撞击流反应器用于甲醇合成反应_胡立舜

　第59卷　第5期 化 工 学 报 V ol.59　N o.5　2008年5月 Journal　o f　Chemical　Industry　and　Eng ineering　(China) M ay　2008研究论文撞击流反应器用于甲醇合成反应

胡立舜,王兴军,于广锁,王辅臣,于遵宏

(华东理工大学教育部煤气化重点实验室,上海200237)

摘要:撞击流反应器用于气液固三相甲醇合成反应可以充分发挥其优良的传热、传质性能。在撞击流反应器内,催化剂浆料经喷嘴雾化后成微米尺度的液滴,气液相间接触面积远大于其他三相合成反应器。考察了温度、压力、气体流量、浆料循环量以及喷嘴个数对甲醇合成反应的影响,结果表明,当压力从3.8M P a上升到5M P a 时,反应器的时空产率增长了近1倍,气体流量达22.4L·min-1后时空产率几乎不再变化,增加浆料循环量以及在同一循环量下采用多喷嘴对置都可以增加催化剂时空产率。同时,与固定床、搅拌釜和浆态鼓泡床甲醇合成进行了对比,结果表明,在低空速下撞击流反应器与其他反应器时空产率相当,而在高空速下要优于其他反应器。

关键词:撞击流反应器;甲醇合成;喷嘴;雾化

中图分类号:T Q529.2 文献标识码:A文章编号:0438-1157(2008)05-1136-07 Methan ol syn th esis in an impin gin g stream reactor

HU Lishun,WAN G Xingjun,YU Guan gsuo,WANG Fuchen,YU Zun hon g

(Institute o f Clean Coal T echnology,East China University o f

Science and T echnology,Shanghai200237,China)

Abstract:When it w as used fo r g as-liquid-solid three-phase methanol synthesis,an im pinging stream reactor show ed g ood heat and mass transfer perfo rmance.In the impinging stream reacto r,the cataly st slurry w as atomized into dro plets of several micrometers in size w hich provided a huge interface betw een gas and slurry phase.The effects of temperature,pressure,gas flo w rate,slur ry recirculation flow rate and num ber of nozzles on m ethano l pro ductivity we re inv estig ated.The results show ed that a pressure increase from3.8M Pa to5M Pa do ubled me thanol pro ductivity,and a t a gas flow rate up to22.4L·min-1,methanol productivity kept co nstant.The increases in slur ry recirculation flow rate and in the number o f multi-nozzle also resulted in the increase of methanol productivity.W hen space velocity w as low,the impinging stream reacto r had the sam e methanol productivity as co mpared w ith othe r reactors such as fixed bed reacto r,agitated reactor and slur ry bubble column.H ow ever,at a hig h space velocity the im ping ing stream reactor had higher methanol productivity than tho se o f other reactors.

Key words:imping ing stream reactor;methanol sy nthesis;no zzle;atomizatio n

2007-09-29收到初稿,2008-01-14收到修改稿。

联系人:于广锁。第一作者:胡立舜(1981—),男,博士研究生。

基金项目:上海“曙光”计划项目(06SG34);新世纪人才计划项目(NCE T-06-0416);长江学者及创新团队项目(IRT0620)。

Received date:2007-09-29.

Correspon ding author:Prof.YU Gu ang suo.E-mail:gsy u@

Foun dation item:supported by the“Dawn”Program of Shanghai Educ ation Commiss ion(06SG34),Program for New C entury Excellent T alents in University(NCET-06-0416),Program for C hangjiang Scholars and Innovative Research T eam in Univers ity(I RT0620).　

引　言

合成气液相法合成液体产品在20世纪60～70年代首先提出,由于液相合成采用了热容较高的惰性液体作为催化剂载液,因此与气固相合成相比具有温度易于控制、压降小等优势,近二三十年发展十分迅速。至今,液相合成已应用到包括费托合成、甲醇合成、二甲醚合成以及煤直接液化等方面[1-3]。

与此同时,液相合成反应器也迅速发展,大体上有搅拌釜式反应器、滴流床反应器和浆态鼓泡床反应器等几种形式。对于液相合成反应,由于有液体介质的存在,使得传质过程成为影响液相合成性能的一个重要因素。对于搅拌釜式反应器来说,可以通过提高搅拌速度达到增强气液传质的目的,但同时也导致催化剂磨损严重,并且由于搅拌速度提高到一定程度液体中形成旋涡,对合成反应造成不良影响[4]。而浆态鼓泡床内气液传质系数受反应器形式的限制,尽管通过优化气体分布器结构和在床层内加入内构件可起到破碎气泡的作用,但是还是无法大幅度改善浆态鼓泡床内气液传质性能,同时浆态鼓泡床内流体力学行为受表观气速,液体、气体性质影响较大,流型变化复杂且不易控制[5-7],以致成为其放大生产的瓶颈。

撞击流概念首先由Elperin [8]

提出,是使两股等量气体充分加速固体颗粒后形成的气固两相流同轴高速相向流动并在撞击面上相互撞击,其结果形成一个高度湍动、颗粒浓度最高的撞击区,为强化热、质传递提供了极好的条件。Tamir 等[9-13]对撞击流进行了更深入的研究,遍及了几乎所有的化工单元过程,其研究结果表明,撞击流可以大幅度地提高相间传递系数。本文所提出的撞击流液相合成反应器充分运用了同轴撞击流高效的多相间热、质传递优势,既解决了甲醇合成这种强放热反应易导致催化剂过热失活的问题,又改善了由于液体介质存在而引入的传质阻力问题。在此基础上,在撞击流反应器内对甲醇液相合成反应进行了考察,实验中使用C307型甲醇合成催化剂,为进一步研究此液相合成反应器性能奠定了基础。

1　实验部分

1.1　实验装置

撞击流反应器上部为反应段,下部为浆态段,

反应器内径100m m ,总高2000m m ,其中反应段高900m m 。反应段与浆态段之间有一块圆锥形封闭板将反应段和浆态段分隔,圆锥形封闭板中心有一圆形开口使得反应段与浆态段相连通,此圆锥形下部连接有一段下降管,合成气经过反应段后经下降管循环回到浆态段,实验装置如图1所示。

图1　撞击流反应器示意图

Fig .1　Schematic diag ram of im pinging stream reactor

实验中采用C307型低压甲醇合成催化剂,其物理性质、化学成分及制备方法见文献[14],将催化剂研磨至0.075mm ,与液体石蜡(大场化工)以一定比例混合成催化剂浆料加入到浆态段内还原,还原条件见文献[15]。还原完毕后,通过柱塞式计量泵将催化剂浆料经安装在反应段上部的压力式喷嘴的中心通道注入反应段,计量泵出口安装有缓冲罐以起到消除脉冲保证流量平稳的目的。合成气则经过喷嘴环隙通道进入反应段,在反应段中催化剂浆料与合成气接触进行反应。进入反应段的浆料由于气流和重力的作用向下流动,最后通过下降管再回到浆态段,合成气流经下降管以尾气形式放空。1.2　喷嘴结构

距反应段顶端200mm 同一平面上对置安装4个双通道压力式喷嘴,喷嘴分为内、外两个通道,如图2所示,外通道为一圆环,在实验中合成气即从外通道进入反应器。内通道内设置了一个旋转腔,旋转腔最大处内径10mm ,锥角60o ,循环催化剂浆料从切线进入旋转腔成为高速旋转的液体,

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1137·　第5期 胡立舜等:撞击流反应器用于甲醇合成反应