错流反应器研究进展教材

错流反应器的研究进展

摘要错流反应器是化工生产过程中重要的设备，本文评述了错流反应器的发展现状以及常见错流反应器的特点。

关键字错流反应器

The develoment of the cross-flow reactor research

Abstract The cross-flow reactor is an important equipment in the chemical production process. The development of the cross- flow reactor and the common characteristics of the are reviewed.

Key words cross- flow reactor

前言错流反应器是为了对指定反应过程而设计的反应设备，必须对所面向的工艺目标、

反应工艺过程、操作条件等有足够深入的认识和了解，才能够设计出符合目的反应器，另外，还必须结合生产实践的经验来进行优化和改进，本文介绍了部分常见错流反应器，具有一定参考性。

1．错流式生物滴滤反应器

1.1实验装置

例，错流式生物滴滤反应器净化甲苯废气实验装置。

配制的含甲苯废气由反应器左侧进气口进入，营养液通过自动控制。

生物滴滤法是近年来研究最为活跃的一种挥发性有机物净化方法。与常规挥发性有机物控制技术相比，它具有生物量多，反应条件(pH值、湿度)易于控制，净化效率高，费用低且能耗少等特点。目前，对于生物滴滤法的研究大都集中在稳定的工况下填料的优选、目标污染物、反应机理、降解菌及生物膜等内容上。

生物滴滤法采用的传统的设备为生物滴滤塔，气、液在滴滤塔内顺流或逆流接触。

逆流操作方式在滤塔各段生物量分布和去除能力的均匀性上优于顺流方式，但其压力损失比较大。气体流速大时，逆流操作会发生液泛现象。不管采用顺流还是逆流的操作方式，滴滤塔内湿度和生物量分布的不均匀，均会降低滴滤塔的有效降解空间，增大设备体积和投资费用，给操作管理带来不便，进而限制了生物滴滤法在工业中的进一步应用。

错流式生物滴滤反应器，气、液在生物滴滤反应器中错流接触，减少了营养液的流经高度，有效调节反应器内的湿度，解决了传统生物滴滤塔顺流或逆流带来的问题。

2．矩形错流移动床

2. 1实验装置

有机玻璃矩形错流移动床床体结构如下图所示。颗粒由上部进料口1进入床体，在重力作用下由下部出料口6流出，气相通过左右两侧的气室4和9水平穿过移动床，与颗粒发生错流运动。

错流移动床具有压降低、颗粒可循环再生和连续操作的优点，广泛应用于多种工艺过程中但错流移动床内存在两个制约其操作的瓶颈—空腔和贴壁。空腔和贴壁的出现与气固两相流动有关，且影响了床体的压降分布和操作弹性。众多研究者通过实验研究和理论分析，提出了各种空腔和贴壁的产生条件，并利用散料力学理论建立了考虑空腔尺寸、贴壁厚度的压降模型，但其应用范围受限于实验条件。

3．错流列管式固定床反应器

列管式固定床反应器是石化行业中广泛使用的一种反应器，一般根据管外载热体流动方向与反应管所成的角度，进一步分为平行流和错流两种。管内走反应气体，管外走载热体(如熔盐、水或有机物)，载热体在泵动力推动下，经反应器的分流环形通道进入反应器内部，与反应管进行热交换后经合流环形通道流出反应器。

为了提高管外载热体的换热能力，反应器内常设置各种形式的内部结构，如弓形挡板、三弓挡板和圆盘一圆环挡板，使流体横向流过反应管，以提高管外传热系数，强化流体混合效果。圆盘一圆环挡板是错流列管式固定床反应器中最为典型的一种。

固定床反应器在化学工业以及石油工业中有着广泛的应用，甲醇制汽油、甲醇制丙烯、正丁烷制顺配、邻二甲苯制苯配蒸汽重整甲醇合成、环氧乙烷制备、费托合成(F-T)，等反应过程通常都在固定床反应器中进行。这些过程都是强放热过程，控制反应温度是维持较高反应转化率以及选择性的关键，反应过程中生成的热量需要及时从床层中移除，因而反应器选型、设计以及监控对这些过程至关重要。

列管式固定床反应器通过多根反应管并联，在管内装填催化剂进行反应，冷却介质在管外流动进行移热，列管式固定床反应器相对于普通固定床反应器传热面积更大，更加适合放热量大的反应过程。此外还可以对列管式固定床反应器进行串联组合，形成多级固定床反应器，分段控制反应器的温度。

3.1错流反应器结构

下图所示反应器结构，冷却介质从反应器上端以及下端同时进入，在反应器中段流出。该结构可以在反应器进口位置避免冷却介质逆流引起的热反馈，而在反应器下游提供热反馈。

列管式固定床反应器是用于进行强放热气固相催化反应的主要反应器，在化学工业中有着广泛的应用。目前，列管式固定床反应器规模在不断扩大，其操作要求也在不断提高。如何实现反应器的优化设计和操作、提高反应过程的稳定性和经济性是化学反应工程研究的重要议题。

4错流旋转填料床

气液两相流间的质量传递、能量传递以及化学反应等过程是石油、化工、环保、能源、材料等工业生产中最为常见的现象。在这些工业生产中经常安装板式塔、填料塔等塔设备作为传质和反应的设备。而液体在塔设备内的通常是在重力场作用下自上而下流过塔板或填料实现传质过程的，由于重力场较小，液膜流动缓慢，使得液体体积传质系数较小，造成塔设备空间利用率低，为了达到预定的处理目标，需采用大体积的塔设备，导致在设备上的一次性投资过大，以及后续花费在设备能耗、维修、占地面积上的相关费用也相应增加，阻碍了相关行业的经济效益的提高。因此，提高气液两相流的传质效率，促进设备尺寸的减小，使用较低的能耗成当今研究传质设备的核心问题。

4.1超重力技术简介

二十世纪七十年代后期，美国宇航局(NASA)在太空失重情况下，研究了两相间

气液传质的分离实验，结果显示，气液两相间的质量传递在零重力状态下是不可能发生的，气体和液体之间的传质几乎为零。根据这一现象英国ICI公司的研究人员受到启发，成功的研发了一种高传质效率的气液传质设备—超重力旋转床，引发了工业界的广泛关注，将其推广到了液一液、液一固和气一液一固等化工领域。

在超重力环境中，液体被撕裂为较小液滴而获得了大的比表面积，并且相间传质效率均比自然重力场下的要快很多，气一液两相间传质速率在超重力设备中比传统塔增加1~3个数量级，利用旋转产生远重力场的离心加速力场的技术统称为超重力技术。