化工过程强化系列6：喷射式气液反应器原理

如前所述，目前微通道反应器尚没有适用于工业化生产的气液反应结构，因此针对气液反应我们不得不采用一些效果较差的其他方案，在这其中主要以喷射式反应器与超重力反应器为主。在这其中喷射式反应器流程更加多样，适用范围更加广泛，我个人接触较多也更加熟悉，所以首先介绍。

在说气液反应器前我们从反应工程的角度来看看气液反应器的一般特点。在讲微通道反应器的时候我已经有过大概介绍，在这里我做个总结。

1.气液传质一般对反应速率有较大影响，对气液传质有强化要求

我们现实生产中有价值的气液反应主要是加氢，氧化，氯化，部分烷基化等，这些工艺中加氢与氧化是最有可能形成清洁生产工艺的流程因此最有用。但是偏偏无论氢气氧气在溶剂中的溶解度与溶解速率都非常低，这样就会限制本身反应的速度。举个例子，就像我们去食堂吃饭，我们吃饭的速度是比较快的，但是厨房做饭的速度跟不上，最后导致就餐过程中效率低下。因此对于气液传质过程一般要求强化气液混合过程。

2.整体反应较慢，需要一定的停留时间

由于气液传质是非均相过程，反应整体速率较低，此外很多气液反应中还需要添加非均相的催化剂，还存在反应物从液相扩散到催化剂表面的过程，因此大部分气液反应速率较低，停留时间在10min以上。在如此长的停留时间下，采用管道反应器或微通道反应器限制就非常大了。

3.反应热效应不显著，对于换热要求不高

由于反应过程本身速度较慢，因此即使反应放热，只要反应热不高到离谱反应整体热效应并不显著，因此对与换热要求不高。当然这也有例外，那就是磺化，现在有三氧化硫磺化的新工艺，这个工艺放热很强因此对于这种过程需要对系统进行特别设计，采用其他方案。

所以如果对一个气液传质过程的反应系统进行总结的话，它应当具有的特点就是：能够强化气液混合，保证一定的停留时间，具有比反应釜强的传热能力，可以在气液液固三相下进行操作。目前来看，喷射式反应器可以满足以下几点需求，一个喷射式反应器流程的组成主要依赖气液混合喷嘴。

气液混合喷射器的原理类似于文丘里喷嘴，但在结构设计上要求尽可能强化气液混合效果，会在吸气量上做一个妥协。 液体以一定速度通过喷射口，由于射流作用会在局部形成负压，用于卷吸气体。气液两相在混合管内剧烈混合完成气液传质过程，在喉管内部气液两相停留时间为秒级，传质系数可达20左右。

可以说气液混合喷射器是一种高效的混合设备，这个设备满足了气液传递过程的要求，以此为基础，我们可以通过一系列的流程组织，进一步满足反应要求的换热及停留时间需求，最终形成一个以喷射器为核心的流程。

对于底物浓度较低的快速反应，液体一次通过喷射器就可以完成反应，这种情况下可以直接将喷射器安装在管道上形成管道式反应器，流程简单经济。在工业中部分臭氧投加以及纯碱工业中的氨气吸收过程现在都采用类似设备。

对于反应速率较低的反应，一次通过喷射器不足以使底物达到较高的转化率，因此需要增加一台循环泵，不断使底物进行循环。这个过程类似于酸性或碱性气体吸收用的喷射式吸收塔。此外如果反应要求控制温度的话可以在液体循环管道上增加换热器，由于换热器的设计与反应器器是分离的，因此换热的比表面积是明显高于反应釜的。我们可以给一个较小的反应系统配置一个换热面积较大的换热器，变相增加了系统的表面积。

普通反应器换热面积（比如夹套）受反应器自身尺寸限制，因此比表面积不可能很大。喷射式反应器由于反应器与换热器分离，因此换热面积与反应器自身尺寸无关，可以做出较大的比表面积，应对放热较强的情况。

如果是对于强放热的反应，比如说我们之前提到的三氧化硫磺化，则需要通过调节气液比例来控制反应剧烈程度。甚至有的流程中利用三氧化硫气体通过喷口，引射液体进行反应。在这种工况下，由于气液比非常大，相当于一点一点将底物加入反应系统中，以此来控制反应的放热量。

此外还有各种各样的流程组织形式，满足不同的气液反应过程需要，整体而言喷射式反应器系统是一个灵活度较大的体系。

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