浅谈液相催化加氢反应器的搅拌和换热

２０10，１7（1）
Studies on Treatment Status of Wastewater from n-Butyl aldehyde
Condensation System of Butanol and Octanol Alcohol Plant
目前国内许多催化加氢企业在生产过程中采用 的搅拌器不能达到很好的 3 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，影响了经 济效益。 液相催化加氢过程中比较常用的搅拌器主 要有锚式搅拌器、轴流式搅拌器、组合式搅拌器和自 吸式搅拌器等。 1.1 锚式搅拌器
锚式搅拌器是最普源自文库常规的搅拌器， 搅拌叶轮
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速运动的液体夹带后从叶轮排出， 在自吸式叶轮的 两圆盘间形成负压， 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[3-4]。 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 合，实现高效气液接触，强化气液传质过程，大大缩 短了气液反应时间， 提高了加氢反应速率和氢气的 利用率。
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２０10 年第 １7 卷第 1 期
化工生产与技术 Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
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经验交流
浅谈液相催化加氢反应器的搅拌和换热
邵洪根 赵建明 （杭州原正化学工程技术装备有限公司，杭州 310012）
摘要 介绍了液相催化加氢反应器最重要的 2 点设计：搅拌器和换热。 分析了各种搅拌器
在这种组合中， 下层轴流桨的排出流方向对液 相催化加氢中的气液传质有重要影响。 排出流向上 时，流体流动几乎为轴向流；而排出流向下时则带有 较多的径向流成分，有较强的分区倾向，且区间混合 效果与径向流桨相似。因此，排出流向上可比向下搅 拌能更有效地促进全釜循环、延长气相的停留时间，
图 3 组合桨 Fig 3 Combined turbine 从而提高搅拌釜的气含率。 组合桨的选用还受到通气位置与通气量的影 响， 只有把气升作用与搅拌作用协调起来才能取得 最佳的效果[1]。 在反应釜中，主体流动是催化剂颗粒 悬浮起来的动力，在小通气量时，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[2]。 但是， 由于气液的不相溶性， 且密度差别非常 大，氢气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，影 响了反应速率和效率。
收 稿 日 期 ：2009-12-01 ；修 回 日 期 ：2009-12-21
电机 减速机 机械密封
轴
夹套
挡板 盘管 搅拌器 通气管
图 1 典型的液相催化加氢反应器 Fig 1 Typical liquid phase catalytical hydrogenation 直径较大， 且贴近釜底， 对催化剂有一定的悬浮效 果，但是，锚式搅拌器通常在低速下运行，在低粘液 体搅拌时不产生大的剪切力， 氢气几乎未经分散即 上升到釜顶， 上部的氢气和下部的催化剂接触的几 率低，导致反应速率很慢。 另外，锚式搅拌器在搅拌 时以产生水平回转流为主，轴向流很少，釜内物料的 整体循环与交换较少，因此，在液相催化加氢反应釜
吸气口
空心轴
挡板 自吸式搅拌器
轴流式搅拌器
通气管
图 4 自吸式搅拌器 Fig 4 Self-suction stirrer
当自吸式搅拌器以一定速度旋转时， 高速运行 的叶轮能使大量液体在叶轮内外进行循环， 根据文 丘里喷射原理， 液面上的气体通过空心搅拌轴被高
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1.4 自吸式搅拌器 这种搅拌器将釜内液面上的氢气重新吸入并分
散于液相， 可大幅度提高气含率和气液相的接触面 积，从而提高了反应速率。 目前，在国内工业生产上 已逐步得到推广和应用， 是所有加氢搅拌反应器中 效果最好的。
自吸式叶轮（图 4）由 1 根空心轴和带 2 个圆盘 的涡轮搅拌器组成，空心轴上端开有小孔，圆盘外缘 加有打碎气泡的挡板。
图 2 大叶片式翼型轴流桨 Fig 2 Big blade aerofoil axial turbine 但是，在液相催化加氢反应中，当氢气从下方通 入反应釜后，如气量比较大，气泡因浮力而产生的上 升流动使得釜内液体的轴向流动型态被破坏， 这时 轴流式搅拌器对催化剂悬浮和氢气的分散效果都显 著降低了。
[6] Gerard Fierz, Peter Forschner, Jean-Pierre Landert, Marmillod. Apparatus for gas-liquid reactions: US, 5478535[P]. 199512-26.
ＡＢＳＴＲＡＣＴＳ
Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏn ａnｄ Ｔｅｃｈnｏｌｏｇｙ
通常， 加氢反应釜采用外夹套或半圆管和釜内 设置盘管来进行换热操作。 一般容积小于 10 m3 的 加氢反应器装置，且放热量不是很剧烈的加氢反应， 按上面的方法设计换热基本上是可行的， 反应热是 可以及时移走的。 但在某些放热量比较剧烈的加氢 反应（如硝基还原成氨基）中，当反应器装置大于 10 m3，甚至更大时，反应器内热量靠设置盘管加夹套的 方法有些不合适了。 因为盘管在反应器的布置受空 间限制，而且传热系数比较小，换热面积不够，而且 盘管设置的太多，会占据釜内大量空间，减少反应器 的有效容积， 并且会影响釜壁与盘管之间流体的流 动为层流，更加不利于传热。 这时，需在反应器内设 置传热效果更佳的传热板来代替盘管进行换热，传 热板内流体介质高度湍流，传热系数很大（大约是盘
如果液位较深的话， 自吸式搅拌器的吸气效果 和对氢气的分散效果会大大降低，同时，固液悬浮的 不均匀也降低了气固接触效率以及反应的速率，此 时需要配以轴流桨以改善流型、 增加吸气及气体分 散效果。 组合使用的高效轴流桨能将气体与固体催 化剂均匀地弥散在反应器内，包括反应釜底部，从而 达到了快速反应的目的[5]。
1 搅拌器的选型设计
液相催化加氢反应速率一般受气液传质因素控 制，氢气在液相中分散的好坏，直接影响着反应速率 的快慢； 同时， 固体催化剂在液相中悬浮的是否均 匀， 也约束着反应速率。 所以在加氢反应器内选择 合适的搅拌器显得至关重要。
典型的加氢搅拌反应器如图 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， 靠搅拌产生气液界面接触 更新来引发传质继续反应。
图 5 传热板排列结构 Fig 5 Arrangement structure of heat transfer plate
3 结束语
总之，加氢反应器设计的合理与否，主要是看搅 拌器形式选择的是否合适及换热面积设计的是否足 够大。选用高效的自吸式搅拌器可以提高反应速率， 增加产能，而且还可以减少催化剂用量；设置合适的 换热面积，及时移走反应热，控制住釜温可以减少副 反应的发生，提高产品质量。自吸式搅拌和高效率的 传热板应用于液相催化加氢反应中是目前最新型高 效的一种液相催化加氢反应器。
[3] J Y Oldshu. Fluid mixing technology[M]. New York: McGrawHill, 1983.
[4] 张淑华,李涛,朱炳辰,等. 三相机械搅拌反应器气液传质[J]. 化工学报, 2005,56(2): 220-226.
[5] 赵建 明,黄 宣 东,冯 连 芳,等. 高 效 自 吸 式 气 液 搅 拌 装 置: 中 国,2649170[P]. 2004-10-20.
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邵洪根等 浅谈液相催化加氢反应器的搅拌和换热
经验与交流
中采用锚式桨是最低效的，基本已被淘汰。 1.2 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， 大面积的叶片与盘式涡轮中的圆盘类似， 可阻止气 体从叶轮穿过，延长了气液接触时间。 而且，轴流式 搅拌器循环能力强、排出量大，流体在釜内形成的整 体循环流动对催化剂的悬浮操作是十分有效的。 并 且轴流式搅拌器在对催化剂达到同样的悬浮程度时 所需要的功率明显低于径流桨。
反应中是一种最新型的液相催化加氢反应器。
关键词 液相催化加氢；反应器；搅拌器；换热
中图分类号 TQ052.5
文献标识码 B
DOI 10.3969/j.issn.1006-6829.2010.01.016
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液相催化加氢反应一般是涉及到气液固 3 相， 反应机理比较复杂，影响反应的因素也比较多，如反 应温度、压力、浓度、催化剂、动力学、传质和传热等。 在工艺条件成熟的前提情况下， 反应器设计的是否 合理，对实际生产能力有很大影响，决定加氢反应器 生产能力的最主要 2 个因素之一是搅拌器的选型和 换热面积及形式的设计。
参考文献
[1] 郝 志 刚,包 雨 云,高 正 明. 多 层 组 合 桨 搅 拌 槽 内 气-液 分 散 特性的研究[J]. 高校化学工程学报, 2004,18(5): 547-552.
[2] 任 万 忠,徐 世 艾,王 凯. 下 沉 颗 粒 三 相 临 界 搅 拌 转 速[J]. 合 成 橡 胶 工 业 ,2001,24(5):305-309.
1.3 组合式搅拌器 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比较圆满的解决， 在液相 催化加氢中逐渐得到应用。 其中应用最广泛的是 2 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 下部分散不良而凝并的气泡进入上部区域后又重新 被高剪切的桨所分散而再一次循环， 因此可有效延 长气相停留时间，提高气含率，有利于气液传质比表 面积的增加。
管传热系数的 6 倍），单位体积的传热面积远远大于 盘管的传热面积， 在有限容积的反应器内实现了最 大可能的强化传热目的， 突破了加氢反应器受容积 限制的难题。
传热板在釜内的排列结构如图 5 所示，一般 20 m3 的加氢反应器内可设置约 200 m２ 的换热面积，而 靠设置盘管远远达不到所需要的换热要求， 而且采 用特殊曲面的传热板可以优化反应器内的气液固 3 相混合，延缓气体在釜内的上升速率，提高反应器内 气含率，比使用盘管换热更符合流体运动的特点；但 目前， 鉴于这种高效率的传热板国内没有厂家会生 产制造，需依赖进口，而且价格非常昂贵，所以国内 很少有企业采用，这急需有待于研发、设计、生产制 造，以便国产化来推广使用于加氢反应器中。
的特点、性能，并进行了互相对比，特别是对自吸式搅拌器结构特点、工作原理、性能做了
详细介绍，认为自吸式搅拌器是所有搅拌器中气液传质效果最好的搅拌器，它的应用提高
了加氢反应速率和氢气的利用率；对加氢反应器的换热盘管或夹套与传热板进行了比较，
传热板的应用提高了传热效果， 认为自吸式搅拌和高效率的传热板应用于液相催化加氢
2 换热面积及结构形式的设计
加氢反应一般为强放热反应，反应速率越快，单 位时间内放热量就越大。如果反应热量不及时移走， 会给反应体系带来一定的副反应， 甚至给生产增加 危险， 所以在反应器中必须设置足够的换热面积来 及时移走反应过程中放出的热量[6]。 具体需要多大 的换热面积，必须根据反应热、冷热流体温差及传热 系数来进行估算。 即由总传热速率方程 Q＝KSΔtm，算 出传热面积 S （其中总传热系数 K 一般按经验值范 围 或 按 生 产 实 际 情 况 选 取 ，Δtm 为 冷 热 流 体 的 平 均 温度差），根据计算的传热面积再来布置设计盘管或 传热板结构形式。