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>2008年乙醛、醋酸及其衍生>物技术、市场研讨会论文摘选搅拌器在工业合成醋酸反应器中的应用朱泽霖1富国强1刘强2（1.斯必克（上海）流体设备有限公司，上海200052；2.兖矿国泰化工有限公司，山东277527）择和计算。对醋酸反应器这样复杂的气-液反应混合过程，必须采用合适的机械搅拌器。目前采用*多的是径向流和轴向流相结合的多层搅拌桨叶组合形式的搅拌器。搅拌桨的计算和设计对保证醋酸反应中充分的气-液分散混合并达到良好的气-液传质过程十分重要。不同大小醋酸反应釜的搅拌器必须根据不同生产处理量和醋酸装置的工艺条件进行设计和选型。
1前言工业合成醋酸的工艺方法有很多种，其中甲醇低压羰基合成法是上世纪60年代末开发出来的技术上*先进的方法，用该方法合成醋酸首先是由美国Monsanto（孟山都）公司实现工业化。80年代美国Celeance（赛拉尼斯）公司和英国BP（英国石油公司）在Monsanto的技术上进行了改进和优化，实现了大规模的醋酸工业化生产，中国的西南化工研究院也在80年代开发成功甲醇低压羰基合成法醋酸工艺。甲醇低压羰基合成法以碘化铑为催化剂，工艺反应条件温和，收率高，生产成本低，很快被推广采用。20世纪80年代以来，世界各国新建醋酸装置基本上都采用甲醇羰基合成法，该法在经济上具有较强的竞争力，并随着生产规模的扩大和高效催化剂的采用，其优势更加明显。目前甲醇羰化法已是醋酸生产的主流技术，生产的醋酸已占醋酸总产量的70%以上。2001年至今，甲醇低压羰基合成醋酸技术先后在国内多家企业，如山东兖矿集团，大庆油田等多家企业工业化生产。
甲醇羰基合成法的典型反应过程如下：CH3COOH甲醇由加料泵送至反应釜，精制CO由反应釜底部进入釜内CO气体分配管，在搅拌器的作用下，CO在溶液中扩散溶解。在约3.0MPa压力和190C温度条件下，在催化剂的作用下CO与甲醇（MeOH）在反应釜内生成醋酸（HOAc）。这是一个气液相化学反应，在反应过程中，CO气体在液体中的有效分散混和，充分的气液传质接触，是整个生产过程的关键。
2气液分散搅拌过程醋酸反应是气体在液体中的气-液分散混合的过程。其中液体为连续相，气体为分散相被破碎成气泡。为达到好的气-液传质以提高反应速率，必须尽可能减小气泡的尺寸。气泡的破碎必须依靠搅拌器的高度湍动和剪切来实现。
实际上发生的是如下的过程：液体中的气泡有圆型的界面，界面张力力图使气泡的表面积*小，抵抗气泡变形和破碎，即界面张力是分散操作的主要抗力。因此，要使气泡破碎的更小，必须克服界面张力使气泡变形。在搅拌桨叶的作用下，设备内流体处于高度湍动状态时，存在着方向和速度变换的湍流脉动，液体不能追随这种脉动而产生相对速度很大的绕流运动。这种绕流运动沿气泡表面会产生不均匀的压强分布和表面剪切应力将气泡破碎。总体流动的湍动程度越高，湍流脉动对气泡绕流的相对速度越大，则可能产生的气泡尺寸越小。但在大气泡发生破碎的同时，还存在着小气泡相互碰撞而合并的过程。即破碎和合并同时发生，必然导致气泡尺寸的不均匀分布，实际的气泡尺寸分布决定于破碎和合并过程之间的抗衡。
此外，搅拌设备内各处流体湍动程度的不均也会使气泡尺寸不均匀分布。一般情况下，搅拌桨叶附近的区域，流体湍动程度*高，气泡破碎速率大于合并速率，气泡尺寸较小；而在远离桨叶的区域内流体湍动程度较弱，气泡合并速率大于破碎速率，气泡尺寸较大。
为了使气泡尺寸分布均匀，通常可采用以下措施进行强化：尽量使流体在设备内的湍动程度分布均匀，具体可通过选择适宜的搅拌桨形式和尺寸，合理设计搅拌桨的位置，以及设备内设置挡板等方法来保证湍动程度均匀分布。
3气液分散搅拌桨叶和流型的选择鉴于上述醋酸反应的特点，机械搅拌醋酸反应器常采用通气式的搅拌反应釜。对搅拌过程要求：（1）打碎气泡，使气泡细化以增加气液接触界面（气泡比表面积），提高气液面的传质速率；（2）要有较大的液体流动循环量，让气泡均匀混合分布于整个反应器中，同时使催化剂固型物保持悬浮状态。
3.1传统的气液反应釜常采用多层径向流搅拌桨，如多层六直叶圆盘涡轮搅拌桨（莱宁R100桨叶），径向流搅拌桨的剪切效果好，打碎气泡增加气液接触界面的作用强，上层桨叶还能增强气液分散效果然而随着反应釜规模的不断扩大，采用多层相同径向流搅拌桨的不足就明显暴露出来。整个反应器的循环流动差，形成了反应釜内的多个区域混和，整体混合不均匀，同时采用多个径向叶轮造成搅拌器的电机功率很大，工厂曰常操作费用极高。影响了气液反应器设备的大型化发展。为多层相同径向流搅拌桨叶气液反应器的简图。
多层径向流叶的传统气液反应器3.2根据莱宁的研究和应用经验，对通气式的反应釜，其搅拌器的要求既要有强的剪切力，又要有较大的流体循环特性，采用单一的径向流型搅拌桨是达不到要求的。往往采用径向流和轴向流相结合的多层搅拌桨组合式的搅拌器。如下层采用剪切力强的涡轮式搅拌桨（莱宁R130桨叶），上层采用循环量大的轴向流搅拌桨（莱宁A310，A315桨叶），既有利于气泡的分散，增加气液接触界面；又能促进全罐的混合，延长气体的停留时间，有利于提高传质速率。
为组合形式的多层搅拌桨叶醋酸反应器简图。
4气体分散桨叶的计算采用径向流和轴向流相结合的多层搅拌桨组合式搅拌器后，为保证充分的气-液分散混合，达到好的气-液传质过程，下层分散搅拌桨的设计选型就成为整个搅拌器设计的关键。
4.1气液分散混和的一些定义a.SCFM在一个大气压和摄氏零度条件下搅拌釜通入的气体流量，单位是每分钟立方英尺。
ACFM在实际反应操作温度压力条件下搅拌釜通入的气体流量，单位是每分钟立方英尺。
/f：表面气体速率（fpm），气体流量（ACFM）除以搅拌釜的截面积（ft2）。
IEGP等温气体膨胀功。
进入到反应釜液体中压缩气体的膨胀功如b.桨叶上部的气体得到很好的分散，有固定的流型；桨叶下部没有固定的流型；固体沉在反应釜底部有少许流动；液面平稳。有定程度的气液分散和传质，但气液反应不充分，下部反应器体积没有得到有效的利用，见。下：4.2无搅拌的圆柱气泡流型（气体搅拌）需要极大的高径比来提高气体在液体中的停留时间；只能处理很小的气体流量；上升的气体会带来极少的流动和温和的混合；固体沉在反应釜底部不流动；液面波动大。没有气液分散和传质，无法满足气液反应的要求，见。
4.3气体控制的气泛流型（机械搅拌）气体分散桨叶的功率小于或等于通入气体的等温膨胀功：没有固定的气液分散流型；固体沉在反应釜底部不流动；液面波动大；是气泛的状态。有少量气液分散和传质，无法满足气液反应的要求，见。
4.4中间过渡态气液流型（机械搅拌）a.气体分散桨叶的功率等于23倍通入气体的等温膨胀功：4.5搅拌控制的气液流型，良好的气体分散混合效果（机械搅拌）气体分散桨叶的功率大于3倍通入气体的等温膨胀功：气泡跟随着液体在反应釜内流动，就好象是液体的部分；桨叶上部和下部都有固定的流型；固体全部悬浮起来并在整个反应釜内混匀；液面平稳。
达到很好的气液分散和传质，满足气液反应的要求，整个反应器体积得到充分有效的利用，见。
4.6气体流量对桨叶功率的影响K-因子，反映在气液搅拌釜中由于气体引入而造成的搅拌功率的损失。
搅拌功率的损失与桨叶参数和气体参数有关。
桨叶参数如：桨叶形式，桨叶直径D，搅拌转速N，桨叶位置。气体参数是：气体流量ACFM，气体分布管形式。
在转速恒定的情况下，K的数值等于通气时桨叶搅拌功率除以不通气时的功率：对径向桨来说，可以通过的充分气液分散混合效果以提高传质速率。同时，根据反应釜的进出液体流量和反应釜体积，可功以上，必然会出现上述所示的气泛现象，气液分散效果差，不能满足反应要求。同时造成液面波动不稳定，从而造成气泡对桨叶的冲击，对搅拌机机械部分会产生很大冲击，产生的机械问题会使机械密封和齿轮箱的寿命变短。
为了满足机械强度要求及规避搅拌转速在设备固有频率区运转而产生共振，同时考虑流体力对搅拌桨叶的影响，搅拌轴的直径，搅拌桨叶的厚度等机械强度的设计也是十分重要的工作。
5.2气体分布器的设计通常气体进入反应釜后由气体分布器将气体导入到反应液体中，管状的气体分布器在具体的工业装置中是采用*多的。气体分布器的直径设计和位置布置对气液反应过程气体分散也有影响。
根据合适的气体流速和ACFM即可计算得到气体分布管的直径。在气体分布器的内外必须保持?个合适的压力差dP，使气体很好的导入反应釜液体中，而又不产生太大的压力差影响到气体压缩机。
根据压差dP和SCFM即可计算得到气体分布器的开孔面积和开孔大小，个数等。计算气体分布器需要以下数据：通气量，气体进入反应器前的压力和温度，反应釜内液体密度，液位高度，反应釜内压力等。
6结语综合以上的分析我们可以得到以下结论。对醋酸反应釜这样复杂的工业气-液分散反应混合过程，不用搅拌器是不可行的。目前在国内外实际工业醋酸装置中采用*多的是径向流和轴向流相结合的多层搅拌桨叶组合形式的搅拌器。为保证醋酸反应过程中充分的气-液分散混合并达到良好的气-液传质过程，搅拌桨的计算和设计是十分关键的工作，径向流分散桨必须避免出现气泛现象。不同处理量的醋酸工业生产反应器其气体和液体进料量都会不样，搅拌器也必须根据不同的工艺条件进行设计和选型来和不同处理量的醋酸生产反应器相匹配。
优化的径向流分散桨的使用可以使搅拌器更好的控
