涓流床反应器简介及应用文献综述

涓流床反应器简介及应用文献综述一、简介涓流床反应器，又称滴流床反应器，液体向下流动，以一种很薄的液膜形式通过固体催化剂填料，为分散相，而连续气相以并流或逆流的形式流动，但正常的操作方式是气流和液流并流向下流动，以进行气液固相反应过程的一种反应器。由于液体流量小，在床层中形成滴流状或涓涓细流，故称为滴流床或涓流床反应器。这种反应器对石油加工中的加氢反应特别有利。涓流床反应器中催化剂以固定床的形式存在，故这种反应器也可视为固定床反应器的一种。为了有利于气体在液体中的溶解，涓流床反应器常在加压下操作。涓流床反应器内的流体流动状况，与填充塔略有不同，气液两相并流向下，不会发生液泛；催化剂微孔内贮存一定量近于静止的液体。涓流床反应器通常采用多段绝热式,在段间换热或补充物料以调节温度;每段顶部设置分布器使液流均布，以保证催化剂颗粒的充分润湿。与气液固相反应过程常用的浆态反应器相比，涓流床反应器的主要优点是：（1）在平推流条件下操作，返混小，便于达到较高的转化率；（2）反应器操作液固比（或液体滞流量）很小，能够使均相反应的影响降至最小，液相副反应少；（3）滴流床反应器中液层很薄，气液界面和液固界面阻力能结合起来，使总的液层阻力比其它类型三相反应器要小，并流操作的滴流床反应器不存在液泛问题；（4）避免了催比剂细粉的回收问题。(5)滴流床三相反应器的压降比鼓泡反应器小。缺点是：(1)温度控制比较困难,在大型滴流床反应器中，低液速操作时液流径向分布不均匀，如沟流、旁路，可能引起固体催化剂润湿不完全，并且引起径向温度不均匀，形成局部过热，使催化剂迅速失活并使液层过量汽化，这些都不利于反应器的操作；(2)大颗粒催化剂又存在明显的内扩散影响,催化剂颗粒内表面往往未能充分利用；(3)反应过程中催化剂不能连续排出再生。二、典型工业应用特点及难点（1）油脂醇反应在涓流床反应器中进行了由油脂和甲醇的油脂醇解反应来制备生物柴油的初步研究，脂肪酸甲酯的产率达95％以上。此方法克服了间歇搅拌反应釜的一些缺点，不仅减少了功率消耗，降低了生产成本，而且可实现连续化生产。对生物柴油的产业化研究具有一定的意义。现行的研究的醇解反应尽管在碱催化作用下于间歇搅拌釜中比较容易进行，但对生物柴油这个特殊产品而言，降低生产成本和连续化大规模生产仍是其迫切需要解决的问题。从涓流床反应器的理论分析可知，在涓流床反应器中进行油脂醇解具有以下几个方面的优点：(1)反应传质好。反应物料在填料表面接触充分。(2)功率消耗低，在滴流床中进行的醇解反应靠物料所受重力作用进行传质，与传统的搅拌釜反应器相比，明显的降低了能耗。(3)反应周期短，生产效率提高。(4)可实现连续生产。（2）合成1，4一丁二醇开发技术中的工艺与工程合成1，4一丁二醇的目的产物是丁二烯，作为取得合成橡胶的原料，当然必须解决万吨级连续生产装置。采用涓流床比较突出的优点是可以避免反应产物和催化剂分离这一技术难题，并且固定床返混低，可以得到较高转化率。从反应工艺考虑，乙炔和甲醛的反应摩尔为1:2，不必用很高的气、液比。因而在涓流床中的两相流动基本上处于涓流流型。技术上的难度是反应工艺要求乙炔分压处于易爆炸区，需增加反应器器壁厚以使能承受操作压力的12倍，以及采用减少爆炸的措施，要求较大投资。另一个难点是需要保证气、液两相在床层内均匀分布，催化剂外表面能保持润湿，并需要适宜的催化剂粒度。一般以硅胶为载体，均匀浸渍硝酸铜为活性组分前体，浸渍硝酸秘作为乙炔阻聚剂，制备技术比较简单，成本较低，要求大批量生产时可得到比较均匀的催化剂。在焙烧时使硝酸铜分解，再在反应器内用甲醛还原，并用低浓度乙炔活化成具有炔化活性的乙炔亚铜催化剂。这种催化剂最大的缺点是硅胶对铜是弱吸附，因而干燥后以沉淀态分散在硅胶微孔内，随着反应中液体的喷淋，铜会流失在床层空隙内形成聚炔，使床层堵塞。一般催化剂使用3个月到半年，床层压降便明显增长，最后不得不用人工将堵结成块的废催化剂从反应器中取出。按BAsF的生产工艺，在工业生产条件下，要求1，4一乙炔二醇选择性为93%，床层平均空时收率为1.0kg/L催化剂。按甲醛浓度从35%(重量)下降到5铸作对比。这种工业反应器的评价指标，在开发技术中甚为重要。以上情况说明整个工艺与工程取得成效的关键是工业催化剂的设计与制备，并且与所选用的反应器型式在生产操作条件下，能相互匹配。（3）石油加氢反应过程的工艺与工程重馏分油加氢裂化和中间馏分油的加氢精制，一般都采用滴流床反应器。在反应条件下，有部分石油馏分呈液相存在，另一部分馏分和氢气呈汽、气相存在，形成气一液一固三相系统。涓流床反应器是石油加氢过程中最广泛使用的一种反应器，我国各石油化工厂中的加氢裂化和中间馏分油的加氢精制过程，绝大多数均采用此类反应器。加氢涓流床的传质和传热特点：1.润湿特性与传质过程：在加氢涓流床中，液相物料内包括了绝大多数待加氢裂化和加氢精制的反应物，它必须使多孔催化剂的外表面和内表面充分润湿。由于毛细作用，一般滴流床的内表面润湿率都接近于1，就是在极低的液体流速下，内润湿分本也可达到90%左右。而外表面的润湿分率，在一定温度下，随着液体喷淋密度的增强和催化剂粒度的减少而增强。在相同喷淋密度下，升高温度会改变液体的粘度和表面张力，将提高外表面的润湿分率。在加氢裂化滴流床反应器的后部，在一定的加氢裂化深度和反应条件下，液相物料可完全消失(汽化率为100%)，内外润湿分率均等于零，这部分床层实际上是气一固两相固定床，按两相床规律进行传质。当然这时催化剂活性中心附近的氢浓度大大增加，与氢起反应的也不一定都是目的反应物和较重的物料，甚至可是一些气相不稳定的化合物。2.传热特点加氢滴流床反应器均采取绝热操作。而石油加氢各过程尽管其热效应的大小不同，但均为放热反应。反应热的导出，主要采用多层绝热、中间冷激、挥发组分的携热以及采用大量循环等形式。采用冷壁筒时，器壁散热较小，即使采用散热量较大的热壁筒，床层径向温差也不大(引进装置采用热壁筒反应器的其径向温差仅1~2℃，所以加氢滴流床在一般情况下，可按径向基本等温的一维传热模型进行热传递计算。但若反应器后部出现床层干枯，催化剂微孔充满汽体时，则由于汽相中的D。要比液相中大3、4个数量级，所以泣T一可能高达数百度。因此，在加氢生产过程中，如果进料温度或液体喷淋密度突然变化，会出现局部床层干沽现象，催化剂粒子内外温差突然剧增，产生热累积的恶性循环而导致“飞温”。（4）小结滴流床反应器一般都是绝热操作。如果是放热反应，轴向有温升。为防止温度过高，一般总是使气体或部分冷却后的产物循环。当液比较大时，采用气体循环较多，而当气体反应物消耗很大时，使用液体循环更为有效和理想。如果液体反应物中含有挥发性组分，反应热将由液体的部分蒸发来消耗，从而使床层温升不会太高。特别是当反应液体是水溶液时，由于水的潜热很大，从而使床层有可能接近于等温，所以，在煤的能源转换和三废治理中会愈来愈多地使用涓流床。