3.6　從傳遞角度討論獨居石反應器性能

3.6.1　引言

前面已經(jīng)詳細討論了獨居石反應器中的流體力學和傳輸特性。有了這些知識后，不僅可以把單元操作如吸收、汽提和蒸餾等的模型做得更好，而且有可能對獨居石反應器與其他常規(guī)三相反應器如漿態(tài)床、流化床和固定床反應器在氣液固三相催化反應中的性能進行比較。多相催化反應如加氫、部分和完全氧化反應中已經(jīng)使用結構催化劑如獨居石、夾層或開口橫流和泡沫結構催化劑來強化過程。結構催化劑的優(yōu)點特別有利于快速反應（傳質控制反應），因此在獨居石反應器性能研究中多選用這類反應，一則是因為工業(yè)上的重要性，二則為了示范。用獨居石催化劑試驗過的反應包括：硝基苯甲酸、硝基苯、間硝基甲苯、α-甲基苯乙烯、苯乙烯和辛烷-1混合物、環(huán)己烯、乙炔、苯甲醛和乙苯等化合物的加氫反應；葡萄糖、苯酚、葡萄糖和纖維素、纖維素等物質的（濕式）氧化反應等。大量研究結果證明，對傳質限制反應，如快速加氫和氧化反應，結構催化劑是能夠替代傳統(tǒng)散裝催化劑的，使用蜂窩獨居石催化劑后過程都得到了強化。但是，對本征動力學控制的催化反應，使用結構催化劑并不能使過程得到強化。為了與傳統(tǒng)反應器競爭，使用結構催化劑的反應范圍更廣，仍然需要有更多的研究工作，包括構建能夠預測結構反應器性能的結構催化劑和反應器模型。

3.6.2　獨居石反應器模型

因結構催化劑和反應器有確定的結構，其反應器模型的建立要比傳統(tǒng)反應器簡單和容易。但是，反應器分布器和出口部分的安排對反應器性能有很大的影響。在對獨居石反應器模型化工作進行總結后，提出了三個不同的獨居石反應器模型以處理不同的水力學流區(qū)：Hatziantoniou模型（Tayler流區(qū)）、Liu模型（膜流區(qū)）和Irandoust模型（活塞流）。它們考慮的傳質通量是不同的，如圖3-51所示。對Tayler流區(qū)和活塞流模型研究，計算結果與試驗結果間的一致性一般是很好，而且都證明獨居石結構反應器性能要比涓流床反應器性能好。但是，把各個模型用于預測反應性能，差別較大。原因可能是不規(guī)則的壁結構、不均勻的液膜厚度、液栓的爆裂、不規(guī)則的氣栓和液栓長度、氣體和液體反應物初始不均勻分布和氣栓的壓縮等。獨居石反應器模型化的重要參數(shù)如氣體和液體滯留、傳質接觸面積等都取決于這些因素。

對膜流流區(qū)獨居石反應器模型化的目的是要基于反應本征動力學速率確定優(yōu)化設計標準（涂層厚度、通道直徑）。在非常低的液體速度（0.1～2cm/s）下操作的獨居石反應器類似于填料床反應器中的膜流流區(qū)操作。對該流區(qū)提出了三個層次的模型，其中一維、活塞流、穩(wěn)定態(tài)對流-反應模型用于描述環(huán)形流流區(qū)。模型的解能夠給出反應物種沿反應器長度的濃度分布、膜中的速度分布和催化劑有效因子。例如，為獲得有效因子，對板型幾何體，使用標準方程η=（tanф）/ф。Thiele模數(shù)ф=l（k/D）1/2能夠適用于所有形狀，長度尺度“l”表示為l=（1-OFA）/GSA。液膜內的速度分布使用標準的Navier-Stokes方程求解獲得。

模型模擬結果指出：對慢速反應，高固體分數(shù)的獨居石是理想的，因高擴散阻力影響不大，但單位體積反應器內有更多催化劑；對快速反應，擴散長度有一優(yōu)化值，催化劑壁厚度增加將使單位體積活性下降。新近的研究顯示，栓流（Tayler流）被認為是最先進的流區(qū)，獨居石反應器性能按栓流、膜流流區(qū)順序降低。如前面再三強調的，對獨居石結構反應器，其進口處有一個好的液體分布器是極端重要的，因反應器不同通道中的流體進行交換是不可能的，也即沒有徑向質量傳輸。一旦好的液體分布得到確保，獨居石孔道就可以用于傳質和反應。所以合適的液體分布器的選擇和設計以及放置它的位置是一個主要的挑戰(zhàn)。已經(jīng)證明，正確地放置噴嘴能夠提供的液體分布要遠遠好于在涓流床反應器中常用的分布器。獨居石反應器的堆砌方式、粒內擴散阻力的降低或有黏性和發(fā)泡液體的使用或出現(xiàn)都會對過程中的傳質性能產(chǎn)生影響，因為有層流層的徑向再混合。

3.6.3　蜂窩獨居石反應器和常用反應器的比較

當把獨居石或其他結構催化劑用于三相催化反應時，重點是要與傳統(tǒng)三相催化反應器如漿態(tài)鼓泡塔、涓流床和間歇釜等的反應性能進行比較。事實上，在實驗和模型預測方面都進行了這樣的比較，見表3-8。一般是在相同操作條件下比較反應器給出的轉化率、產(chǎn)率、選擇性和壓力降等。對不同的反應器，催化劑體積是主要的加權因子，因此在比較中考慮了催化劑質量、活性金屬質量和外表面積。相對常規(guī)反應器而言，結構反應器如獨居石反應器由于其規(guī)整性在催化劑負荷（負載量）、傳質阻力、接觸面積和壓力降等方面是不同的。毫無疑問，結構反應器的壓力降是很低的，而對其他參數(shù)需要進一步研究和優(yōu)化以保證其有比常規(guī)反應器更好的性能。很遺憾，對此不同研究者使用的標準并不相同。

例如，對3-羥基丙醛和1，3-丙二醇的催化加氫，比較了機械攪拌漿態(tài)反應器（MASR）和獨居石反應器性能，特別是生產(chǎn)率［mol/（m3·s）］和選擇性。比較是以單位反應器體積為基準進行的，但對每單位體積反應器，獨居石中的催化劑要多于MASR。如圖3-52中的結果所示，獨居石反應器的生產(chǎn)率和過程選擇性要優(yōu)于MASR。但應該注意到，MASR的實際生產(chǎn)率高于圖中給出的，不過由于有相當多的時間用于裝料、放空和過濾等，使其總生產(chǎn)率顯著降低。獨居石反應器與攪拌漿態(tài)反應器比較具有如下一些優(yōu)點：較高的體積反應速率、催化劑易于管理、安全性增加、對環(huán)境和人員的危害降低和降低了催化劑成本等。但后者的優(yōu)點也是顯而易見的，即適用性強、沒有放大問題。

對α-甲基苯乙烯到異丙苯的催化加氫，以催化劑重量為基準基，對涂層Pd陶瓷獨居石反應器與滴流床（TBD）反應器進行了比較。結果發(fā)現(xiàn)，高氣體流速下獨居石性能優(yōu)于TBR，反應速率對液體流速基本上是不敏感的。對獨居石反應器性能，上流模式操作要優(yōu)于下流模式操作，因催化劑有更好的潤濕性。圖3-53中給出了相同操作條件下氣體流速對獨居石反應器和TBR中的α-甲基苯乙烯加氫速率（基于單位鈀質量）的影響。應該指出，獨居石反應器速率較高（較好傳質）是由于液體栓循環(huán)和很薄的氣栓與催化劑間的液膜。如下實驗證明了這一點：在單一相反應中使液體在進入反應器前先用氫氣飽和，給出在TBR中的轉化率要高于獨居石反應器。

對苯甲醛加氫的試驗研究指出，獨居石反應器的單位體積反應器的活性要比涓流床反應器高50％，選擇性也要高一些（>90％對73％）。對液相甲醇合成過程的模擬結果指出，催化劑層在最佳厚度50～75μm時，獨居石反應器性能（CO轉化率和單位反應器體積甲醇產(chǎn)率）優(yōu)于常規(guī)反應器。

為了使用獨居石反應器替代常規(guī)反應器，提出了一個新概念，把獨居石催化劑和反應器安裝在過程管線中。這類反應器構型稱為“嵌入式獨居石反應器（in-line monolith reactor，ILMR）”，能夠把其使用于慢加氫反應。對ILMR和TBR進行的模擬研究（假設純液相操作，且預先為氫飽和）指出，對池密度在200～1100cpsi和涂層厚度為17～70μm的獨居石反應器，其反應器體積比常規(guī)滴流床反應器小6～53倍，且隨涂層厚度和池密度的增加而增加。