错流反应器研究进展

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Thedevelomentofthecross-flowreactorresearchAbstractThecross-flowreactorisanimportantequipmentinthechemicalproductionprocess.Thedevelopmentofthecross-flowreactorandthecommoncharacteristicsofthearereviewed.Keywordscross-flowreactor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。超重力技术是一项增强传质、传热过程的先进技术，适用于石油、化工、环保、能源、材料等工业领域。该技术运用远大于重力的离心力作用于多相流从而达到增强传质、传热过程的目的。将超重力技术结合填料床就产生了“超重力旋转填料床”。液体通过该设备填料层时，被高度分散、混合，获得非常高的湍动能，很大程度地提高传质、传热效果，缩小生产设备尺寸，降低运行能耗。历经多年的研究实践发现，超重力旋转填料床是一种能带来巨大社会效益和经济效益的新设备。与传统填料塔设备相比，该设备高度缩减至传统填料塔的十分之一，直径缩减到五分之一，制造设备的时间和成本皆减少了一半，但气一液分离效果与传统填料塔相当。4.1.1超重力旋转填料床的结构及原理超重力旋转填料床(RotatingPackedBed，简称RPB)是通过填料的高速旋转产生的离心力场来实现超重力场的环境，也称为超重机。旋转填料床主要结构包括固定的圆筒形壳体、液体分布器以及填料转子等组成，填料转子是设备的核心部分，其主要作用是旋转切割液体，促进多相流间的接触和微观混合。旋转填料床一般可用来处理气一液、液一液两相或气一液一固三相物系。旋转填料床的结构有很多种，按操作方式或气液流动的方向，可分为逆流、并流与错流三类旋转填料床。4.2气液错流立式旋转填料床结构图错流旋转填料床是专用于气液接触的超重力设备，液体由分布器均匀喷淋到填料内圈，沿填料径向向外圈运动，由重力作用摔向壳壁后向下由液体出口排出；气体从气体进口进入旋转填料床下腔后，沿填料层轴向穿过，与液体进行错流接触后，由气体出口排出。4.2.1旋转填料床的特点主要如下.(1)与传统塔设备相比，传质效果得到显著强化，传质单元高度仅有(1~3)cm，降低(1~2)个数量级，液相体积传质系数增加(1~3)个数量级，设备尺寸缩小10倍以上。(2)单个传质单元的气相压降小小于普通填料塔设备，使气相输送动力减小，节约能耗。(3)离心作用远大于重力，使气液在很大的通量下也不产生液泛。(4)停留时间短，持液量小，可应用于处理热敏性、贵重及有毒的物料，也可用于某些快速反应过程。(5)设备体积小，质量轻，维修方便，开停车容易，易于操作适合多种场合使用。占地面积小，大大节约了基建投资。(6)不足之处是，旋转填料床的动平衡和气液密封技术要求高，需从机械制造方面去研究解决。4.2.2旋转填料床的应用研究进展自从二十世纪七十年代末，英国ICI公司提出了超重力旋转床技术后，该领域的研究工作迅速发展了起来。目前，国内外的许多大学和公司都对旋转填料床进行了基础理论和应用方面研究，其应用研究的领域不断的被拓展。旋转填料床的主要应用方面有，气体吸收、硫化氢的脱除、含氮废气的治理、气体吹脱、除尘等等。在旋转填料床的诸多应用当中，气体吸收、吹脱、除尘等两相接触过程是工业中最常见、应用前景很好的领域，这领域中处理的气量一般要求较大，所以对设备的处理能力、投资及运行费用都提出了较高要求，这些问题都集中于气相输送动力大小。根据旋转填料床的结构特点，错流形式的旋转填料床比逆流旋转填料床更适合于这些方面。原因是，逆流旋转填料床气体从外圈沿径向流向内圈，流体通道横截面积明显缩小，导致气速急速变大，形成了很高的形体阻力，并且需克服较大的离心阻力；而错流旋转填料床气体沿填料水平面通过，流通横截面积不变，且流向与离心阻力垂直无需克服，因此错流旋转填料床适用于大气量的气液传质过程。4.3多级错流旋转填料床错流旋转填料床在应用于气体吸收、吹脱、除尘等单元过程的工业应用过程中，具有气体处理能力大、压降低、液相传质系数高、设备体积小、投资省等优点；但现有结构的错流旋转填料床对强化气相传质效果不明显，不适用于气一液膜，特别是气膜控制的传质过程。气体在通过填料床层时，停留时间短，且由于离心作用，气体呈高速螺旋式上升通过填料的上端，减少了气液在填料内缘接触机率，使得传质效果减低。针对这些问题，有人提出了一种多级错流旋转填料床，其核心思想是强化气相传质作用、增加气液接触的时间、避免旋转气流引起的气液接触机率降低，将原来的单层填料设计成三层填料，即上、下两层旋转，中间层静止，起到强烈扰动气流，从而减小气旋，达强化气相传质的作用。4.3.1小结多级错流旋转填料床是对普通立式旋转填料床的一种改进，其目的是提高气相传质系数，增强设备的处理能力，方便工业化应用。通过研究其气相压降的特性。上、下两层填料均为塑料鲍尔环，依次更换中间层填料为:塑料鲍尔环、不锈钢波纹丝和除去填料，研究三层填料的气相压降变化。研究表明:下层填料干床、湿床压降基本不变;中间层填料干床、湿床压降依次减小;上层填料干床压降依次增大，湿床压降保持不变。说明中间层填料能起到消除气旋的作用，且装填的填料形体阻力越大效果越好。5.结束与展望错流反应器是对传统反应器的改进，无论哪种反应器都是存在一定缺点的。错流反应器的设计涵盖数学、物理学、化学、生物、环境、经济等各种因素，设计人员需要综合各方面的因素得出最佳的设计方案。21世纪被称为信息时代，如今出现一个新的名词叫做“大数据”，大数据是当下高温热词，它凭借规模超乎想象的海量资讯数据，通过收集、分析、存储的一些新方法，正深刻地改变着人们生产生活的方方面面，而且反映真实情况的计算机模型已经成为现在化学界大多数新进展的关键，通过模拟，化学家能更快获得比传统实验更精准的预测结果，因此，或许未来化工产业将逐渐与信息技术互相渗透，朝着快捷、高效的方向发展。参考文献【1】张书景，李坚，李依丽，金毓荃，张京采用错流式生物滴滤反应器净化甲苯废气北京工业大学学报第35卷第2期【2】王若瑾徐军龙文宇范怡平卢春喜矩形错流移动床稠密气固两相流的实验和模拟过程工程学报第15卷第3期【3】康小锋多级错流旋转填料床的气相压降特性研究中北大学学位论文【4】周文成王字林吴亚峰沈文伟错流列管式固定床反应器的设计计算模型石油化工设备第2