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化工过程强化系列7:喷射式反应器特点及适用范围

上一期我们说了喷射式反应器的技术原理,这一期我们来说一说它的优点与适用范围。其实上一讲我们已经说过这个反应器的优点,那就是流程灵活,容易组织,另外就是气液反应的效率非常高。由于在喷射器的喷管内气体与液体能够达到非常快速剧烈的混合,气液传质的过程被充分加强,这导致部分在搅拌釜内反应缓慢的过程可以快速进行。对于气液传质控制的反应,实际反应速率普遍可以快5-10倍。也就是说原本十几个小时的反应时间可以被压缩到2-3小时。强化了的气液传质过程就没有必要采用高的反应压力,因此对于有些流程在产能要求较低的条件下,也可以采用低压流程,这就避免了高压反应带来的一系列安全问题。

喷射式反应器本质上来说还是一个瞬时过程,因为气液接触只发生在喉管处,如果反应是气液控制过程,实际反应也主要发生在喉管处。而反应物通过喉管的时间是非常短暂的,这就带来一个好处那就是反应不容易过度。这里我拿氯化反应举个例子,做一个氯化反应很多情况下我们需要的是中间产物,也就是一氯或二氯取代物,但实际上从反应动力学的角度说,如果氯化继续进行还会生成多氯取代物甚至焦油,那这个反应过程就没有意义了。对于这种过程我们必须控制气液接触过程恰到好处,时间长了不行,而这种情况下瞬时接触过程的优势就体现出来了。因此我们常常能听说采用喷射反应器之后反应的选择性有所提高,正是这个道理。当然最为理想的是一步反应为传递控制过程,后续反应为反应控制过程,这种情况多见于选择性加氢或氧化。

从目前的主流流程组织上来看,现在的喷射式反应器可以分为两种。液体在整个反应过程中仅一次通过喷射器的就是所谓单程式。液体多次通过喷射器并反复进行循环的就是多程式也就是现在一些企业说的回路反应器。可以说这两种流程组织形势适用的流程是截然不同的,而这两个流程组织也具有一定的互补性,我这里分开来说一下。

对于单程式反应器,主要的特点就是结构简单,可以与管道反应器结合,投资设备成本都非常低。整个体系中没有搅拌器以及循环泵之类的动部件,设备密封不是问题,因此可以达到很高的操作温度压力,在体系内加入也可以加入固体催化剂,或者是在后续管道上使用负载型催化剂。对于强放热反应,物料经过喷射器后可以直接进入换热器冷却,防止一些产品因为温度过高而变质。单程式喷射式反应器优点非常明显,生产改造非常容易,但非常遗憾的就是适用范围特别狭窄。因为单程式反应器要求反应物一次经过喷射器的时候就完成反应过程,并达到较高的转化率。这就要求反应过程中要么气体在液体中溶解度非常大,液体经过喷射器的时候迅速完成气体吸收,溶解于液体中的气体在后续过程中与底物反应。要么本身反应速度非常快,在通过喷射器的过程中将底物完全转化为反应产物。但非常遗憾的是,具备这两个反应特征的气液反应实际上在过程中并不多见。比较常见的例子就是纯碱工业中的氨气吸收,以及环保行业中的臭氧投加,很多我们想改进的加氢或者氧化过程不在此类。

对于回路式反应器,由于采用循环泵将底物不断进行循环因此这个体系类似于反应釜,适用范围更加广泛。因为物料在反应体系内的停留时间可以控制因此适合于需要较长反应时间的过程。实际组织流程的时候,可连续可间歇,还可以多台并联,进一步扩大其使用范围。另外就是供气方式较传统的鼓泡反应器有优势,传统鼓泡反应器将气体吹入反应釜内部,鼓泡过程中不可避免地导致溶剂被气体带出反应系统,这样一来就会形成废气,后续还有配置废气处理单元。但是喷射式反应器由于气体是自吸进入反应体系的,所以系统可以全封闭,不存在废气的排出问题。

当然回路式喷射反应器也有比较大的局限,这个局限在于装备上。由于需要对液体进行循环,自然需要配置循环泵,这个循环泵由于直接与反应物料接触,因此运行条件是非常苛刻的。比如对于一般的气液反应一般都需要较高的温度与压力下运行,因此导致这个循环泵的操作温度与密封压力都在很高的水平上。另外气液反应有时候还要有催化剂,设计不好的情况下部分气泡也有可能被吸进循环泵,因袭这个循环泵是一个液固两相泵甚至是气液固三相泵。考虑到国内泵的加工水准,我的一个观点就是操作压力在2MPa,操作温度150摄氏度以上,采用硬质催化剂的流程不适宜采用回路式反应器。当然考虑到气液过程强化后压力降低的因素,实际生产过程中大于2MPa的流程也可以尝试,但总体而言如非国内泵加工制造出现进步,不建议做高温高压流程。从这个问题上来看,有时候过程强化也是一个系统性科学,有时候还需要依靠机械以及自动化的其他技术辅助。

内容来源于  YEBOSS的化工知识大杂烩  作者:法式滚筒YEboss  原文链接