回路反應器工業應用及研究現狀

， 　， 　， 韶璞， ， ， (．青島科技大學， 山東 青島　6606； ．山東新華制藥有限公司， 山東 淄博　55075)

氣-液-固等多相反應技術廣泛應用于化工行業的有機中間體生產。多相反應中反應物的充分混合，有利于強化質量傳遞，加快反應進程，抑制副反應的產生，進而有效地降低生產成本。傳統的攪拌反應器存在使用的攪拌槳轉速有限、能量損失大、氣液兩相間接觸不佳、傳熱傳質效果差及密封不嚴等問題，制約了該類型反應器的進一步發展。

回路反應器(又稱噴射環流反應器)主要由高壓反應釜、循環泵、熱交換器和文丘里管噴射器組成，利用高速流動相卷吸其他相，以相對低的能源消耗獲取高的混合效果，并將混合相噴射入反應釜內在其中形成整體良好的環流，促進反應持續進行，非常適用于傳質受限的非均相反應[1]。

相比其他類型的反應器，回路反應器具有如下優勢：①不使用傳統反應器的夾套或者蛇形管傳熱方法。回路反應器設有外置的獨立熱交換器，換熱面積不會受到限制，傳熱能效更大。②循環泵輸入功率大，能夠使單位體積的原料得到很高功率輸入，并且沒有機械傳動，能量損失小，能源利用率高。③高壓攪拌釜內沒有運動部件，密封性能良好，可以用于高壓反應生產，且不設擋板和攪拌槳，長徑比不受其限制。④反應器中高速液體的剪切作用使氣體破碎成非常小的氣泡，產生了很大的氣液接觸比表面積，提高了單位功耗下的傳質速率。Dierendonck等[2]對回路反應器、釜式反應器和固定床反應器的工業放大能力指標進行了對比，結果顯示回路反應器的優勢明顯。

1　回路反應器應用

1.1　化工領域

1.1.1氧化反應

氧化反應過程劇烈，副產物多，對反應器的密封性有較高要求。氧化反應采用回路反應器可縮短反應時間、加快氧化效率，能夠減少氧氣泄漏，提高氧氣的利用率，減少尾氣排放，避免環境污染[3]。郭兆壽等[4]以液體噴射環流反應器(圖1)為氧化反應裝置，進行了液相催化氧化芴制備芴酮的相關實驗研究。通過考察物料循環速度、反應溫度、催化劑用量和溶劑含水量等對芴酮收率的影響，得出了最佳的氧化反應條件。

1.反應器　2.進料口　3.進氣口　4.放空口 5.熱交換器　6.循環泵　7.出料口圖1　氧化反應裝置示圖

石勤智[5]等將回路反應器用于異丙苯液相空氣氧化反應過程中。結果顯示在相同的反應時間內，回路反應器內的過氧化氫異丙苯濃度和異丙苯氧化速率均高于鼓泡反應器。

1.1.2加氫反應

加氫反應普遍存在于化工生產中，有機化合物的加氫反應通常是在催化劑和高壓條件下進行的氣-液-固放熱反應，其過程主要受傳質控制，而且對反應器的密封性要求較高。傳統的加氫反應器(如固定床反應器)存在反應速度慢、反應時間長及產品質量較差等問題，而且氫氣極易燃燒，發生爆炸。回路反應器良好的氣密性、較高的混合效率和優越的傳熱傳質性能，可有效解決傳統反應器加氫反應中存在的問題。

瑞士Buss公司最早將回路反應器應用于加氫反應，其產品的各項指標均優于應用攪拌釜反應器生產的加氫產品技術指標[6]。Wiedemann等[7]將回路反應器用于丙烯氫甲酰化反應的強化，結果顯示丙烯轉化率從75%提高到90%。Leuteritz等[8]將回路反應器用于2-氯代硝基茴香醚加氫制備2-氯代茴香胺的過程，并與攪拌釜反應器進行了對比，結果表明用回路反應器時產品的各項指標均優于攪拌釜反應器。另外，李秋小[9]等用回路反應器進行了椰油酸甲酯加氫制飽和甲酯的研究，同攪拌釜相比周期縮短了60%。

1.1.3磺化反應

磺化反應是瞬間進行的劇烈放熱反應，對傳熱和傳質條件的要求較高，對設備要求苛刻。目前，磺化反應器主要有釜式、降膜式和回路反應器。釜式磺化反應器效率低，副產品多，不適合熱敏性物質的磺化。降膜式磺化反應器較釜式反應器副產品少，但結構復雜，冷卻能力有限，有時會出現局部過熱而影響產品質量[10]。

回路反應器用于磺化反應可避免局部過熱，使反應器內溫度均衡，而且反應器結構簡單，運行穩定，開停車方便，成本低，便于連續化操作。1975年，美國Chemithon公司率先將回路反應器用于磺化反應[11]，不但取得了滿意的效果，同時申請了專利。石建明等[12]將圖2所示的噴射環流反應新型工藝應用于氣相三氧化硫甲苯磺化，其在回路反應器的外部加了循環冷卻裝置，提高了生產效率，并成功應用到化工企業中。

1.分配箱　2.反應釜　3.中間罐　4.冷卻器　5.循環泵圖2　噴射環流反應工藝示圖

1.2　生物化工領域

回路反應器有較高的氣體利用率，不易感染細菌，能量消耗低，而且帶有環路的反應裝置可抑制氣液反應時泡沫的產生，為生物反應提供了適宜的環境，有利于生化反應的順利進行。

劉軍等[13]以酒精為主要原料，利用氣升式外環流發酵罐進行食醋發酵研究，并與機械通風發酵罐進行了對比。結果表明，氣升式外環流發酵罐在效率和產率上均優于用機械攪拌通風發酵罐。Farizoglu等[14]利用回路反應器研究了干酪乳清的處理方法，結果顯示奶酪乳清體積的85%～95%和牛奶中55%的營養成分得到了有效保留。

1.3　環境保護領域

回路反應器傳質速率高、物料混合反應特性好，應用于污水處理時，可使污水處理量大幅提高，處理周期縮短，生產成本大幅減少。

Khoufi等[15]對回路反應器在橄欖油廠污水處理裝置中的應用進行了研究，結果顯示回路反應器為產甲烷菌提供了穩定的環境，有利于污水的快速處理。Maurizio等[16]利用噴射反應器對葡萄酒生產廢水進行了處理，化學需氧量(COD)的去除率超過90%，脫除效果優于普通反應器。宋寬秀等[17]用氣-液-固三相噴射環流生物反應器對活性污泥中的堿性綠染料廢水進行處理，廢水的脫色率超過90%，COD去除率超過72%，COD及色度的去除率均達到了國家標準。

2　回路反應器機理及應用基礎研究現狀

2.1　理論研究

噴射反應器研究的歷史始于1939年Flugel[18]提出的可適用于單相物質系統中噴射反應器實驗結果描述的基本理論概念。索科洛夫等[19]闡述了各類型噴嘴的結構、計算理論和方法，分析了狀態因素和結構因素等對噴嘴工作性能的影響。Blenke[20]在1985年對回路反應器作了較為全面的綜述，劃分了反應器性能的不同方面及其表征參數。Dirix等[21]在1990年對回路反應器的性能作了大量研究，并提出了理論模型，豐富了回路反應器的理論研究。

2.2　實驗研究

Zahradnik等[22]通過實驗研究了氣相自由進入和氣相強制進入兩種條件下，噴射器的結構對反應釜內液相平均含氣量的影響，指出氣體強制進入的條件下噴射器結構形式對含氣率影響不大。Farizoglu等[23]運用實驗方法對比了方形截面噴頭及圓形截面噴頭噴射反應器的液體流量、氣體流量對氣含率及液相體積傳質分數的影響，得出方形截面噴射器的液相傳質系數比圓形的高11%～13%。Deshpande等[24]利用PIV測定了回路反應器的局部平均湍流系數，并以此為基礎提出了湍流耗散率的預測方法。張衛民等[25]運用實驗方法研究了不同結構下環路反應器的流體力學特性，建立了兩相流速與噴嘴結構和操作壓力的函數關系。

2.3　模擬與結構改進

反應器內的流體力學特性是反映反應器性能的重要方面之一，因此詳細準確地反映反應器內噴射器的數值模擬、優化及放大研究成為了最新的研究課題和近年來研究回路反應器設計和優化的基礎。Bi等[26]以酸堿中和快速反應為例，運用CFD軟件分析了擴壓段角度、噴嘴直徑與混合室直徑的比值和噴嘴位置對混合、反應特性的影響。Li等[27]運用CFD軟件建立了噴射器模型，依照其他研究者的實驗結果對模型進行了驗證，并運用此模型探討了混合段長徑比對氣液兩相混合效果的影響，得出氣液噴射器和液液噴射器的最優混合段長徑比。筆者運用計算流體力學原理及CFD軟件建立了噴射器模型，考察了噴射器結構參數對吸氣量的影響以及不同操作條件對反應器混合和反應相關特性影響，以期更好指導回路反應器的開發及生產工藝的優化。

3　研究方向展望

回路反應器作為一種新型多相反應器，憑借其優異的性能，越來越受到國際學術和工程界的關注。經過近80 a理論與實踐的發展，其性能得到不斷完善，開發和應用的速度也越來越快，在化工、生物和環境等領域的應用越來越廣泛。隨著研究和開發的深入，回路反應器在氣-液、氣-液-固等多相反應領域中所占地位越來越重要，相信其發展前景日益廣闊。

回路反應器是較新的工藝設備，發展較其他類反應器時間短。當前對于回路反應器的研究主要集中在相分散、傳質及含氣率等方面，而對反應器內的動力學、熱力學特征及物系特性對反應器性能的影響等研究較少，有些方面大大落后于實際工業應用的步伐。今后的研究應以推動回路反應器工業化的應用進程和解決回路反應器亟待深入研究的問題為方向，重點從以下幾個方面展開研究：①通過基礎理論、實驗和模擬研究相結合的方法，根據不同要求條件建立更加合理的模型并進行優化。②加強反應器內的動力學和熱力學特征對反應器性能的影響研究，為回路反應器的優化設計和放大提供有利證據。③進一步深入研究設計參數與反應器特性之間關系，為回路反應器的更廣泛應用開辟道路。

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