三相反应器的研究进展

收稿日期:2001-08-17

作者简介:田玮(1977-),女,北京房山人,天津大学石油化工技术开发中心硕士生,主要从事石油化工技术的开发。

化工技术

三相反应器的研究进展

田 玮,张敏华,董秀芹

(天津大学石油化工技术开发中心,天津300072)

摘要:本文简要归纳了国内外从1960年到2000年的有关三相反应器的研究。对三相反应器进行分类,并提出了其存在的优点;按照研究的进程按三个时间段利用表格罗列了近几十年来所使用的反应器、反应物系及研究结果;最后对三相反应器的研究前景进行了展望。

关键词:三相反应器;综述;进展

中图分类号:TQ052 文献标识码:B 文章编号:1004-9533(2002)03-0278-03

Summary and Progress of Three phase Reactors

TIAN Wei,ZHANG Min-hua,DONG Xiu-qin

气-液-固三相反应在现代化学工业中得到广泛应用。如:氧化、氢化、烃化、氯化、氨解、混合气体转变成为炭氢类化合物的合成反应以及生物废水的处理过程中均涉及到三相反应。

1 三相反应器的分类及优点

按照物料在过程中的流动方式不同,将三相反应器分为:涓流床、搅拌釜、淤浆床、流化床与携带床五种。其中涓流床研究的较早,搅拌釜仅用于实验室动力学的研究,而对于携带床的研究与应用一直都很少。近些年来,对于三相反应器的研究与应用主要集中在三相淤浆床和三相流化床。

三相反应器具有以下的优点:1)液相作为热载体,能够直接与固体催化剂接触,使得传质传热的性能大大改观;2)反应器中多采用液相惰性热载体,特别适用于强放热的化学反应过程;3)由于反应器内部液体处于全混流状态,反应温度均匀、控温简单有效,可实现分级控制温度,使各级均在最佳温度下进行反应,从而提高了催化剂的选择性;4)可实现在操作过程中在线更换催化剂,大大提高设备的利用率;5)三相反应器作弹性大,适应性强。

2002年6月Jun.2002

化 学 工 业 与 工 程

C HEMIC AL INDUS TRY AN

D ENGINEERING

第19卷 第3期Vol.19 No.3

2 对三相反应器的研究

从1937年柏林工业大学Kolbel 和Ackerman 进行的浆态床费-托合成工艺的第一次试验以来,对于三相反应器的研究越来越深入。按照研究工作进展情况将研究过程分为三个阶段(从1960年开始):

1)第一阶段(1960年~1980年):为基础研究阶段。完成的主要工作有,测定给定气速下

保持固体悬浮的临界固体悬浮量;研究了塔板开孔分布的作用、适宜的固体颗粒尺寸、液体表面张力和液体粘度;研究了在一定的固体悬浮下的固体润湿度;研究了锥形塔釜、塔径对临界气速(即使固体全部悬浮时的气速)的影响。

具有较大影响的研究工作有,1964年,ROY 等人研究得出当临界气速处于较低状态时,固体悬浮量与塔板筛孔分布及开孔率有关;对于石英粒子,当临界气速大于0 28m s 时,固体悬浮量与塔板筛孔分布及开孔率无关。

1969年,IMAKUEU 等人研究得出固体悬浮量与塔板筛孔分布及开孔率无关;临界气速随固体浓度的增加而降低、随塔径尺寸的增加而增加;塔釜结构和塔板上开孔分布对临界气速的影响将随着塔径的增加而增大。1969年,NANAYANAN 等人研究得出临界气速随着塔径的增加而增加;临界气速的大小与高径比(这里的高径比为净液层高与塔径的比值)有关。2)第二阶段(1980年~1990年):研究工作更加细化,进一步研究塔径、固体颗粒成分、混合粒径尺寸、引液管、气体分布器、固体持流量、塔釜形式以及塔板上所加的金属网对临界气速的影响。

有影响工作,如1983年,KOIDE 等人研究得出临界气速随着颗粒尺寸、固体装填量、塔径的增加而增加;锥形塔釜对临界气速的影响仅在较小直径时,当气体分布器的直径与塔高的比值很小时存在,此影响会随着塔径的增加而降低。1984年,KOIDE 等人研究得出通过使用引液管可以降低临界气速。1984年,PANDI T 和JOSHI 研究得出临界气速与固体颗粒直径、固体密度的关系与非球形颗粒的终端速度有关;可以通过连续的降液降低临界气速的大小。1985年,KOIDE 等人研究得出塔径尺寸对于各种混合粒子的影响与对单一体积的粒子的影响相似:除了尺寸最大的粒子,其他尺寸的粒子几乎对临界气速没有影响;临界气速随着带出粒子的最大终端速度的降低而降低。1987年,Heck and Onken 研究得出三相反应器的临界气速存在滞后性。

3)第三阶段(1990年以后):在以往所做工作的基础上,多转向了对于三相反应器在某一特定化工过程或对于反应器更细节问题的研究上。这一阶段也是我国对于三相反应器的研究蓬勃发展的阶段。有代表性研究内容有,1992年,MOHAMMED Z A 具体研究了不同喷嘴对于三相反应器的影响。1992年,ABRAHAM 研究了固含率(固体的持留量)及固体颗粒在床层反应中的分布情况对传质过程的影响。1993年,天津大学石油化工技术开发研究中心谈遒、张敏华等人研究了气-液-固三相流化床反应器在双酚A 生产中的应用。1997年,中国石化总公司化工科学研究院慕旭宏、宗保宁等人研究了气-液-固三相磁稳定流化床的操作状态对反应结果的影响。1999年,华东理工大学化学工程系的张吉波、丁百全等人发表了有关三相淤浆床甲醇合成器的数学模型。2000年,天津大学化工学院张金利等人研究了三相反应器对

279第19卷第3期田玮等:三相反应器的研究进展

于染料废水的处理。

3 三相反应器的国内外发展现状及前景预测

世界各国对三相反应器的研究都很重视。美国政府部门及研究机构早在几十年前就对三相反应器的研究投入了大量经费与技术力量。近些年来,许多三相反应器技术已经实现了工业化生产,例如:90年代,美国就能利用三相反应器进行甲醇的工业化生产。现阶段对于那些对三相反应器的研究较早的国家来说,主要工作是对催化剂性能进行改进,对溶剂进行进一步筛选以及进一步完善三相反应器的结构设计。

对于我国来言,对于三相反应器的研究工作起步较晚。大多数的研究工作,特别是针对某一特定生产过程、生产工艺的研究上还仅停留在实验室装置上。现阶段所做的主要工作为,对现有实验室设计进行放大研究,并将此技术尽快的应用于工业化大生产当中。

(上接第240页)

4 结论

1)五参数NRTL方程可用于部分互溶体系汽-液相平衡和液-液相平衡的关联和预测,关联所得的结果满足工程设计要求。

2)部分互溶体系的汽-液相平衡数据较难测定,可由液-液相平衡数据预测汽-液相平衡数据。

符号说明:

t温度,!

x1辛烷的摩尔分数

x

2

水的摩尔分数

x

1实

平衡液相中辛烷的摩尔分数

x

1实

水相中辛烷的摩尔分数

x

1计

由NRTL方程计算的水相中辛烷的摩尔

分数

x 2实有机相中水的摩尔分数

x

2计

由NRTL方程计算的有机相中水的摩尔

分数

y

1实

平衡汽相中辛烷的摩尔分数

y

1计

由NRTL方程计算的平衡汽相中辛烷的

摩尔分数

1辛烷的活度系数

2水的活度系数

参考文献:

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