1.3　其它形式反應器的混合強化?

上節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反應器來使用。但是也有很多種反應器,混合能力不強,不能在各個空間尺度上將反應物物流混合得足夠均勻,因此有強化這類反應器中混合的空間,以便更高效地實現所需的化學反應,并且達到化學工業生產可持續性要求的技術經濟效率指標。

例如固定床反應器,通常為一圓柱形容器,內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、固體反應物或催化劑顆粒)的接觸和反應的界面。圖1.31示意了固定床的三種操作模式。理想狀態是,各流體以活塞流的方式流經填料床(或稱填充床)層,橫向上則狀態保持均勻;反應物間的混合主要是依靠物料在進入時的良好橫向分布來保證,反應器設計的關鍵是物料的入口分布器,必要時在床層中部設置再分布器。

鼓泡塔反應器(圖1.32),通常作氣液反應器或漿態床反應器,用于氣液反應或氣液固三相體系的反應。其理想操作狀態為氣相和液相均以活塞流方式通過,氣液相間的混合和反應效率仍然主要依靠它們在進入時的良好橫向分布。在分布不均的大尺寸鼓泡塔中,內部可能出現全塔尺度的液相內循環[圖1.32(c)],小氣泡也可被夾帶參與循環。這可能對液相整體混合有好處,但也降低了全塔的化學反應的濃度推動力,總的技術經濟效果不一定改善。

因此改善這類管式流動反應器中的混合,以提高反應器的反應效率,即反應強化技術的開發,對化工生產很有意義。隨著對混合過程認識的不斷深化,近年來不斷出現耦合現有快速混合器優點的反應強化新技術的報道。

對固定床反應器性能強化的措施之一是超重力技術(high?gravity techniques)。旋轉填料床(RPB)內,床層高速轉動產生超重力,大大強化了相間的滑移運動和接觸,傳遞過程和化學反應因而得到強化,近二十年來旋轉填料床逐步成功地在工業生產中應用(陳建峰,2002)。劉有智等則將撞擊流混合器與填料床反應器耦合起來,提出撞擊流?旋轉填料床反應器,并利用快速競爭反應體系對該反應器的液?液混合特性進行了評價,發現其微觀混合效果比傳統的撞擊流反應器混合效果好,并用該反應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)。

撞擊流已經被證明是一種有效的快速混合技術。伍沅在傳統撞擊流混合器的基礎上提出了浸沒循環撞擊流反應器設計[圖1.33(a)]:反應器設計成臥式,兩邊對稱地裝有兩個導流筒,依靠螺旋推進器輸送流體沿導流筒流動,在反應器中心處撞擊,形成高度湍動、混合強烈的撞擊區。此反應器的“全混流?無混合流串聯?循環的特殊流動結構”具有很大的優越性。圖1.33(b)所示的無旋立式浸沒循環撞擊流反應器,已成功在工業上應用于生產粒徑分布窄的“白炭黑”和生產季戊四醇的工業縮合反應器(伍沅,2011)。

美國 KST公司設計的用于生產異氰酸酯的反應器,結合了射流混合器、旋流混合器、動態混合器的優點(圖 1.34)。混合器的內部帶有旋轉霧化器,混合部分設計成類似于雙流噴嘴的形式,其中一股流體通過外環進入噴嘴喉部的反應區,另外一股流體通過旋轉霧化器后也進入喉部,兩股液相反應物通過高速喉部相互快速撞擊,實現液?液相的快速混合并進行化學反應,在噴嘴錐形擴散部的高度湍流中繼續反應。帶有旋轉霧化器的噴嘴內管可移動,以調節兩股流體噴射混合處狹縫的寬度,同時內管以一定頻率前后振動,也促進了兩液相流動的流體力學不穩定性,不僅有利于液?液相的混合,還有清理臟堵的作用(KST公司,連續制備甲苯二異氰酸酯的方法及其裝置,發明專利申請,CN 00124388.8,2001)。據稱,該設備具有能縮短反應過程、提高進料濃度、減少有關的分離設備、提高回收光氣的純度等優點。

總體說來,化學反應器的成功操作離不開有效的混合,而化工生產涉及多種多樣的化工體系和單元操作,使混合過程在化學反應器的設計和操作中表現出豐富多彩的形式。科學地設計、操作和創新化學反應器,必須對混合的機理、強化、數學模型和數值求解有充分的認識,需要經過實驗和定量的數值分析,化學工程師和科研人員有能力來完成化學反應工程學中這一意義重大的挑戰。開發新的混合技術,與反應強化技術耦合,形成化學反應工程新技術,是化工科技人員始終面對的挑戰。

還要一提的是近30年來發展迅速的微化工技術,因為它的通道尺度小,在宏觀混合和微觀混合上都有先天有利的條件,所以在過程工業各分支中都有很好的應用前景,這已被一些成功的工業應用所證實。微通道器件中的混合將在本書第8章中闡述。