化學反應工程 第八章 氣-液-固三相反應及反應器

1、1,第八章 氣-液-固三相反應及反應器,——概述氣—液—固三相反應器的主要類型、特征和三相反應的宏觀動力學；——重點討論涓流床三相催化反應器、三相淤漿床反應器和三相流化床反應器的流體力學。,2,氣—液—固三相反應器的類型及宏觀反應動力學,按反應物系的性質來區(qū)分有以下三種類型： (1)氣相、液相、固相是反應物或產物的反應：加壓下用氨溶液浸取氧化銅礦，鋼渣提釩碳酸化浸取反應，煤的熱液化； (2)固體作為催化劑的氣-液-固

2、反應：煤的催化液化，石油餾分加氫脫硫，乙炔銅為催化劑合成丁炔二醇，苯乙炔和苯乙烯的催化加氫等。 (3)二個反應相，第三個是惰性相：液相為惰性相的氣—固催化反應，液相作為傳熱介質，如一氧化碳催化加氫生成烴類、醇類、醛類、酮類和酸類的混合物；氣體為惰性相的液—固反應，氣體起攪拌作用，例如硫酸分解硫鐵礦槽式反應釜內用空氣攪拌。,4,,工業(yè)上采用的氣—液—固反應器按床層的性質主要分為（1）固體固定型（fixed bed，固定床）（2

3、）固體懸浮型（ suspended bed ， expended bed，膨脹床）（3）輸送床(transport bed，攜帶床)。,5,固定床氣-液-固反應器,——涓流床（滴流床反應器），液流向下流動，以一種很薄的液膜形式通過固體催化劑，而連續(xù)氣相以并流或逆流的形式流動，但正常的操作方式是氣流和液流并流向下流動。,6,優(yōu)點——在活塞流條件下操作，催化劑充分濕潤，可獲得高轉化率。液固比(或液體滯留量)很小，可使均相反應的影響降至最

4、低；涓流床反應器中液膜很薄，總的液膜阻力比其他類型三相反應器要小；并流操作的涓流床反應器不存在液泛問題；壓降比鼓泡反應器小。缺點——大型涓流床反應器低液速操作的液流徑向分布不均勻，局部過熱，催化劑迅速失活。催化劑顆粒不能太小，而大顆粒催化劑存在明顯的內擴散影響；軸向溫升，可能飛溫。,7,懸浮床氣—液—固反應器,①機械攪拌懸浮式；②淤漿床鼓泡反應器，以氣體鼓泡攪拌；③不帶攪拌的氣、液兩相流體并流向上，而顆粒不帶出床外的三相流化床反應

5、器；④三相攜帶床反應器，不帶攪拌的氣、液兩相流體并流向上，而顆粒隨液體帶出床外的三相輸送床反應器；⑤具有導流筒的內環(huán)流反應器。,8,——具有導流筒的內環(huán)流反應器常用于生化反應工程?！粲糜跐穹ㄒ苯鹬械慕∵^程，稱為氣體提升攪拌反應器或巴秋卡槽。,9,10,氣—液—固三相反應的宏觀動力學,氣-液-固三相反應宏觀動力學分顆粒級的宏觀動力學和床層級的宏觀動力學二個層次?！w粒宏觀動力學，是指在固體顆粒被液體包圍而完全潤濕的情況下，

6、以固體為對象的宏觀動力學，其中包括氣—液相間、液—固相間傳質過程和固體顆粒內部反應—傳質耦合過程的宏觀反應速率。——床層宏觀動力學，是在顆粒宏觀反應動力學的基礎上，考慮三相反應器內氣相和液相的流動狀況對宏觀反應過程的影響。,11,顆粒宏觀反應動力學,①氣相反應物從氣相主體擴散到氣-液界面；②氣相反應物從氣—液界面擴散到液相主體；③氣相反應物從液相主體擴散到催化劑顆粒外表面；④顆粒催化劑內同時進行反應和內擴散的宏觀反應；⑤產物從

7、催化劑顆粒外表面擴散到液相主體；⑥產物從液相主體擴散到氣—液界面；⑦產物從氣—液界面擴散到氣相主體,12,上述過程沒有考慮到液相主體中的混合和擴散過程，以氣—液間傳質的雙膜論為基礎。1、等溫條件下，包括—個氣態(tài)反應物的一級不可逆催化反應，液相是惰性介質。,13,14,15,床層宏觀反應動力學,16,涓流床三相反應器,1、氣、液并流向下通過固定床的流體力學(1)氣，液穩(wěn)定流動區(qū)——當氣速較低時，液體在顆粒表面形成滯流液膜，氣相為

8、連續(xù)相， “涓流狀”。氣速增加稱為“噴射流”；(2)過渡流動區(qū)——繼續(xù)提高氣體流速，床層上部是噴射流，下部出現(xiàn)脈沖現(xiàn)象。 (3)脈沖流動區(qū)——氣速進一步增大,17,(4)分散鼓泡區(qū)——若再增大氣速，各脈沖間的界限變得不易區(qū)分，達到一定程度后，形成分散鼓泡區(qū)。這時液相成為連續(xù)相，氣體則呈氣泡狀存在，形成分散相。 形成不同區(qū)域的最大氣速與液體流速有關。液體流速越大，越易形成脈沖區(qū)與鼓泡區(qū)。,18,持液量,——內持液量Hi：顆粒的

9、孔隙率越大，則內持液量越大，內持液量一般為0.3—0.5。——靜持液量Hs：是液體不流動時，潤濕顆粒間的持液量，與顆粒的比外表面積和表面粗糙度有關，顆粒的直徑越小，比外表面積越大；表面越租糙，靜持液量也越大。為0.02一0.06;——動持液量Hd：是氣、液流動穩(wěn)定后，同時關閉氣、液進口閥，在出口處收采到的床層流出的液流量。,19,20,壓降,21,涓流床三相反應器中的傳遞過程,22,23,涓流狀態(tài)下液—固相間傳質系數,24,涓流床中

10、的傳熱,25,機械攪拌鼓泡懸浮三相反應器,利用機械攪拌的方法使催化劑保持懸浮狀態(tài)，有較高的傳質和傳熱系數，但帶來了較高的動力消耗和催化劑顆粒磨損。 按照氣體的分散方式，機械攪拌懸浮三相反應器分為壓力布氣式和自吸式兩種。,26,27,機械攪拌鼓泡反應器中固體的懸浮,泛速——攪拌鼓泡懸浮反應器如果超過了極限氣速，攪拌器將失去分散氣體的作用，氣流將從容器中間沖破垂直向上，此時容器底部的擾動較少，固體格會沉積在那里。,28,29,

11、淤漿床鼓泡反應器,或稱為鼓泡淤漿反應器(Bubble Column Slurry Reactor，BCSR)。優(yōu)點：(1)使用細顆粒催化劑，充分消除了大顆粒催化劑粒傳質及傳熱過程對反應轉化率、反應收率及選擇率的影響。(2)反應器內液體滯留量大，熱容量大，具有全混性質，容易移走反應熱，溫度易控制，床層可處于等溫狀態(tài)， (3)可以在不停止操作的情況下更換催化劑。(4)催化劑不會像在填充床中那樣產生燒結。,30,缺點：(1)要求所

12、使用液體為惰性，在操作狀態(tài)下呈液態(tài)，蒸氣壓低且熱穩(wěn)定性好，其中對催化劑有毒物質含量合乎要求。(2)催化劑顆粒較易磨損。(3)氣相呈一定程度的返混，影響了反應器中的宏觀反應速率。,31,淤漿床鼓泡反應器的流體力學,安靜鼓泡區(qū)、湍流鼓泡區(qū)、栓塞流區(qū)。 上述流區(qū)間的過渡條件與液體特性、氣體分布器的設計、顆粒特性及床層尺寸等因素有關。 例如，對于高粘性的流體在很低的表觀氣速下可形成栓塞流。氣體分布器如采用微孔平均直徑低于150u

13、m的素燒陶瓷板，當表觀氣速達0.05一0.08m/s時，仍為安靜鼓泡區(qū)，當多孔板孔徑超過1mm時，氣泡分散區(qū)僅存在于很低的表觀氣速。,32,固體完全懸浮時的臨界氣速,33,34,35,36,37,38,三相流化床反應器,三相流化床反應器的流體力學,分為安靜鼓泡區(qū)、湍流鼓泡區(qū)、栓塞流區(qū)、過渡區(qū)在低氣速下，液相為連續(xù)相；在高氣速下，氣體力連續(xù)相。流型團與液體的粘度及表面張力和固體顆粒的粒度及密度等性質有關。,39,40,三相流化床的液體臨