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

2、氣- -液液- -固三相反應(yīng)器固三相反應(yīng)器 固體在床內(nèi)固定不動(dòng)。隨兩流體流動(dòng)方向又可以固體在床內(nèi)固定不動(dòng)。隨兩流體流動(dòng)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(dòng)，氣體向上流動(dòng)）如下圖所示：液體向下流動(dòng)，氣體向上流動(dòng)）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(dòng)的固定床；（）流體并流向下流動(dòng)的固定床；（b）流體逆流流動(dòng)的固定床；（）流體逆流流動(dòng)的固定床；（c）流體并流向上流動(dòng)的固定床）流體并流向上

3、流動(dòng)的固定床 滴流床反應(yīng)器滴流床反應(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?jiǎn)栴}；床反應(yīng)器不存在液泛?jiǎn)栴}； 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

4、部過熱，催化劑顆粒不能太小， 而大顆粒催化劑存在明顯的內(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

5、，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(duì)于三相催浮狀態(tài)，它有較高的傳質(zhì)和傳熱系數(shù)，對(duì)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

6、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。總體速率。 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(duì)于機(jī)械攪拌懸浮反應(yīng)器，要注意：對(duì)于機(jī)械攪拌懸浮反應(yīng)器，要注意： 1.顆粒懸

7、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(jiǎn)簡(jiǎn) 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

8、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(wú)熱點(diǎn)存在，對(duì)強(qiáng)放熱反無(wú)熱點(diǎn)存在，對(duì)強(qiáng)放熱反 應(yīng)，也不會(huì)發(fā)生超溫現(xiàn)象；應(yīng)，也不會(huì)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(duì)快速反應(yīng)，效率因即使對(duì)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(duì)活性衰減迅速的催化對(duì)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

9、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，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(huì)使副 反應(yīng)增加； 催化劑顆粒會(huì)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

10、型的氫- -煤法三相流煤法三相流 化床反應(yīng)器裝置簡(jiǎn)圖，反應(yīng)化床反應(yīng)器裝置簡(jiǎn)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

11、，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(dòng)力學(xué)固三相反應(yīng)的宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 在固體顆粒被液體包圍而完全潤(rùn)濕的情況下，以在固體顆粒被液體包圍而完全潤(rùn)濕的情況下，以 固體為對(duì)象的宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。固體為對(duì)象的宏觀反應(yīng)動(dòng)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 傳質(zhì)外，還要考慮氣傳質(zhì)外，還要考慮氣- -液相之間的傳

12、質(zhì)過程。液相之間的傳質(zhì)過程。 1 1、顆粒宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、顆粒宏觀反應(yīng)動(dòng)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(jí)討論在等溫條件下，包括一個(gè)氣態(tài)反應(yīng)物的一級(jí) 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

13、。劑顆粒外表面的各個(gè)過程中的濃度分布見下圖。 AigAgAGRAg ,A ccakdV/dNr ALAiLAL k a cc ASeALAs kScc ASswew cSk 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)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,g A,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

14、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 3床層。定態(tài)情況下，若催化劑內(nèi)進(jìn)行一級(jí)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(jí)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： AigGLAiL cKc AgeT R A A cSk Vd dN r swwAs GL AL GLe AG e T k 1 k 1 K

15、k K a S k 1 a S k 1 上述顆粒宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型是以氣上述顆粒宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型是以氣- -固相宏固相宏 觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，再計(jì)入雙膜論的氣觀反應(yīng)動(dòng)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 kAG AG是 是以濃度為推動(dòng)力以濃度為推動(dòng)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 kAL AL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 kAS AS是 是液液- -固相間固相間組分組分A A的的液相傳

16、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)； sw sw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 cAg Ag、 、c cAig Aig、 、c cAiL AiL、 、c cAL AL和 和c cAS AS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

17、顆粒外表面 上的濃度，上的濃度，kmol/mkmol/m3 3； K KGL GL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，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) swwASAL e GL T k 1 k 1 k 1 a S K k 1 swwAS GL AG e T k

18、 1 k 1 K k 1 a S k 1 sww GL AL GLe AG e T k K k K a S k 1 a S k 1 swwAS GL AL GLe AG e T k 1 k 1 K k K a S k 1 a S k 1 某些極限情況下：某些極限情況下： 2、床層宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、床層宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 床層宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在考慮顆粒宏觀反應(yīng)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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

19、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(rùn)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(dòng)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觀反 應(yīng)動(dòng)力學(xué)。 三、滴流床反

20、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(rùn)濕，液體不揮發(fā)固體顆粒完全潤(rùn)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(duì)反應(yīng)產(chǎn)物速率對(duì)A A，B B均為一級(jí)。均為一級(jí)。 （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B B進(jìn)行反應(yīng)，若不

21、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(duì)氣相中組分阻力，對(duì)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(duì)液相對(duì)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(duì)液相對(duì)液相B B組分作物料衡算：組分作物料衡算： （3） , () AGAL O LbLsASALALALLAL cdc Ukacckac dzH , () BL O LbLSBsBLBS dc uka CC dz (

22、 0d u GcAG 0 0 () () GA G A LLA L iA L z duc kacc d 對(duì)氣相中組分對(duì)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(duì)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(duì)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 ,0 BLBLAGAG ccccz () LsBsBLBsAsBs ka ccbkc c () LsAsALAsAsBs ka cckc c 為氣相平衡的液體中組分為氣相平衡的液體中組分A A的濃度的濃度kmol/mkmol