攪拌器是反應(yīng)釜關(guān)鍵部件之一，根據(jù)釜內(nèi)不同介質(zhì)的物理學(xué)性質(zhì)、容量、攪拌目的選擇相應(yīng)的攪拌器，對(duì)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)速度、提高生產(chǎn)效率能起到很大的作用。
攪拌類型比較多，大致可以分為以下幾種：
1、錨式攪拌器
作為標(biāo)準(zhǔn)攪拌器之一，錨式攪拌器以其價(jià)格低、使用方便最初在液相催化加氫中得到了廣泛的應(yīng)用。錨式攪拌器葉輪的葉徑較大，且貼近釜底，使之用于懸浮密度很大、很難懸浮的催化劑(如雷尼鎳)也有一定的懸浮效果。
但是，錨式攪拌器通常在低速下運(yùn)行，在低粘液體攪拌時(shí)不產(chǎn)生大的剪切力，氫氣幾乎未經(jīng)分散即上升到釜頂，上部的氫氣和下部的催化劑接觸的幾率低，導(dǎo)致反應(yīng)速率很慢。另外，錨式攪拌器在攪拌時(shí)以產(chǎn)生水平回轉(zhuǎn)流為主，軸向流很少，釜內(nèi)物料的整體循環(huán)與交換較少，因此，在液相催化加氫反應(yīng)釜中采用錨式槳是低效的。目前，錨式槳已逐漸被淘汰。
2、軸流式攪拌器
為了實(shí)現(xiàn)相間的充分混合，提高傳質(zhì)效率，一些翼型軸流槳，以其循環(huán)量大、能耗低、氣體分散能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)在液相催化加氫中逐漸取代了錨式槳。這種攪拌器葉片面積率較大，即水平投影面上葉片面積占由葉端畫出的圓的面積的百分?jǐn)?shù)較大，大面積的葉片與盤式渦輪中的圓盤類似，可阻止氣體從葉輪穿過(guò)，延長(zhǎng)了氣液接觸時(shí)間。
在不考慮催化劑懸浮時(shí)，翼型軸流式攪拌器使流體在釜內(nèi)的流型為一個(gè)整體大循環(huán)，氫氣進(jìn)入槳葉區(qū)后被葉輪排出流產(chǎn)生的剪切作用分散為大小不同的氣泡，隨后進(jìn)入主體循環(huán)，形成整體氣液分散。由于反應(yīng)釜內(nèi)的湍流程度較弱，氣泡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生碰撞而聚并的機(jī)率小，氣泡直徑的變化幅度相對(duì)較小，因此不同區(qū)域的氣泡大小比較均一，氣含率的空間分布也較為均勻，且整體氣含率較大。
在不考慮氫氣的情況下，軸流式攪拌器循環(huán)能力強(qiáng)、排出量大，流體在釜內(nèi)形成的整體循環(huán)流動(dòng)對(duì)催化劑的懸浮操作是十分有效的。并且軸流式攪拌器在對(duì)催化劑達(dá)到同樣的懸浮程度時(shí)所需要的功率明顯低于徑流槳。但是，在液相催化加氫反應(yīng)中，當(dāng)氫氣從下方通入反應(yīng)釜后，如氣量比較大，氣泡因浮力而產(chǎn)生的上升流動(dòng)使得釜內(nèi)液體的軸向流動(dòng)型態(tài)被破壞，這時(shí)軸流式攪拌器對(duì)催化劑懸浮和氫氣的分散效果都顯著降低了。
3、組合式攪拌器
組合槳被開發(fā)出來(lái)后，催化劑懸浮與氫氣分散的問(wèn)題同時(shí)得到了很好的解決，在液相催化加氫中逐漸得到應(yīng)用。其中應(yīng)用最廣泛的是兩層攪拌器，下層為軸流式攪拌器，用于固體懸浮；上層為徑流槳，用于氣體分散。采用這種組合時(shí)，下層槳將上層槳有效分散的氣體循環(huán)進(jìn)入下部區(qū)域，在下部分散不良而凝并的氣泡進(jìn)入上部區(qū)域后又重新被高剪切的槳所分散而再一次循環(huán)，因此可有效延長(zhǎng)氣相停留時(shí)間，提高氣含率，有利于氣液傳質(zhì)比表面積的增加。在這種組合中，下層軸流槳的排出流方向?qū)σ合啻呋託渲械臍庖簜髻|(zhì)有重要影響。排出流向上時(shí)，流體流動(dòng)幾乎為軸向流；而排出流向下時(shí)則帶有較多的徑向流成分，有較強(qiáng)的分區(qū)傾向，且區(qū)間混合效果與徑向流槳相似。因此，排出流向上可比向下攪拌能更有效地促進(jìn)全釜循環(huán)、延長(zhǎng)氣相的停留時(shí)間從而提高攪拌釜的氣含率。組合槳的選用還受到通氣位置與通氣量的影響，只有把氣升作用與攪拌作用協(xié)調(diào)起來(lái)才能取得最佳的效果。在反應(yīng)釜中，主體流動(dòng)是催化劑顆粒懸浮起來(lái)的動(dòng)力，在小通氣量時(shí)，氣升作用使催化劑顆粒懸浮變得更加容易，而大的通氣量可能會(huì)惡化催化劑的懸浮效果。
但是，由于氣液的不相容性，且密度差別非常大，氫氣僅在上升過(guò)程中得到組合槳的分散而反應(yīng)，大量未反應(yīng)的氫氣聚積在反應(yīng)器內(nèi)的上部空間，嚴(yán)重影響了反應(yīng)速率和效率。因此，很多科研人員開始考慮開發(fā)新的設(shè)備以提高氣液相的接觸面積，從而提高反應(yīng)的時(shí)空收率。
4、自吸式攪拌器
許多科研工作者將目光聚集在了自吸式攪拌器上，這種攪拌器將釜內(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，從而提高了反應(yīng)速率。目前，自吸式攪拌器在國(guó)內(nèi)已有許多專利發(fā)表，在工業(yè)上也逐步得到應(yīng)用，并開始占據(jù)高端市場(chǎng)。
自吸式葉輪由一根空心軸和帶兩個(gè)圓盤的渦輪攪拌器組成，空心軸上端開有小孔，圓盤外緣加有打碎氣泡的擋板。當(dāng)自吸式攪拌器以一定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，高速運(yùn)行的葉輪能使大量液體在葉輪內(nèi)外進(jìn)行循環(huán)，根據(jù)文丘里噴射原理，液面上的氣體通過(guò)空心攪拌軸被高速運(yùn)動(dòng)的液體夾帶后從葉輪排出，在自吸式葉輪的兩圓盤間形成負(fù)壓，反應(yīng)器內(nèi)液面上方的氣體由空心軸上端小孔處吸入，沿空心軸向下，并由下端圓盤間小孔鼓出，氣泡從槳端逸出，運(yùn)動(dòng)至釜壁，被兩圓盤邊緣的擋板打碎成很小的氣泡，氣體在反應(yīng)器內(nèi)形成循環(huán)，固體顆粒懸浮在液體中，氣體與顆粒充分接觸。這樣，氣體在反應(yīng)器內(nèi)不斷被吸入至液相深層，并被攪拌分散，周而復(fù)始，形成均勻的氣液混合，實(shí)現(xiàn)高效氣液接觸，強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過(guò)程，縮短氣液反應(yīng)時(shí)間，獲得了高的宏觀反應(yīng)速率。 |
