高效能气液固反应技术—喷射回路反应装置

伍伟伟

华东理工大学工程设计研究院有限公司　上海　200237

高效能气液固反应技术
—喷射回路反应装置

伍伟伟*

华东理工大学工程设计研究院有限公司上海200237

摘要在现有气液固回路反应装置的基础上设计一种用于气液固三相催化反应的高效喷射回路反应装置，介绍该装置的组成，对比分析了该反应技术与现有气液固反应装置相比具有的优点，并考察了该反应技术在苯胺加氢中试装置上的应用效果。

关键词喷射回路反应器气液固反应

1技术背景

气液固反应被广泛地用于有机中间体的化工制造业，许多化学反应在固体催化剂的作用下进行，典型的例子有硝基化、烷基化、烷氧基化、胺化、羰基化、氢化和氧化反应等。几乎所有的气液固催化反应都是放热反应，而且放热量很大，这就要求换热器本身有足够的换热能力，不仅仅是在反应开始前尽快将物料加热到起始反应温度，更重要的是在反应过程中能及时移出反应所放出的热量；反应物的充分混合, 有利于强化质量传递, 加快反应进程，有利于其浓度和温度分布的改善, 抑制副反应的产生和改善反应的选择性。环路反应器较好的满足了上述条件，但是很多非均相催化反应结束后需要过滤催化剂，有些催化剂很细，很难过滤，为此借鉴我国2, 6-二乙基苯胺生产行业所用的回路反应器的成功应用经验[1]，开发设计了一种用于气-液-固三相催化反应的高效喷射回路反应装置。

2高效喷射回路反应装置的组成

该高效喷射回路反应器的流程见图1。

主要包括安全罐(气体缓冲罐)、原料储罐、产品回收罐、文丘里喷射器、固定床反应器、循环泵(产品出料泵)、第一换热器、第二换热器。所述的文丘里喷射器安装在固定床反应器的顶部，实现与床层的串联操作，固定床反应器底部利用管道连接循环泵，该循环泵输出端连接双换热器(第一换热器、第二换热器)，第一换热器公用工程物料出口温度调节阀与固定床反应器出口管线上

图1　高效喷射回路反应装置

的温控器联锁，实现反应温度的稳定，第二换热器实现反应热与工艺物料的换热。该反应器装置内部设置液位计、温度计、调节阀。本设计结构合理，能够达到全面的参数测定和精确的反应温度控制，适用于实验室或工业规模化生产。

工作时，循环泵启动，反应液体在回路中大流量循环，文丘里喷射器高速喷射，在工作喷嘴处形成负压，将安全罐内的原料气体吸入，在混合室充分接触，冲出后在固定床反应器中与催化剂颗粒充分反应，初步缓冲，降温，气体和液体分离，未反应完的气体回到固定床反应器顶部，通过气液平衡管与新鲜气体共同被文丘里喷射器再次吸入继续用于反应，初步反应的反应液体将被循环泵吸走，送到第二换热器与生产中的工艺物料换热，并通过第一换热器将公用工程流量与反应出口温度联锁来维持体系温度为设定温度，反应继续进行，当反应产物的含量达到规定值时，便可通过循环泵出料至产品回收罐，此时根据固定床反应器底的液位显示定量补充新鲜的反应液。

3高效喷射回路反应装置与现有气液固反应装置的性能比较

系统比较高效喷射回路反应装置与现有气液固反应装置在气液固三相反应方面的性能差异。

3.1工业放大能力

传统上，工艺放大的概念是将在实验室中得到的研发结果进行工业装置的放大设计。在很多情况下，这种概念在实际技术领域内是可能行不通的，因而使实验室成果变成了一纸空文。工业化必须考虑小试中忽略的问题如气液接触面积、瞬间放热、反应温度不均匀、产品等效性、经济性等。最近，L.L.van.Dierendonck就工业放大方面对釜式反应器和回路反应器做了报道。从这篇报道中可以得出的结论是釜式搅拌反应器的工业放大相当复杂和困难，相比之下，回路反应器的工业放大就来得简单和可靠[2]。

回路反应器使气液固反应的工程放大变得更为简便。主要是因为该装置将通常所指的化学反应中所存在的几种过程特征和现象从传统反应器单元设备中单独分解出来, 逐个加以优化处理。这样的功能分解使得各个部分功能充分发挥的同时相互带来的条件限制降低了很多。环路反应器对传统反应器功能的分解使得其工程放大变得相对简便[3]。从反应移热、传质效果、产品等效性、经济性四个方面比较传统反应器与本反应装置的特点，见表1。

表1　工业放大能力指标的比较

3.1.1反应移热

很多气液固反应都是高度放热的反应，实验室小试由于装置的容量小，因而容器内的反应区域和容器外的冷却介质温度差是很小的。但随着容量的增大，散热外表面积受到限制，由于散热问题得不到彻底解决而不得不将反应速率放慢。因此，需要配置足够的热交换面积是反应器的一个极为重要的因素。

传统的气液固反应器只能通过夹套和蛇管来换热，其换热面积受到反应器本身尺寸的限制，因此普通反应器的尺寸往往不可能做得过大。而且由于受换热能力的影响，不得不考虑用延缓升温速度及采用较低反应温度的办法来限制反应速率，减少反应热，否则温度将无法控制。

本回路反应器在反应器外设置热交换器，不同于釜式反应器的盘管、夹套和内置式热交换器，可以根据需要提供足够的换热面积而不受反应器容量的限制，且设计了双换热器，很容易实现与生产工艺物料的有效换热，实现反应热的回收利用，另外通过第一换热器将公用工程流量与反应出口温度联锁来维持反应温度为设定温度。

3.1.2传质效果

气液固催化反应是一种多相反应，在催化剂和液体的界面发生，反应速率可因被强化的传质和气相压力的增加而得到强烈提升。

常规的搅拌器是依靠涡流作用和液体表面的搅动来引发气液传质的，这可通过增设供气分布器而得到改善，为了适应反应过程中釜内物料液位高度的增长,一般还需设多层搅拌[4]，但其效果有限。为了进一步提高反应速率，就必须提高反应的气相压力，当压力范围在10bar～100bar时，每天在高压环境中操作要保持反应装置的压力密封是相当不容易的，由于难以紧固密封，应该尽量避免大法兰的使用，如果可能的话搅拌部分应采用磁力驱动。由于压力的增加而导致的设备造价的增加也是反应器选择中必须考虑的重要因素。

本回路反应器反应物料上部未参与反应的气体被高速的循环使用，回路反应器配备了一外循环，它的液流在喷嘴周围产生了负压，吸带了气体因而引发了高强度的气体扩散，强化了传质，因此其混合效果比起采用搅拌要好得多。

本回路反应器中的降液喷射混合器(代之以起泡器或其他气体分布系统)是一种高效率的给气工具，它可以精细地将微气泡在液相中均布，使气液的混合比达到0.5～2.0，甚至更大，成为气液反应的理想手段。

另外，本回路反应器设计去除了挡板，提高了反应器的含气率，并采用了可负载高含气率的循环泵。因此，在回路反应器中，气、液混合更为均匀，反应时间短，反应条件比较温和，所有这些都大幅提高了反应的选择性和转化率，减少了副产物的生成，从而提高了目标产品的品质。

3.1.3产品等效性

产品等效性是指产品质量的各个方面都独立于反应设备的大小和类型。例如，氢化装备有几种类型和容量等级，因此从这几种类型和容量等级反应器中批量生产出来的产品具有同一的纯度和复制品质就显得至关重要。否则，生产将会局限于同一反应器内进行。大部分的氢化反应是由传质速率所控制的，并由此影响到产品的选择性和产品质量。选择性一般受到催化剂表面加氢条件的影响，而在此表面的富氢状态往往可以促进选择性。

本回路反应器所提供的高传质速率可使催化剂表面始终处于富氢状态，从而提高了反应的选择性和延长了催化剂的使用寿命。回路反应器的性能是独立于容量大小的，可轻松地做到产品等效性而无须进行条件适配。在实践中经常可以将实验室反应结果一步到位地在工业回路反应器中实现，达到目标产品的等效性。

3.1.4经济性

工艺放大除了要达到工业装置生产目的之外，生产的经济性也显得同样重要。

反应速率由气体压力和加氢传质能力决定。实验室中为了加快反应速率而随意增高搅拌釜压力和搅拌转速是很容易做到的，但工业装置因高压而带来的设备费用的增加和高搅拌带来的催化剂磨损问题可能会得不偿失。

气液固反应使用的催化剂在很多情况下采用贵金属如钯和铂等，催化剂的活性和反复使用次数对生产成本起到举足轻重的作用。催化剂在不同类型的反应器中它的活性和寿命有不同的表现，在传统搅拌反应器和现有回路反应器中，催化剂很容易被磨损而失活，在本装置不存在催化剂磨损的问题，催化剂寿命及使用次数大幅增加，减少了生产的运行费用。

本回路反应器内不需要配置挡板，它比搅拌反应器有更大的高径比，因此能减少制造成本，特别是对一些高压反应而言。

本回路反应器内未反应完的气体回到固定床反应器顶部，通过气液平衡管与新鲜气体共同被文丘里喷射器再次吸入反应器继续用于反应，催化剂装填量少，而管式反应器和固定床反应器，为了提高反应停留时间，床层一般较高，催化剂装填量较多。

3.2操作性

操作性能指标的比较见表2。

表2　操作性能指标的比较

由表2可知，在操作性方面，本喷射回路反应装置主要具有如下特点：

(1)可连续操作：釜式反应器及现有的回路反应器[1]，在反应结束后还需过滤催化剂，粉状催化剂过滤难，无法实现连续化操作。本装置催化剂负载在固定床反应器的载体上，反应后无须过滤催化剂，通过阀门的切换很容易做到反应的连续性。

(2)安全性能高：釜式反应器内气相部分含有转动及机械密封部件，这些部件在转动过程中有可能产生火花，这对低闪点和宽爆炸极限的气体而言存在安全隐患，而本装置气相部分无运动部件，消除了产生火花的风险，安全性能得到极大提高。

釜式反应器容器上端空间气体在液相内得不到循环，而回路反应器不仅液相循环，而且气相也在不断循环，气、液相物料均处于动态，减少了气相因处于静止状态而发生某些气体(如环氧乙烷)自聚的可能，既提高了质量又保证了安全。

本装置无需设置通向大气的爆破片，不存在易燃气体(如氢气、环氧乙烷)突发进入大气的可能，消除了反应过程中的突发环境风险[5]。

传统釜式反应器在气相进料时，液相很容易倒吸至气相管线引起事故，本装置的气相进口管线上设置安全罐(气体缓冲罐)，避免在误操作条件下(如泵的出口阀门误关闭)反应液倒吸进入原料气体管线造成生产事故，另外，如果没有缓冲罐的缓冲作用，气体的供料速率不好控制。

本装置喷射器气相入口处设置气液平衡管，可以避免系统超压。出现意外情况时紧急停泵，催化剂表面滞留物料少，反应终止迅速，提高系统的安全性。

4装置应用及优点

本高效喷射回路反应器，借鉴了我国2, 6-二乙基苯胺生产行业所用的回路反应器的成功应用经验。目前本装置已在某公司的苯胺中试装置上成功应用，由于其具有传质效率高、温度可控、催化剂不易磨损、催化剂装填量少、反应后无需过滤催化剂等优点，使其大幅降低了装置的运行费用，提高了装置的安全性，并简化了操作，建议在新建或改建气液固反应工艺中积极考虑采用。

5结语

在现有气液固回路反应器的基础上设计一种用于气液固三相催化反应的高效喷射回路反应装置，该装置与现有回路反应器相比最大的优点是反应结束后无须进行催化剂的过滤，简化了操作。

高效能反应器不仅是针对其高传质速率和高产能而言，也包括了简易和可靠的工业放大。

不同大小反应器所生产的产品等效性将变得越来越重要，该回路反应器所具备的生产效能同一性可以最大程度地满足这种要求。

参考文献

1聂金泉. 用于气液固多相反应的回路反应器[J]. 化工装备技术, 1994,15(3).

2DierendonckL.Lvan,etal.LoopVenturiReactor-afeasiblealternativetostirredtankreactors[J].Ind.Eng.Chem.Res.(1998),37:734-738.

3L.LVanDierendonck“Scale-upofG-L-ReactionsMadeSimplewithLoopReactor.” 6thEuropeanConferenceonMixing, 1988-05.

4安维中.半间歇搅拌釜式乙氧基化反应器的数学模拟[J]. 化工进展, 2009,(28):773-777.

5HavalkaP.Effectoftheejectorconfigurationonthegassuctionrateandgasholdupinejectorloopreactors[J].ChemEngSci. 1997, (52):1701-1713.

(收稿日期2016-03-16)

*伍伟伟：工程师，全国注册化工工程师。2009年毕业于华东理工大学化学工程专业。主要从事精细化工产品的工程放大及工程设计工作。获得中国发明专利4项，实用新型专利12项。联系电话：135 2498 0228，E-mail：wuww@eccei.com。