2.2　结构填料

2.2.1　多相催化反应器的结构内构件

对过程强化的关心以及对多功能结构反应器的明确要求使结构填料在多相反应器中扮演着关键角色。为强化催化过程在多相反应器中常常使用结构内构件，这类结构内构件一般是由陶瓷、金属或碳材料做成的，可以被认为是无规则填料床反应器的强化形式。但当填料的装填变得有序时就形成了所谓的结构反应器，独居石反应器是这类结构反应器的一个例子。在该情形中，应用的催化剂和反应器之间的鲜明界线实际上已经消失了，也就是这类独居石既可以称为结构催化剂，也可以称为结构反应器。

结构反应器的优点之一是：可以最高精度对其进行非常详细的设计，甚至是对催化剂的局部环境。所有多相催化反应器内的内构件，其精确形状和大小是设计而不是随机确定的。结构反应器的第二个优点是，在不同层次的尺度上显示非常大的弹性，如扩散长度和空隙率，以至于它们能够有效地分离反应本征动力学、传递现象和流体水力学。这样的分离是非常有价值的，因为对三类不同物理化学过程进行分离优化可以获得非常可靠和优良的催化反应器性能。一个很好的例子是，能够分离优化流体水力学和反应速率，以在获得高催化剂效率因子（要求小颗粒催化剂）的同时获得流体水力学的低压力降（要求大颗粒催化剂）。而这在常规填料床反应器中是两个相互制约和相互矛盾的要求，不可能同时满足。对此情形，反应器结构内构件可以起非常重要的作用，也就是能够解决上述不可能调和的矛盾要求。作为结构内构件的独居石，在其表面上可以涂渍催化剂载体（或它们的前身物）和/或催化活性组分。由于涂渍层的短扩散路径，使催化剂可以得到更有效的利用。

但是，应该认识到结构内构件确实也有其缺点。最主要的缺点是低催化剂负荷（负载量），其次，进行催化剂活性组分涂层操作是需要付出高成本的。为了达到与随机装填填料床反应器有可比较的催化剂负荷，结构内构件必须具有高几何表面积或使用整体式结构催化剂。当把催化剂活性组分涂渍在结构内构件表面时，必须要考虑高温高压条件下该涂层的稳定性。一个高效结构催化剂（反应器）的设计，还必须要具有相关流体力学和传递现象方面的知识。对一个优良的结构催化剂设计，这方面的知识需要有令人满意描述方式。催化反应器性能永远不会好于催化剂自身，因而对具体应用，需要对不同材料和结构内构件催化剂的制备方法进行有针对性的研究和发展。所以，为了开发结构反应器的巨大潜力，需要有这类研究开发的有效工具，使使用者能够以非常友好的方式在随机装填填料床和结构反应器之间进行选择。

2.2.2　分离过程用结构填料

结构填料已经被成功地应用于工业蒸馏和吸收塔中。据估算，世界上全部精馏塔的25％装填的是结构填料。用于过程工业中的结构填料，其主要类型是波纹板型填料。它们的主要功能是产生足够的汽-液接触面积，这对分离是最基本的。一个典型例子是波纹线网填料，应用于真空蒸馏提纯化学品如甘油、脂肪酸、脂肪醇和蜡酯等。由于这些产品对热是极端敏感的，它们必须在低温和真空条件下蒸馏。波纹线网填料对这类应用是非常有效的。

由于它们不需要在高压力降下操作，线网固有的毛细作用足以促进液体在填料上展布。这类结构填料在滴流床反应器中的应用尚未工业化，但它们在反应蒸馏方面的应用不断增加，该过程使反应和分离能够在单一设备中进行。已经发展出多种反应蒸馏填料以满足不同需求，这方面的例子有CD Tech（Catalytic Distillation Technologies）发展的“催化剂包”、Sulzer Chem Tech发展的Katapak-S和Koch Engineering发展的Katamax，如图2-1所示。能够说明波纹结构填料应用的工业化例子是使用Katapak-SP填料的乙酸甲酯水解过程（图2-2）。它的第一个工厂建立在德国的Burghausen Wacker，自2000年起就开始运行。该过程中，醋酸甲酯和过量水加入到预反应器中，在那里发生的水解反应几乎接近平衡。反应器出口的产品作为进料加入到反应蒸馏塔中，使反应转化率增加到97％。通过移去部分反应产物使水解反应的平衡进一步移动，转化率得以进一步增加。

2.2.3　催化反应用结构填料

常碰到的结构填料是陶瓷独居石。它们在燃烧和环境领域有许多应用，例如引擎废气的净化和工业排放气中污染物的消除。陶瓷独居石作为催化剂载体的第一个工业应用是硝酸尾气的脱色和汽车尾气污染物排放控制。集中研究陶瓷独居石结构基体的主要原因是它们的低压力降、对固体颗粒堵塞不敏感和高机械强度。独居石基体可以使用不同的材料制造，对金属独居石的一个感兴趣应用是填料床反应器反应热的有效移去，因为与陶瓷独居石比较它的传热性能是非常好的。把金属独居石应用于管式反应器就能够精确地控制其温度。对独居石基体和独居石催化剂的兴趣反映在发表的大量文献中，其数目呈指数增加，令人惊奇的是专利要占三分之二。金属发泡体的应用也不断增加，因它有优良的热性能。其应用的一个例子是把金属发泡体作为紧凑热槽使用，以冷却微电子装置如计算芯片和电源。橡树岭国家实验室（ORNL）开发了一个独特的石墨发泡体，使用它做成更加有效和更加紧凑的热交换器，这种发泡体具有高热导率、高空隙率、高几何表面积，用它做成的热交换器的总传热系数比常规热交换器高两个数量级以上。

下面讨论若干已经商品化的且在多相催化反应中具有应用潜力的结构填料。它们能够被分成如下几大类：

①独居石是第一大类。具有平行的直孔道结构。其典型的特点是低压力降、高空隙率和高几何表面积。独居石可以是陶瓷的（堇青石），也可以是金属的（铜、铝等）。与金属基独居石比较，陶瓷基独居石的传热特性是相当差的，因其热导率很低。

②波纹片/网填料是第二大类。它们能被细分为如下两类。

a.开放横流结构（OCFS）。它由波纹片平行堆砌而成，波纹片交替倾斜定向与轴相交。其典型特点是低压力降、高空隙率、高几何表面积和有效的径向混合。这些填料都能够工业制造，因为金属片和网在商业上是可以买到的。金属片填料的例子是Katapak-MK或Mellapak，金属网填料的例子是由Sulzer制造的Sulzer-BX。

b.封闭横流结构（CCFS）多了一个平板插在波纹片之间，形成与轴倾斜的闭合孔道。其典型特点也是低压力降、高空隙率、高几何表面积和在壁上的混合，因此允许热量从填料有效地传输到反应器外部。它们尚不能够工业制造。

③编织线填料是第三大类。它由编织许多金属（或其他纤维）细线而成，编织方法可以是卷曲式的也可以是螺旋式的。其典型特点也是低压力降、高空隙率和高几何表面积。这些填料的径向混合性质和传热性能尚未详细研究。

④开放泡状泡沫（发泡体）是最后一大类。它是三维泡状物料，由相互连接的支撑物（孔）构成，形成海绵型曲折孔道网络。其典型特点也是低压力降、高空隙率、高几何表面积和优良的传热特性。

图2-3给出了它们有代表性的例子。

如上所述有多种类型的结构填料：规则陶瓷或金属做的独居石，夹心填料和开放横流结构填料等。这类填料的共同优点是均匀的流动分布、低压力降和传质的强化。气体、液体和催化剂的接触方法也是其主要优点，且是其反应性能明显增加的来源。规则结构填料的应用和放大是比较容易的。这些新结构填料被应用后，传统的单元操作设备和反应器可以用新的、高生产率和高能量效率的反应器来替代。新催化反应器具有更安全、较少副产品和相同生产率使用相对较小的设备等优点，即过程得到了强化。

还有其他类型的结构反应器：①薄膜反应器。当独居石通道壁具有多孔性或是可渗透时，通道间的流体交换是可能的，被称为壁流独居石反应器或壁流催化剂或膜催化剂。催化活性材料沉积于通道壁上或存在于通道壁内，其径向传质主要通过可渗透壁的孔扩散进行。当让反应混合物强制穿过壁流动时，流速和通量可以相当高。膜反应器的最关键问题是其通量值。②有序排列反应器。使用有序排列的结构，在垂直于流动方向的反应区域就具有相对快的质量传递。在这类结构反应器中，催化剂进行了有序的排列，如颗粒催化剂的有序排列就形成了有序排列结构反应器。其他非颗粒型催化剂，如沉积有催化活性物质填料和纤维，也可以有序排列成有序结构反应器。如无催化活性组分，它们实际上非常类似于蒸馏和吸收塔和/或静态混合器中使用的结构填料。

上述“结构”的意思就是规则，可以是单个催化剂层次上也可以是在反应器层次上的“有序”。而“无序”是不同形状颗粒无序（随机）装填填料床的特征。这些结构填料有序排列成催化剂或排列在反应器中。颗粒水平的有序结构，如成型片粒（叶、块料、蛋壳型颗粒以及如此之类）也可以称为结构材料。