蒽醌法新型工作液加氫反應器特性研究

姜　華，馬敬洪

(1.邵陽市燃氣管理辦公室，湖南 邵陽　422001；2.中國市政工程華北設計研究總院，天津　300074)

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蒽醌法新型工作液加氫反應器特性研究

姜華1，馬敬洪2

(1.邵陽市燃氣管理辦公室，湖南 邵陽422001；2.中國市政工程華北設計研究總院，天津300074)

摘要：針對蒽醌法制造過氧化氫使用的新型工作液體系，開發并采用先進的局部流動特性參數測定系統，對加氫反應器中的擴散系數、傳質系數和傳熱系數等局部流動特征參數進行了實驗測定，考察了其隨液體性質和操作參數的變化規律，為新型工作液體系的實際應用提供指導。

關鍵詞：蒽醌法；擴散系數；傳質系數；傳熱系數

過氧化氫是一種重要的綠色化工原料。蒽醌法是生產過氧化氫的主要方法[1-3]。由于2-乙基蒽醌在有機溶劑中的溶解度較低，很多學者對蒽醌法生產過氧化氫工藝進行改進工作的研究，包括催化加氫反應動力學、新工作載體在各種有機溶劑中的溶解度測定等[4，5]。本文研究的新型工作液體中的烷基蒽醌采用2-戊基蒽醌，有機溶劑采用TMB(四甲基聯苯胺)/DIBC(二異丁基甲醇)混合溶劑[6，7]。針對新型的工作液體系，加氫過程的反應器中的的傳遞特性會直接影響化學反應的進行[8，9]。本文采用實驗對蒽醌法加氫反應器的擴散、傳質和傳熱特性進行研究，為新型工作液體系的實際應用提供指導。

1測定系統

實驗裝置如圖1所示。反應器內徑100mm，高1500mm，液體由底部經預分布段，再經分布板流入反應器內；預分布段有兩段，每段高各為150mm。液體先經過下面的預分布段后再經上段預分布段中的細玻璃管進入流化床內；分布板上覆蓋著兩層200目的不銹鋼金屬絲網。流化床頂部擴大段是自由沉降區。液體入塔之前經過轉子流量計準確計量。氣體可經上面的預分布段，分布板進入反應器內；分布板上覆蓋著兩層200目的不銹鋼金屬絲網。氣體流量由轉子流量計計量，通過測量氣體壓力和溫度，進行計量壓力和溫度校正。反應器床層中流化介質裝填高度依據床層特性及具體試驗而定。

利用氧含量測試系統和微電極測試系統，對加氫反應器中液固傳質系數進行了實驗測定。采用擴散極限電流法測定反應器中局部和瞬態的傳質系數，電解質溶液采用0.001mol·l-1等摩爾的鐵氰化鉀和亞鐵氰化鉀溶液，外加0.02mol·l-1的NaOH作為支撐電解質。

研制出微型溫度參數測定系統，對加氫反應器中溫度分布進行了實驗測定，并結合熱通量計算得出傳熱系數的大小，研究了反應器中結構參數、操作參數和物性參數對其影響規律。

實驗采用脈沖響應法，以飽和的KCl水溶液為示蹤液測定其在反應器內部的數，以反映液相返混特性。

圖1　加氫反應器試驗裝置與流程1空氣壓縮機；2氣體流量計；3測試儀表；4液體分布器5氣體分布器；6反應器；7儲液槽8；加熱器和控制儀表；9液體循環泵；10液體流量計；11差壓傳感器

2結果與討論

2.1　液相擴散特性

加氫反應器中液相軸向擴散的主要原因是氣泡及尾渦的軸向運動。氣泡上升過程中，其尾渦不斷的吸入和放出液體和顆粒，尾渦中所夾帶的液體和顆粒速度比其他部分大，導致液相混合，這種返混運動的程度取決于氣泡和尾渦的大小以及氣泡的相對速度(Ug-Ul)，氣泡和尾渦的尺寸越大，液相返混越劇烈。

圖2列出了不同液體粘度對液相軸向擴散的影響，由此可知隨著液體粘度的增加，軸向擴散系數減小，這是因為，液相粘度的增加，使得氣泡上升速度減慢，固體顆粒擺動速度變小，使液體湍動程度減弱，導致液相擴散系數減小，同時可知，擴散系數均隨液速的增大而增加。

圖3可見隨著液體表面張力的減小，液相軸向擴散系數增大。這可能是由于在低表面張力下，有助于抑制氣泡的聚并，增加了氣含率，使床層內的擾動加劇。同時可見，隨表觀氣速的增加，擴散系數增大。這主要是由于氣速的增加，氣泡尾渦增大，使得床層擾動劇烈，軸向擴散系數增大。

圖2　液體粘度對反應器中軸向擴散系數影響(Ug=1.77mm/s)

圖3　不同表面張力下軸向擴散系數隨表觀氣速的變化(Ul=1.42mm/s)

2.2　液固傳質特性

圖4給出了在不同的液體粘度下液固傳質系數的變化規律，從圖中可以發現，隨著液體粘度的增加，液固傳質系數減小。這可能是由于液體粘度的增加，分子擴散系數變小，同時由于傳質邊界層變厚，因此，液固傳質系數減小。隨著液速的增加，傳質系數基本上保持不變。

圖4　液體粘度對液固傳質系數的影響(Ug=1.77mm/s，80～120μm)

圖5給出了三種不同的表面張力下液固傳質系數隨氣體表觀速度的變化情況，從圖中可以發現，隨著液體表面張力的減小，液固之間的傳質系數增大。這可能是由于表面張力的減小，能夠遏制氣泡聚并，增加氣含率。更多細小的氣泡加劇了液相主體的湍動，導致了液固傳質系數的增加。

圖5　液體表面張力對液固傳質系數的影響(Ul=1.42mm/s，80～120μm)

圖6　不同顆粒粒徑下液固傳質系數隨表觀氣速的變化(Ul=1.42mm/s)

從圖6中可以發現，以大顆粒為固相的液固傳質系數比以小顆粒為固相的液固傳質系數有顯著增加。這主要可能是由于以大顆粒為固體相的床層，顆粒相間的液體湍動程度有可能大于小顆粒粒徑的，造成傳質邊界層厚度減小；同時由于液體湍動速度的增加，溶液內部的新鮮液體不斷的帶到電極表面上來，表面的更新速率加快了，因此，液固之間的傳質系數增加。

2.3　液固傳熱特性

圖7可知，液固傳熱系數隨液相粘度增加而減小，同時液固傳熱系數隨液體表觀速度的增加而增加。從圖8中可以看出在同一操作條件下，液固傳熱系數隨液體表面張力的減小而增大。傳熱系數從低到中的表觀氣速范圍增加比較明顯，高的氣速下增加量較小。

3結論

研究得到了蒽醌法加氫反應器的傳遞性質。結果表明，液相擴散系數、液固傳質系數和傳熱系數均隨粘度和表面張力的增加而減小。表觀液體速度和氣體速度對擴散系數和傳熱系數的影響較明顯，隨之一同增大。顆粒粒徑大的體系的液固傳質系數較大。本文所用測定系統和方案為新型工作液體系的開發研究和實際應用提供指導。

圖7　液相粘度對液固傳熱系數的影響

圖8　不同表面張力下液固傳熱系數隨表觀氣速的變化

參考文獻：

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Characteristic Research on New-style Working Solution HydrogenationReactor in Hydrogen Peroxide Plant by Anthraquinone Process

JIANGHua1，MA Jin-hong2

(1. Shaoyang Gas Administration Office，Shaoyang，422001；2. North China

Municipal Engineering Design & Research Institute，Tianjin，300074)

Abstract：An Experimental test is made for new-style working solution hydrogenation reactor in hydrogen peroxide plant by anthraquinone process so as to study its flow characteristics. This provides a guide on the application of new-style working solution.

Key words：anthraquinone process；diffusion coefficient；coefficient of mass transfer；coefficient of heat transfer

中圖分類號：TQ241.5

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6490(2015)01-0082-03

作者簡介：姜華(1967-)，女，漢族，畢業于重慶建工學院城建系燃氣專業，工程師，主要叢事燃氣管理技術工作。

收稿日期：2015-02-26