攪拌器速率
圍繞著氣液固三相之間接觸的問題，攪拌器在液相催化加氫中為設備的關鍵部件之一。本文對液相催化加氫中使用的攪拌器進行了綜述，介紹並分析了各種攪拌器的特點，最初被套用的錨式槳已基本被淘汰；軸流式攪拌器能在一定程度上達到催化劑懸浮與氫氣分散的效果；組合槳對催化劑懸浮與氫氣分散具有明顯的優勢，在常規攪拌器中為最優選擇；最後指出自吸式攪拌器在所有攪拌器中能提供最大的氣液傳質面積，得到最高的反應速率與氫氣利用率，已逐步成為新一代液相催化加氫裝置的首選。
關鍵字：液相催化加氫；攪拌器；錨式槳；軸流槳；組合槳；自吸式攪拌器
近年來，我國催化加氫技術在技術開發與推廣使用上都有了重大突破，與傳統的鐵粉、硫化鹼、水合阱等還原方法相比，催化加氫副反應少、收率高、質量好、能耗低、三廢少，在化工上得到了不斷開發和套用[1]。
催化加氫的生產過程一般是氣液固三相同時接觸的情況下進行的，氣液兩相之間發生傳質與化學反應，固體則在化學反應過程中起催化作用。圍繞著氣液固三相之間接觸的問題，大部分工業化裝置都採用了攪拌反應器。典型的攪拌反應器示意圖如圖1所示，氫氣在釜底從通過氫氣管通入，在上升的過程中經攪拌器分散，由於氫氣一般為難溶氣體，大部分未反應的氫氣上升到反應釜上方聚集起來，在物料液位表面靠氣液界面接觸繼續反應。
在攪拌反應器中，機械攪拌的作用在於形成氣液固三相混合體系，促進氫氣和固體催化劑的同時擴散。為了達到三相之間的充分接觸，反應體系應滿足以下要求：(1)要將反應釜底部的催化劑顆粒攪動起來，使之處於懸浮狀態，並且在其周圍形成強烈的湍流，從而減小催化劑顆粒和液體之間滯流層的厚度；(2)使難溶解的氫氣分散，形成微小的氣泡分布於懸浮液中，讓液、氣相接觸面積儘可能大。因此，選擇合適的攪拌器以滿足上述要求成了許多催化加氫廠家和攪拌器設計生產企業共同面對的問題。
遺憾的是，目前許多國內催化加氫廠家在生產過程中採用的攪拌器不能達到很好的三相接觸效果，導致了反應時間過長，催化劑用量大、反應不完全，嚴重影響了經濟效益。為了更好地幫助企業解決好上述問題，本文結合杭州原正化學工程技術裝備有限公司2002年以來的研究工作，重點介紹並分析液相催化加氫過程中用到的各種攪拌器，希望能對國內相關領域的技術進步產生一定的推動作用。
作為標準攪拌器之一，錨式攪拌器以其價格低、使用方便最初在液相催化加氫中得到了廣泛的套用。錨式攪拌器葉輪的葉徑較大，且貼近釜底，使之用於懸浮密度很大、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行，在低粘液體攪拌時不產生大的剪下力[2]，氫氣幾乎未經分散即上升到釜頂，上部的氫氣和下部的催化劑接觸的幾率低，導致反應速率很慢。另外，錨式攪拌器在攪拌時以產生水平迴轉流為主，軸向流很少，釜內物料的整體循環與交換較少，因此，在液相催化加氫反應釜中採用錨式槳是低效的。目前，錨式槳已逐漸被淘汰。
2軸流式攪拌器
為了實現相間的充分混合，提高傳質效率，近年來，一些翼型軸流槳以其循環量大、能耗低、氣體分散能力強的優勢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數較大，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，延長了氣液接觸時間。
在不考慮催化劑懸浮時，翼型軸流式攪拌器使流體在釜內的流型為一個整體大循環，氫氣進入槳葉區後被葉輪排出流產生的剪下作用分散為大小不同的氣泡，隨後進入主體循環，形成整體氣液分散。由於反應釜內的湍流程度較弱，氣泡在運動過程中發生碰撞而聚並的機率小，氣泡直徑的變化幅度相對較小，因此不同區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[2]。
在不通氫氣的情況下，軸流式攪拌器循環能力強、排出量大，流體在釜內形成的整體循環流動對催化劑的懸浮操作是十分有效的。並且軸流式攪拌器在對催化劑達到同樣的懸浮程度時所需要的功率明顯低於徑流槳。
但是，在液相催化加氫反應中，當氫氣從下方通入反應釜後，如氣量比較大，氣泡因浮力而產生的上升流動使得釜內液體的軸向流動型態被破壞，這時軸流式攪拌器對催化劑懸浮和氫氣的分散效果都顯著降低了[3]。上翻軸流式攪拌器可以避免流型上的衝突，利於氣泡的再循環，但對於催化劑的懸浮不如下壓軸流式攪拌器更有效。
3組合式攪拌器
多層槳被開發出來後，催化劑懸浮與氫氣分散的問題同時得到了圓滿的解決，在液相催化加氫中逐漸得到套用。其中套用最廣泛的是兩層攪拌器，下層為軸流式攪拌器，用於固體懸浮；上層為徑流槳，用於氣體分散。採用這種組合時，下層槳將上層槳有效分散的氣體循環進入下部區域，在下部分散不良而凝並的氣泡進入上部區域後又重新被高剪下的槳所分散而再一次循環，因此可有效延長氣相停留時間，提高氣含率，有利於氣液傳質比表面積的增加[4]。
在這種組合中，下層軸流槳的排出流方向對液相催化加氫中的氣液傳質有重要影響。排出流向上時，流體流動幾乎為軸向流；而排出流向下時則帶有較多的徑向流成分，有較強的分區傾向，且區間混合效果與徑向流槳相似[5]。因此，排出流向上可比向下攪拌能更有效地促進全釜循環、延長氣相的停留時間從而提高攪拌釜的氣含率[4]。
組合槳的選用還受到通氣位置與通氣量的影響[6]，只有把氣升作用與攪拌作用協調起來才能取得最佳的效果。在反應釜中，主體流動是催化劑顆粒懸浮起來的動力，在小通氣量時，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惡化催化劑的懸浮效果[7]。
組合槳還有一個明顯的優點是多個葉輪的離底距離與層間距在一定範圍內變化不太敏感，這意味著多個葉輪的設定可用來達到固體懸浮的同時可得到有效的氣液傳質[8]。
但是，由於氣液的不相容性，且密度差別非常大，氫氣僅在上升過程中得到組合槳的分散而反應，大量未反應的氫氣聚積在反應器內的上部空間，嚴重影響了反應速率和效率。因此，很多科研人員開始考慮開發新的設備以提高氣液相的接觸面積，從而提高反應的時空收率。
4自吸式攪拌器
很多科研工作者將目光聚集在了自吸式攪拌器上，這種攪拌器將釜內液面上的氫氣重新吸入並分散於液相，可大幅度提高氣含率和氣液相的接觸面積，從而提高了反應速率。目前，自吸式攪拌器（圖2）在國內已有許多專利發表，在工業上也逐步得到套用，並開始占據高端市場。
自吸式葉輪由一根空心軸和帶兩個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。當自吸式攪拌器以一定速度鏇轉時，高速運行的葉輪能使大量液體在葉輪內外進行循環，根據文丘里噴射原理，液面上的氣體通過空心攪拌軸被高速運動的液體夾帶後從葉輪排出，在自吸式葉輪的兩圓盤間形成負壓，反應器內液面上方的氣體由空心軸上端小孔處吸入，沿空心軸向下，並由下端圓盤間小孔鼓出，氣泡從槳端逸出，運動至釜壁，被兩圓盤邊緣的擋板打碎成很小的氣泡，氣體在反應器內形成循環，固體顆粒懸浮在液體中，氣體與顆粒充分接觸[9]。這樣，氣體在反應器內不斷被吸入至液相深層，並被攪拌分散，周而復始，形成均勻的氣液混合，實現高效氣液接觸，強化氣液傳質過程，縮短氣液反應時間，獲得了高的巨觀反應速率。
如果液位較深的話，自吸式攪拌器的吸氣效果和對氫氣的分散效果會大大降低，同時，固液懸浮的不均勻也降低了氣固接觸效率以及反應的速率，此時需要配以軸流槳以改善流型、增加吸氣及氣體分散效果[10]。組合使用的高效軸流槳能將氣體與固體催化劑均勻地彌散在反應器內，包括反應釜底部，從而達到了快速反應的目的。
由於自吸式攪拌器在空心軸上開設進氣孔降低了軸的強度，因此需要在開孔處進行補強處理。另外，液相催化加氫中反應釜內普遍高溫高壓，攪拌器的高轉速帶來的密封問題就成了這種攪拌器的難點之一。其次，許多加氫反應放熱量都很大，採用自吸式攪拌器提高反應速率後的單位時間放熱量也急劇增加，因此解決反應釜的放熱問題也是這種設備的難點[11]。所幸的是，這些難點都已經得到了很好的解決。
5結語
氣液分散與催化劑懸浮問題是液相催化加氫中的核心問題，其特點是反應速率受氣液傳質的控制，而氣液傳質涉及到氣體分散、氣體循環以及固體催化劑懸浮等過程。機械攪拌反應釜作為液相催化加氫中套用最廣泛的設備，選用合適的攪拌器可大幅提高反應的效率與時空收率，對我國的精細化工行業影響巨大。以往使用錨式槳，由於氣體分散及催化劑懸浮能力差已基本被淘汰。大葉片式翼型軸流槳目前也得到了較多套用，但是，氫氣與催化劑顆粒的共同作用破壞了這種槳的軸流型態，因此催化劑懸浮能力與氫氣分散能力均有所下降。組合式攪拌器能夠同時滿足氣液傳質與催化劑懸浮的過程，且對氫氣有較長的停留時間，因此是液相催化加氫中最優的常規攪拌器之一。自吸式攪拌器在所有攪拌器中能提供最大的氣液傳質面積，得到最高的反應速率，對氫氣的利用率也最高，已逐步成為新一代液相催化加氫裝置的首選。
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