3.6 从传递角度讨论独居石反应器性能
3.6.1 引言
前面已经详细讨论了独居石反应器中的流体力学和传输特性。有了这些知识后，不仅可以把单元操作如吸收、汽提和蒸馏等的模型做得更好，而且有可能对独居石反应器与其他常规三相反应器如浆态床、流化床和固定床反应器在气液固三相催化反应中的性能进行比较。多相催化反应如加氢、部分和完全氧化反应中已经使用结构催化剂如独居石、夹层或开口横流和泡沫结构催化剂来强化过程。结构催化剂的优点特别有利于快速反应（传质控制反应），因此在独居石反应器性能研究中多选用这类反应，一则是因为工业上的重要性，二则为了示范。用独居石催化剂试验过的反应包括：硝基苯甲酸、硝基苯、间硝基甲苯、α-甲基苯乙烯、苯乙烯和辛烷-1混合物、环己烯、乙炔、苯甲醛和乙苯等化合物的加氢反应；葡萄糖、苯酚、葡萄糖和纤维素、纤维素等物质的（湿式）氧化反应等。大量研究结果证明，对传质限制反应，如快速加氢和氧化反应，结构催化剂是能够替代传统散装催化剂的，使用蜂窝独居石催化剂后过程都得到了强化。但是，对本征动力学控制的催化反应，使用结构催化剂并不能使过程得到强化。为了与传统反应器竞争，使用结构催化剂的反应范围更广，仍然需要有更多的研究工作，包括构建能够预测结构反应器性能的结构催化剂和反应器模型。
3.6.2 独居石反应器模型
因结构催化剂和反应器有确定的结构，其反应器模型的建立要比传统反应器简单和容易。但是，反应器分布器和出口部分的安排对反应器性能有很大的影响。在对独居石反应器模型化工作进行总结后，提出了三个不同的独居石反应器模型以处理不同的水力学流区：Hatziantoniou模型（Tayler流区）、Liu模型（膜流区）和Irandoust模型（活塞流）。它们考虑的传质通量是不同的，如图3-51所示。对Tayler流区和活塞流模型研究，计算结果与试验结果间的一致性一般是很好，而且都证明独居石结构反应器性能要比涓流床反应器性能好。但是，把各个模型用于预测反应性能，差别较大。原因可能是不规则的壁结构、不均匀的液膜厚度、液栓的爆裂、不规则的气栓和液栓长度、气体和液体反应物初始不均匀分布和气栓的压缩等。独居石反应器模型化的重要参数如气体和液体滞留、传质接触面积等都取决于这些因素。
图3-51 独居石反应器模型中使用的质量传输通量
对膜流流区独居石反应器模型化的目的是要基于反应本征动力学速率确定优化设计标准（涂层厚度、通道直径）。在非常低的液体速度（0.1～2cm/s）下操作的独居石反应器类似于填料床反应器中的膜流流区操作。对该流区提出了三个层次的模型，其中一维、活塞流、稳定态对流-反应模型用于描述环形流流区。模型的解能够给出反应物种沿反应器长度的浓度分布、膜中的速度分布和催化剂有效因子。例如，为获得有效因子，对板型几何体，使用标准方程η=（tanф）/ф。Thiele模数ф=l（k/D）1/2能够适用于所有形状，长度尺度“l”表示为l=（1-OFA）/GSA。液膜内的速度分布使用标准的Navier-Stokes方程求解获得。
模型模拟结果指出：对慢速反应，高固体分数的独居石是理想的，因高扩散阻力影响不大，但单位体积反应器内有更多催化剂；对快速反应，扩散长度有一优化值，催化剂壁厚度增加将使单位体积活性下降。新近的研究显示，栓流（Tayler流）被认为是最先进的流区，独居石反应器性能按栓流、膜流流区顺序降低。如前面再三强调的，对独居石结构反应器，其进口处有一个好的液体分布器是极端重要的，因反应器不同通道中的流体进行交换是不可能的，也即没有径向质量传输。一旦好的液体分布得到确保，独居石孔道就可以用于传质和反应。所以合适的液体分布器的选择和设计以及放置它的位置是一个主要的挑战。已经证明，正确地放置喷嘴能够提供的液体分布要远远好于在涓流床反应器中常用的分布器。独居石反应器的堆砌方式、粒内扩散阻力的降低或有黏性和发泡液体的使用或出现都会对过程中的传质性能产生影响，因为有层流层的径向再混合。
3.6.3 蜂窝独居石反应器和常用反应器的比较
当把独居石或其他结构催化剂用于三相催化反应时，重点是要与传统三相催化反应器如浆态鼓泡塔、涓流床和间歇釜等的反应性能进行比较。事实上，在实验和模型预测方面都进行了这样的比较，见表3-8。一般是在相同操作条件下比较反应器给出的转化率、产率、选择性和压力降等。对不同的反应器，催化剂体积是主要的加权因子，因此在比较中考虑了催化剂质量、活性金属质量和外表面积。相对常规反应器而言，结构反应器如独居石反应器由于其规整性在催化剂负荷（负载量）、传质阻力、接触面积和压力降等方面是不同的。毫无疑问，结构反应器的压力降是很低的，而对其他参数需要进一步研究和优化以保证其有比常规反应器更好的性能。很遗憾，对此不同研究者使用的标准并不相同。
表3-8 蜂窝独居石和常用反应器间的比较
例如，对3-羟基丙醛和1，3-丙二醇的催化加氢，比较了机械搅拌浆态反应器（MASR）和独居石反应器性能，特别是生产率［mol/（m3·s）］和选择性。比较是以单位反应器体积为基准进行的，但对每单位体积反应器，独居石中的催化剂要多于MASR。如图3-52中的结果所示，独居石反应器的生产率和过程选择性要优于MASR。但应该注意到，MASR的实际生产率高于图中给出的，不过由于有相当多的时间用于装料、放空和过滤等，使其总生产率显著降低。独居石反应器与搅拌浆态反应器比较具有如下一些优点：较高的体积反应速率、催化剂易于管理、安全性增加、对环境和人员的危害降低和降低了催化剂成本等。但后者的优点也是显而易见的，即适用性强、没有放大问题。
图3-52 MASR、MR和TBR对3-羟基丙醛和1，3-丙二醇的催化加氢能够达到的生产率和选择性的影响
对α-甲基苯乙烯到异丙苯的催化加氢，以催化剂重量为基准基，对涂层Pd陶瓷独居石反应器与滴流床（TBD）反应器进行了比较。结果发现，高气体流速下独居石性能优于TBR，反应速率对液体流速基本上是不敏感的。对独居石反应器性能，上流模式操作要优于下流模式操作，因催化剂有更好的润湿性。图3-53中给出了相同操作条件下气体流速对独居石反应器和TBR中的α-甲基苯乙烯加氢速率（基于单位钯质量）的影响。应该指出，独居石反应器速率较高（较好传质）是由于液体栓循环和很薄的气栓与催化剂间的液膜。如下实验证明了这一点：在单一相反应中使液体在进入反应器前先用氢气饱和，给出在TBR中的转化率要高于独居石反应器。
图3-53 α-甲基苯乙烯在313K时的加氢速率与气体流速间的关系
对苯甲醛加氢的试验研究指出，独居石反应器的单位体积反应器的活性要比涓流床反应器高50％，选择性也要高一些（>90％对73％）。对液相甲醇合成过程的模拟结果指出，催化剂层在最佳厚度50～75μm时，独居石反应器性能（CO转化率和单位反应器体积甲醇产率）优于常规反应器。
为了使用独居石反应器替代常规反应器，提出了一个新概念，把独居石催化剂和反应器安装在过程管线中。这类反应器构型称为“嵌入式独居石反应器（in-line monolith reactor，ILMR）”，能够把其使用于慢加氢反应。对ILMR和TBR进行的模拟研究（假设纯液相操作，且预先为氢饱和）指出，对池密度在200～1100cpsi和涂层厚度为17～70μm的独居石反应器，其反应器体积比常规滴流床反应器小6～53倍，且随涂层厚度和池密度的增加而增加。