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公司名稱：化工填料廠家
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規(guī)整填料在多相催化反應(yīng)器中的應(yīng)用
2019-10-12 閱讀：次
引言
化學(xué)反應(yīng)器是化工生產(chǎn)裝置的核心，化工生產(chǎn)中涉及的大多數(shù)反應(yīng)為多相催化反應(yīng)，反應(yīng)器類型因化工產(chǎn)品的多樣化而具有多樣性，其選擇和設(shè)計主要基于以下原則：生產(chǎn)可操作性，選擇性，高效率，性，方便性，可靠性，低成本以及設(shè)計的可行性[1]。而多相催化反應(yīng)器的設(shè)計更是一個復(fù)雜的課題，催化劑的研發(fā)驅(qū)使我們選擇一適當(dāng)類型的反應(yīng)器與其相適應(yīng)，而這種形式將逐步被催化劑研發(fā)與反應(yīng)器設(shè)計的同時進(jìn)行的方法所取代。與此同時，各種研究表明，結(jié)構(gòu)型反應(yīng)器也將逐步取代催化劑散堆式的反應(yīng)器。結(jié)構(gòu)型多相催化反應(yīng)器的內(nèi)件設(shè)計將是我們的研究重點，而規(guī)整填料，因具有高空隙率、低壓降、易于規(guī)模化以及可以準(zhǔn)確地描述其流體力學(xué)的機(jī)理等勢，可以潛在的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)型反應(yīng)器的設(shè)計。本篇論文主要介紹幾種可以應(yīng)用于多相催化反應(yīng)器的內(nèi)部構(gòu)件（這些內(nèi)件常被應(yīng)用于固定床反應(yīng)器以及精餾系統(tǒng)），主要規(guī)整填料的特性，及其可能在多相催化反應(yīng)中的應(yīng)用。
1多相催化反應(yīng)
多相催化反應(yīng)被廣泛應(yīng)用于石油化工染料、特殊化學(xué)品如藥品[2]、化妝品、香料等的合成，以及污水處理[3]等方面。在現(xiàn)有流程以及新型裝置中，采用多相催化的反應(yīng)器類型很大程度取決于新催化劑的開發(fā)與改進(jìn)[4]。Dudukovic等[5]對化工領(lǐng)域涉及到幾種多相催化反應(yīng)類型進(jìn)行了總結(jié)與歸納，應(yīng)用廣泛的多相催化反應(yīng)類型主要有三種：漿液攪拌槽式反應(yīng)器、鼓泡塔式反應(yīng)器以及固定床式反應(yīng)器。其缺點及應(yīng)用舉例[6]，總結(jié)見表1。漿液攪拌槽式，鼓泡塔式反應(yīng)器具有催化劑顆粒小，反應(yīng)接觸面積大的勢，但是需要對催化劑與產(chǎn)品進(jìn)行分離，同時分離后的催化劑通過泵返回反應(yīng)器又會造成轉(zhuǎn)化率以及選擇性地降低；固定床反應(yīng)器則比較方便沒有催化劑分離方面的，但是床式反應(yīng)器催化劑流粒徑較大，限制了壓降，Al-Dahhan等[7]對固定床反應(yīng)器進(jìn)行了總結(jié)，以其高的催化劑負(fù)載量，較長的停留時間，以及分布窄的勢其主要應(yīng)用于物理、化學(xué)吸附等反應(yīng)中。在逆流操作工況下，由于填充床低的孔隙率，以避免出口液體停滯，液體流率被限制在很低的程度內(nèi)，這可能會導(dǎo)致的很大的壓降。因此，由于強(qiáng)加于流速方面的限制，使得固定床反應(yīng)器上的催化劑不完全濕潤和低傳質(zhì)速率，其主要應(yīng)用于順流模式。隨著催化劑領(lǐng)域的快速發(fā)展，對于高活性催化劑粒子來說，嚴(yán)重的粒子內(nèi)擴(kuò)散和熱傳遞限制在這些反應(yīng)器中越發(fā)明顯，除熱不及時可以導(dǎo)致催化劑的失活，這是反應(yīng)過程低選擇性的主要原因，從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度來說也是不科學(xué)的，這就驅(qū)使我們系統(tǒng)研究各種反應(yīng)器類型來克服這些問題。
2多相催化反應(yīng)器的內(nèi)件結(jié)構(gòu)
隨著化工技術(shù)的發(fā)展，多功能和結(jié)構(gòu)化的反應(yīng)器將是未來反應(yīng)器的發(fā)展趨勢。結(jié)構(gòu)型反應(yīng)器主要是由陶瓷、金屬或者碳質(zhì)等材料制成的規(guī)整內(nèi)件定位于反應(yīng)器內(nèi)部所構(gòu)成的，它是對散堆式反應(yīng)器的有效補充，例如獨塑性（整體）結(jié)構(gòu)反應(yīng)器[8]，在此類型反應(yīng)器中催化劑與反應(yīng)器的界限已不存在。
結(jié)構(gòu)型反應(yīng)器可以很大程度設(shè)計并描述催化劑的定位環(huán)境，所有內(nèi)件可以精確設(shè)計它的形狀及尺寸，而且在距離尺寸（例如擴(kuò)散距離，孔隙率）方面具有很大的靈活性。可以更清楚的了解反應(yīng)速率，傳遞現(xiàn)象以及流體動力學(xué)，認(rèn)識反應(yīng)催化的機(jī)理行為，對反應(yīng)器的可靠性以及性能進(jìn)行化。例如流體動力學(xué)和反應(yīng)速率的計算，反應(yīng)速率要求粒子很小以達(dá)到催化劑表面高速反應(yīng)，而流體動力學(xué)則需要較大粒子以達(dá)到低壓降。在床式反應(yīng)器中，這兩個方面數(shù)據(jù)不可能同時達(dá)到。結(jié)構(gòu)式反應(yīng)器可以更加有效的控制反應(yīng)，內(nèi)件表面覆蓋一層催化劑，催化劑，由于小的擴(kuò)散距離，可以更加有效的利用催化劑的活性。但是，結(jié)構(gòu)性內(nèi)件也有其劣勢，即低的催化劑負(fù)載量。增加催化劑的負(fù)載量，具有高的比表面積的內(nèi)部構(gòu)件是關(guān)鍵，同時負(fù)載在結(jié)構(gòu)內(nèi)件上的催化劑處于高溫高壓的環(huán)境，需要考慮其穩(wěn)定性，具有充分的流體動力學(xué)以及傳遞作用是結(jié)構(gòu)性催化反應(yīng)器的關(guān)鍵所在[9]。
3規(guī)整填料的應(yīng)用
早在1960年，規(guī)整填料就被成功應(yīng)用于工業(yè)蒸餾以及回收塔中。據(jù)估計在世界上精餾塔中25%采用了規(guī)整填料[10]。近年來，有關(guān)規(guī)整填料性能、設(shè)計方法和應(yīng)用方面的報道很多。規(guī)整填料塔（絲網(wǎng)、波紋填料、孔板波紋填料等）以其處理能力大、效率高、壓降低、能耗小等特點，在填料塔及塔板改造中得到廣泛的應(yīng)用。規(guī)整填料主要提供了充分的氣液接觸面積，填料上的網(wǎng)孔或波紋便于液膜形成，其波紋的導(dǎo)向性有良好的再分布作用，且使液體的溝流大大減少，而這些正是成功分離的條件。如波紋絲網(wǎng)型填料成功應(yīng)用于脂肪酸、脂肪醇、甘油等的真空蒸餾；金屬絲網(wǎng)波紋填料以其低壓降，填料內(nèi)部的毛細(xì)管作用使得液相在填料內(nèi)有充分的分散等勢也得到很廣泛的應(yīng)用。
對于固定床反應(yīng)器應(yīng)用規(guī)整填料幾乎沒有商業(yè)化停留在實驗室研究，但在反應(yīng)精餾塔中規(guī)整填料正逐漸得到工業(yè)化應(yīng)用，例如由Sulzer-ChemTech開發(fā)的Katapak-S和科氏工業(yè)集團(tuán)開發(fā)的Katamax，如圖1、圖2所示，被成功應(yīng)用于反應(yīng)精餾技術(shù)中。
4幾種潛在可以應(yīng)用于反應(yīng)器的規(guī)整填料
實驗室研究中，大量的規(guī)整填料被證實在傳質(zhì)以及傳熱方面應(yīng)用于反應(yīng)器的可行性，但是實現(xiàn)真正的工業(yè)化應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)，Wen等人[11]對這些填料進(jìn)行了詳實的描述，本文主要介紹幾種可以潛在應(yīng)用于多相催化反應(yīng)器的的規(guī)整填料，這些規(guī)整填料已經(jīng)成功的實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，可以分為四大類：
4.1整體型規(guī)整填料
它是由幾個平行的直線通道構(gòu)成的，主要特點：低壓降，高孔隙率，大的幾何面積等點，它的材料可以是金屬或者陶瓷，由于陶瓷的熱傳導(dǎo)較弱，相對而言，金屬制品應(yīng)用比較廣泛。
4.2波紋型板式或網(wǎng)狀的分類
可以細(xì)分為兩類，結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。
（1）開放式的橫流結(jié)構(gòu)（OCFS）。波紋片彼此平行堆疊，波紋的方向交替傾斜于同一軸線；特點：低壓降，高孔隙率，大的幾何面積，以及高效的徑向混合，其已商業(yè)化，例如瑞士公司[12]生產(chǎn)的Katapak-MK或者M(jìn)ella-pak-BX。
（2）封閉式的橫流結(jié)構(gòu)（CCFS）。其在波紋板之間添加了平板，形成向軸向傾斜的封閉通道。主要特征擴(kuò)大了徑向?qū)α鱗13]，了板上混和，因此其允許填料與反應(yīng)器外部有有效的熱量傳遞，但這種填料并未實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
4.3絲網(wǎng)編織填料
它是有很多細(xì)的金屬或者非金屬材料絲[14]編織在一起，然后壓制成螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的填料，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要特征：低壓降，高孔隙率，大的幾何面積，但是其徑向混合以及熱傳遞機(jī)理尚不明確[15]。
4.4開放式泡沫填料
它是由相互連接的堅實孔柱壓制而成的3D蜂窩材料形成的海綿型通道網(wǎng)絡(luò)填料，具有較強(qiáng)的熱傳遞功能[16]，主要生產(chǎn)廠家如Aerospace公司和Porvair公司，在泡沫型填料方面研究較為深入。如圖6所示，圖中為泡沫填料的結(jié)構(gòu)，其使用材質(zhì)可以是金屬材質(zhì)（銅、鋁等熱傳導(dǎo)能力較強(qiáng)材料）或者非金屬材料（碳質(zhì)、工程塑料、碳化硅等）；圖7為泡沫填料在熱傳遞方面的勢，通過金屬板，金屬管道以及外部盤管將熱量帶入或者移出反應(yīng)系統(tǒng)，在反應(yīng)溫度控制方面具有很大的勢。因此開放式泡沫填料應(yīng)用于多相催化反應(yīng)器潛力很大。
及催化劑負(fù)載量，催化劑的負(fù)載量無需壓降就可以達(dá)到同樣的效果，在很大范圍內(nèi)，在規(guī)整填料上催化劑的負(fù)載量可以改變涂層的厚度來操控。因此，規(guī)整填料相比床式在催化劑負(fù)載方面具有很大的靈活性。
規(guī)整填料是一種很有前途的有望替代當(dāng)前的填充式和漿液式反應(yīng)器，它具有填充床式反應(yīng)器所沒有的高催化劑負(fù)載量；但其流體的動力學(xué)特征：壓降，流速，以及熱傳遞等功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于填充式反應(yīng)器，無論在層流還是湍流情況下，它都能強(qiáng)化了整個反應(yīng)過程。相對漿液式反應(yīng)器，規(guī)整填料顯得更加方便和緊湊，無需催化劑的分離與再。隨著催化劑領(lǐng)域的快速發(fā)展，規(guī)整填料將克服低催化劑負(fù)載量及高消耗等方面的缺點，其高反應(yīng)速率，高選擇性，低壓降，較好的除熱功能等方面的勢必將在多相催化反應(yīng)器中得到充分的發(fā)揮。
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