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气液固三相体系的搅拌技术
2016年01月11日

 气液固三相的搅拌混合行为是指气体被通入液体中,同时又有固相溶解或生成,或者都参与化学反应的过程。对于有气体排出的行为一般不需要搅拌。
气液固三相的搅拌混合行为主要关注的是由搅拌器产生的流型怎样影响
(1) 分散:容器中的气体分散受固体颗粒浓度和粒径分布的影响。
(2) 悬浮:容器中固体颗粒的悬浮受气体速率和和气泡大小的影响。
 三相体系常常涉及多个搅拌器的使用,分别实现气液分散和固液悬浮。
4.1 临界转速
 在三相混合体系中,存在两个临界转速:气体分散的临界转速和固体颗粒的临界悬浮转速。颗粒密 度和液体密度的相对大小对临界转速的影响十分显著。当颗粒密度远大于液体密度时,颗粒悬浮比气体分散困难,而且通气对颗粒悬浮产生不利影响。若两者密度接近时,颗粒的悬浮比气体的分散容易。而且气速越大,颗粒悬浮的临界转速越小。
4.2 三相搅拌设备
 主要包括釜、桨、分布器和挡板等。
 釜型多为平底或碟底的直立圆筒容;常用的桨型有直叶圆盘涡轮,上推式斜叶圆盘涡轮,下压式斜叶圆盘涡轮,上推式斜叶形式涡轮,下压式斜叶开式涡轮,推进桨,三叶后掠桨等;挡板有平挡板和指形挡板;气体分布器有单孔垂直管、水平管、水平交又管、分布环、同心分布环簇和锥型分布器,此外采用指形挡板时多用指形挡板兼作分布器。
4.2.1 釜
 釜底形状对颗粒的悬浮影响很大,这是因为搅拌器产生的流型是流线型,平底釜的非流线形状对搅拌器产生的流型是不利的,可使液流速度降低。而颗粒悬浮的前提是颗粒在釜底的滑移,滑移的动力是流液速度,因此平底釜对颗粒的悬起是不利的,会在釜底中央或釜底边壁形成沉积的颗粒带,这些颗粒最难悬浮,故平底釜的悬浮性能比球底釜、碟底釜的差。
同样气量时,釜径越大、气速越低、气体对颗粒悬浮的影响越小。
4.2.2 搅拌器
 采用直叶圆盘涡轮和上推式斜叶圆盘涡轮时,最后悬起的粒子位于釜底中心附近的环形带上,而采用下压式斜叶开式涡轮时则位于釜底壁角上。这说明采用不同搅拌器时,颗粒的悬浮难点和分散途径是不同的,从流型角度来研究颗粒的悬浮分散是比较合适的。
4.2.3 气体分布器
 有分布器但不通气时,位于釜底的分布器对颗粒的悬浮造成了很大的阻碍作用,需要更高的转速才能使颗粒悬起。分布环离釜底的距离过小时不利于粒子的完全悬浮。气体分布环的直径越大、环上开孔越多,临界转速就越低,这是因为采用大分布环时从环孔喷出的气泡相对来说速度较低,孔数越多,从环孔喷出的气泡速度也越低,对釜底的颗粒悬起影响较小。
4.3 操作工艺条件
 从临界分散转速角度看,不同工艺条件时最佳的结构变量是不同的,低气量时下压式涡轮不错,高气量时上推式涡轮最好,这是由于气量很高时气升作用很强,只有把气升作用与搅拌作用协调起来才能取得最佳的效果。
此外,各种气体分布环中以大分布环为优。
4.4 典型的气液固三相搅拌反应
 液相催化加氢是典型的气液固三相搅拌反应,液相加氢技术已广泛代替铁粉、硫化碱、水合肼等传统还原法,可减少三废排放90%以上,并提高了产品收率与质量。该技术主要用于炔烃、芳烃和含氰基、硝基、亚胺基、羰基等不饱和化合物的还原。
 液相催化加氢中,气相为氢气,固相为催化剂颗粒。在各种加氢设备中,最为典型的是自吸式搅拌器和轴流桨的组合。反应器示意图见下图。
 由于通入的氢气相对有限,这可能会严重制约反应速率的提高,使用自吸式搅拌机将釜内液面上的氢气重新吸入并分散于液相,可大幅度提高气含率和气液相的接触面积,从而达到提高反应速率的目的。
 如果液体较深的话,自吸式搅拌器的吸气效果和对气体的分散效果会大大降低,此时需要配以轴流桨以改善流型、增加吸气及气体分散效果。
自吸式搅拌器和轴流桨的组合式反应器的典型应用有对氨基甲苯、间氨基甲苯、3,3'-二氯联苯胺(DCB)、天然VE转型、邻氨基苯甲醚、对氨基苯甲酸乙酯(苯佐卡因)、EDB、脂肪氨、异丙甲草胺、普鲁卡因、邻氨基对叔丁基苯酚等。


典型的三相搅拌反应器

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