Đối với những thiết bị phản ứng lớp cố định với chế độ chảy lưỡng pha, người ta phân chia ra 3 cấu hình dưới đây theo chiều dòng chảy pha lỏng và khí [61], [94]:
- Hệ thống đồng dòng từ trên xuống - Hệ thống đồng dòng từ dưới lên - Hệ thống ngược dòng
Alain và cộng sự [8] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của chế độ chảy trên hiệu năng của 2 chất xúc tác ruteni trên than hoạt tính có kích cỡ khác nhau: xúc tác 1,21% Ru/C kích thước hạt nhỏ (đường kính 0,8 mm) và xúc tác 1% Ru/C với kích thước hạt lớn hơn (3mm).
Thực nghiệm được thực hiện với lượng xúc tác 15g trong các điều kiện sau: nhiệt độ 100º C, áp suất hydro 80 bar, lưu lượng hydro 20 Nl/h, nồng độ glucose 40%.
Trong quá trình nghiên cứu này, thực hiện đảo ngược ống phản ứng cho phép chuyển từ chế độ chảy đồng dòng từ trên xuống sang chế độ chảy đồng dòng từ dưới lên.
Nghiên cứu với xúc tác 1,21% Ru/C chỉ ra rằng việc vận hành ở chế độ đồng dòng từ trên xuống cho hoạt tính ban đầu tốt hơn (1780 mmol/h.gRu) so với chế độ chảy đồng dòng từ dưới lên (560 mmol/h.gRu). Hơn nữa, bằng cách thực hiện phản ứng trong chế độ chảy từ trên xuống thu được độ chuyển hóa glucose gần như hoàn toàn (99,8%) ở thời gian tiếp xúc ngắn (50,4.10-4 gRu.h/ml). Trong khi đó, với chế độ chảy từ dưới lên độ chuyển hóa glucose gần như hoàn toàn đạt được ở thời gian tiếp xúc dài hơn rất nhiều (181,5.10-4 gRu.h/ml). Tại các giá trị độ chuyển hóa glucose cao, độ chọn lọc sorbitol nhận được ở chế độ chảy từ trên xuống là 98,7%, với chế độ chảy từ dưới lên là 94,8 - 96,5%. Như vậy, đối với xúc tác có kích thước nhỏ (đường kính cỡ 0,8 mm) chế độ chảy đồng dòng từ trên xuống, độ chuyển hóa gần như hoàn toàn ngay ở điều kiện thời gian tiếp xúc ngắn hơn tức là lưu lượng lỏng cao hơn. Và mặc nhiên, khi thời gian tiếp xúc ngắn cũng làm cho độ chọn lọc phản ứng cao hơn.
Theo nguyên lý chung về ảnh hưởng của sự lưu giữ chất lỏng (thể tích chất lỏng trên một đơn vị thể tích lớp xúc tác) đến hiệu quả thấm ướt xúc tác cho thấy: Đối với chế độ đồng dòng từ trên xuống, khi vận tốc bề mặt chất lỏng thấp, xúc tác chỉ được thấm ướt một phần làm cho hiệu quả sử dụng xúc tác là thấp. Ngược lại, quá trình dòng đi từ dưới lên chất xúc tác luôn được thấm ướt hoàn toàn và sự lưu giữ chất lỏng là tốt hơn với mọi vận tốc không gian của chất lỏng. Như vậy, nhờ sự vận hành theo chế độ đồng dòng từ dưới lên, hiệu quả sử dụng xúc tác là cao hơn và có thể làm việc ở lưu lượng dòng lỏng thấp để có được độ chuyển hóa cao hơn so với quá trình dòng đi từ trên xuống. Tuy nhiên, với xúc tác 1,21% Ru/C, những kết quả thu được là trái với lý luận này với hoạt tính cao hơn nhiều trong quá trình chảy từ trên xuống. Thực tế, việc sử dụng những hạt xúc tác nhỏ (đường kính 0,8 mm), một mặt, cho phép thấm ướt đồng đều chất xúc tác, mặt khác cho phép lưu giữ dư thừa chất lỏng tốt. Sự lưu giữ chất lỏng tốt hơn của các tiểu phân có kích thước hạt nhỏ là nhờ các hạt nhỏ có lực mao quản lớn hơn. Ngoài ra, đối với xúc tác kích thước hạt nhỏ, chế độ chảy đồng dòng từ trên xuống tốt hơn so với chế độ dòng đi lên còn do phản ứng bị hạn chế mạnh hơn bởi sự khuếch tán của khí về phía bề mặt xúc tác khi xúc tác trong chế độ đồng dòng từ dưới lên.
Alain [8] cũng đã kiểm tra sự phân bố chất lỏng bằng cách thực hiện việc pha loãng xúc tác 1,21% Ru/C trong cacbon hoạt tính. Bằng cách tăng gấp đôi chiều cao lớp xúc tác từ 10 cm đến 20 cm, tương ứng với thể tích 18 ml và 36 ml, nhận thấy hoạt tính và độ chọn lọc của xúc tác 1,21% Ru/C không hề thay đổi ở cùng điều kiện vận hành về lưu lượng dòng lỏng. Theo đó, có thể thấy sự phân bố rất tốt của chất lỏng đối với kiểu xúc tác được sử dụng trong chế độ chảy đồng dòng từ trên xuống ngay cả ở lưu lượng lỏng thấp.
dụng xúc tác là như nhau không phụ thuộc vào chiều dòng chảy. Trái lại, đối với lưu lượng yếu (36 ml/h, δ=37,5.10-4 gRu.h/ml), ở chế độ dòng từ trên xuống, sự phân bố chất lỏng kém và độ chuyển hóa thấp (30%). Sự thấm ướt xúc tác không tốt này là do sự khuyếch tán nội hạt. Rõ ràng rằng việc sử dụng xúc tác hình trụ có đường kính lớn dẫn tới sự phân phối chất lỏng không tốt trong chế độ dòng từ trên xuống đặc biệt là ở lưu lượng dòng lỏng yếu (36 ml/h).
Như vậy, với xúc tác có kích thước hạt nhỏ đường kính hạt cỡ 0,8 mm phù hợp với chế độ dòng từ trên xuống. Với xúc tác có kích thước hạt lớn cỡ 3mm phù hợp với chế độ dòng chảy từ dưới lên.