)搅拌器速率
围绕着气液固三相之间接触的问题，搅拌器在液相催化加氢中为设备的关键部件之一。本文对液相催化加氢中使用的搅拌器进行了综述，介绍并分析了各种搅拌器的特点，最初被应用的锚式桨已基本被淘汰；轴流式搅拌器能在一定程度上达到催化剂悬浮与氢气分散的效果；组合桨对催化剂悬浮与氢气分散具有明显的优势，在常规搅拌器中为最优选择；最后指出自吸式搅拌器在所有搅拌器中能提供最大的气液传质面积，得到最高的反应速率与氢气利用率，已逐步成为新一代液相催化加氢装置的首选。
关键词：液相催化加氢；搅拌器；锚式桨；轴流桨；组合桨；自吸式搅拌器
近年来，我国催化加氢技术在技术开发与推广使用上都有了重大突破，与传统的铁粉、硫化碱、水合阱等还原方法相比，催化加氢副反应少、收率高、质量好、能耗低、三废少，在化工上得到了不断开发和应用[1]。
催化加氢的生产过程一般是气液固三相同时接触的情况下进行的，气液两相之间发生传质与化学反应，固体则在化学反应过程中起催化作用。围绕着气液固三相之间接触的问题，大部分工业化装置都采用了搅拌反应器。典型的搅拌反应器示意图如图1所示，氢气在釜底从通过氢气管通入，在上升的过程中经搅拌器分散，由于氢气一般为难溶气体，大部分未反应的氢气上升到反应釜上方聚集起来，在物料液位表面靠气液界面接触继续反应。
在搅拌反应器中，机械搅拌的作用在于形成气液固三相混合体系，促进氢气和固体催化剂的同时扩散。为了达到三相之间的充分接触，反应体系应满足以下要求：(1)要将反应釜底部的催化剂颗粒搅动起来，使之处于悬浮状态，并且在其周围形成强烈的湍流，从而减小催化剂颗粒和液体之间滞流层的厚度；(2)使难溶解的氢气分散，形成微小的气泡分布于悬浮液中，让液、气相接触面积尽可能大。因此，选择合适的搅拌器以满足上述要求成了许多催化加氢厂家和搅拌器设计生产企业共同面对的问题。
遗憾的是，目前许多国内催化加氢厂家在生产过程中采用的搅拌器不能达到很好的三相接触效果，导致了反应时间过长，催化剂用量大、反应不完全，严重影响了经济效益。为了更好地帮助企业解决好上述问题，本文结合杭州原正化学工程技术装备有限公司2002年以来的研究工作，重点介绍并分析液相催化加氢过程中用到的各种搅拌器，希望能对国内相关领域的技术进步产生一定的推动作用。
1锚式搅拌器
作为标准搅拌器之一，锚式搅拌器以其价格低、使用方便最初在液相催化加氢中得到了广泛的应用。锚式搅拌器叶轮的叶径较大，且贴近釜底，使之用于悬浮密度很大、很难悬浮的催化剂(如雷尼镍)也有一定的悬浮效果。
但是，锚式搅拌器通常在低速下运行，在低粘液体搅拌时不产生大的剪切力[2]，氢气几乎未经分散即上升到釜顶，上部的氢气和下部的催化剂接触的几率低，导致反应速率很慢。另外，锚式搅拌器在搅拌时以产生水平回转流为主，轴向流很少，釜内物料的整体循环与交换较少，因此，在液相催化加氢反应釜中采用锚式桨是低效的。目前，锚式桨已逐渐被淘汰。
2轴流式搅拌器
为了实现相间的充分混合，提高传质效率，近年来，一些翼型轴流桨以其循环量大、能耗低、气体分散能力强的优势在液相催化加氢中逐渐取代了锚式桨。这种搅拌器叶片面积率较大，即水平投影面上叶片面积占由叶端画出的圆的面积的百分数较大，大面积的叶片与盘式涡轮中的圆盘类似，可阻止气体从叶轮穿过，延长了气液接触时间。
在不考虑催化剂悬浮时，翼型轴流式搅拌器使流体在釜内的流型为一个整体大循环，氢气进入桨叶区后被叶轮排出流产生的剪切作用分散为大小不同的气泡，随后进入主体循环，形成整体气液分散。由于反应釜内的湍流程度较弱，气泡在运动过程中发生碰撞而聚并的机率小，气泡直径的变化幅度相对较小，因此不同区域的气泡大小比较均一，气含率的空间分布也较为均匀，且整体气含率较大[2]。
在不通氢气的情况下，轴流式搅拌器循环能力强、排出量大，流体在釜内形成的整体循环流动对催化剂的悬浮操作是十分有效的。并且轴流式搅拌器在对催化剂达到同样的悬浮程度时所需要的功率明显低于径流桨。
但是，在液相催化加氢反应中，当氢气从下方通入反应釜后，如气量比较大，气泡因浮力而产生的上升流动使得釜内液体的轴向流动型态被破坏，这时轴流式搅拌器对催化剂悬浮和氢气的分散效果都显著降低了[3]。上翻轴流式搅拌器可以避免流型上的冲突，利于气泡的再循环，但对于催化剂的悬浮不如下压轴流式搅拌器更有效。
3组合式搅拌器
多层桨被开发出来后，催化剂悬浮与氢气分散的问题同时得到了圆满的解决，在液相催化加氢中逐渐得到应用。其中应用最广泛的是两层搅拌器，下层为轴流式搅拌器，用于固体悬浮；上层为径流桨，用于气体分散。采用这种组合时，下层桨将上层桨有效分散的气体循环进入下部区域，在下部分散不良而凝并的气泡进入上部区域后又重新被高剪切的桨所分散而再一次循环，因此可有效延长气相停留时间，提高气含率，有利于气液传质比表面积的增加[4]。
在这种组合中，下层轴流桨的排出流方向对液相催化加氢中的气液传质有重要影响。排出流向上时，流体流动几乎为轴向流；而排出流向下时则带有较多的径向流成分，有较强的分区倾向，且区间混合效果与径向流桨相似[5]。因此，排出流向上可比向下搅拌能更有效地促进全釜循环、延长气相的停留时间从而提高搅拌釜的气含率[4]。
组合桨的选用还受到通气位置与通气量的影响[6]，只有把气升作用与搅拌作用协调起来才能取得最佳的效果。在反应釜中，主体流动是催化剂颗粒悬浮起来的动力，在小通气量时，气升作用使催化剂颗粒悬浮变得更加容易，而大的通气量可能会恶化催化剂的悬浮效果[7]。
组合桨还有一个明显的优点是多个叶轮的离底距离与层间距在一定范围内变化不太敏感，这意味着多个叶轮的设置可用来达到固体悬浮的同时可得到有效的气液传质[8]。
但是，由于气液的不相容性，且密度差别非常大，氢气仅在上升过程中得到组合桨的分散而反应，大量未反应的氢气聚积在反应器内的上部空间，严重影响了反应速率和效率。因此，很多科研人员开始考虑开发新的设备以提高气液相的接触面积，从而提高反应的时空收率。
4自吸式搅拌器
很多科研工作者将目光聚集在了自吸式搅拌器上，这种搅拌器将釜内液面上的氢气重新吸入并分散于液相，可大幅度提高气含率和气液相的接触面积，从而提高了反应速率。目前，自吸式搅拌器（图2）在国内已有许多专利发表，在工业上也逐步得到应用，并开始占据高端市场。
自吸式叶轮由一根空心轴和带两个圆盘的涡轮搅拌器组成，空心轴上端开有小孔，圆盘外缘加有打碎气泡的挡板。当自吸式搅拌器以一定速度旋转时，高速运行的叶轮能使大量液体在叶轮内外进行循环，根据文丘里喷射原理，液面上的气体通过空心搅拌轴被高速运动的液体夹带后从叶轮排出，在自吸式叶轮的两圆盘间形成负压，反应器内液面上方的气体由空心轴上端小孔处吸入，沿空心轴向下，并由下端圆盘间小孔鼓出，气泡从桨端逸出，运动至釜壁，被两圆盘边缘的挡板打碎成很小的气泡，气体在反应器内形成循环，固体颗粒悬浮在液体中，气体与颗粒充分接触[9]。这样，气体在反应器内不断被吸入至液相深层，并被搅拌分散，周而复始，形成均匀的气液混合，实现高效气液接触，强化气液传质过程，缩短气液反应时间，获得了高的宏观反应速率。
如果液位较深的话，自吸式搅拌器的吸气效果和对氢气的分散效果会大大降低，同时，固液悬浮的不均匀也降低了气固接触效率以及反应的速率，此时需要配以轴流桨以改善流型、增加吸气及气体分散效果[10]。组合使用的高效轴流桨能将气体与固体催化剂均匀地弥散在反应器内，包括反应釜底部，从而达到了快速反应的目的。
由于自吸式搅拌器在空心轴上开设进气孔降低了轴的强度，因此需要在开孔处进行补强处理。另外，液相催化加氢中反应釜内普遍高温高压，搅拌器的高转速带来的密封问题就成了这种搅拌器的难点之一。其次，许多加氢反应放热量都很大，采用自吸式搅拌器提高反应速率后的单位时间放热量也急剧增加，因此解决反应釜的放热问题也是这种设备的难点[11]。所幸的是，这些难点都已经得到了很好的解决。
5结语
气液分散与催化剂悬浮问题是液相催化加氢中的核心问题，其特点是反应速率受气液传质的控制，而气液传质涉及到气体分散、气体循环以及固体催化剂悬浮等过程。机械搅拌反应釜作为液相催化加氢中应用最广泛的设备，选用合适的搅拌器可大幅提高反应的效率与时空收率，对我国的精细化工行业影响巨大。以往使用锚式桨，由于气体分散及催化剂悬浮能力差已基本被淘汰。大叶片式翼型轴流桨目前也得到了较多应用，但是，氢气与催化剂颗粒的共同作用破坏了这种桨的轴流型态，因此催化剂悬浮能力与氢气分散能力均有所下降。组合式搅拌器能够同时满足气液传质与催化剂悬浮的过程，且对氢气有较长的停留时间，因此是液相催化加氢中最优的常规搅拌器之一。自吸式搅拌器在所有搅拌器中能提供最大的气液传质面积，得到最高的反应速率，对氢气的利用率也最高，已逐步成为新一代液相催化加氢装置的首选。
