氣液固三相反應(yīng)器

1、氣液固三相反應(yīng)器氣液固三相反應(yīng)器內(nèi)容提要內(nèi)容提要一、氣一、氣- -液液- -固三相反應(yīng)器的類型及基本特征固三相反應(yīng)器的類型及基本特征按反應(yīng)物系的性質(zhì)分：按反應(yīng)物系的性質(zhì)分：1.固體或是反應(yīng)物或是產(chǎn)物的反應(yīng)固體或是反應(yīng)物或是產(chǎn)物的反應(yīng)2.固體為催化劑而液相為反應(yīng)物或產(chǎn)物的氣固體為催化劑而液相為反應(yīng)物或產(chǎn)物的氣-液液- 固反應(yīng)固反應(yīng)3.液相為惰性相的氣液相為惰性相的氣-液液-固催化反應(yīng)固催化反應(yīng)按床層的性質(zhì)分：按床層的性質(zhì)分：1.1.固定床氣固定床氣- -液液- -固三相反應(yīng)器固三相反應(yīng)器2.2.懸浮床氣懸浮床氣- -液液- -固三相反應(yīng)器固三相反應(yīng)器（一）固定床氣（一）固定床氣- -液液- -固

2、三相反應(yīng)器固三相反應(yīng)器固體在床內(nèi)固定不動。隨兩流體流動方向又可以固體在床內(nèi)固定不動。隨兩流體流動方向又可以分為三種方式操作，即分為三種方式操作，即氣體和液體并流向下氣體和液體并流向下，氣氣體和液體逆流體和液體逆流 ，氣體和液體并流向上氣體和液體并流向上（通常是（通常是液體向下流動，氣體向上流動）如下圖所示：液體向下流動，氣體向上流動）如下圖所示：圖圖9-1 固定床氣固定床氣-液液-固反應(yīng)器類型固反應(yīng)器類型（a）流體并流向下流動的固定床；（）流體并流向下流動的固定床；（b）流體逆流流動的固定床；（）流體逆流流動的固定床；（c）流體并流向上流動的固定床）流體并流向上流動的固定床滴流床反應(yīng)器滴流床反

3、應(yīng)器1.1.氣體在平推流條件下操作，液固比（或氣體在平推流條件下操作，液固比（或液體滯留量）很小，可使均相反應(yīng)的液體滯留量）很小，可使均相反應(yīng)的影響降至最低，氣影響降至最低，氣- -液向下操作的滴流液向下操作的滴流床反應(yīng)器不存在液泛問題；床反應(yīng)器不存在液泛問題；2.2.滴流床三相反應(yīng)器的壓降比鼓泡反應(yīng)器滴流床三相反應(yīng)器的壓降比鼓泡反應(yīng)器小小。1.1.在大型滴流床反應(yīng)器中，低液速操作的液在大型滴流床反應(yīng)器中，低液速操作的液 流徑向分布不均勻，并且引起徑向溫度不均流徑向分布不均勻，并且引起徑向溫度不均勻，形成局部過熱，催化劑顆粒不能太小，勻，形成局部過熱，催化劑顆粒不能太小，而大顆粒催化劑存在明顯

4、的內(nèi)擴(kuò)散影響，由而大顆粒催化劑存在明顯的內(nèi)擴(kuò)散影響，由于組分在液相中的擴(kuò)散系數(shù)比在氣體中的擴(kuò)于組分在液相中的擴(kuò)散系數(shù)比在氣體中的擴(kuò)散系數(shù)低許多倍，內(nèi)擴(kuò)散的影響比氣散系數(shù)低許多倍，內(nèi)擴(kuò)散的影響比氣- -固相固相反應(yīng)器更為嚴(yán)重；反應(yīng)器更為嚴(yán)重；2.2.可能存在明顯的軸向溫升，形成熱點(diǎn)，有可能存在明顯的軸向溫升，形成熱點(diǎn)，有時(shí)可能飛溫。時(shí)可能飛溫。（二）懸浮床氣（二）懸浮床氣- -液液- -固三相反應(yīng)器固三相反應(yīng)器 機(jī)械攪拌懸浮式機(jī)械攪拌懸浮式； 不帶攪拌的懸浮床氣不帶攪拌的懸浮床氣-液液-固反應(yīng)器，以氣體鼓泡固反應(yīng)器，以氣體鼓泡 攪拌，又稱為攪拌，又稱為鼓泡淤漿反應(yīng)器鼓泡淤漿反應(yīng)器； 不帶攪拌的氣

5、不帶攪拌的氣-液兩相流體并流向上而顆粒不帶液兩相流體并流向上而顆粒不帶 出床外的出床外的三相流化床反應(yīng)器三相流化床反應(yīng)器； 具有導(dǎo)流筒的具有導(dǎo)流筒的三相環(huán)流反應(yīng)器三相環(huán)流反應(yīng)器。機(jī)械攪拌鼓泡懸浮式三相反應(yīng)器及特征機(jī)械攪拌鼓泡懸浮式三相反應(yīng)器及特征利用機(jī)械攪拌的方法使催化劑或固體顆粒保持懸利用機(jī)械攪拌的方法使催化劑或固體顆粒保持懸浮狀態(tài)，它有較高的傳質(zhì)和傳熱系數(shù)，對于三相催浮狀態(tài)，它有較高的傳質(zhì)和傳熱系數(shù)，對于三相催化反應(yīng)和含高粘度的非牛頓型流體的反應(yīng)系統(tǒng)尤為化反應(yīng)和含高粘度的非牛頓型流體的反應(yīng)系統(tǒng)尤為合適。合適。通過劇烈攪拌，催化劑懸浮在液相中，氣體和顆通過劇烈攪拌，催化劑懸浮在液相中，氣體和

6、顆粒催化劑充分接觸，并使用細(xì)顆粒催化劑，可提高粒催化劑充分接觸，并使用細(xì)顆粒催化劑，可提高總體速率?？傮w速率。該類反應(yīng)器操作方便且運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低，工業(yè)上常用該類反應(yīng)器操作方便且運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低，工業(yè)上常用于油脂加氫、有機(jī)物的氧化等過程，采用半間歇操于油脂加氫、有機(jī)物的氧化等過程，采用半間歇操作方式，氣相連續(xù)通入反應(yīng)器，被加工的液相達(dá)到作方式，氣相連續(xù)通入反應(yīng)器，被加工的液相達(dá)到一定的轉(zhuǎn)化率后，停止反應(yīng)并卸料。一定的轉(zhuǎn)化率后，停止反應(yīng)并卸料。 對于機(jī)械攪拌懸浮反應(yīng)器，要注意：對于機(jī)械攪拌懸浮反應(yīng)器，要注意： 1.顆粒懸浮的臨界轉(zhuǎn)速；顆粒懸浮的臨界轉(zhuǎn)速； 2.允許的極限氣速。允許的極限氣速。鼓泡淤漿床三相反

7、應(yīng)器鼓泡淤漿床三相反應(yīng)器鼓泡淤漿床反應(yīng)器（鼓泡淤漿床反應(yīng)器（Bubble Bubble Column Slurry Reactor,Column Slurry Reactor,簡簡稱稱BCSRBCSR）的基礎(chǔ)是氣）的基礎(chǔ)是氣- -液鼓液鼓泡反應(yīng)器，即在其中加入固泡反應(yīng)器，即在其中加入固體，往往文獻(xiàn)中將鼓泡淤漿體，往往文獻(xiàn)中將鼓泡淤漿床反應(yīng)器與氣床反應(yīng)器與氣- -液鼓泡反應(yīng)液鼓泡反應(yīng)器同時(shí)進(jìn)行綜述。器同時(shí)進(jìn)行綜述。鼓泡淤漿床三相反應(yīng)器鼓泡淤漿床三相反應(yīng)器 持液量大，具有良好的持液量大，具有良好的 傳熱、傳質(zhì)和混合性能，傳熱、傳質(zhì)和混合性能，反應(yīng)溫度均勻，反應(yīng)器中反應(yīng)溫度均勻，反應(yīng)器中無熱點(diǎn)存在，

8、對強(qiáng)放熱反無熱點(diǎn)存在，對強(qiáng)放熱反應(yīng)，也不會發(fā)生超溫現(xiàn)象；應(yīng)，也不會發(fā)生超溫現(xiàn)象； 采用很細(xì)的催化劑顆粒采用很細(xì)的催化劑顆粒（10100m10100m），催化劑），催化劑內(nèi)外的傳遞阻力均較小，內(nèi)外的傳遞阻力均較小，即使對快速反應(yīng)，效率因即使對快速反應(yīng)，效率因子也能接近子也能接近1 1，能充分發(fā)，能充分發(fā)揮催化劑的作用；揮催化劑的作用； 對活性衰減迅速的催化對活性衰減迅速的催化劑，可方便地排出或更換劑，可方便地排出或更換催化劑；催化劑； 可內(nèi)置和外置冷卻設(shè)施，可內(nèi)置和外置冷卻設(shè)施，方便地排除反應(yīng)熱方便地排除反應(yīng)熱 。為從液相產(chǎn)物中分離固體催化劑，常需附設(shè)裝置費(fèi)用昂貴的過濾設(shè)備；液相連續(xù)操作時(shí)返混大

9、，流型接近于全混流，要達(dá)到高轉(zhuǎn)化率，常需要幾個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)；液固比高，當(dāng)存在均相副反應(yīng)時(shí)，會使副反應(yīng)增加；催化劑顆粒會造成攪拌漿、循環(huán)泵、反應(yīng)器壁的磨損。氣氣- -液并流向上三相流化床反應(yīng)器液并流向上三相流化床反應(yīng)器三相流化床反應(yīng)器是在液三相流化床反應(yīng)器是在液- -固固流化床的基礎(chǔ)上，自下而上通流化床的基礎(chǔ)上，自下而上通入氣體，即一般采用氣入氣體，即一般采用氣- -液并液并流向上的操作方式。流向上的操作方式。左圖是典型的氫左圖是典型的氫- -煤法三相流煤法三相流化床反應(yīng)器裝置簡圖，反應(yīng)化床反應(yīng)器裝置簡圖，反應(yīng)溫度溫度450450左右，壓力左右，壓力20MPa20MPa。三相環(huán)流反應(yīng)器是在進(jìn)行氣三

10、相環(huán)流反應(yīng)器是在進(jìn)行氣- -液兩液兩相反應(yīng)的環(huán)流反應(yīng)器中添加固體顆相反應(yīng)的環(huán)流反應(yīng)器中添加固體顆粒的三相反應(yīng)器，廣泛應(yīng)用于生物粒的三相反應(yīng)器，廣泛應(yīng)用于生物反應(yīng)工程、濕法冶金、有機(jī)化工、反應(yīng)工程、濕法冶金、有機(jī)化工、能源化工及污水處理工程能源化工及污水處理工程三相環(huán)流反應(yīng)器用于濕法冶金中三相環(huán)流反應(yīng)器用于濕法冶金中的浸取過程時(shí)，稱為氣體提升反的浸取過程時(shí)，稱為氣體提升反應(yīng)器或巴秋卡槽，見左圖示：應(yīng)器或巴秋卡槽，見左圖示：三相環(huán)流反應(yīng)器三相環(huán)流反應(yīng)器巴秋卡槽示意圖二、氣二、氣- -液液- -固三相反應(yīng)的宏觀反應(yīng)動力學(xué)固三相反應(yīng)的宏觀反應(yīng)動力學(xué)在固體顆粒被液體包圍而完全潤濕的情況下，以在固體顆粒被

11、液體包圍而完全潤濕的情況下，以固體為對象的宏觀反應(yīng)動力學(xué)。固體為對象的宏觀反應(yīng)動力學(xué)。固體反應(yīng)物顆粒內(nèi)的反應(yīng)模型可采用顆粒大小不固體反應(yīng)物顆粒內(nèi)的反應(yīng)模型可采用顆粒大小不變或顆?？s小的縮芯模型，顆粒外先考慮一層液變或顆?？s小的縮芯模型，顆粒外先考慮一層液相，外面再為氣相，因此，除計(jì)及液相，外面再為氣相，因此，除計(jì)及液- -固相界面固相界面?zhèn)髻|(zhì)外，還要考慮氣傳質(zhì)外，還要考慮氣- -液相之間的傳質(zhì)過程。液相之間的傳質(zhì)過程。1 1、顆粒宏觀反應(yīng)動力學(xué)、顆粒宏觀反應(yīng)動力學(xué)三相反應(yīng)器中氣相反應(yīng)物的濃度分布三相反應(yīng)器中氣相反應(yīng)物的濃度分布1氣相全體；氣相全體；2氣膜；氣膜；3液膜液膜(氣氣-液間液間)；4

12、液相主體；液相主體；5液膜液膜(液液-固間固間)；6固體催化劑固體催化劑 討論在等溫條件下，包括一個(gè)氣態(tài)反應(yīng)物的一級討論在等溫條件下，包括一個(gè)氣態(tài)反應(yīng)物的一級不可逆催化反應(yīng)，液相是惰性介質(zhì)的基本情況。不可逆催化反應(yīng)，液相是惰性介質(zhì)的基本情況。在此情況下，氣相反應(yīng)物在此情況下，氣相反應(yīng)物A A從氣相主體擴(kuò)散到催化從氣相主體擴(kuò)散到催化劑顆粒外表面的各個(gè)過程中的濃度分布見下圖。劑顆粒外表面的各個(gè)過程中的濃度分布見下圖。AigAgAGRAg ,AccakdV/dNrALAiLALk a ccASeALAskSccASswewcSk催化劑內(nèi)的擴(kuò)散催化劑內(nèi)的擴(kuò)散-反應(yīng)過程速率反應(yīng)過程速率向催化劑外表面?zhèn)髻|(zhì)

13、向催化劑外表面?zhèn)髻|(zhì) 向液相主體傳質(zhì)向液相主體傳質(zhì)向氣向氣-液界面?zhèn)髻|(zhì)液界面?zhèn)髻|(zhì) 模型以單顆粒催化劑或固體反應(yīng)物為基礎(chǔ)，總體速率模型以單顆粒催化劑或固體反應(yīng)物為基礎(chǔ)，總體速率r rA,gA,g為單為單位床層體積內(nèi)氣相反應(yīng)物位床層體積內(nèi)氣相反應(yīng)物A A的摩爾流量的變化，即的摩爾流量的變化，即kmol/kmol/（m m3 3 h h）。而單位床層體積內(nèi)的顆粒外表面積為）。而單位床層體積內(nèi)的顆粒外表面積為S Se e，m m2 2/m/m3 3床層，床層，S Se e即液即液- -固相傳質(zhì)面積；單位床層體積內(nèi)氣固相傳質(zhì)面積；單位床層體積內(nèi)氣- -液傳質(zhì)面積為液傳質(zhì)面積為a a，m m2 2/m/m3

14、 3床層。定態(tài)情況下，若催化劑內(nèi)進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)，下床層。定態(tài)情況下，若催化劑內(nèi)進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)，下列串聯(lián)過程的速率均等于三相過程的總體速率，即：列串聯(lián)過程的速率均等于三相過程的總體速率，即：AigGLAiLcKcAgeTRAAcSkVddNrswwAsGLALGLeAGeTk1k1KkKaSk1aSk1上述顆粒宏觀反應(yīng)動力學(xué)模型是以氣上述顆粒宏觀反應(yīng)動力學(xué)模型是以氣- -固相宏固相宏觀反應(yīng)動力學(xué)為基礎(chǔ)，再計(jì)入雙膜論的氣觀反應(yīng)動力學(xué)為基礎(chǔ)，再計(jì)入雙膜論的氣- -液液傳質(zhì)過程組合而成的。傳質(zhì)過程組合而成的。氣氣-液相界面的相平衡：液相界面的相平衡：令令則則 k kAGAG是是以濃度為推動力以

15、濃度為推動力的組分的組分A A的的氣相傳質(zhì)分系數(shù)氣相傳質(zhì)分系數(shù)，m/hm/h；k kALAL是是氣氣- -液相間液相間組分組分A A的的液相傳質(zhì)分系數(shù)液相傳質(zhì)分系數(shù)，m/hm/h；k kASAS是是液液- -固相間固相間組分組分A A的的液相傳質(zhì)分系數(shù)液相傳質(zhì)分系數(shù)，m/hm/h；w w是以每是以每kgkg催化劑為基準(zhǔn)的催化劑為基準(zhǔn)的本征反應(yīng)速率常數(shù)本征反應(yīng)速率常數(shù),m,m3 3/(kg/(kgh)h)； swsw是每是每m m2 2顆粒外表面積所相應(yīng)的每顆粒外表面積所相應(yīng)的每m m3 3床層的催化劑質(zhì)量，床層的催化劑質(zhì)量， kg/mkg/m2 2；c cAgAg、c cAigAig、c cA

16、iLAiL、c cALAL和和c cASAS分別是組分分別是組分A A在氣相主體中、氣在氣相主體中、氣- -液界液界面氣相側(cè)、氣面氣相側(cè)、氣- -液界面液相側(cè)、液相主體中和顆粒外表面液界面液相側(cè)、液相主體中和顆粒外表面上的濃度，上的濃度，kmol/mkmol/m3 3；K KGLGL是量綱為的是量綱為的氣氣- -液相平衡常數(shù)液相平衡常數(shù)；k kT T是以催化劑顆粒外表面積和氣相主體中反應(yīng)物是以催化劑顆粒外表面積和氣相主體中反應(yīng)物A A濃度計(jì)算的濃度計(jì)算的總體速率常數(shù)總體速率常數(shù)，m/hm/h， 是內(nèi)擴(kuò)散有效因子。是內(nèi)擴(kuò)散有效因子。 不存在氣膜傳質(zhì)阻力，kAG時(shí) 不存在氣-液界面處液膜傳質(zhì)阻力，

17、kAL時(shí) 不存在液-固界面處液膜傳質(zhì)阻力，kAS時(shí) 催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子趨近于1，1時(shí) swwASALeGLTk1k1k1aSKk1swwASGLAGeTk1k1Kk1aSk1swwGLALGLeAGeTkKkKaSk1aSk1swwASGLALGLeAGeTk1k1KkKaSk1aSk1 某些極限情況下：某些極限情況下：2、床層宏觀反應(yīng)動力學(xué)、床層宏觀反應(yīng)動力學(xué) 床層宏觀反應(yīng)動力學(xué)在考慮顆粒宏觀反應(yīng)動力學(xué)的基礎(chǔ)上計(jì)及氣相和液相在三相反應(yīng)器中流動狀況的影響，因而與反應(yīng)器的類型有關(guān)。 從整個(gè)床層橫截面看，液體的流動狀況又是不均勻的，近器壁處液體的局部流速與中心處不同。應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)良好的液體分布器

18、使液體均勻地進(jìn)入床層。工程設(shè)計(jì)時(shí)一般以計(jì)及顆粒催化劑內(nèi)擴(kuò)散過程的總體速率為基礎(chǔ)，將顆粒的有效潤濕率和顆粒外氣-液相間和液-固相間傳遞過程綜合成為“外部接觸效率”，滴流床三相反應(yīng)器中氣相和液相都可看作平推流。 在鼓泡淤漿床、三相流化床反應(yīng)器中，一般液相是連續(xù)相，氣相呈鼓泡狀分散在液相中，要求固體均勻地分散在液相中并且氣泡細(xì)小，增大氣-液接觸面積和均勻分散是三相反應(yīng)器良好操作的前提，因此，需要研究三相反應(yīng)器中固體顆粒懸浮且均布的條件、氣含率、氣-液接觸面積、氣體均勻分布及液相和氣相的返混等流體力學(xué)問題。這些都與三相床的類型、流動狀態(tài)、操作條件、氣體分布器設(shè)計(jì)等因素有關(guān)，并且也都不同程度地影響床層宏

19、觀反應(yīng)動力學(xué)。三、滴流床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算1 1、平推流模型計(jì)算、平推流模型計(jì)算 （滴定床反應(yīng)器大多情況下多為平推流滴定床反應(yīng)器大多情況下多為平推流） 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型（1 1）條件假定）條件假定 兩相平推流，且處于滴流區(qū)，氣體和液體在床層內(nèi)分布均勻；兩相平推流，且處于滴流區(qū)，氣體和液體在床層內(nèi)分布均勻； 固體顆粒完全潤濕，液體不揮發(fā)固體顆粒完全潤濕，液體不揮發(fā) 氣液固三相溫度相等，不隨反應(yīng)位置變化；氣液固三相溫度相等，不隨反應(yīng)位置變化； 反應(yīng)產(chǎn)物速率對反應(yīng)產(chǎn)物速率對A A，B B均為一級。均為一級。（2 2）模型建立）模型建立 設(shè)滴流床內(nèi)由氣相組分設(shè)滴流床內(nèi)由氣相組分A A和液相組分和液相組分

20、B B進(jìn)行反應(yīng)，若不計(jì)氣膜的擴(kuò)散、進(jìn)行反應(yīng)，若不計(jì)氣膜的擴(kuò)散、 阻力，對氣相中組分阻力，對氣相中組分A A的物料衡算：的物料衡算：軸向濃度變化項(xiàng)軸向濃度變化項(xiàng) = = 氣相氣相A A組分傳入的液體項(xiàng)：組分傳入的液體項(xiàng)：對液相對液相A A作物料衡算：作物料衡算：軸向濃度變化項(xiàng)軸向濃度變化項(xiàng) = A= A組分傳入固體顆粒項(xiàng)組分傳入固體顆粒項(xiàng) + + 氣相傳入液相項(xiàng)氣相傳入液相項(xiàng)（1） （2） 對液相對液相B B組分作物料衡算：組分作物料衡算： （3）,()AGALO LbLsASALALALLALcdcUkacckacdzH,()BLO LbLSBsBLBSdcuka CCdz( 0d u GcAG00()()GA GA LLA L iA Lzduckaccd對氣相中組分對氣相中組分A A的物料衡算：的物料衡算：在定常態(tài)時(shí)，單位時(shí)間由液相主體向催化劑表面?zhèn)鬟f的物質(zhì) 量，應(yīng)等于單位時(shí)間在催化劑表面上的反應(yīng)量： （4） （5）（1 1） （5 5）式為滴流床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程。邊界條件：）式為滴流床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程。邊界條件：對上述方程積分并聯(lián)合求解，可以計(jì)算催化劑床層高度對上述方程積分并聯(lián)合求解，可以計(jì)算催化劑床層高度00,0BLBLAGAGccccz()LsBsBLBsAsBska ccbkc c()LsAsALAsAsBska cckc c為氣相平衡的液體中組分為氣相平衡的液體