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超重力床是如何在制药领域发展的

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  在中小型农药、医药、精细化工的生产过程中都要用到有机溶剂,使用后的有机溶剂大多可进行回收再利用,企业一般采用传统的填料精馏塔等气液传质设备通过精馏的手段来处理。在塔设备中的常规重力场作用下,液膜流动缓慢、传质系数低,所以设备体积庞大、空间利用率低、生产效率低。超重力精馏塔是利用超重力技术原理强化气液传质过程的一种新型设备,其实质是利用旋转的离心力场来代替常规的重力场,使得气液两相的相对速度大大提高,相界面更新加快,生产强度成倍提高,极大地强化气液传质过程,达到增加效率、缩小设备和降低能耗的目的,超重力技术被誉为“化学工业的晶体管”。由我公司和浙江工业大学联合研发的折流式超重力床,已成功地应用于化工生产中有机溶剂回收的精馏过程,展示了良好的应用前景。本文主要介绍折流式超重力床的基本结构、工作原理、特点及其在有机溶剂回收中相对于塔设备的优势。


1.折流式超重力精馏塔的基本结构、工作原理和特点

折流式超重力床(精馏塔)主要由圆形外壳和折流式转子组成。折流式转子是超重力床的核心部件,由静盘和动盘组成,静盘与壳体固定连接,动盘与轴连接并随轴一起转动。在动、静盘上按一定间距同心安装了一定数量的折流圈,然后将两盘嵌套在一起,静盘上的折流圈与动盘留有一定距离,同样动盘上的折流圈与静盘也留有一定距离,形成了供气液流通的折流式通道,见图1。

  其工作原理为:作为连续相的气体由进气口2进入壳体,在压差seo优化的作用下从转子外侧沿着静折流圈与动折流圈之间的间隙曲折地由外向中心流动,最后经出气口5离开床体;作为分散相的液体由进液口6进入至动盘中心,随后被一系列高速旋转的动折流圈反复甩向静折流圈,最后在壳体内收集后由出液口9引出。液相在其间经历了多次加速—抛出—撞击的过程,在此过程中,液体与气体以极大的相对速度逆流接触,液体以极其细微的液滴甩离动圈的筛孔,高速运动的液滴在动静圈上被碰撞、剪切和飞溅,形成细小的液滴、液丝、液膜,从而获得了比表面积极大而又不断更新的气液界面,使气液接触相当充分,因此具有高的传质速率。

  折流式超重力床的特点是:传质效率高,设备体积小,停留时间短,持液量小,操作弹性大,不容易液泛,对于粘度高的物料抗堵能力强,开停车容易,可以在高度、大小受限制的场合使用。

折流式超重力床

2.折流式超重力精馏塔在溶剂回收过程中的应用

  折流式超重力床开创了For the first time in the world将单台超重力床应用于工业生产中的连续精馏过程的先河,已通过有关专家的鉴定和验收,是国家创新基金项目和国家火炬技术项目,获得多个省部级科技进步奖项。以气、液通过的径向有效长度计算,在转速为1000r/min,全回流量为600L/h的条件下,其可达每米20块理论板数的分离能力,一台直径为830mm、高度仅为0.8m的三层BZ750-3P折流式超重力旋转床(图2)可达15~20块理论板,能满足常规有机物精馏分离提纯的要求。

折流式超重力床                       

 图2 BZ750-3P折流式超重力床图                图3 使用中的BZ750-3P折流式超重力床

2.1甲醇精馏塔:用于甲醇回收

 浙江某化工有限公司在甲醇回收中,使用了一台BZ750-3P折流式超重力床(图3),其转子共三层,直径750mm,壳体外径830mm,高度800mm,在二、三层中间进料,即上面两层为精馏段,下面一层为提馏段。采用连续精馏方式,进料甲醇质量分数为70%,回流比为1.5。所得产品中甲醇质量分数为99.85%,再沸器残液中甲醇质量分数小于0.2%,产品出料量为12t/d。

2.2酒精精馏塔:用于酒精回收

 浙江某制药厂在酒精回收中,使用了一台BZ750-3P折流式超重力床(图4),其转子为三层,直径750mm,外壳直径830mm,高550mm,采用连续精馏方式,处理量为400kg/h,进料乙醇体积比为40%,按回流比2.5进行操作,酒精产品浓度可达体积比95%以上,残液排放体积比在0.5%以下,每日产量达4.5吨。

        

   图4 使用中的BZ750-3P折流式超重力床                                  图5 使用中的BZ750-3P/2P折流式超重力床

2.3 用于制取Anhydrous alcohol

  图5是一台BZ750-3P型超重力床和一台两层BZ750-2P型超重力床用于萃取精馏Anhydrous alcohol的生产现场,生产能力达到每天将9.6吨90%的乙醇处理到99%以上的Anhydrous alcohol。

2.4应用业绩

  折流式超重力床自2004年shou次成功应用于工业生产以来,在原料药、医药中间体、精细化工、生物柴油、环保、制酒等行业已产业化应用500余套,用于甲醇、甲醛、甲苯、甲缩醛、乙醇、乙二醇、乙腈、乙酸乙酯、丙酮、四氢呋喃、二甲基亚砜、正丁醇、二氯甲烷、硅醚、环乙烷、异丁烷、异丙醇、冰醋酸、醋酐、DMF、DMSO、DMAA、DMDA等有机溶剂的连续精馏回收或间隙精馏回收。浙江天宇药业公司自2007年使用第一台开始,至今已使用了68台超重力床,取代了全公司的所有精馏塔设备,为企业带来了可观的经济效益和社会效益。

3、折流式超重力床与传统塔设备的比较

  折流式超重力床所需的工艺条件与塔设备相同,即用超重力床取代塔设备,其余辅助装置仍不可少,工艺流程示意图见图6。图7为某用户替代原塔设备的现场图片,图中两座均为二十米高左右的塔,超重力床替代后的生产能力和分离能力均超过了原设备的水平。

折流式超重力床    折流式超重力床
  图6 折流式超重力床工艺流程示意图                          图7折流式超重力床代替精馏塔使用现场

 上述2.1和2.2的应用实例中,在完成相同的产量和产品质量的前提下,折流式超重力床与传统的填料塔高度和体积的比较如表1 所示。


项目

甲醇- 水

乙醇- 水

折流式超重力床

传统填料塔

折流式超重力床

传统填料塔

直径/ m

0.83

0.6

0.80

0.4

总高度/ m

0.80

11.0

0.55

0.90

体积/ m3

0.433

3.11

0.276

1.13

两者

高度比/ %

 

7.3

6.1

两者

体积比/ %

13.9

24.4


                     表1  折流式超重力床与填料塔设备尺寸比较

  由表1可知,折流式超重力精馏塔用于甲醇-水的精馏,与填料塔相比,设备高度是填料塔的7.3%,体积是填料塔的13.9%;用于乙醇-水的精馏,与填料塔相比,设备高度是填料塔的6.1%,体积是填料塔的24.4%。折流式超重力床大大地降低了设备的高度和缩小了设备的体积,其优势表现在以下几个方面:


  3.1设备高度低、土建成本低、占地面积小,安全可靠


  工业生产充分表明,壳体高度为0.8米的折流式超重力床的分离效果与10多米高的填料塔相当,而设备的占地面积不足2平方米。由于超重力床高度低、体积小,可以方便地在室内厂房里安装使用,与传统的精馏塔相比,减少了工厂的用地,所需土建成本大大降低,同时避免了使用传统塔设备需考虑的防雷击、台风、雨雪、地震和高空作业的情况,增加了生产的安全性。


  3.2节省能耗


    超重力床由于体积小,散热面积小,根据不同的物系,可节约能耗5%~40%。


  3.3 超重力精馏塔操作方便


  塔设备开机运行至平衡所需时间较长,一般不少于30分钟,操作工必须经常上塔顶观察物料情况,给安全生产带来一定隐患。超重力床开机至平衡时间短,一般只需要十几分钟,观察运行非常方便,由于操作工不用长时间在设备旁观察而可兼顾其它设备的操作,从而减轻操作者的劳动强度及节约人工成本,同时也保证了生产的安全性。


  3.4检修方便、维修费用低


  一般情况下,传统精馏塔每半年需检修一次,每次需清洗填料,检修需耗时数天;而超重力床内部没有填料,只需每半年按国家标准更换机封等易损件,每次更换只需几小时,操作简单,维修也非常方便。


  3.5废液排放达标


  在相同的条件下,一般塔器的废液排放在3%左右,而超重力床能够满足客户及环保要求,排放可控制在0.5%以下,具有很好的环保效果。


  3.6 改善生产管理模式


  一般情况下,由于塔设备较高,从整个厂区的布置合理性考虑,塔设备总是集中在精馏车间,从管理的角度来看,存在以下不合理之处:a.增加了物流成本;b.容易造成不同车间的原料互混;c.增加精馏车间与相关车间之间的质量考核和矛盾。当精馏工艺采用了超重力床,就可以像生产车间的反应釜和其他设备一样,在本车间内进行就地连续生产,这不仅可以减少物流损耗、简化管理模式和降低管理成本,而且还可以省去大量的中间罐,即间接地又再次缩小了占地面积。


  4结束语

 

  折流式超重力床由于其结构创新,传质性能好,体积小,高度低,运行成本低,使用维护方便,用它代替传统的塔设备,对社会的发展而言可节省钢材资源,延长地球资源的使用年限;对企业的发展而言,可以节约场地与空间资源,减少污染排放,提高产品质量,改善经营管理模式,降低生产劳动强度,增加生产的安全性。超重力床在医药、环保、化工等工业中具有十分广阔的应用前景,正在为越来越多的用户所选用。

 随着医药行业的发展,新药研发需要进行技术创新以突破传统技术的桎梏,因此各种新技术被广泛地运用到制药工业领域。超重力床的超重力技术是近几年兴起的新型技术,虽然目前仍处于起步阶段,但是业内人士相当看好其在制药行业的应用。

 超重力技术,简而言之就是在超重力条件下多相流体系的*流动行为,强化相与相之间的相对速度和相互接触,从而实现高效的传质传热过程和化学反应过程。与传统设备相比,超重力设备具有体积小、重量轻、能耗低、易运转、易维修、安全、可靠、灵活以及更能适应环境等优点,受到广泛关注,目前该技术仍处于应用开发阶段。

  超重力技术作为一项新兴的强化传递过程的技术必将在化工、生物、制药、食品、材料和环保等领域拥有广阔的市场前景。因此加快对超重力技术的应用基础研究,有针对性设计开发出高效紧凑型超重力技术装备具有重要的理论和应用价值。

  目前,国内超重力技术在制备原料药方面的研究取得突破性进展。有国内高校和企业合作的“新型精细化学品超重力法制备关键技术研究”已经突破验收。该项目针对传统药物存在的颗粒大、水溶性差、生物利用度低等工业难题,通过对超重力结晶器中分子混合、传递及结晶过程调控机制等进行理论研究,创新性地提出了超重力法制备纳微结构药物颗粒的新技术,已经获得国际诸多制药企业的认可。

  随着超重力床技术研究的不断突破,其在制药领域的发展也将越来越广泛。

  超重力床又称超重力机,是上世纪80年代初从国外先发展起来的一种新型气液传质设备,典型的结构是填充式旋转床,其基本原理是利用旋转产生一种稳定的离心力场来代替常规重力场,使气液两相之间的传质传热或反应过程得到强化。由于旋转床设备具有体积小、重量轻、维修方便、灵活可靠等优点,因而被称为“化学工业的晶体管”。

   在强调节能减排的今天,可大大节省场地和材料资源、效率高、能耗低的超重力床受到企业热捧。业内专家认为,该设备不同于传统的填料式、蝶片式和螺旋式等旋转床,应用于甲醇—水等体系的工业连续精馏过程具有效率高、能耗低、体积小等特点

 

 

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