， 　， 　， 韶璞， ， ， (．青岛科技大学， 山东 青岛　6606； ．山东新华制药有限公司， 山东 淄博　55075)

气-液-固等多相反应技术广泛应用于化工行业的有机中间体生产。多相反应中反应物的充分混合，有利于强化质量传递，加快反应进程，抑制副反应的产生，进而有效地降低生产成本。传统的搅拌反应器存在使用的搅拌桨转速有限、能量损失大、气液两相间接触不佳、传热传质效果差及密封不严等问题，制约了该类型反应器的进一步发展。

回路反应器(又称喷射环流反应器)主要由高压反应釜、循环泵、热交换器和文丘里管喷射器组成，利用高速流动相卷吸其他相，以相对低的能源消耗获取高的混合效果，并将混合相喷射入反应釜内在其中形成整体良好的环流，促进反应持续进行，非常适用于传质受限的非均相反应[1]。

相比其他类型的反应器，回路反应器具有如下优势：①不使用传统反应器的夹套或者蛇形管传热方法。回路反应器设有外置的独立热交换器，换热面积不会受到限制，传热能效更大。②循环泵输入功率大，能够使单位体积的原料得到很高功率输入，并且没有机械传动，能量损失小，能源利用率高。③高压搅拌釜内没有运动部件，密封性能良好，可以用于高压反应生产，且不设挡板和搅拌桨，长径比不受其限制。④反应器中高速液体的剪切作用使气体破碎成非常小的气泡，产生了很大的气液接触比表面积，提高了单位功耗下的传质速率。Dierendonck等[2]对回路反应器、釜式反应器和固定床反应器的工业放大能力指标进行了对比，结果显示回路反应器的优势明显。

1　回路反应器应用

1.1　化工领域

1.1.1氧化反应

氧化反应过程剧烈，副产物多，对反应器的密封性有较高要求。氧化反应采用回路反应器可缩短反应时间、加快氧化效率，能够减少氧气泄漏，提高氧气的利用率，减少尾气排放，避免环境污染[3]。郭兆寿等[4]以液体喷射环流反应器(图1)为氧化反应装置，进行了液相催化氧化芴制备芴酮的相关实验研究。通过考察物料循环速度、反应温度、催化剂用量和溶剂含水量等对芴酮收率的影响，得出了最佳的氧化反应条件。

1.反应器　2.进料口　3.进气口　4.放空口 5.热交换器　6.循环泵　7.出料口图1　氧化反应装置示图

石勤智[5]等将回路反应器用于异丙苯液相空气氧化反应过程中。结果显示在相同的反应时间内，回路反应器内的过氧化氢异丙苯浓度和异丙苯氧化速率均高于鼓泡反应器。

1.1.2加氢反应

加氢反应普遍存在于化工生产中，有机化合物的加氢反应通常是在催化剂和高压条件下进行的气-液-固放热反应，其过程主要受传质控制，而且对反应器的密封性要求较高。传统的加氢反应器(如固定床反应器)存在反应速度慢、反应时间长及产品质量较差等问题，而且氢气极易燃烧，发生爆炸。回路反应器良好的气密性、较高的混合效率和优越的传热传质性能，可有效解决传统反应器加氢反应中存在的问题。

瑞士Buss公司最早将回路反应器应用于加氢反应，其产品的各项指标均优于应用搅拌釜反应器生产的加氢产品技术指标[6]。Wiedemann等[7]将回路反应器用于丙烯氢甲酰化反应的强化，结果显示丙烯转化率从75%提高到90%。Leuteritz等[8]将回路反应器用于2-氯代硝基茴香醚加氢制备2-氯代茴香胺的过程，并与搅拌釜反应器进行了对比，结果表明用回路反应器时产品的各项指标均优于搅拌釜反应器。另外，李秋小[9]等用回路反应器进行了椰油酸甲酯加氢制饱和甲酯的研究，同搅拌釜相比周期缩短了60%。

1.1.3磺化反应

磺化反应是瞬间进行的剧烈放热反应，对传热和传质条件的要求较高，对设备要求苛刻。目前，磺化反应器主要有釜式、降膜式和回路反应器。釜式磺化反应器效率低，副产品多，不适合热敏性物质的磺化。降膜式磺化反应器较釜式反应器副产品少，但结构复杂，冷却能力有限，有时会出现局部过热而影响产品质量[10]。

回路反应器用于磺化反应可避免局部过热，使反应器内温度均衡，而且反应器结构简单，运行稳定，开停车方便，成本低，便于连续化操作。1975年，美国Chemithon公司率先将回路反应器用于磺化反应[11]，不但取得了满意的效果，同时申请了专利。石建明等[12]将图2所示的喷射环流反应新型工艺应用于气相三氧化硫甲苯磺化，其在回路反应器的外部加了循环冷却装置，提高了生产效率，并成功应用到化工企业中。

1.分配箱　2.反应釜　3.中间罐　4.冷却器　5.循环泵图2　喷射环流反应工艺示图

1.2　生物化工领域

回路反应器有较高的气体利用率，不易感染细菌，能量消耗低，而且带有环路的反应装置可抑制气液反应时泡沫的产生，为生物反应提供了适宜的环境，有利于生化反应的顺利进行。

刘军等[13]以酒精为主要原料，利用气升式外环流发酵罐进行食醋发酵研究，并与机械通风发酵罐进行了对比。结果表明，气升式外环流发酵罐在效率和产率上均优于用机械搅拌通风发酵罐。Farizoglu等[14]利用回路反应器研究了干酪乳清的处理方法，结果显示奶酪乳清体积的85%～95%和牛奶中55%的营养成分得到了有效保留。

1.3　环境保护领域

回路反应器传质速率高、物料混合反应特性好，应用于污水处理时，可使污水处理量大幅提高，处理周期缩短，生产成本大幅减少。

Khoufi等[15]对回路反应器在橄榄油厂污水处理装置中的应用进行了研究，结果显示回路反应器为产甲烷菌提供了稳定的环境，有利于污水的快速处理。Maurizio等[16]利用喷射反应器对葡萄酒生产废水进行了处理，化学需氧量(COD)的去除率超过90%，脱除效果优于普通反应器。宋宽秀等[17]用气-液-固三相喷射环流生物反应器对活性污泥中的碱性绿染料废水进行处理，废水的脱色率超过90%，COD去除率超过72%，COD及色度的去除率均达到了国家标准。

2　回路反应器机理及应用基础研究现状

2.1　理论研究

喷射反应器研究的历史始于1939年Flugel[18]提出的可适用于单相物质系统中喷射反应器实验结果描述的基本理论概念。索科洛夫等[19]阐述了各类型喷嘴的结构、计算理论和方法，分析了状态因素和结构因素等对喷嘴工作性能的影响。Blenke[20]在1985年对回路反应器作了较为全面的综述，划分了反应器性能的不同方面及其表征参数。Dirix等[21]在1990年对回路反应器的性能作了大量研究，并提出了理论模型，丰富了回路反应器的理论研究。

2.2　实验研究

Zahradnik等[22]通过实验研究了气相自由进入和气相强制进入两种条件下，喷射器的结构对反应釜内液相平均含气量的影响，指出气体强制进入的条件下喷射器结构形式对含气率影响不大。Farizoglu等[23]运用实验方法对比了方形截面喷头及圆形截面喷头喷射反应器的液体流量、气体流量对气含率及液相体积传质分数的影响，得出方形截面喷射器的液相传质系数比圆形的高11%～13%。Deshpande等[24]利用PIV测定了回路反应器的局部平均湍流系数，并以此为基础提出了湍流耗散率的预测方法。张卫民等[25]运用实验方法研究了不同结构下环路反应器的流体力学特性，建立了两相流速与喷嘴结构和操作压力的函数关系。

2.3　模拟与结构改进

反应器内的流体力学特性是反映反应器性能的重要方面之一，因此详细准确地反映反应器内喷射器的数值模拟、优化及放大研究成为了最新的研究课题和近年来研究回路反应器设计和优化的基础。Bi等[26]以酸碱中和快速反应为例，运用CFD软件分析了扩压段角度、喷嘴直径与混合室直径的比值和喷嘴位置对混合、反应特性的影响。Li等[27]运用CFD软件建立了喷射器模型，依照其他研究者的实验结果对模型进行了验证，并运用此模型探讨了混合段长径比对气液两相混合效果的影响，得出气液喷射器和液液喷射器的最优混合段长径比。笔者运用计算流体力学原理及CFD软件建立了喷射器模型，考察了喷射器结构参数对吸气量的影响以及不同操作条件对反应器混合和反应相关特性影响，以期更好指导回路反应器的开发及生产工艺的优化。

3　研究方向展望

回路反应器作为一种新型多相反应器，凭借其优异的性能，越来越受到国际学术和工程界的关注。经过近80 a理论与实践的发展，其性能得到不断完善，开发和应用的速度也越来越快，在化工、生物和环境等领域的应用越来越广泛。随着研究和开发的深入，回路反应器在气-液、气-液-固等多相反应领域中所占地位越来越重要，相信其发展前景日益广阔。

回路反应器是较新的工艺设备，发展较其他类反应器时间短。当前对于回路反应器的研究主要集中在相分散、传质及含气率等方面，而对反应器内的动力学、热力学特征及物系特性对反应器性能的影响等研究较少，有些方面大大落后于实际工业应用的步伐。今后的研究应以推动回路反应器工业化的应用进程和解决回路反应器亟待深入研究的问题为方向，重点从以下几个方面展开研究：①通过基础理论、实验和模拟研究相结合的方法，根据不同要求条件建立更加合理的模型并进行优化。②加强反应器内的动力学和热力学特征对反应器性能的影响研究，为回路反应器的优化设计和放大提供有利证据。③进一步深入研究设计参数与反应器特性之间关系，为回路反应器的更广泛应用开辟道路。

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