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    規整填料在多相催化反應器中的應用
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    規整填料在多相催化反應器中的應用

    2019-10-12      閱讀:
    引言
    化學反應器是化工生產裝置的核心,化工生產中涉及的大多數反應為多相催化反應,反應器類型因化工產品的多樣化而具有多樣性,其選擇和設計主要基于以下原則:生產可操作性,選擇性,高效率,性,方便性,可靠性,低成本以及設計的可行性[1]。而多相催化反應器的設計更是一個復雜的課題,催化劑的研發驅使我們選擇一適當類型的反應器與其相適應,而這種形式將逐步被催化劑研發與反應器設計的同時進行的方法所取代。與此同時,各種研究表明,結構型反應器也將逐步取代催化劑散堆式的反應器。結構型多相催化反應器的內件設計將是我們的研究重點,而規整填料,因具有高空隙率、低壓降、易于規;约翱梢詼蚀_地描述其流體力學的機理等勢,可以潛在的應用于結構型反應器的設計。本篇論文主要介紹幾種可以應用于多相催化反應器的內部構件(這些內件常被應用于固定床反應器以及精餾系統),主要規整填料的特性,及其可能在多相催化反應中的應用。

    1多相催化反應
    多相催化反應被廣泛應用于石油化工染料、特殊化學品如藥品[2]、化妝品、香料等的合成,以及污水處理[3]等方面。在現有流程以及新型裝置中,采用多相催化的反應器類型很大程度取決于新催化劑的開發與改進[4]。Dudukovic等[5]對化工領域涉及到幾種多相催化反應類型進行了總結與歸納,應用廣泛的多相催化反應類型主要有三種:漿液攪拌槽式反應器、鼓泡塔式反應器以及固定床式反應器。其缺點及應用舉例[6],總結見表1。漿液攪拌槽式,鼓泡塔式反應器具有催化劑顆粒小,反應接觸面積大的勢,但是需要對催化劑與產品進行分離,同時分離后的催化劑通過泵返回反應器又會造成轉化率以及選擇性地降低;固定床反應器則比較方便沒有催化劑分離方面的,但是床式反應器催化劑流粒徑較大,限制了壓降,Al-Dahhan等[7]對固定床反應器進行了總結,以其高的催化劑負載量,較長的停留時間,以及分布窄的勢其主要應用于物理、化學吸附等反應中。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,這可能會導致的很大的壓降。因此,由于強加于流速方面的限制,使得固定床反應器上的催化劑不完全濕潤和低傳質速率,其主要應用于順流模式。隨著催化劑領域的快速發展,對于高活性催化劑粒子來說,嚴重的粒子內擴散和熱傳遞限制在這些反應器中越發明顯,除熱不及時可以導致催化劑的失活,這是反應過程低選擇性的主要原因,從經濟學角度來說也是不科學的,這就驅使我們系統研究各種反應器類型來克服這些問題。


    2多相催化反應器的內件結構
    隨著化工技術的發展,多功能和結構化的反應器將是未來反應器的發展趨勢。結構型反應器主要是由陶瓷、金屬或者碳質等材料制成的規整內件定位于反應器內部所構成的,它是對散堆式反應器的有效補充,例如獨塑性(整體)結構反應器[8],在此類型反應器中催化劑與反應器的界限已不存在。
    結構型反應器可以很大程度設計并描述催化劑的定位環境,所有內件可以精確設計它的形狀及尺寸,而且在距離尺寸(例如擴散距離,孔隙率)方面具有很大的靈活性?梢愿宄牧私夥磻俾,傳遞現象以及流體動力學,認識反應催化的機理行為,對反應器的可靠性以及性能進行化。例如流體動力學和反應速率的計算,反應速率要求粒子很小以達到催化劑表面高速反應,而流體動力學則需要較大粒子以達到低壓降。在床式反應器中,這兩個方面數據不可能同時達到。結構式反應器可以更加有效的控制反應,內件表面覆蓋一層催化劑,催化劑,由于小的擴散距離,可以更加有效的利用催化劑的活性。但是,結構性內件也有其劣勢,即低的催化劑負載量。增加催化劑的負載量,具有高的比表面積的內部構件是關鍵,同時負載在結構內件上的催化劑處于高溫高壓的環境,需要考慮其穩定性,具有充分的流體動力學以及傳遞作用是結構性催化反應器的關鍵所在[9]。
     
    3規整填料的應用
    早在1960年,規整填料就被成功應用于工業蒸餾以及回收塔中。據估計在世界上精餾塔中25%采用了規整填料[10]。近年來,有關規整填料性能、設計方法和應用方面的報道很多。規整填料塔(絲網、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用。規整填料主要提供了充分的氣液接觸面積,填料上的網孔或波紋便于液膜形成,其波紋的導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。如波紋絲網型填料成功應用于脂肪酸、脂肪醇、甘油等的真空蒸餾;金屬絲網波紋填料以其低壓降,填料內部的毛細管作用使得液相在填料內有充分的分散等勢也得到很廣泛的應用。
    對于固定床反應器應用規整填料幾乎沒有商業化停留在實驗室研究,但在反應精餾塔中規整填料正逐漸得到工業化應用,例如由Sulzer-ChemTech開發的Katapak-S和科氏工業集團開發的Katamax,如圖1、圖2所示,被成功應用于反應精餾技術中。

    4幾種潛在可以應用于反應器的規整填料
    實驗室研究中,大量的規整填料被證實在傳質以及傳熱方面應用于反應器的可行性,但是實現真正的工業化應用任重而道遠,Wen等人[11]對這些填料進行了詳實的描述,本文主要介紹幾種可以潛在應用于多相催化反應器的的規整填料,這些規整填料已經成功的實現工業化應用,可以分為四大類:
    4.1整體型規整填料 
    它是由幾個平行的直線通道構成的,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,由于陶瓷的熱傳導較弱,相對而言,金屬制品應用比較廣泛。
    4.2波紋型板式或網狀的分類 
    可以細分為兩類,結構如圖3、圖4所示。
    (1)開放式的橫流結構(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,其已商業化,例如瑞士公司[12]生產的Katapak-MK或者Mella-pak-BX。 

    (2)封閉式的橫流結構(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。主要特征擴大了徑向對流[13],了板上混和,因此其允許填料與反應器外部有有效的熱量傳遞,但這種填料并未實現商業化應用。
    4.3絲網編織填料 
    它是有很多細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構的填料,其結構如圖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絡填料,具有較強的熱傳遞功能[16],主要生產廠家如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構,其使用材質可以是金屬材質(銅、鋁等熱傳導能力較強材料)或者非金屬材料(碳質、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系統,在反應溫度控制方面具有很大的勢。因此開放式泡沫填料應用于多相催化反應器潛力很大。

    及催化劑負載量,催化劑的負載量無需壓降就可以達到同樣的效果,在很大范圍內,在規整填料上催化劑的負載量可以改變涂層的厚度來操控。因此,規整填料相比床式在催化劑負載方面具有很大的靈活性。
    規整填料是一種很有前途的有望替代當前的填充式和漿液式反應器,它具有填充床式反應器所沒有的高催化劑負載量;但其流體的動力學特征:壓降,流速,以及熱傳遞等功能遠遠強于填充式反應器,無論在層流還是湍流情況下,它都能強化了整個反應過程。相對漿液式反應器,規整填料顯得更加方便和緊湊,無需催化劑的分離與再。隨著催化劑領域的快速發展,規整填料將克服低催化劑負載量及高消耗等方面的缺點,其高反應速率,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器中得到充分的發揮。

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