蒽醌法新型工作液加氢反应器特性研究

姜　华，马敬洪

(1.邵阳市燃气管理办公室，湖南 邵阳　422001；2.中国市政工程华北设计研究总院，天津　300074)



蒽醌法新型工作液加氢反应器特性研究

姜华1，马敬洪2

(1.邵阳市燃气管理办公室，湖南 邵阳422001；2.中国市政工程华北设计研究总院，天津300074)

摘要：针对蒽醌法制造过氧化氢使用的新型工作液体系，开发并采用先进的局部流动特性参数测定系统，对加氢反应器中的扩散系数、传质系数和传热系数等局部流动特征参数进行了实验测定，考察了其随液体性质和操作参数的变化规律，为新型工作液体系的实际应用提供指导。

关键词：蒽醌法；扩散系数；传质系数；传热系数

过氧化氢是一种重要的绿色化工原料。蒽醌法是生产过氧化氢的主要方法[1-3]。由于2-乙基蒽醌在有机溶剂中的溶解度较低，很多学者对蒽醌法生产过氧化氢工艺进行改进工作的研究，包括催化加氢反应动力学、新工作载体在各种有机溶剂中的溶解度测定等[4，5]。本文研究的新型工作液体中的烷基蒽醌采用2-戊基蒽醌，有机溶剂采用TMB(四甲基联苯胺)/DIBC(二异丁基甲醇)混合溶剂[6，7]。针对新型的工作液体系，加氢过程的反应器中的的传递特性会直接影响化学反应的进行[8，9]。本文采用实验对蒽醌法加氢反应器的扩散、传质和传热特性进行研究，为新型工作液体系的实际应用提供指导。

1测定系统

实验装置如图1所示。反应器内径100mm，高1500mm，液体由底部经预分布段，再经分布板流入反应器内；预分布段有两段，每段高各为150mm。液体先经过下面的预分布段后再经上段预分布段中的细玻璃管进入流化床内；分布板上覆盖着两层200目的不锈钢金属丝网。流化床顶部扩大段是自由沉降区。液体入塔之前经过转子流量计准确计量。气体可经上面的预分布段，分布板进入反应器内；分布板上覆盖着两层200目的不锈钢金属丝网。气体流量由转子流量计计量，通过测量气体压力和温度，进行计量压力和温度校正。反应器床层中流化介质装填高度依据床层特性及具体试验而定。

利用氧含量测试系统和微电极测试系统，对加氢反应器中液固传质系数进行了实验测定。采用扩散极限电流法测定反应器中局部和瞬态的传质系数，电解质溶液采用0.001mol·l-1等摩尔的铁氰化钾和亚铁氰化钾溶液，外加0.02mol·l-1的NaOH作为支撑电解质。

研制出微型温度参数测定系统，对加氢反应器中温度分布进行了实验测定，并结合热通量计算得出传热系数的大小，研究了反应器中结构参数、操作参数和物性参数对其影响规律。

实验采用脉冲响应法，以饱和的KCl水溶液为示踪液测定其在反应器内部的数，以反映液相返混特性。

图1　加氢反应器试验装置与流程1空气压缩机；2气体流量计；3测试仪表；4液体分布器5气体分布器；6反应器；7储液槽8；加热器和控制仪表；9液体循环泵；10液体流量计；11差压传感器

2结果与讨论

2.1　液相扩散特性

加氢反应器中液相轴向扩散的主要原因是气泡及尾涡的轴向运动。气泡上升过程中，其尾涡不断的吸入和放出液体和颗粒，尾涡中所夹带的液体和颗粒速度比其他部分大，导致液相混合，这种返混运动的程度取决于气泡和尾涡的大小以及气泡的相对速度(Ug-Ul)，气泡和尾涡的尺寸越大，液相返混越剧烈。

图2列出了不同液体粘度对液相轴向扩散的影响，由此可知随着液体粘度的增加，轴向扩散系数减小，这是因为，液相粘度的增加，使得气泡上升速度减慢，固体颗粒摆动速度变小，使液体湍动程度减弱，导致液相扩散系数减小，同时可知，扩散系数均随液速的增大而增加。

图3可见随着液体表面张力的减小，液相轴向扩散系数增大。这可能是由于在低表面张力下，有助于抑制气泡的聚并，增加了气含率，使床层内的扰动加剧。同时可见，随表观气速的增加，扩散系数增大。这主要是由于气速的增加，气泡尾涡增大，使得床层扰动剧烈，轴向扩散系数增大。

图2　液体粘度对反应器中轴向扩散系数影响(Ug=1.77mm/s)

图3　不同表面张力下轴向扩散系数随表观气速的变化(Ul=1.42mm/s)

2.2　液固传质特性

图4给出了在不同的液体粘度下液固传质系数的变化规律，从图中可以发现，随着液体粘度的增加，液固传质系数减小。这可能是由于液体粘度的增加，分子扩散系数变小，同时由于传质边界层变厚，因此，液固传质系数减小。随着液速的增加，传质系数基本上保持不变。

图4　液体粘度对液固传质系数的影响(Ug=1.77mm/s，80～120μm)

图5给出了三种不同的表面张力下液固传质系数随气体表观速度的变化情况，从图中可以发现，随着液体表面张力的减小，液固之间的传质系数增大。这可能是由于表面张力的减小，能够遏制气泡聚并，增加气含率。更多细小的气泡加剧了液相主体的湍动，导致了液固传质系数的增加。

图5　液体表面张力对液固传质系数的影响(Ul=1.42mm/s，80～120μm)

图6　不同颗粒粒径下液固传质系数随表观气速的变化(Ul=1.42mm/s)

从图6中可以发现，以大颗粒为固相的液固传质系数比以小颗粒为固相的液固传质系数有显著增加。这主要可能是由于以大颗粒为固体相的床层，颗粒相间的液体湍动程度有可能大于小颗粒粒径的，造成传质边界层厚度减小；同时由于液体湍动速度的增加，溶液内部的新鲜液体不断的带到电极表面上来，表面的更新速率加快了，因此，液固之间的传质系数增加。

2.3　液固传热特性

图7可知，液固传热系数随液相粘度增加而减小，同时液固传热系数随液体表观速度的增加而增加。从图8中可以看出在同一操作条件下，液固传热系数随液体表面张力的减小而增大。传热系数从低到中的表观气速范围增加比较明显，高的气速下增加量较小。

3结论

研究得到了蒽醌法加氢反应器的传递性质。结果表明，液相扩散系数、液固传质系数和传热系数均随粘度和表面张力的增加而减小。表观液体速度和气体速度对扩散系数和传热系数的影响较明显，随之一同增大。颗粒粒径大的体系的液固传质系数较大。本文所用测定系统和方案为新型工作液体系的开发研究和实际应用提供指导。

图7　液相粘度对液固传热系数的影响

图8　不同表面张力下液固传热系数随表观气速的变化

参考文献：

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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

中图分类号：TQ241.5

文献标志码：A

文章编号：1003-6490(2015)01-0082-03

作者简介：姜华(1967-)，女，汉族，毕业于重庆建工学院城建系燃气专业，工程师，主要丛事燃气管理技术工作。

收稿日期：2015-02-26