喷射反应器的应用研究现状_张晓玲

2
喷射反应器的性能及表征参数
喷射反应器的性能及表征参数对于喷射反应器 的选型及具体的工业应用具有很高的指导意义 , 现有 很多学校进行的工业模拟实验也是基于此对喷射反 应器进行改造以求工业上的进一步适用。
表 1 喷射反应器的性能及表征参数 Tab le 1 Pe rfor m ance and characte riza ti on pa rame te rs o f je t reac to r 性能 结构性能 流体力学性能 混和性能 传质性能 表征 参数 分布器结构、 高径比和上升区与下降区面积比等 相含率及其分布、 局部液速和循环液速 混和时间、 轴向分散系数 液相体积 传质系数
喷射反应器的应用研究现状
张晓玲 张颂培
( 北京工商大学化学与环境工程学院 , 北京 100048)
摘 要 喷射反应器是一类高效 的多相反应设备。介绍了喷射反应器的 组成和发展 状况 , 着重阐述 了喷射反应 器在 喷射反应器 组成 应用
化工领域、 污水处理领域以及生物工程领域的应用 , 并对喷射反应器应用现状进行了展望。 关键词
3
图 3 实验装置示意图 Fig . 3 Schema tic d iagram of experm i en ta l oppara tus
表 3 两种工艺技术的差异比较 Co m pariti ons be tween these two tecno l og ies 新工艺技术 8 106 897 99 . 8 98~ 105 双釜串联技术工艺 38~ 40 140 920 0. 5 99. 6 蒸馏
1- 反应釜 2- 分配箱 3- 循环泵 4- 冷却器 5- 中间罐
应器多应用于催化加氢反应, 之后又应用于烷氧基化 反应。美国 Chem ithon 公 司的喷射反应器则主要 应 用于磺化反应等
[ 4]
。
就我国的喷射反应器的发展来说, 上世纪 70 年 代开始才陆续有文献报道 , 且当时的喷射反应器多应 用于除尘、 传质、 制冷和抽真空等化工的单元操作中 , 而真正作为强化反应的反应器则起步更晚。因其高 效的多相传质和传热性能 , 喷射反应器越来越受到国 际学术和工程界的关注。越来越多的大学与企业联 合合作致力于喷射反应器性能改善的研究工作并使
将环流反应器用于含氮氧化物
的选择性催化减少反应。由于环流反应器的交流换 热方式可以在很大程度上节约热量, 4. 1. 3 烷基化 烷基化反应一般需在高温、 高压和催化剂存在下 进行反应 , 喷射反应器对于含有固体催化剂的气 - 液
Jet R eactor and Its Applied R earch
Zhang X iao ling Zhang Songpei
( Co llege of Che m ical and Env ironm ental Eng in eering , Be ijing T echno logy and Busin ess Un iv ersity, Be ijing 100048) Abstract Jet reactor is a k in d of h ig hly effic ie ntm u lti- phase reaction equ ipm en. t The com position and th e de -
化工时刊
2010 Vo l 24, No. 6
化工纵横 Comments & Rev iew s in C I
甲苯气相三氧化硫连续磺化, 实验中控制了甲苯转化 率在 30 % ~ 40 % 之间 , 对甲苯磺酸含量达 85 % 以上 , 三氧化硫转化率超过 99% 。 4. 1. 2 氧化反应 利用氧气直接参与氧化反应是众多氧化反应类 型的一个重要方式。而将喷射环流反应器用于纯氧 的氧化反应更显示出巨大的生产优势及潜力。沈阳 [ 10~ 12] 化工研究院的周明昊等 先后将喷射环流反应器 应用于 DNS- N a 、 对羟基苯甲醛及三氯氧磷的 制备 中 , 并将其设备投用于工业生产 , 均取得了很好的实 践效果。与传统的反应设备相比, 喷射环流反应器在 质量和热量传递方面都较能适应氧化反应缓慢、 剧烈 的反应特点 , 并且喷射环流反应器具有很好的设备密 封性, 氧气被充分利用 , 加快了反应时间和氧化效率 , 同时减少了尾气排出, 避免了环境污染, 满足了氧化 反应过程的要求。 2001 年周明昊、 张军等将液体喷射环流反应器 用于 DNS- Na 的制备。 DSD 酸是 NTS - Na 经过 磺化、 氧化缩合、 还原 3 大步骤完成的。表 2 为釜式 搅拌反应器与液体喷射环流反应器的性能结果比较。
ve lopm ent situation o f the jet reactor w ere si m ple ly in troduced , The applicat io ns of Jet reactor in the chem ica l indus try , se w age treat m en t fie ld s as w ell as the b io - eng in eer ing f ie ld w ere po in ted ou.t , The present and fu tu re app lica t io n of Jet reactor w as rev iew ed . K eyw ord s Jet loop reactor com position applicatio n
从表 3的指标对比可以看出喷射反应器新工艺 与传统双釜串联技术工艺相比优势明显。将该技术 用在江苏某厂由两套环流 反应装置组成的 1 万 t / a 的全自动生产线上 , 生产率提高了 5 倍, 总生产成本 可以降低 25 % 以上, 三废 零排放, 经济效益及社会 效益均十分显著。 2008 年 , 周明昊、 周曙光将液体喷射式环流反应 器用于对羟 基苯甲醛 ( PHB ) 的制备 上, 在新的合成 工艺中, 使用容积为 100 L 的喷射式环流反应器外加 循环泵进行该氧化反应, 实验中 PHB 的总收率可以 达到 94 . 2 % , 明显提高了产品收率。 Pab lo M ar 等
表 2 釜式搅拌反应器与液体喷射环流反应器的性能结果比较 Tab le 2 Compar itions o f pe rfor m ance resu ltes be tween S tirred autoclave reactor and je t l oop reactor 釜式搅拌 反应器 DN S 含量 / (% ) 还原后干品总氨基值 /(% ) 还原后节基物含量 / (% ) 46~ 52 94~ 98 < 1. 0 液体喷射 环流反应器 82~ 97 > 99 . 5 < 0. 2 Tab l e3 指标 催化剂用量 /m o l O2 消耗 /kg PC l 3 消耗 /kg 蒸气 / t 产品含量 / (% ) 尾气排放 /m 辅助过程
[ 2]
直接与参加反应的设备串联使用
。 图 1 喷射器结构简图 Fig. 1 Schemm a tic d iagram o f e jector
A - 工作喷嘴 B - 吸气室 C- 混和室 D - 扩散器
1
喷射器的工作原理
如图 1 所示: 喷射器主要由工作喷嘴 A、 接受室
B、 混合室 C 和扩散器 D 组成
其适用于工业投产 , 证明了喷射反应器较好的改变了 生产条件 , 提高了企业的生产效率。在这方面 , 天津 大学
[ 5]
、 北京化工大学
[ 6]
、 青岛科技大学
[ 7]
等都做出
了积极的贡献。
4 喷射反应器的应用
喷射反应器在化工领域 , 主要用于磺化、 氧化、 烷 基化等反应。 4. 1 化工领域 4. 1. 1 磺化反应 磺化反应是瞬间进行的快速强放热反应, 对设备 要求较高。普通的磺化设备难以满足反应要求 , 喷射 环流反应器因其高效的传热和传质效率及其良好的 设备密闭性为磺化工艺的进展起到了不可估量的作 用。美国 Che m ithon公司于 1975 年左右先获得了喷 射式磺化反应器的专利 , 最早将喷射反应器用于磺化 工业生产中, 并取得了良好的效果。我国也已陆续引 进其生产设备。天津大学则对甲苯的磺化作了较多 [ 8] 的研究。石建明、 李富荣 等将图 2所示的喷射环流 反应新型工艺应用于气相三氧化硫甲苯磺化。
[ 13]
从表 2 可知, 液体喷射环流反应器的实验数据结 果要大大优于搅拌釜式反应器。使用液体喷射环流 反应器 , 反应时间仅用 15 m in , 而釜式为 120 m in ,大 大的缩短了反应时间 , 且碱用量和溶剂损失量明显降 低 , 用于 DNS- N a的合成优势明显。 2006年 , 周明昊、 王贺权等采用如图 3 所示的液 体下喷式环流反应器进行了以纯氧氧化法合成三氯 氧磷的实验研究。 如图 3 所示 , 喷射反应器外设换热器 , 这样促使 了反应器塔器内喷下的三氯化磷和氧气充分混和, 强 化了氧气在三氯化磷的溶解及传递。表 3 列出了二 者在生产工艺、 消耗及产品质量上的对比指标。 60
喷射反应器具有设备操作简单、 反应时间短、 传 质效果好、 转化率高、 生成物纯度高等优点 , 是一类高 效的多相反应器。目前喷射反应器不再是简单的单 元设备 , 而是 由喷射器、 釜体以及其 他附属装置 ( 如 气液分离器、 换热器、 循环泵等 ) 组成的一套装 置的 总称
[ 1]
。根据不同的生 产要求, 还可将喷射反应 器
58
张晓玲等
喷射反应器的应用研究现状
2010 Vo l 24, No. 6
化工时刊
当具有一定压力的工作流体经喷嘴 ( A ) 喷射时 , 形成 高速流体, 并在喷嘴周围形成压力降 , 从而使进行反 应的原料气体或液体被吸入吸气室 ( B ), 然后在混和 室 ( C) 内充分混和形成湍流, 同时进行反应。使各相 间密切接触 , 反应物在反应室内均匀分散、 悬浮、 形成 整体的湍流 , 从而使反应更加充分。生成的产物由扩 散室 ( D) 使其流速逐渐降低 , 利用增加的静压力将产 物送出去。