1.3　其它形式反應(yīng)器的混合強(qiáng)化?

上節(jié)所述的各種混合器能將幾種可混溶物料混合至分子尺度的均勻,或者幾種不能混溶或僅部分混溶的物料混合到一定尺度上的宏觀均勻,因此它們都能作為化學(xué)反應(yīng)器來(lái)使用。但是也有很多種反應(yīng)器,混合能力不強(qiáng),不能在各個(gè)空間尺度上將反應(yīng)物物流混合得足夠均勻,因此有強(qiáng)化這類反應(yīng)器中混合的空間,以便更高效地實(shí)現(xiàn)所需的化學(xué)反應(yīng),并且達(dá)到化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性要求的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效率指標(biāo)。

例如固定床反應(yīng)器,通常為一圓柱形容器,內(nèi)部充填比表面積大的填料顆粒,提供流體相(氣體和液體)和固相(惰性填料、固體反應(yīng)物或催化劑顆粒)的接觸和反應(yīng)的界面。圖1.31示意了固定床的三種操作模式。理想狀態(tài)是,各流體以活塞流的方式流經(jīng)填料床(或稱填充床)層,橫向上則狀態(tài)保持均勻;反應(yīng)物間的混合主要是依靠物料在進(jìn)入時(shí)的良好橫向分布來(lái)保證,反應(yīng)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是物料的入口分布器,必要時(shí)在床層中部設(shè)置再分布器。

鼓泡塔反應(yīng)器(圖1.32),通常作氣液反應(yīng)器或漿態(tài)床反應(yīng)器,用于氣液反應(yīng)或氣液固三相體系的反應(yīng)。其理想操作狀態(tài)為氣相和液相均以活塞流方式通過(guò),氣液相間的混合和反應(yīng)效率仍然主要依靠它們?cè)谶M(jìn)入時(shí)的良好橫向分布。在分布不均的大尺寸鼓泡塔中,內(nèi)部可能出現(xiàn)全塔尺度的液相內(nèi)循環(huán)[圖1.32(c)],小氣泡也可被夾帶參與循環(huán)。這可能對(duì)液相整體混合有好處,但也降低了全塔的化學(xué)反應(yīng)的濃度推動(dòng)力,總的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果不一定改善。

因此改善這類管式流動(dòng)反應(yīng)器中的混合,以提高反應(yīng)器的反應(yīng)效率,即反應(yīng)強(qiáng)化技術(shù)的開(kāi)發(fā),對(duì)化工生產(chǎn)很有意義。隨著對(duì)混合過(guò)程認(rèn)識(shí)的不斷深化,近年來(lái)不斷出現(xiàn)耦合現(xiàn)有快速混合器優(yōu)點(diǎn)的反應(yīng)強(qiáng)化新技術(shù)的報(bào)道。

對(duì)固定床反應(yīng)器性能強(qiáng)化的措施之一是超重力技術(shù)(high?gravity techniques)。旋轉(zhuǎn)填料床(RPB)內(nèi),床層高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生超重力,大大強(qiáng)化了相間的滑移運(yùn)動(dòng)和接觸,傳遞過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)因而得到強(qiáng)化,近二十年來(lái)旋轉(zhuǎn)填料床逐步成功地在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用(陳建峰,2002)。劉有智等則將撞擊流混合器與填料床反應(yīng)器耦合起來(lái),提出撞擊流?旋轉(zhuǎn)填料床反應(yīng)器,并利用快速競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)體系對(duì)該反應(yīng)器的液?液混合特性進(jìn)行了評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)其微觀混合效果比傳統(tǒng)的撞擊流反應(yīng)器混合效果好,并用該反應(yīng)器成功地制備了粒徑分布較窄的納米硫酸鋇等材料(劉有智,2009)。

撞擊流已經(jīng)被證明是一種有效的快速混合技術(shù)。伍沅在傳統(tǒng)撞擊流混合器的基礎(chǔ)上提出了浸沒(méi)循環(huán)撞擊流反應(yīng)器設(shè)計(jì)[圖1.33(a)]:反應(yīng)器設(shè)計(jì)成臥式,兩邊對(duì)稱地裝有兩個(gè)導(dǎo)流筒,依靠螺旋推進(jìn)器輸送流體沿導(dǎo)流筒流動(dòng),在反應(yīng)器中心處撞擊,形成高度湍動(dòng)、混合強(qiáng)烈的撞擊區(qū)。此反應(yīng)器的“全混流?無(wú)混合流串聯(lián)?循環(huán)的特殊流動(dòng)結(jié)構(gòu)”具有很大的優(yōu)越性。圖1.33(b)所示的無(wú)旋立式浸沒(méi)循環(huán)撞擊流反應(yīng)器,已成功在工業(yè)上應(yīng)用于生產(chǎn)粒徑分布窄的“白炭黑”和生產(chǎn)季戊四醇的工業(yè)縮合反應(yīng)器(伍沅,2011)。

美國(guó) KST公司設(shè)計(jì)的用于生產(chǎn)異氰酸酯的反應(yīng)器,結(jié)合了射流混合器、旋流混合器、動(dòng)態(tài)混合器的優(yōu)點(diǎn)(圖 1.34)。混合器的內(nèi)部帶有旋轉(zhuǎn)霧化器,混合部分設(shè)計(jì)成類似于雙流噴嘴的形式,其中一股流體通過(guò)外環(huán)進(jìn)入噴嘴喉部的反應(yīng)區(qū),另外一股流體通過(guò)旋轉(zhuǎn)霧化器后也進(jìn)入喉部,兩股液相反應(yīng)物通過(guò)高速喉部相互快速撞擊,實(shí)現(xiàn)液?液相的快速混合并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),在噴嘴錐形擴(kuò)散部的高度湍流中繼續(xù)反應(yīng)。帶有旋轉(zhuǎn)霧化器的噴嘴內(nèi)管可移動(dòng),以調(diào)節(jié)兩股流體噴射混合處狹縫的寬度,同時(shí)內(nèi)管以一定頻率前后振動(dòng),也促進(jìn)了兩液相流動(dòng)的流體力學(xué)不穩(wěn)定性,不僅有利于液?液相的混合,還有清理臟堵的作用(KST公司,連續(xù)制備甲苯二異氰酸酯的方法及其裝置,發(fā)明專利申請(qǐng),CN 00124388.8,2001)。據(jù)稱,該設(shè)備具有能縮短反應(yīng)過(guò)程、提高進(jìn)料濃度、減少有關(guān)的分離設(shè)備、提高回收光氣的純度等優(yōu)點(diǎn)。

總體說(shuō)來(lái),化學(xué)反應(yīng)器的成功操作離不開(kāi)有效的混合,而化工生產(chǎn)涉及多種多樣的化工體系和單元操作,使混合過(guò)程在化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作中表現(xiàn)出豐富多彩的形式?？茖W(xué)地設(shè)計(jì)、操作和創(chuàng)新化學(xué)反應(yīng)器,必須對(duì)混合的機(jī)理、強(qiáng)化、數(shù)學(xué)模型和數(shù)值求解有充分的認(rèn)識(shí),需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和定量的數(shù)值分析,化學(xué)工程師和科研人員有能力來(lái)完成化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)中這一意義重大的挑戰(zhàn)。開(kāi)發(fā)新的混合技術(shù),與反應(yīng)強(qiáng)化技術(shù)耦合,形成化學(xué)反應(yīng)工程新技術(shù),是化工科技人員始終面對(duì)的挑戰(zhàn)。

還要一提的是近30年來(lái)發(fā)展迅速的微化工技術(shù),因?yàn)樗耐ǖ莱叨刃?在宏觀混合和微觀混合上都有先天有利的條件,所以在過(guò)程工業(yè)各分支中都有很好的應(yīng)用前景,這已被一些成功的工業(yè)應(yīng)用所證實(shí)。微通道器件中的混合將在本書第8章中闡述。