基本介紹
- 中文名：漿料反應器
- 外文名：slurry reactor
簡介,基本形式,優點,缺點,三相漿態反應器的工業套用,漿態反應器內對三相混合的要求,套用實例,
簡介
槳料反應器又稱漿液反應器或漿態反應器。是一類液一固或氣一液反應器，反應器中充滿液體，固體以粉末或微粒狀存在液體中構成漿狀物：固體催化劑在反應液體物料處全運動狀態的氣、液、固三相反應器。有機械攪拌漿液反應器、連續漿式反應器、半連續漿式反應器等類型；結構形式有釜式和塔式兩種、液相物料可有兩種不同作用：液相僅為惰性熱載體；液相為反應物、前者如費雷爾-托羅帕法由CO和H2合成烴類或含氧有機物的過程後者如不飽和烴類的加氫反應。對於液一固兩相反應，需有攪拌槳進行攪拌。若固體為催化劑進行氣一液反應，則。通過氣體進行攪拌二漿料反應器床層溫度均勻，且溫度容易控制氣一液固二相漿料反應器多用於液體的加氫反應。此種反應器便於催化劑再生，傳熱和溫度控制比較方便，催化反應效率高；但液固比高，易發生均相副反應，催化劑粒子與液相分離比較困難。
基本形式
漿態反應器有兩種基本形式：其一是攪拌釜式，利用機械攪拌使漿液混合，適用於固體含量高、氣體流量小或氣液兩相均為間歇進料的場合；其二是三相流化床式，藉助氣體上升時的作用使固體懸浮，並使漿液混合，避免了機械攪拌的軸封問題，尤適於高壓反應。
漿態反應器中有兩個流體相，所以操作方式比較多樣，例如氣液兩相均為連續進出料，氣液兩相均為間歇進出料，以及液相為間歇進出料而氣相為連續進出料等，可以適應反應系統的不同要求。
優點
與氣液固相反應過程常用的另一種反應器涓流床反應器相比，漿態反應器的優點是：
①在強放熱條件下，易保持溫度均勻；
②採用細顆粒，使催化劑顆粒內表面利用較充分；
③當液相連續進出料時，催化劑排出再生比較方便。
缺點
其缺點是：
①連續操作時返混嚴重，當有串聯副反應存在時會使選擇性降低；
②液固比通常較高，在有液相副反應時可使選擇性降低；
③存在催化劑細粉的分離問題。
三相漿態反應器的工業套用
工業漿態反應器中涉及到的氣一液一固三相反應的類型主要有：
①氣體、液體、固體是反應物或是產物的反應。如石灰乳的碳化和氯化,碳化鈣與水生成乙炔的反應。
②固體為催化劑的氣一液一固三相反應。如苯的催化加氫對硝基苯的催化加氫和石油餾分的催化加氫裂化以及催化劑存在下的醋酸氧化、乙烯氧化生成乙醛等選擇性氧化反應。
③兩相為反應相，第三相為惰性相。如烯烴催化水合的反應、乙烯的加氫、烯烴催化氧化生成環氧物等反應。以上這些三相反應體系中，共同的特點是要求在攪拌釜反應器中同時實現三相的均勻分散，即在液相中同時實現氣體及固體的均勻分散，同時還要考慮氣體及固體顆粒對液相混合的影響。對於受傳遞過程控制的反應過程，任何一相的分散狀態直接關係到該相物質在相際間的熱量和質量傳遞速率，體系的總傳遞速率和巨觀化學反應速率以及反應的轉化率、反應的選擇性因此受到較大的影響。
漿態反應器內對三相混合的要求
1氣體的分散
氣體的分散直接關係到氣體組分在液相中的傳遞速率和氣泡對固體懸浮的影響。一般認為氣體分散主要是葉輪排出流對氣泡的剪下效果,葉輪排出流中徑向速度及分布也就成為其性能優劣的指標之一。良好的分散狀況能夠最大限度地剪下分散氣體並提供較高的氣液相接觸比表面積、氣泡在液相中的停留時間以及較高的質量傳遞係數。如果攪拌強度小至使氣泡不能分散,則在浮力的作用下,氣體不經分散以大氣泡的形式直接浮升到攪拌釜的液面,這種情況稱為氣流控制的液泛狀態,此時氣體的分散效果最差,液相中氣體的濃度最低、濃度分布也極不均勻,在操作中應力求避免。與此相反的另一極端情況是氣體在攪拌槳的作用下,達到完全分散。
2液相的混合
反應釜中作為連續相的液相，其混合過程關係到液相中反應物和產物在攪拌釜徑向和軸相的濃度分布及固體懸浮的程度。良好的混合性能縮短了徑相和軸相的混合時間，使攪拌釜徑向和軸向上的濃度梯度減小，反應釜內濃度分布趨於均勻。固體懸浮的程度直接受制於液相主體流的軸向循環強度，由Baldi等提出的各向均勻湍流模型川可知，液相主體的湍流強度越高，固體的懸浮也就越容易。一般來說軸向流槳具有明顯的軸向混合優勢，以螺旋槳和翼型槳為代表的軸向流攪拌槳較廣泛地用於攪拌釜內液固兩相的固體懸浮操作中。
3固體的懸浮
反應釜中固體的懸浮無疑是很重要的。不論是固體反應物還是作為催化劑的固體物，其分散程度直接關係到局部空間上反應物的轉化率、選擇性和反應速率，均勻的懸浮操作使反應過程的進行在空間上均一分布。反應釜內固體物的濃度分布是直接量化固體懸浮是否均勻的指標參數，然而湍流懸浮場的複雜多變性，很難準確地測定濃度分布，因此攪拌釜中固體懸浮的效果只能用直觀和統計的方法描述，也有報導採用超聲頻譜測定法測定懸浮液的固體物濃度。
Zwietering等於1958年對液一固兩相系統，提出了顆粒完全離底懸浮的判據，即顆粒在攪拌釜底部的停留時間不超過1一2s，多數研究者已接受這種判別方式。攪拌釜中固體顆粒的懸浮狀態按固體物的分散程度可劃分成以下幾種：
①完全的底壁運動。顆粒僅在底部壁面附近作水平移動，在底部壁面上的停留的時間超過1一2s；
②完全離底懸浮。顆粒在底部壁面上的停留時間不超過l一2s；
③顆粒密相區。顆粒基本上達到完全離底懸浮，但沒有完全分散到攪拌槽上部，在葉輪區附近形成一個局部密相區，存在較大的濃度梯度；
④均勻懸浮區。懸浮的顆粒被均勻分散到整個攪拌槽中，濃度梯度最小。
以上是三相漿態攪拌反應器中，當攪拌轉速由低到高變化時，固體顆粒被分散的幾種狀態；期間氣體則經歷了由液泛到完全分散的過程。當固體密度和液體密度差>50kg/m時，在固體達到完全離底懸浮以前，氣體已經被完全分散，在這種情況下只要考慮固體的懸浮即能滿足同時分散氣體和固體的要求。工業操作中，通常只要達到顆粒完全離底懸浮的狀態即可，對於那些要求顆粒分散極均勻的操作，如超細材料的製備、感光材料的生產及連續的混合設備中，則在接近均勻懸浮的狀態點操作。
套用實例
一步法合成二甲醚。固體催化劑顆粒懸浮於惰性溶劑中，反應氣體溶入溶劑並穿過溶劑層到達催化劑表面發生反應，又稱三相床。漿態床反應器結構簡單，溶劑熱容較大，催化劑顆粒與惰性礦物油形成漿液，合成氣與催化劑混合更充分；反應熱容易移出，對強放熱反應容易實現等溫操作，不容易出現催化劑熱失活和副產物。反應器中各處的溫度比較均勻，易於控制，防止了催化劑局部過熱問題，降低了催化劑失活速率：與固定床相比漿態床的CO轉化率較高，而合成氣的H2/CO比較低，有利於含富CO的煤基合成氣作原料。
