[科普中国]-浆料反应器

气体以鼓泡形式通过悬浮有固体细粒的液体层，以实现气液固相反应过程的反应器。浆料反应器中液相可以是反应物，也可以是悬浮固体催化剂的载液。例如，许多不饱和烃及其衍生物的加氢反应属于前者；乙烯或丙烯的聚合反应采用悬浮有催化剂的环己烷则属于后者。

简介桨料反应器又称浆液反应器或浆态反应器。是一类液一固或气一液反应器，反应器中充满液体，固体以粉末或微粒状存在液体中构成浆状物：固体催化剂在反应液体物料处全运动状态的气、液、固三相反应器。有机械搅拌浆液反应器、连续浆式反应器、半连续浆式反应器等类型；结构形式有釜式和塔式两种、液相物料可有两种不同作用：液相仅为惰性热载体；液相为反应物、前者如费雷尔-托罗帕法由CO和H2合成烃类或含氧有机物的过程后者如不饱和烃类的加氢反应。对于液一固两相反应，需有搅拌桨进行搅拌。若固体为催化剂进行气一液反应，则。通过气体进行搅拌二浆料反应器床层温度均匀，且温度容易控制气一液固二相浆料反应器多用于液体的加氢反应。此种反应器便于催化剂再生，传热和温度控制比较方便，催化反应效率高；但液固比高，易发生均相副反应，催化剂粒子与液相分离比较困难。1

基本形式浆态反应器有两种基本形式：其一是搅拌釜式，利用机械搅拌使浆液混合，适用于固体含量高、气体流量小或气液两相均为间歇进料的场合；其二是三相流化床式，借助气体上升时的作用使固体悬浮，并使浆液混合，避免了机械搅拌的轴封问题，尤适于高压反应。

浆态反应器中有两个流体相，所以操作方式比较多样，例如气液两相均为连续进出料，气液两相均为间歇进出料，以及液相为间歇进出料而气相为连续进出料等，可以适应反应系统的不同要求。

优点与气液固相反应过程常用的另一种反应器涓流床反应器相比，浆态反应器的优点是：

①在强放热条件下，易保持温度均匀；

②采用细颗粒，使催化剂颗粒内表面利用较充分；

③当液相连续进出料时，催化剂排出再生比较方便。

缺点其缺点是：

①连续操作时返混严重，当有串联副反应存在时会使选择性降低；

②液固比通常较高，在有液相副反应时可使选择性降低；

③存在催化剂细粉的分离问题。2

三相浆态反应器的工业应用工业浆态反应器中涉及到的气一液一固三相反应的类型主要有：

①气体、液体、固体是反应物或是产物的反应。如石灰乳的碳化和氯化,碳化钙与水生成乙炔的反应。

②固体为催化剂的气一液一固三相反应。如苯的催化加氢对硝基苯的催化加氢和石油馏分的催化加氢裂化以及催化剂存在下的醋酸氧化、乙烯氧化生成乙醛等选择性氧化反应。

③两相为反应相，第三相为惰性相。如烯烃催化水合的反应、乙烯的加氢、烯烃催化氧化生成环氧物等反应。以上这些三相反应体系中，共同的特点是要求在搅拌釜反应器中同时实现三相的均匀分散，即在液相中同时实现气体及固体的均匀分散，同时还要考虑气体及固体颗粒对液相混合的影响。对于受传递过程控制的反应过程，任何一相的分散状态直接关系到该相物质在相际间的热量和质量传递速率，体系的总传递速率和宏观化学反应速率以及反应的转化率、反应的选择性因此受到较大的影响。2

浆态反应器内对三相混合的要求1气体的分散

气体的分散直接关系到气体组分在液相中的传递速率和气泡对固体悬浮的影响。一般认为气体分散主要是叶轮排出流对气泡的剪切效果,叶轮排出流中径向速度及分布也就成为其性能优劣的指标之一。良好的分散状况能够最大限度地剪切分散气体并提供较高的气液相接触比表面积、气泡在液相中的停留时间以及较高的质量传递系数。如果搅拌强度小至使气泡不能分散,则在浮力的作用下,气体不经分散以大气泡的形式直接浮升到搅拌釜的液面,这种情况称为气流控制的液泛状态,此时气体的分散效果最差,液相中气体的浓度最低、浓度分布也极不均匀,在操作中应力求避免。与此相反的另一极端情况是气体在搅拌桨的作用下,达到完全分散。

2液相的混合

反应釜中作为连续相的液相，其混合过程关系到液相中反应物和产物在搅拌釜径向和轴相的浓度分布及固体悬浮的程度。良好的混合性能缩短了径相和轴相的混合时间，使搅拌釜径向和轴向上的浓度梯度减小，反应釜内浓度分布趋于均匀。固体悬浮的程度直接受制于液相主体流的轴向循环强度，由Baldi等提出的各向均匀湍流模型川可知，液相主体的湍流强度越高，固体的悬浮也就越容易。一般来说轴向流桨具有明显的轴向混合优势，以螺旋桨和翼型桨为代表的轴向流搅拌桨较广泛地用于搅拌釜内液固两相的固体悬浮操作中。

3固体的悬浮

反应釜中固体的悬浮无疑是很重要的。不论是固体反应物还是作为催化剂的固体物，其分散程度直接关系到局部空间上反应物的转化率、选择性和反应速率，均匀的悬浮操作使反应过程的进行在空间上均一分布。反应釜内固体物的浓度分布是直接量化固体悬浮是否均匀的指标参数，然而湍流悬浮场的复杂多变性，很难准确地测定浓度分布，因此搅拌釜中固体悬浮的效果只能用直观和统计的方法描述，也有报道采用超声频谱测定法测定悬浮液的固体物浓度。

Zwietering等于1958年对液一固两相系统，提出了颗粒完全离底悬浮的判据，即颗粒在搅拌釜底部的停留时间不超过1一2s，多数研究者已接受这种判别方式。搅拌釜中固体颗粒的悬浮状态按固体物的分散程度可划分成以下几种：

①完全的底壁运动。颗粒仅在底部壁面附近作水平移动，在底部壁面上的停留的时间超过1一2s；

②完全离底悬浮。颗粒在底部壁面上的停留时间不超过l一2s；

③颗粒密相区。颗粒基本上达到完全离底悬浮，但没有完全分散到搅拌槽上部，在叶轮区附近形成一个局部密相区，存在较大的浓度梯度；

④均匀悬浮区。悬浮的颗粒被均匀分散到整个搅拌槽中，浓度梯度最小。

以上是三相浆态搅拌反应器中，当搅拌转速由低到高变化时，固体颗粒被分散的几种状态；期间气体则经历了由液泛到完全分散的过程。当固体密度和液体密度差>50kg/m时，在固体达到完全离底悬浮以前，气体已经被完全分散，在这种情况下只要考虑固体的悬浮即能满足同时分散气体和固体的要求。工业操作中，通常只要达到颗粒完全离底悬浮的状态即可，对于那些要求颗粒分散极均匀的操作，如超细材料的制备、感光材料的生产及连续的混合设备中，则在接近均匀悬浮的状态点操作。31

应用实例一步法合成二甲醚。固体催化剂颗粒悬浮于惰性溶剂中，反应气体溶入溶剂并穿过溶剂层到达催化剂表面发生反应，又称三相床。浆态床反应器结构简单，溶剂热容较大，催化剂颗粒与惰性矿物油形成浆液，合成气与催化剂混合更充分；反应热容易移出，对强放热反应容易实现等温操作，不容易出现催化剂热失活和副产物。反应器中各处的温度比较均匀，易于控制，防止了催化剂局部过热问题，降低了催化剂失活速率：与固定床相比浆态床的CO转化率较高，而合成气的H2/CO比较低，有利于含富CO的煤基合成气作原料。1

本词条内容贡献者为:

耿彩芳 - 副教授 - 中国矿业大学