， 　， 　， 韶璞， ， ， (．青島科技大學(xué)， 山東 青島　6606； ．山東新華制藥有限公司， 山東 淄博　55075)

氣-液-固等多相反應(yīng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)的有機中間體生產(chǎn)。多相反應(yīng)中反應(yīng)物的充分混合，有利于強化質(zhì)量傳遞，加快反應(yīng)進(jìn)程，抑制副反應(yīng)的產(chǎn)生，進(jìn)而有效地降低生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)的攪拌反應(yīng)器存在使用的攪拌槳轉(zhuǎn)速有限、能量損失大、氣液兩相間接觸不佳、傳熱傳質(zhì)效果差及密封不嚴(yán)等問題，制約了該類型反應(yīng)器的進(jìn)一步發(fā)展。

回路反應(yīng)器(又稱噴射環(huán)流反應(yīng)器)主要由高壓反應(yīng)釜、循環(huán)泵、熱交換器和文丘里管噴射器組成，利用高速流動相卷吸其他相，以相對低的能源消耗獲取高的混合效果，并將混合相噴射入反應(yīng)釜內(nèi)在其中形成整體良好的環(huán)流，促進(jìn)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，非常適用于傳質(zhì)受限的非均相反應(yīng)[1]。

相比其他類型的反應(yīng)器，回路反應(yīng)器具有如下優(yōu)勢：①不使用傳統(tǒng)反應(yīng)器的夾套或者蛇形管傳熱方法?；芈贩磻?yīng)器設(shè)有外置的獨立熱交換器，換熱面積不會受到限制，傳熱能效更大。②循環(huán)泵輸入功率大，能夠使單位體積的原料得到很高功率輸入，并且沒有機械傳動，能量損失小，能源利用率高。③高壓攪拌釜內(nèi)沒有運動部件，密封性能良好，可以用于高壓反應(yīng)生產(chǎn)，且不設(shè)擋板和攪拌槳，長徑比不受其限制。④反應(yīng)器中高速液體的剪切作用使氣體破碎成非常小的氣泡，產(chǎn)生了很大的氣液接觸比表面積，提高了單位功耗下的傳質(zhì)速率。Dierendonck等[2]對回路反應(yīng)器、釜式反應(yīng)器和固定床反應(yīng)器的工業(yè)放大能力指標(biāo)進(jìn)行了對比，結(jié)果顯示回路反應(yīng)器的優(yōu)勢明顯。

1　回路反應(yīng)器應(yīng)用

1.1　化工領(lǐng)域

1.1.1氧化反應(yīng)

氧化反應(yīng)過程劇烈，副產(chǎn)物多，對反應(yīng)器的密封性有較高要求。氧化反應(yīng)采用回路反應(yīng)器可縮短反應(yīng)時間、加快氧化效率，能夠減少氧氣泄漏，提高氧氣的利用率，減少尾氣排放，避免環(huán)境污染[3]。郭兆壽等[4]以液體噴射環(huán)流反應(yīng)器(圖1)為氧化反應(yīng)裝置，進(jìn)行了液相催化氧化芴制備芴酮的相關(guān)實驗研究。通過考察物料循環(huán)速度、反應(yīng)溫度、催化劑用量和溶劑含水量等對芴酮收率的影響，得出了最佳的氧化反應(yīng)條件。

1.反應(yīng)器　2.進(jìn)料口　3.進(jìn)氣口　4.放空口 5.熱交換器　6.循環(huán)泵　7.出料口圖1　氧化反應(yīng)裝置示圖

石勤智[5]等將回路反應(yīng)器用于異丙苯液相空氣氧化反應(yīng)過程中。結(jié)果顯示在相同的反應(yīng)時間內(nèi)，回路反應(yīng)器內(nèi)的過氧化氫異丙苯濃度和異丙苯氧化速率均高于鼓泡反應(yīng)器。

1.1.2加氫反應(yīng)

加氫反應(yīng)普遍存在于化工生產(chǎn)中，有機化合物的加氫反應(yīng)通常是在催化劑和高壓條件下進(jìn)行的氣-液-固放熱反應(yīng)，其過程主要受傳質(zhì)控制，而且對反應(yīng)器的密封性要求較高。傳統(tǒng)的加氫反應(yīng)器(如固定床反應(yīng)器)存在反應(yīng)速度慢、反應(yīng)時間長及產(chǎn)品質(zhì)量較差等問題，而且氫氣極易燃燒，發(fā)生爆炸?；芈贩磻?yīng)器良好的氣密性、較高的混合效率和優(yōu)越的傳熱傳質(zhì)性能，可有效解決傳統(tǒng)反應(yīng)器加氫反應(yīng)中存在的問題。

瑞士Buss公司最早將回路反應(yīng)器應(yīng)用于加氫反應(yīng)，其產(chǎn)品的各項指標(biāo)均優(yōu)于應(yīng)用攪拌釜反應(yīng)器生產(chǎn)的加氫產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)[6]。Wiedemann等[7]將回路反應(yīng)器用于丙烯氫甲?；磻?yīng)的強化，結(jié)果顯示丙烯轉(zhuǎn)化率從75%提高到90%。Leuteritz等[8]將回路反應(yīng)器用于2-氯代硝基茴香醚加氫制備2-氯代茴香胺的過程，并與攪拌釜反應(yīng)器進(jìn)行了對比，結(jié)果表明用回路反應(yīng)器時產(chǎn)品的各項指標(biāo)均優(yōu)于攪拌釜反應(yīng)器。另外，李秋小[9]等用回路反應(yīng)器進(jìn)行了椰油酸甲酯加氫制飽和甲酯的研究，同攪拌釜相比周期縮短了60%。

1.1.3磺化反應(yīng)

磺化反應(yīng)是瞬間進(jìn)行的劇烈放熱反應(yīng)，對傳熱和傳質(zhì)條件的要求較高，對設(shè)備要求苛刻。目前，磺化反應(yīng)器主要有釜式、降膜式和回路反應(yīng)器。釜式磺化反應(yīng)器效率低，副產(chǎn)品多，不適合熱敏性物質(zhì)的磺化。降膜式磺化反應(yīng)器較釜式反應(yīng)器副產(chǎn)品少，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冷卻能力有限，有時會出現(xiàn)局部過熱而影響產(chǎn)品質(zhì)量[10]。

回路反應(yīng)器用于磺化反應(yīng)可避免局部過熱，使反應(yīng)器內(nèi)溫度均衡，而且反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，開停車方便，成本低，便于連續(xù)化操作。1975年，美國Chemithon公司率先將回路反應(yīng)器用于磺化反應(yīng)[11]，不但取得了滿意的效果，同時申請了專利。石建明等[12]將圖2所示的噴射環(huán)流反應(yīng)新型工藝應(yīng)用于氣相三氧化硫甲苯磺化，其在回路反應(yīng)器的外部加了循環(huán)冷卻裝置，提高了生產(chǎn)效率，并成功應(yīng)用到化工企業(yè)中。

1.分配箱　2.反應(yīng)釜　3.中間罐　4.冷卻器　5.循環(huán)泵圖2　噴射環(huán)流反應(yīng)工藝示圖

1.2　生物化工領(lǐng)域

回路反應(yīng)器有較高的氣體利用率，不易感染細(xì)菌，能量消耗低，而且?guī)в协h(huán)路的反應(yīng)裝置可抑制氣液反應(yīng)時泡沫的產(chǎn)生，為生物反應(yīng)提供了適宜的環(huán)境，有利于生化反應(yīng)的順利進(jìn)行。

劉軍等[13]以酒精為主要原料，利用氣升式外環(huán)流發(fā)酵罐進(jìn)行食醋發(fā)酵研究，并與機械通風(fēng)發(fā)酵罐進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，氣升式外環(huán)流發(fā)酵罐在效率和產(chǎn)率上均優(yōu)于用機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。Farizoglu等[14]利用回路反應(yīng)器研究了干酪乳清的處理方法，結(jié)果顯示奶酪乳清體積的85%～95%和牛奶中55%的營養(yǎng)成分得到了有效保留。

1.3　環(huán)境保護領(lǐng)域

回路反應(yīng)器傳質(zhì)速率高、物料混合反應(yīng)特性好，應(yīng)用于污水處理時，可使污水處理量大幅提高，處理周期縮短，生產(chǎn)成本大幅減少。

Khoufi等[15]對回路反應(yīng)器在橄欖油廠污水處理裝置中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示回路反應(yīng)器為產(chǎn)甲烷菌提供了穩(wěn)定的環(huán)境，有利于污水的快速處理。Maurizio等[16]利用噴射反應(yīng)器對葡萄酒生產(chǎn)廢水進(jìn)行了處理，化學(xué)需氧量(COD)的去除率超過90%，脫除效果優(yōu)于普通反應(yīng)器。宋寬秀等[17]用氣-液-固三相噴射環(huán)流生物反應(yīng)器對活性污泥中的堿性綠染料廢水進(jìn)行處理，廢水的脫色率超過90%，COD去除率超過72%，COD及色度的去除率均達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)。

2　回路反應(yīng)器機理及應(yīng)用基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀

2.1　理論研究

噴射反應(yīng)器研究的歷史始于1939年Flugel[18]提出的可適用于單相物質(zhì)系統(tǒng)中噴射反應(yīng)器實驗結(jié)果描述的基本理論概念。索科洛夫等[19]闡述了各類型噴嘴的結(jié)構(gòu)、計算理論和方法，分析了狀態(tài)因素和結(jié)構(gòu)因素等對噴嘴工作性能的影響。Blenke[20]在1985年對回路反應(yīng)器作了較為全面的綜述，劃分了反應(yīng)器性能的不同方面及其表征參數(shù)。Dirix等[21]在1990年對回路反應(yīng)器的性能作了大量研究，并提出了理論模型，豐富了回路反應(yīng)器的理論研究。

2.2　實驗研究

Zahradnik等[22]通過實驗研究了氣相自由進(jìn)入和氣相強制進(jìn)入兩種條件下，噴射器的結(jié)構(gòu)對反應(yīng)釜內(nèi)液相平均含氣量的影響，指出氣體強制進(jìn)入的條件下噴射器結(jié)構(gòu)形式對含氣率影響不大。Farizoglu等[23]運用實驗方法對比了方形截面噴頭及圓形截面噴頭噴射反應(yīng)器的液體流量、氣體流量對氣含率及液相體積傳質(zhì)分?jǐn)?shù)的影響，得出方形截面噴射器的液相傳質(zhì)系數(shù)比圓形的高11%～13%。Deshpande等[24]利用PIV測定了回路反應(yīng)器的局部平均湍流系數(shù)，并以此為基礎(chǔ)提出了湍流耗散率的預(yù)測方法。張衛(wèi)民等[25]運用實驗方法研究了不同結(jié)構(gòu)下環(huán)路反應(yīng)器的流體力學(xué)特性，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。

2.3　模擬與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

反應(yīng)器內(nèi)的流體力學(xué)特性是反映反應(yīng)器性能的重要方面之一，因此詳細(xì)準(zhǔn)確地反映反應(yīng)器內(nèi)噴射器的數(shù)值模擬、優(yōu)化及放大研究成為了最新的研究課題和近年來研究回路反應(yīng)器設(shè)計和優(yōu)化的基礎(chǔ)。Bi等[26]以酸堿中和快速反應(yīng)為例，運用CFD軟件分析了擴壓段角度、噴嘴直徑與混合室直徑的比值和噴嘴位置對混合、反應(yīng)特性的影響。Li等[27]運用CFD軟件建立了噴射器模型，依照其他研究者的實驗結(jié)果對模型進(jìn)行了驗證，并運用此模型探討了混合段長徑比對氣液兩相混合效果的影響，得出氣液噴射器和液液噴射器的最優(yōu)混合段長徑比。筆者運用計算流體力學(xué)原理及CFD軟件建立了噴射器模型，考察了噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸氣量的影響以及不同操作條件對反應(yīng)器混合和反應(yīng)相關(guān)特性影響，以期更好指導(dǎo)回路反應(yīng)器的開發(fā)及生產(chǎn)工藝的優(yōu)化。

3　研究方向展望

回路反應(yīng)器作為一種新型多相反應(yīng)器，憑借其優(yōu)異的性能，越來越受到國際學(xué)術(shù)和工程界的關(guān)注。經(jīng)過近80 a理論與實踐的發(fā)展，其性能得到不斷完善，開發(fā)和應(yīng)用的速度也越來越快，在化工、生物和環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。隨著研究和開發(fā)的深入，回路反應(yīng)器在氣-液、氣-液-固等多相反應(yīng)領(lǐng)域中所占地位越來越重要，相信其發(fā)展前景日益廣闊。

回路反應(yīng)器是較新的工藝設(shè)備，發(fā)展較其他類反應(yīng)器時間短。當(dāng)前對于回路反應(yīng)器的研究主要集中在相分散、傳質(zhì)及含氣率等方面，而對反應(yīng)器內(nèi)的動力學(xué)、熱力學(xué)特征及物系特性對反應(yīng)器性能的影響等研究較少，有些方面大大落后于實際工業(yè)應(yīng)用的步伐。今后的研究應(yīng)以推動回路反應(yīng)器工業(yè)化的應(yīng)用進(jìn)程和解決回路反應(yīng)器亟待深入研究的問題為方向，重點從以下幾個方面展開研究：①通過基礎(chǔ)理論、實驗和模擬研究相結(jié)合的方法，根據(jù)不同要求條件建立更加合理的模型并進(jìn)行優(yōu)化。②加強反應(yīng)器內(nèi)的動力學(xué)和熱力學(xué)特征對反應(yīng)器性能的影響研究，為回路反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計和放大提供有利證據(jù)。③進(jìn)一步深入研究設(shè)計參數(shù)與反應(yīng)器特性之間關(guān)系，為回路反應(yīng)器的更廣泛應(yīng)用開辟道路。

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