权、成体系的反应器设计放大软件，获计算软件著作权11项；SCI论文53篇，英文专著1本，会议邀请报告32次；获中国石油与化学工业协会技术发明一等奖、国际化工奖各1项，中石化鉴定成果2项。已在中石化等8家石化、医药和精细化工企业应用；为开具应用证明的3家企业新增利税99790万元，近3年创造利税25440万元、节支7472万元。企业认为产出投入比非常高，数值方法被国际反应工程先驱Dudukovic评价为很大成功(much success)。反应器数值放大是共性核心技术，覆盖化工、石油、冶金、材料等众多工程领域。 |
