1.3　其它形式反应器的混合强化 

上节所述的各种混合器能将几种可混溶物料混合至分子尺度的均匀,或者几种不能混溶或仅部分混溶的物料混合到一定尺度上的宏观均匀,因此它们都能作为化学反应器来使用。但是也有很多种反应器,混合能力不强,不能在各个空间尺度上将反应物物流混合得足够均匀,因此有强化这类反应器中混合的空间,以便更高效地实现所需的化学反应,并且达到化学工业生产可持续性要求的技术经济效率指标。

例如固定床反应器,通常为一圆柱形容器,内部充填比表面积大的填料颗粒,提供流体相(气体和液体)和固相(惰性填料、固体反应物或催化剂颗粒)的接触和反应的界面。图1.31示意了固定床的三种操作模式。理想状态是,各流体以活塞流的方式流经填料床(或称填充床)层,横向上则状态保持均匀;反应物间的混合主要是依靠物料在进入时的良好横向分布来保证,反应器设计的关键是物料的入口分布器,必要时在床层中部设置再分布器。

图1.31　固定床的三种操作模式

鼓泡塔反应器(图1.32),通常作气液反应器或浆态床反应器,用于气液反应或气液固三相体系的反应。其理想操作状态为气相和液相均以活塞流方式通过,气液相间的混合和反应效率仍然主要依靠它们在进入时的良好横向分布。在分布不均的大尺寸鼓泡塔中,内部可能出现全塔尺度的液相内循环[图1.32(c)],小气泡也可被夹带参与循环。这可能对液相整体混合有好处,但也降低了全塔的化学反应的浓度推动力,总的技术经济效果不一定改善。

图1.32　鼓泡塔反应器

因此改善这类管式流动反应器中的混合,以提高反应器的反应效率,即反应强化技术的开发,对化工生产很有意义。随着对混合过程认识的不断深化,近年来不断出现耦合现有快速混合器优点的反应强化新技术的报道。

对固定床反应器性能强化的措施之一是超重力技术(high⁃gravity techniques)。旋转填料床(RPB)内,床层高速转动产生超重力,大大强化了相间的滑移运动和接触,传递过程和化学反应因而得到强化,近二十年来旋转填料床逐步成功地在工业生产中应用(陈建峰,2002)。刘有智等则将撞击流混合器与填料床反应器耦合起来,提出撞击流⁃旋转填料床反应器,并利用快速竞争反应体系对该反应器的液⁃液混合特性进行了评价,发现其微观混合效果比传统的撞击流反应器混合效果好,并用该反应器成功地制备了粒径分布较窄的纳米硫酸钡等材料(刘有智,2009)。

撞击流已经被证明是一种有效的快速混合技术。伍沅在传统撞击流混合器的基础上提出了浸没循环撞击流反应器设计[图1.33(a)]:反应器设计成卧式,两边对称地装有两个导流筒,依靠螺旋推进器输送流体沿导流筒流动,在反应器中心处撞击,形成高度湍动、混合强烈的撞击区。此反应器的“全混流⁃无混合流串联⁃循环的特殊流动结构”具有很大的优越性。图1.33(b)所示的无旋立式浸没循环撞击流反应器,已成功在工业上应用于生产粒径分布窄的“白炭黑”和生产季戊四醇的工业缩合反应器(伍沅,2011)。

美国 KST公司设计的用于生产异氰酸酯的反应器,结合了射流混合器、旋流混合器、动态混合器的优点(图 1.34)。混合器的内部带有旋转雾化器,混合部分设计成类似于双流喷嘴的形式,其中一股流体通过外环进入喷嘴喉部的反应区,另外一股流体通过旋转雾化器后也进入喉部,两股液相反应物通过高速喉部相互快速撞击,实现液⁃液相的快速混合并进行化学反应,在喷嘴锥形扩散部的高度湍流中继续反应。带有旋转雾化器的喷嘴内管可移动,以调节两股流体喷射混合处狭缝的宽度,同时内管以一定频率前后振动,也促进了两液相流动的流体力学不稳定性,不仅有利于液⁃液相的混合,还有清理脏堵的作用(KST公司,连续制备甲苯二异氰酸酯的方法及其装置,发明专利申请,CN 00124388.8,2001)。据称,该设备具有能缩短反应过程、提高进料浓度、减少有关的分离设备、提高回收光气的纯度等优点。

图1.33　浸没循环撞击流反应器(SCISR)

图1.34　带有旋流器的液⁃液相喷射混合器

总体说来,化学反应器的成功操作离不开有效的混合,而化工生产涉及多种多样的化工体系和单元操作,使混合过程在化学反应器的设计和操作中表现出丰富多彩的形式。科学地设计、操作和创新化学反应器,必须对混合的机理、强化、数学模型和数值求解有充分的认识,需要经过实验和定量的数值分析,化学工程师和科研人员有能力来完成化学反应工程学中这一意义重大的挑战。开发新的混合技术,与反应强化技术耦合,形成化学反应工程新技术,是化工科技人员始终面对的挑战。

还要一提的是近30年来发展迅速的微化工技术,因为它的通道尺度小,在宏观混合和微观混合上都有先天有利的条件,所以在过程工业各分支中都有很好的应用前景,这已被一些成功的工业应用所证实。微通道器件中的混合将在本书第8章中阐述。