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氣液固三相的攪拌混合行為是指氣體被通入液體中,同時(shí)又有固相溶解或生成,或者都參與化學(xué)反應(yīng)的過程。對于有氣體排出的行為一般不需要攪拌。
氣液固三相的攪拌混合行為主要關(guān)注的是由攪拌器產(chǎn)生的流型怎樣影響
(1) 分散:容器中的氣體分散受固體顆粒濃度和粒徑分布的影響。
(2) 懸?。喝萜髦泄腆w顆粒的懸浮受氣體速率和和氣泡大小的影響。
三相體系常常涉及多個(gè)攪拌器的使用,分別實(shí)現(xiàn)氣液分散和固液懸浮。
4.1 臨界轉(zhuǎn)速
在三相混合體系中,存在兩個(gè)臨界轉(zhuǎn)速:氣體分散的臨界轉(zhuǎn)速和固體顆粒的臨界懸浮轉(zhuǎn)速。顆粒密度和液體密度的相對大小對臨界轉(zhuǎn)速的影響十分顯著。當(dāng)顆粒密度遠(yuǎn)大于液體密度時(shí),顆粒懸浮比氣體分散困難,而且通氣對顆粒懸浮產(chǎn)生不利影響。若兩者密度接近時(shí),顆粒的懸浮比氣體的分散容易。而且氣速越大,顆粒懸浮的臨界轉(zhuǎn)速越小。
4.2 三相攪拌設(shè)備
主要包括釜、槳、分布器和擋板等。
釜型多為平底或碟底的直立圓筒容;常用的槳型有直葉圓盤渦輪,上推式斜葉圓盤渦輪,下壓式斜葉圓盤渦輪,上推式斜葉形式渦輪,下壓式斜葉開式渦輪,推進(jìn)槳,三葉后掠槳等;擋板有平擋板和指形擋板;氣體分布器有單孔垂直管、水平管、水平交又管、分布環(huán)、同心分布環(huán)簇和錐型分布器,此外采用指形擋板時(shí)多用指形擋板兼作分布器。
4.2.1 釜
釜底形狀對顆粒的懸浮影響很大,這是因?yàn)閿嚢杵鳟a(chǎn)生的流型是流線型,平底釜的非流線形狀對攪拌器產(chǎn)生的流型是不利的,可使液流速度降低。而顆粒懸浮的前提是顆粒在釜底的滑移,滑移的動(dòng)力是流液速度,因此平底釜對顆粒的懸起是不利的,會(huì)在釜底中央或釜底邊壁形成沉積的顆粒帶,這些顆粒**難懸浮,故平底釜的懸浮性能比球底釜、碟底釜的差。
同樣氣量時(shí),釜徑越大、氣速越低、氣體對顆粒懸浮的影響越小。
4.2.2 攪拌器
采用直葉圓盤渦輪和上推式斜葉圓盤渦輪時(shí),**后懸起的粒子位于釜底中心附近的環(huán)形帶上,而采用下壓式斜葉開式渦輪時(shí)則位于釜底壁角上。這說明采用不同攪拌器時(shí),顆粒的懸浮難點(diǎn)和分散途徑是不同的,從流型角度來研究顆粒的懸浮分散是比較合適的。
4.2.3 氣體分布器
有分布器但不通氣時(shí),位于釜底的分布器對顆粒的懸浮造成了很大的阻礙作用,需要更高的轉(zhuǎn)速才能使顆粒懸起。分布環(huán)離釜底的距離過小時(shí)不利于粒子的完全懸浮。氣體分布環(huán)的直徑越大、環(huán)上開孔越多,臨界轉(zhuǎn)速就越低,這是因?yàn)椴捎么蠓植辑h(huán)時(shí)從環(huán)孔噴出的氣泡相對來說速度較低,孔數(shù)越多,從環(huán)孔噴出的氣泡速度也越低,對釜底的顆粒懸起影響較小。
4.3 操作工藝條件
從臨界分散轉(zhuǎn)速角度看,不同工藝條件時(shí)**佳的結(jié)構(gòu)變量是不同的,低氣量時(shí)下壓式渦輪不錯(cuò),高氣量時(shí)上推式渦輪**好,這是由于氣量很高時(shí)氣升作用很強(qiáng),只有把氣升作用與攪拌作用協(xié)調(diào)起來才能取得**佳的效果。
此外,各種氣體分布環(huán)中以大分布環(huán)為優(yōu)。
4.4 典型的氣液固三相攪拌反應(yīng)
液相催化加氫是典型的氣液固三相攪拌反應(yīng),液相加氫技術(shù)已廣泛代替鐵粉、硫化堿、水合肼等傳統(tǒng)還原法,可減少三廢排放90%以上,并提高了產(chǎn)品收率與質(zhì)量。該技術(shù)主要用于炔烴、芳烴和含氰基、硝基、亞胺基、羰基等不飽和化合物的還原。
液相催化加氫中,氣相為氫氣,固相為催化劑顆粒。在各種加氫設(shè)備中,**為典型的是自吸式攪拌器和軸流槳的組合。反應(yīng)器示意圖見下圖。
由于通入的氫氣相對有限,這可能會(huì)嚴(yán)重制約反應(yīng)速率的提高,使用自吸式攪拌機(jī)將釜內(nèi)液面上的氫氣重新吸入并分散于液相,可大幅度提高氣含率和氣液相的接觸面積,從而達(dá)到提高反應(yīng)速率的目的。
如果液體較深的話,自吸式攪拌器的吸氣效果和對氣體的分散效果會(huì)大大降低,此時(shí)需要配以軸流槳以改善流型、增加吸氣及氣體分散效果。
自吸式攪拌器和軸流槳的組合式反應(yīng)器的典型應(yīng)用有對氨基甲苯、間氨基甲苯、3,3’-二氯聯(lián)苯胺(DCB)、天然VE轉(zhuǎn)型、鄰氨基苯甲醚、對氨基苯甲酸乙酯(苯佐卡因)、EDB、脂肪氨、異丙甲草胺、普魯卡因、鄰氨基對叔丁基苯酚等。
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