多相反應(yīng)器研究文獻(xiàn)綜述在化工生產(chǎn)中，反應(yīng)類型有很多種，最常見的就是氣液反應(yīng)、氣液固反應(yīng)等多相反應(yīng)，發(fā)生這些反應(yīng)的反應(yīng)器稱為多相反應(yīng)器。常見的多相反應(yīng)器有攪拌反應(yīng)釜、流化床以及回路反應(yīng)器等。1.1攪拌反應(yīng)釜攪拌釜式反應(yīng)器又稱機械攪拌反應(yīng)器，它由攪拌容器和攪拌機組成。攪拌機包括傳動裝置、攪拌軸（含軸封）、葉輪（攪拌槳）和攪拌器；攪拌容器包括筒體、換熱元件及內(nèi)構(gòu)件等。攪拌釜式反應(yīng)器適用于各種物性（如粘度、密度）和各種操作條件（溫度、壓力）的反應(yīng)過程。常用來進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)、生物反應(yīng)、混合、分散、溶解、結(jié)晶、萃取、吸收和解吸、傳熱等操作，因此，它在合成塑料、合成纖維、合成橡膠、醫(yī)藥、農(nóng)藥、化肥、染料、食品、冶金及廢水處理等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍十分廣泛。圖1-1攪拌釜結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1-1Abriefdiagramofthestructureofstirredkettle.雖然攪拌釜式反應(yīng)器有著眾多優(yōu)點，應(yīng)用廣泛，但是它仍然有著不少的缺陷，這些缺陷制約了其發(fā)展應(yīng)用。比如：①結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，焊縫多，焊接工作量大，且殼體較薄時容易產(chǎn)生焊接變形，使反應(yīng)器安全性降低；②旋轉(zhuǎn)軸部位容易發(fā)生泄漏、機械磨損等情況，因此不適合壓力較大或反應(yīng)物介質(zhì)有毒的反應(yīng)；③釜體內(nèi)部存在著盲區(qū)，物料的混合效果不佳；④攪拌速度受到內(nèi)構(gòu)件、釜體形狀等因素限制難以提高，因此生產(chǎn)效率較低；⑤反應(yīng)釜內(nèi)部空間有限，換熱面積受限，對于很對放熱量大的反應(yīng)不適用；⑥一般為間歇式生產(chǎn)，難以實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。1.2流化床流化床反應(yīng)器是借助氣體或液體對流化床中固體層的顆粒進(jìn)行吹動，使得固體層上的固體顆粒進(jìn)行懸浮，在此基礎(chǔ)上發(fā)生反應(yīng)的一類反應(yīng)器。在用于氣固系統(tǒng)時，又稱沸騰床（如圖1-8所示）。流化床反應(yīng)器常見用于化工、石油、燃燒等諸多工業(yè)領(lǐng)域中。目前流化床反應(yīng)器主要是發(fā)生氣固兩相反應(yīng)，與傳統(tǒng)的氣固反應(yīng)器相比，流化床反應(yīng)器的氣固接觸效果好。圖1-8流化床反應(yīng)器Fig.1-8Fluidbedreactor.1.3其他類型的反應(yīng)器除以上幾種多相反應(yīng)器外，還有板式塔、回路反應(yīng)器等很多種類的多相反應(yīng)器，在三甲胺的反應(yīng)中，三甲胺是具有劇毒的一類氣體，因此要求反應(yīng)釜的密封性要好。因此綜合考慮該反應(yīng)的反應(yīng)特性，本文選用回路反應(yīng)器作為三甲胺的反應(yīng)器。1.4回路反應(yīng)器簡介回路反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)組成簡易，主要包括四個部分：氣液噴射器、反應(yīng)釜、循環(huán)泵、換熱器?；芈贩磻?yīng)器適用范圍很廣，可以應(yīng)用于氣液、氣液固等多相反應(yīng)，尤其是適用于以攪拌反應(yīng)釜進(jìn)行生產(chǎn)的反應(yīng)，可以提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，并且簡易的結(jié)構(gòu)組成使得回路反應(yīng)器可以實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。另外，回路反應(yīng)器的工作原理簡單：依靠進(jìn)入到反應(yīng)釜的氣液混合物，進(jìn)行循環(huán)，反應(yīng)釜底部的循環(huán)泵通過對液體加壓使得液體回到氣液噴射器的液體入口，構(gòu)成回路，氣液噴射器可以促進(jìn)氣液兩相的傳質(zhì)傳熱，提高轉(zhuǎn)化率[4]?；芈贩磻?yīng)器應(yīng)用廣泛是因為回路反應(yīng)器有著其他反應(yīng)器所不具備的優(yōu)點，第一、回路反應(yīng)器組成簡單，使得回路反應(yīng)器維修方便；第二、回路反應(yīng)器將傳統(tǒng)反應(yīng)器的作用拆分，通過回路反應(yīng)器的幾個組成部件分別完成換熱、傳質(zhì)等，效率更高；第三、反應(yīng)釜本身不包含運動部件，使得回路反應(yīng)器密封性能極佳；第四、李韶濮和李帥的研究表明了回路反應(yīng)器可以很容易實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。1.5回路反應(yīng)器研究現(xiàn)狀近年來國內(nèi)的制藥及精細(xì)化工行業(yè)在開展連續(xù)化生產(chǎn)的改進(jìn)，回路反應(yīng)器以其優(yōu)良的特性可以實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，較攪拌反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率更高且實現(xiàn)連續(xù)化更容易。國內(nèi)對回路反應(yīng)器的研究是從1970年開始的，早期的研究主要采用實驗的方法，李永祥[23]等考慮了流變特征對氣含率和傳質(zhì)特性的影響，張衛(wèi)民[24]等建立了兩相流速與噴嘴結(jié)構(gòu)和操作壓力的函數(shù)關(guān)系。在研究過程中，研究人員[24-26]大多利用空氣-水體系對環(huán)流反應(yīng)器的流動特性進(jìn)行分析。在以體積傳質(zhì)系數(shù)作為評價指標(biāo)進(jìn)行研究時得出體積傳質(zhì)系數(shù)與表觀氣速呈正比關(guān)系[27]。另外，不同物系對氣含率和容積傳氧系數(shù)的影響也有研究，尚龍安[28]等人以空氣-水和亞硫酸鈉水溶液-空氣體系進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，物理法和化學(xué)法測得的容積傳氧系數(shù)隨導(dǎo)流筒直徑的變化規(guī)律相一致。甘一如[29]等人研究發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器其氣液傳質(zhì)性能不同，隨著導(dǎo)流筒和噴嘴數(shù)量的增加，傳質(zhì)效率逐漸增高、能耗降低。Zahradnik等人做了相關(guān)的試驗，研究了氣相自由通過和強制氣相通過的兩種不同情況下，噴射器結(jié)構(gòu)對反應(yīng)釜內(nèi)液相平均氣含量的影響，并指出在氣體強制進(jìn)入條件下，噴射器的結(jié)構(gòu)對含氣率并未產(chǎn)生較大影響[8]。Farizoglu等研究對比了圓形截面噴頭和方形截面噴頭，試驗內(nèi)容包括兩種噴射反應(yīng)器的氣體流量、液體流量對含氣率和液相體積分?jǐn)?shù)的影響，得出結(jié)論：方形截面噴射器液相傳質(zhì)系數(shù)比圓形截面噴射器液的高11％~13％[9]。Deshpande等通過PIV方法對回路反應(yīng)器的局部平均湍流系數(shù)進(jìn)行測定[7]，并根據(jù)這個基礎(chǔ)提出了對湍流散耗率的預(yù)測方法。張為民等研究了回路反應(yīng)器在不同結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下的流體力學(xué)特性，建立了兩相流俗、噴咀結(jié)構(gòu)設(shè)計和操作壓力的函數(shù)關(guān)系。圖1-1回路反應(yīng)器Fig.1-1Jetloopreactor.1.6回路反應(yīng)器應(yīng)用Hwa[1]等使用純氧噴射回路反應(yīng)器（JLR）來處理食物垃圾滲濾液（FWL）、高濃度有機廢水等。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用JLR能夠獲得最大的氧氣轉(zhuǎn)移速率，從而提高反應(yīng)效率。Mathias[2]等將噴射回路反應(yīng)器用于改善酮的鹵化作用。與攪拌反應(yīng)器相比，它可以顯著提高效率和選擇性，該噴射回路反應(yīng)具有高傳質(zhì)性能和良好的宏觀混合性能。Jail[3]等將工作體積為100升的噴射回路反應(yīng)器用于處理橄欖油廠廢水（OMW）。分別實現(xiàn)化學(xué)需氧量和酚類化合物的最大去除率分別為72％和68％，水力停留時間為10天。Abedini[4]等研究了用于丙烯聚合的回路反應(yīng)器。研究了在不同操作條件下顆粒生長因子，催化劑活性和固相分?jǐn)?shù)等幾個參數(shù)對反應(yīng)器體積的影響。得到了最佳的反應(yīng)器直徑，從而減少投資和運行成本。???[5]等使用兩相噴嘴的噴射回路反應(yīng)器（JLR）來處理高濃度廢水。進(jìn)行了兩相噴射流的數(shù)值研究，尋找反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計。結(jié)果表明，空氣尺寸越小，混合效果越明顯。確認(rèn)了混合效果和湍流之間的關(guān)系。Ince[6]等設(shè)計并構(gòu)建了一種適用于有機物氧化的新型噴射回路生物反應(yīng)器?？刂茋娚浠芈飞锓磻?yīng)器以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)化率率取決于維持適當(dāng)?shù)呢?fù)載量和操作條件。Park[7]等開發(fā)了一種帶表面活性劑溶液循環(huán)的噴射回路反應(yīng)器（JLR），以降低揮發(fā)性有機化合物（VOC）的濃度。研究發(fā)現(xiàn)，即使在VOC濃度突然增加的情況下，JLR與表面活性劑溶液的循環(huán)也能確保生物過濾器的穩(wěn)定運行。張曉玲[8]等介紹了噴射反應(yīng)器的組成和發(fā)展?fàn)顩r，著重闡述了噴射反應(yīng)器在化工領(lǐng)域、污水處理領(lǐng)域以及生物工程領(lǐng)域的應(yīng)用，并對噴射反應(yīng)器應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了展望。劉勇營[9]等對下噴式回路反應(yīng)器導(dǎo)流筒頂部區(qū)域、底部區(qū)域、環(huán)隙流體流動特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明導(dǎo)流筒頂部區(qū)域返混最大，環(huán)隙區(qū)域接近于平推流，反應(yīng)器混和時間隨液體噴射速度的增大而減小。江蘇工業(yè)學(xué)院[10]將回路反應(yīng)器應(yīng)用于氯化工藝過程。使用回路反應(yīng)器新技術(shù)，能夠降低原料消耗，提高生產(chǎn)能力，降低設(shè)備費用和操作費用，減輕環(huán)境污染，提高產(chǎn)品收率。ParkNB[11]等研究了射流回路生物反應(yīng)器（JLB）空氣流量的輸氧特性和純氧應(yīng)用。結(jié)果表明，液體流速對空氣傳輸速率的影響約為空氣流速的三倍。周明昊[12]等在直徑149mm液體噴射環(huán)流反應(yīng)器熱膜裝置中采用空氣氧化法對2,3,5-三甲基苯醌合成中三甲基苯酚氧化成三甲基苯醌過程進(jìn)行了研究。與釜式反應(yīng)器相比，反應(yīng)時間由4小時縮短1小時，目的產(chǎn)物的含量由88%提高至98%，催化劑用量降低了70%，溶劑比例減小50%。周明昊[13]等在直徑149mm液體噴射環(huán)流反應(yīng)器（LJLR）中對三氯氧磷合成的氧化過程進(jìn)行了研究，與釜式反應(yīng)器相比反應(yīng)時間由40h縮短至8h，氧氣消耗量為理論量并且無尾氣排放，研究結(jié)果已經(jīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。Wang[14]設(shè)計了一種新型介質(zhì)阻擋放電(DBD)回路反應(yīng)器用于氰離子(CN-)在水中的高效降解。循環(huán)水為氰化物等離子體，結(jié)果表明，在此DBD環(huán)管反應(yīng)器中完全去除100ppmCN-的處理時間為范圍120–300分鐘，在ArDBD作用下，100ppmcn完全降解的時間從180分鐘下降至40min，說明使DBD能有效降解氰化物水。WarmelingH[15]在小型噴氣式回路反應(yīng)器上，以簡單配體三苯基三磺酸鈉鹽為原料，研究了無化學(xué)添加劑的長鏈烯烴-1-辛烯雙相水相疏水氫甲?；磻?yīng)。這種精密的反應(yīng)器類型提供了獨特的混合特性，并通過射流噴嘴和有機相體積分?jǐn)?shù)將機械能轉(zhuǎn)移到反應(yīng)介質(zhì)中進(jìn)行優(yōu)化。隨后將其與標(biāo)準(zhǔn)攪拌反應(yīng)器進(jìn)行了比較，后者也分別進(jìn)行了優(yōu)化。這兩種概念在生產(chǎn)力和催化活性方面都顯示出各自的優(yōu)勢。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，射流回路反應(yīng)器使底物氣體的傳質(zhì)速率得到提高，H2的傳質(zhì)速率可達(dá)0.28s-1,CO的傳質(zhì)速率為0.21s-1，從而使傳質(zhì)速率比所獲得的反應(yīng)速率快好幾倍。FengS[16]等采用氣升式內(nèi)回路反應(yīng)器(IALR)使用單硫鹽硫桿菌(Halothiobacillusneapolitanus)對含硫廢水進(jìn)行生物脫硫，回收單質(zhì)硫。研究發(fā)現(xiàn)，在IALR中，S2-去除率和單質(zhì)硫產(chǎn)量分別提高了32.5%和28.2%。DurmazpinarS[17]等采用射流回路生物反應(yīng)器(JLBR)作為吸附劑和反硝化裝置，不添加螯合形成的化學(xué)物質(zhì)，而替代了兩個離散反應(yīng)器，原有的脫氮系統(tǒng)是BioDeNOx系統(tǒng)，它由兩個反應(yīng)器組成，一個用于吸收Fe(II)EDTA2水溶液中的NO，另一個用于隨后在生物反應(yīng)器中通過脫氮過程還原為N2氣體。換句話說，利用射流生物反應(yīng)器較好的傳質(zhì)條件來代替Fe(II)EDTA2。該工藝被命名為Jet-BioDeNOx。JLBR對含500-3000ppmNOx的氣體進(jìn)行了脫氮處理，結(jié)果表明脫除效率在81%~94%之間。ShiY[18]等研制了一種旋流破乳氣升式回路反應(yīng)器(SD-ALR)，使用酵母處理含油廢水。計算流體動力學(xué)模擬結(jié)果表明，SD-ALR的氣含率和液速梯度比傳統(tǒng)氣升式環(huán)流反應(yīng)器高14m/s和0.37m/s。優(yōu)化結(jié)果表明，旋流破乳劑的最佳用量和提升量葉片角度分別為8°和45°，最佳安裝位置為150mm，從尾水管的底部開始。使用SD-ALR處理精制大豆油廢水，處理8小時后，化學(xué)需氧量和含油量較傳統(tǒng)氣升式循環(huán)反應(yīng)器分別增加5.10%±0.02%和9.55%±0.40%。ChuQ[19]等為了提高TS-1微球在氨氧化過程中的傳質(zhì)傳熱，研制了一種以陶瓷膜為分離器的高效射流回路反應(yīng)器。與傳統(tǒng)的攪拌釜式反應(yīng)器相比，射流回路反應(yīng)器可以使2-丁酮氨肟化轉(zhuǎn)化率和選擇性分別提高8.1%和4.5%，顯著縮短停留時間。同時采用噴霧成型工藝將催化劑粒徑從100~200nm增大到50~200m，可以抑制膜污染，提高催化劑的穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)[1]張洪磊，孫海權(quán)，聞子晗.鞍鋼酸再生機組鹽酸酸霧凈化系統(tǒng)改造實踐[J].鞍鋼技術(shù),2021,2:60-62.[2]楊寧.持液流化床中噴嘴霧化及顆粒團(tuán)聚特性研究[M].2019:2-12.[3]潘艷芝,鄭永建,王棟,安維崢,牛棚滿.基于射線技術(shù)的低壓豎直管氣液兩相流模型研究[J].工程熱物理學(xué)報,2020,41(11):2756-2758.[4]RongtaoZhoua,JianhuaChena,NingYanga,JinghaiLia,AlvaroFernandezc,PhilippeRicouxd.Modelingofcomplexliquid-solidflowofparticleswellinginslurryloopreactors[J].ChemicalEngineeringScience,2018,176:476-490.[5]王臣,張俊梅,柳斌等.刮膜式分子蒸餾初始液膜分布及進(jìn)料結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].化學(xué)工程,2019,47(07):20-24+46.[6]成大先.機械設(shè)計手冊[M].第六版,北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.5.[7]鄧立文.刮膜式分子蒸餾器傳熱特性及優(yōu)化[D].天津大學(xué),2016.[8]段振亞,劉茂睿,李韶璞.\t"D:畢設(shè)段老師畢設(shè)群陳誠_blank"刮膜式分子蒸餾技術(shù)理論研究進(jìn)展[J].化學(xué)工程2017(9):13-17.[9]ShujunGenga,c,ZhuoLia,HongyanLiub,ChaoYanga,FeiGaoe,TaoboHee,QingshanHuanga,Hydrodynamicsandmasstransferinaslurryexternalairliftloopreactorintegratingmixingandseparation[J].ChemicalEngineeringScience,2020,211:2-7.[10]YuehaoLia,JielinYua,RupeshK.Reddya,SameerVijayb,ErnoElovainiob,ChristofWurnitschb,KrishnaswamyNandakumar.Computationalstudyontheeffectofslugdynamicsontheoperationofapolyolefin8-legloopreactorofindustrialscale[J].PowderTechnology,2017,319:452-462.[11]余國錝.化工機械工程手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.[12]GBT151-2014.熱交換器[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014.[13]GB150.1~GB150.4-2011.壓力容器[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.[14]ZacharyReinkinga,KevinJ.Whittya,JoAnnS.Lightyb.Asimulation-basedparametricstudyofCLOUchemicalloopingreactorperformance[J].FuelProcessingTechnology,2021,215:2-6.[15]\o"趙雪莉"趙雪莉,\o"張惠媛"張惠媛,\o"運萌"運萌.\t"D:畢設(shè)段老師畢設(shè)群李翔宇_blank"