液相催化加氢搅拌器形式_原理及其发展趋势

合 ,实现高效气液接触 ,强化气液传质过程 ,缩短气液反应 时间 ,获得了高的宏观反应速率 。
如果液位较深 ,自吸式搅拌器的吸气效果和对氢气的
层桨将上层桨有效分散的气体循环进入下部区域 ,在下部 分散效果会大大降低 ,同时 ,固液悬浮结构的不均匀也降
分散不良而凝并的气泡进入上部区域后又重新被高剪切 低了气固接触效率以及反应的速率 ,此时需要配以轴流桨
催化剂悬浮和氢气的分散效果都显著降低了 [3 ] 。
液体夹带后从叶轮排出 ,在自吸式叶轮的两圆盘间形成负
组合式搅拌器
压 ,反应器内液面上方的气体由空心轴上端小孔处吸入 , 沿空心轴向下 ,并由下端圆盘间小孔鼓出 ,气泡从桨端逸
组合桨 (图 3) 被开发出来 后 ,催化剂悬浮与氢气分散的问 题同时得到了圆满的解决 ,在液 相催化加氢中逐渐得到应用 。其
与层间距在一定范围内变化不太敏感 ,这意味着多个叶轮 催化剂的用量 ,国内外科研机构和厂家开发了一系列的产
的设置在用来达到固体悬浮的同时可得到有效的气液传质 [8] 。品 ,诸如刮壁式搅拌器 、液压升降高速搅拌器 、集热式磁力
但是 ,由于气液的不相容性 ,且密度差别非常大 ,氢气 搅拌器 、恒温磁力搅拌器 、单片机混合搅拌器和永磁搅拌
种搅拌器将釜内液面上的氢气重新吸入并分散于液相 ,可 剂弥散于整个反应器内除气相空间外的每一个角落 ,类似
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许多小反应器并联 ,能再现小试的选择性和转化率 ; 再次 是降低催化剂 ,反应气体用量 ,减少反应压力 ,提高生产安 全系数 ,同时也降低能耗 ,从而降低生产成本 。
结语
气液分散与催化剂悬浮问题是液相催化加氢中的核 心问题 ,其特点是反应速率受气液传质的控制 ,而气液传 质涉及到气体分散 、气体循环以及固体催化剂悬浮等过 程 。机械搅拌反应釜作为液相催化加氢中应用最广泛的设 备 ,选用合适的搅拌器可大幅提高反应的效率与时空收 率 ,对我国的精细化工行业影响巨大 。以往使用锚式桨 ,由 于气体分散及催化剂悬浮能力差已基本被淘汰 。大叶片式 翼型轴流桨目前也得到了较多应用 ,但是 ,氢气与催化剂 颗粒的共同作用破坏了这种桨的轴流型态 ,因此催化剂悬 浮能力与氢气分散能力均有所下降 。组合式搅拌器能够同 时满足气液传质与催化剂悬浮的过程 ,且对氢气有较长的 停留时间 ,因此是液相催化加氢中最优的常规搅拌器之 一 。自吸式搅拌器在所有搅拌器中能提供最大的气液传质 面积 ,得到最高的反应速率 ,对氢气的利用率也最高 ,已逐 步成为新一代液相催化加氢装置的首选 。
轴流式搅拌器
为了实现相间的充分混 合 ,提高传质效率 , 一些翼型轴 流桨 (图 2) 以其循环量大 、能 耗低 、气体分散能力强的优势在液相催化加氢中逐渐取代 了锚式桨 。这种搅拌器叶片面积率较大 ,即水平投影面上 叶片面积占由叶端画出的圆的面积的百分数较大 ,大面积
作者简介 :李洪涛 (1980 - ) ,男 ,硕士 。 收稿日期 : 2008 - 10 - 6
仅在上升过程中得到组合桨的分散而反应 ,大量未反应的 氢气聚积在反应器内的上部空间 ,严重影响了反应速率和
器等 ,对液相催化加氢反应的某一方面的性能起到很好的 改善效果 。在如何更进一步缩短搅拌时间 、解决放热 、改善
效率 。因此 ,很多科研人员开始考虑开发新的设备以提高 气液相的接触面积 ,从而提高反应的时空收率 。
遗憾的是 ,目前国内许多催化加氢厂家在生产过程中 采用的搅拌器不能达到很好的三相接触效果 ,导致了反应 时间过长 ,催化剂用量大 、反应不完全 ,严重影响了经济效 益 。本文结合杭州原正化学工程技术装备有限公司 2002 年以来的研究工作 ,重点介绍并分析了液相催化加氢过程 中用到的各种搅拌器 , 希望能 对国内化工领域的技术研究进 步产生一定的推动作用 。
在反应釜中 ,主体流动是催化剂颗粒悬浮起来的动力 ,在 很好的解决 。
小通气量时 ,气升作用使催化剂颗粒悬浮变得更加容易 , 而大的通气量可能会恶化催化剂的悬浮效果 [7 ] 。
液相催化加氢搅拌器的发展趋势
组合桨还有一个明显的优点是多个叶轮的离底距离
为了达到较好的三相接触效果 ,缩短反应时间 ,减少
排出流产生的剪切作用分散为大小不同的气泡 ,随后进入 发表 ,在工业上也逐步得到
主体循环 ,形成整体气液分散 。由于反应釜内的湍流程度 应用 ,并开始占据高端市场 。
较弱 ,气泡在运动过程中发生碰撞而聚并的机率小 ,气泡
自吸式叶轮由一根空心
直径的变化幅度相对较小 ,因此不同区域的气泡大小比较 轴和带两个圆盘的涡轮搅拌
出 ,运动至釜壁 ,被两圆盘边缘的挡板打碎成很小的气泡 , 气体在反应器内形成循环 ,固体颗粒悬浮在液体中 ,气体 与颗粒充分接触 [9 ] 。这样 ,气体在反应器内不断被吸入至 液相深层 ,并被搅拌分散 , 周而复始 , 形成均匀的气液混
中应用最广泛的是两层搅拌器 , 下层为轴流式搅拌器 ,用于固体 悬浮 ;上层为径流桨 ,用于气体分散 。采用这种组合时 ,下
·92· 文章编号 : 1002 - 6886 (2009) 01 - 0092 - 03
现代机械 2009年第 1期
液相催化加氢搅拌器形式 、原理及其发展趋势
李洪涛 1 ,陈伦军 1 ,张文峰 2
(1. 贵州大学机械工程学院 ,贵州 贵阳 550003; 2. 杭州原正化学工程技术装备有限公司 ,浙江 杭州 310012)
在搅拌反应器中 ,机械搅拌的作用在于形成气液固三 相混合体系 ,促进氢气和固体催化剂的同时扩散 。为了达
到三相之间的充分接触 ,反应体系应满足以下要求 : 1) 要将反应釜底部的催化剂颗粒搅动起来 , 使之处
于悬浮状态 ,并且在其周围形成强烈的湍流 ,从而减小催 化剂颗粒和液体之间滞流层的厚度 ;
2) 使难溶解的氢气分散 , 形成微小的气泡分布于悬 浮液中 ,让液 、气相接触面积尽可能大 。因此 ,选择合适的 搅拌器以满足上述要求成了许多催化加氢厂家和搅拌器 设计生产企业共同面对的问题 。
似 [5] 。因此 ,排出流向上可比向下搅拌能更有效地促进全 封问题就成了这种搅拌器的难点之一 。其次 ,许多加氢反
釜循环 、延长气相的停留时间从而提高搅拌釜的气含率 [4] 。 应放热量都很大 ,采用自吸式搅拌器提高反应速率后的单
组合桨的选用还受到通气位置与通气量的影响 [6] ,只 位时间放热量也急剧增加 ,因此解决反应釜的放热问题也 有把气升作用与搅拌作用协调起来才能取得最佳的效果 。 是这种设备的难点 [11] 。所幸的是 ,这些难点都已经得到了
A pplica tion and D eve lpom en t of Ag ita tor in L iqu id Pha se Ca ta lytic Hydrogena tion
L I Hon gtao, CHEN L un jun, ZHANG W en feng
A bstra ct: the p ap er in troduces va riou s agita to rs and the ir charac te ristics in liqu id p ha se ca ta lytic hyd rogena tion. The ancho r imp e lle r has been p hased ou t basica lly because of slow reac tion rate and less cycle. The axia l - flow stirrer can m ake ca ta lyst su sp end and m ake hyd rogen gas d isp erse in som e extent. The com b ined agita to r ha s obvious advan tages of ca ta lyst su sp end ing and hyd rogen ga s dispe rsing. The se lf - inducing agita to r can p rovide w ith m axim al m a ss tran sfer area of ga s - to - liqu id in a ll agita to rs and acqu ire s the highe st reaction ra te and the utiliza tion ra te of hyd rogen gas, wh ich w ill becom e the first cho ice of the new liqu id p hase catalytic hyd rogenation device s.
液相催化加氢是在液 相介质中进行的加氢还 原 ,生产过程一般是在气液 固三相同时接触的情况下 进行 。采用固体催化剂 , 气 液两相之间发生传质与化 学反应 。典型的搅拌反应器 如图 1所示 ,氢气从釜底的 通气管通入 ,在上升的过程 中经搅拌器分散 ,由于氢气 一般为难溶气体 ,大部分未 反应的氢气上升到反应釜 上方聚集起来 ,在物料液位 表面靠气液界面接触继续 反应 。
的桨所分散而再一次循环 , 因此可有效延长气相停留时 以改善流型 、增加吸气及气体分散效果 [ 10] 。组合使用的高
间 ,提高气含率 ,有利于气液传质比表面积的增加 [4 ] 。
效轴流桨能将气体与固体催化剂均匀地弥散在反应器内 ,
在这种组合中 ,下层轴流桨的排出流方向对液相催化 包括反应釜底部 ,从而达到了快速反应的目的 。
摘要 :本文分别介绍了液相催化加氢中使用的各种搅拌器及其特点 ,轴流式搅拌器能在一定程度上达到催化剂悬浮与氢 气分散的效果 ;组合式搅拌器对催化剂悬浮与氢气分散具有明显的优势 ;自吸式搅拌器在所有搅拌器中能提供最大的气 液传质面积 ,得到最高的反应速率与氢气利用率 ,它将逐步成为新一代液相催化加氢装置的首选 。 关键词 :液相催化加氢 搅拌器 应用 发展趋势 中图分类号 : TQ050. 5 文献标识码 : A
专题论坛及综述
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的叶片与盘式涡轮中的圆盘类似 , 可阻止气体从叶轮穿 大幅度提高气含率和气液相
过 ,延长了气液接触时间 。
的接触面积 , 从而提高了反
在不考虑催化剂悬浮时 ,翼型轴流式搅拌器使流体在 应速率 。目前 ,自吸式搅拌器
釜内的流型为一个整体大循环 ,氢气进入桨叶区后被叶轮 (图 4) 在国内已有许多专利
加氢中的气液传质有重要影响 。排出流向上时 ,流体流动
来自百度文库
由于自吸式搅拌器在空心轴上开设进气孔降低了轴
几乎为轴向流 ; 而排出流向下时则带有较多的径向流成 的强度 ,因此需要在开孔处进行补强处理 。另外 ,液相催化
分 ,有较强的分区倾向 , 且区间混合效果与径向流桨相 加氢中反应釜内普遍高温高压 ,搅拌器的高转速带来的密
均一 ,气含率的空间分布也较为均匀 ,且整体气含率较大 [2] 。 器组成 ,空心轴上端开有小
在不考虑氢气的情况下 , 轴流式搅拌器循环能力强 、 孔 ,圆盘外缘加有打碎气泡
排出量大 ,流体在釜内形成的整体循环流动对催化剂的悬 的挡板 。当自吸式搅拌器以
浮操作是十分有效的 。并且轴流式搅拌器在对催化剂达到 一定速度旋转时 , 高速运行
催化剂分散效果和减少其用量 ,是搅拌器设计需要进步一 研究的课题 ,液相催化加氢搅拌器的发展趋势首先是提高
自吸式搅拌器
气含率和气液相接触面积 ,形成均匀气液混合体系 ,实现 高效气液接触 ,强化气液传质过程 ,缩短气液反应时间 ;其
很多科研工作者将目光聚集在了自吸式搅拌器上 ,这 次是解决固体催化剂均匀悬浮问题 ,反应气体及固体催化
同样的悬浮程度时所需要的功率明显低于径流桨 。
的叶轮能使大量液体在叶轮
但是 ,在液相催化加氢反应中 ,当氢气从下方通入反 内外进行循环 , 根据文丘里
应釜后 ,如气量比较大 ,气泡因浮力而产生的上升流动使 喷射原理 , 液面上的气体通
得釜内液体的轴向流动型态被破坏 ,这时轴流式搅拌器对 过空心搅拌轴被高速运动的
Keyword s: liquid p ha se catalytic hydrogena tion; agita to r; app lica tion; deve lopm en t trend
引言
近年来 ,我国催化加氢技术在开发 、推广与使用上都 有了重大突破 。与传统的铁粉 、硫化碱 、水合阱等还原方法 相比 ,催化加氢具有副反应少 、效率高 、质量好 、能耗低 、三 废少等优点 ,在精细化工领域中得到了不断的开发和应 用 [1] 。