复杂气固催化过程之烷氧基硅烷的直接合成（续 5）

11. 气固催化反应平推流实验模型

11.1 综述

下面讨论非全混流的系统设计。平推流装置的设计不容易，非全混流是所有平推流或近似平推流装置的总称。 这类设计可以有很多，以下讨论典型的四种，仅以此示意非全混流实验模型设计原理。 由这一原理，可以导出各种各样的平推流或近似平推流装置。

11.2 平推流反应器的概念设计

一种气固复杂反应的平推流反应器的概念如图 11.1 所示。

图11.1 平推流反应器示意图

反应器具有循环结构，固相物料及催化剂先放入加料斗（1）中,（2）为推进器旋转轴， 电机带动推进器旋转，将固相物料从加料斗（1）处吸入并沿箭头所指方向向前推进， 在原料气入口（3）处又吸入原料气，在混合扩散区完成混合扩散过程，被吸附，再被后来的物料推向前进， 进入化学反应过程，在产物减压解吸区完成解吸过程， 气体产物从产物排出口（5）排出反应器，未反应的固相物料沿（4）的方向沉降入固相物料加料斗，进入下一个周期。 只要原料气的流速恰当，该反应器内的流动为平推流。

如果反应物不是固体，而是液体，其产物为气体，可行性更好。

11.3 脉冲反应器

如图 11.2 所示，脉冲反应器主要由以下几部分组成：

1. 反应器：一根直管，内部预装经过标准处理过的硅粉与催化剂的混合物。外包加热系统并测量反应器内温度的传感器。 下部为气体入口，气体经适当分配后进入料层，顶部设气固分离设备，产物气流向产品收集器；
2. 原料储罐：气体或液体原料存储在储罐中，预热气化到指定压力待命；
3. 脉冲阀：带脉冲发生器的电磁阀，一端连接原料气罐，常闭；出口连接反应器下部入口；
4. 产物收集器： 产物经冷凝收集于收集器；
5. 尾气收集袋： 尾气收集于尾气袋中。

图11.2 脉冲反应器示意图

脉冲流是最廉价的近似平推流，可以用来实验测定和估计某些工程参数并探讨平推流的效能。

常规控制。反应器内粉层高度，催化剂与硅粉的比例及活化方法，反应温度，反应压力，甲醇纯化处理方法，溶剂品种、处理方法及用量，等等。

测试项目。色谱测试：产物中甲醇% Me，三甲氧基硅烷%TMS，四甲氧基硅烷% TTMS。 估计：甲醇转换率MTP。必要时还可以增列其他考察项目。

输出 X ：

1. 脉冲周期长度 Pa，
2. 单个脉冲长度Po（脉冲阀开启时间，Pa-Po为关闭时间），
3. 醇气化压力 P（决定了脉冲强度），
4. 是否惰性气体载流 G(氮气或氢气)及流量。

必要时还可以增加其他变量，例如，催化剂品种；溶剂品种等等。

11.4 螺旋式反应器

图11.3 螺旋式反应器示意图

这是一种平推流。反应器为一个两层结构，外层为一个标准的反应釜，中间为一个桶状结构，带一螺旋式搅拌器。固体反应物预先加入釜内，加热到指定温度后，电机带动螺杆旋转，原料气从下面吸入，与固体物料混合，扩散，沿轴向提升向上行进。完成反应后，在顶部解吸排出反应器，固体物料从反应器外层沉降循环。

反应器的内层与外层空间恰当配合以保证空间效益。反应器的内层长度 L 的高度以一个反应周期为度。原料气的馈送速度与螺杆的旋转速度应该恰当配合，调节得使原料气进入到达顶端时，一个反应周期完成，或略有富余。 反应器设计完成后，实验参数实际上只有两个：原料气流速，和螺杆转速。

在同一配方体系下，系统的能力取决于内筒的容积、原料气流速和螺杆转速。加快原料气流速和螺杆转速，则必须加长内筒的长度 L。如果解离剂及催化剂的效率更高，相应可以提高原料气流速和螺杆转速，从而提高系统的总效率。

11.5 串联釜反应器

串联反应器是实现复杂反应的合适装置，如果需要加装其他物料如溶剂皆按容积比加入。

原料气进入一个全混釜，扩散会非常快，很快分散到该釜的每个角落。紧接着，原料气很快被均匀地吸附。 这是全混釜的优点。如果在该釜中实现了反应 (4.1)，未被吸附的原料气汇合产物流进入反应器的顶端，排出该釜。硅粉体留在原釜中。

如果存在第二釜，第一釜排出的气体作为第二釜的输入，动作与第一釜类似，不同的是进入第二釜的气体是混合体，体积流速比前一釜的入口小，减小的比例与产物的分布依赖于前一釜中的反应的速率和停留时间。如果实现了完全的反应，体积减半。因此，第二釜的容积也应该减小，减小的比例依赖于第一釜的反应状态。

若采用连续流，前期被吸附的气体还没有完成其化学吸附周期，新的原料气接踵而至，先期原料气完成其化学吸附周期之后，立即汇入原料流，成为混合流。后期来到的原料气，一部分填补先期完成化学吸附周期解吸退出的空位，另一部分与先期的产物混合，返混没有避免。幸而我们需要的产品是 B₃，允许一定的返混。这就要求恰当的停留时间分布。为了有效避免副产物，醇流应该是断续流或脉冲流。建议由恒流惰性气体载流脉冲醇气流。这样，串联釜反应器是脉冲反应器的延伸。可以由脉冲反应器测定有关参数，然后设计串联反应器的级数，体积分布，产量和醇流速。

一个脉冲原料气进来，原料气很快被均匀地吸附。多余的未被吸附的原料气流入第二釜，完成与第一釜同样的动作。完成其化学吸附周期之后，被推动前进。载流惰性气体（如果有）将推动产物流，腾位给下一个脉冲原料气。这将是良好的流动。原料气的转换率将非常高，副产物将非常少。

在脉冲反应器中测得的参数，在串联反应器上应该统调调整，以适应串联反应器。如果串联反应器是全混的，载流是否还需要？需要实验决定。应该参考成本决定。

后记：

1996年 4 月，一朋友私托笔者为某装置做一正交试验设计，以解决其质量问题。我觉得该装置的实验模型存在严重缺陷，作此文为复。该课题专家认为，他们的模型不一定错，我的模型也不一定对。拒绝我的建议，关闭了该系统。实验模型是猜想，难以符合实际机制，只能逼近。两种猜测没有对错之分，只有合理程度之分，都必须接受实践的检验，发现问题都需要修正。为防第三方用同一主题申请专利，2002 年，笔者以个人名义申请了国家发明专利，于2006年获得国家专利局授权，专利号 ZL02113594.0。笔者没有钱，没有能力实施。为方便有心者实施，我及时向专利局声明放弃专利权。现将我的原稿加以补充和修订，予以公布。

参 考

1. 幸松民,王一璐，《有机硅合成工艺及其应用》,化学工业出版社,北京,2002
2. （苏）涅克拉索夫著,张青莲等译，《无机化学教程》,北京，高等教育出版社,1953
3. 严宣申,王长富,《普通无机化学》,北京大学出版社,1987
4. 陈甘棠 主编,《化学反应工程》,化学工业出版社,北京,1981
5. 黄恩才 主编,《化学反应工程》,化学工业出版社,北京,1998
6. 南京大学物理化学教研组等编 ,《物理化学》,人民教育出版社,北京,1961
7. 傅献彩,沈文霞, 姚天扬, 《物理化学》,(第四版),人民教育出版社,北京,1990
8. 周公度,《结构化学基础》,北京大学出版社,(1989)
9. (美)Charles N.Satterfield 著, 庞礼译, 《实用多相催化》,北京大学出版社,1990
10. HANDBOOK OF CHEMISTRY AND PHYSICS 82ND (2001-2002)
11. 烷氧基硅烷的直接合成工艺, ZL 02113594.0 (2002)
12. 胡华明,胡文斌,李凤仪 直接合成三烷氧基含氢硅烷反应器分析, 《化工中间体》,2006年5月号, (2006)
13. 杨春晖,张 磊,李 季,杨 恺,葛士彬,胡成发,直接法合成三烷氧基硅烷的研究进展,《有机硅材料》Vol.24(1),(2010)