高效微泡沫填充床内流体力学与传质性能研究

This project focuses on the problem of deactivation of microreactor wall supported catalysts and high pressure drop. A microfoam packed bed was assembled by using microporous solid foam packing (pore diameter < 500μm) and micropacked bed. Based on the automatic control platform and online measurement technology, this proposal studies the influence of the experimental conditions such as solid foam packing parameter on the hydrodynamic and mass transfer performance. A mathematical model for describing the hydrodynamic and mass transfer performance will be built in a microfoam packed bed. The basic laws and theories of hydrodynamic and mass transfer in microfoam packed bed will be revealed. On account of the above studies, we expected to develop a new efficiency microfoam packed bed to guide its exploitation and application.

本项目围绕微反应器壁载催化剂失活和压降大等问题，提出采用微孔固体泡沫填料（孔径＜500微米）装载到微填充床获得微泡沫填充床，基于自动控制平台和在线测定技术，研究固体泡沫填料结构参数等实验条件对微泡沫填充床流体力学和传质性能的影响，建立可描述微泡沫填充床流体力学和传质性能的数学模型，揭示微泡沫填充床内流体力学和传质性能的基本规律和理论，指导高效微泡沫填充床的开发与应用。

气液固微反应器存在壁载催化剂易失活和填充微颗粒压降大等问题，提出采用微孔泡沫填料/催化剂（孔径＜500μm）装载到微填充床获得微泡沫填充床，开展了微泡沫填充床流体力学和传质性能研究，取得如下结果：1）基于自动控制实验平台和在线测定技术，首先利用氮气-液体体系获得微泡沫填充床内存在脉冲流和拟稳态流。同时发现微泡沫填充床气液两相压降十倍低于填充微颗粒的微填充床压降。通过脉冲示踪法测定反应器停留时间分布，获得反应器内液体分散系数为0.011-0.063，流动行为接近平推流，通过平均停留时间获得持液量范围为0.19-0.80，显著高于传统滴流床持液量。基于流动数据，我们构建了压降和持液量模型，模型预测值与实验值吻合良好；2）采用气液传质评价装置，获得微泡沫填充床气液体积传质系数和有效传质比表面积的变化规律，揭示微泡沫填充床传质强化主要源于有效传质比表面积的增大。基于传质/能耗比，相比填充玻璃珠的微填充床，微泡沫填充床具有显著高的能量利用效率。对于液固传质，采用脉冲示踪法和重铬酸钾-铜泡沫的液固体系，发现轴向扩散系数对液固传质有显著影响，并获得带有轴向扩散影响的液固体积传质系数和模型，气液和液固传质性能均高于传统滴流床；3）通过电泳沉积结合浸渍法制备了泡沫镍催化剂，利用α-甲基苯乙烯加氢体系和建立的外部传质评价方法，获得了微泡沫填充床外部体积传质系数变化规律和模型，并将微泡沫填充床用于医药中间体硝基苯加氢合成苯胺反应。结果表明氧化铝为基底时硝基苯转化和苯胺收率最高，催化剂还具有长周期稳定性。本项目开发了高效微泡沫填充床反应器，并为其应用于医药中间体加氢反应提供科学基础和理论指导。.项目共发表SCI论文7篇，均发表在国际化工核心期刊AIChE Journal, Chemical Engineering Science, Industrial & Engineering Chemistry Research, Chemical Engineering Journal，申请中国发明专利2项，其中1项专利被授权并实现成果转化，参加国内外学术会议5次，培养博士后1名，博士生1名和硕士生3名。