氣液固三相反應器

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

2、氣- -液液- -固三相反應器固三相反應器 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-固反應器類型固反應器類型 （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

3、流動的固定床 滴流床反應器滴流床反應器 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，可使均相反應的液體滯留量）很小，可使均相反應的 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 床反應器不存在液泛問題；床反應器不存在液泛問題； 2.2.滴流床三相反應器的壓降比鼓泡反應器滴流床三相反應器的壓降比鼓泡反應器 小小。 1.1.在大型滴流床反應器中，低液速操作的液在大型滴流床反應器中，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)擴散影響，由而大顆粒催化劑存在明顯的內(nèi)擴散影響，由 于組分在液相中的擴散系數(shù)比在氣體中的擴于組分在液相中的擴散系數(shù)比在氣體中的擴 散系數(shù)低許多倍，內(nèi)擴散的影響比氣散系數(shù)低許多倍，內(nèi)擴散的影響比氣- -固相固相 反應器更為嚴重；反應器更為嚴重； 2.2.可能存在明顯的軸向溫升，形成熱點，有可能存在明顯的軸向溫升，形成熱點，有 時可能飛溫。時可能飛溫。 （二）懸浮床氣（二）懸浮床氣- -液液- -固三相反應器固三相反應器 機械攪拌懸浮式機械攪拌懸浮式； 不帶攪拌的懸浮床氣不帶攪拌的懸浮床氣-液液-固反應器，以氣體鼓泡固反應器，以氣體鼓泡 攪拌

5、，又稱為攪拌，又稱為鼓泡淤漿反應器鼓泡淤漿反應器； 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器三相流化床反應器； 具有導流筒的具有導流筒的三相環(huán)流反應器三相環(huán)流反應器。 機械攪拌鼓泡懸浮式三相反應器及特征機械攪拌鼓泡懸浮式三相反應器及特征 利用機械攪拌的方法使催化劑或固體顆粒保持懸利用機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 化反應和含高粘度的非牛頓型流體的反應系統(tǒng)尤為化反應和含高粘度的非牛頓型流體的反應系統(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，并使用細顆粒催化劑，可提高粒催化劑充分接觸，并使用細顆粒催化劑，可提高 總體速率?？傮w速率。 該類反應器操作方便且運轉(zhuǎn)費用低，工業(yè)上常用該類反應器操作方便且運轉(zhuǎn)費用低，工業(yè)上常用 于油脂加氫、有機物的氧化等過程，采用半間歇操于油脂加氫、有機物的氧化等過程，采用半間歇操 作方式，氣相連續(xù)通入反應器，被加工的液相達到作方式，氣相連續(xù)通入反應器，被加工的液相達到 一定的轉(zhuǎn)化率后，停止反應并卸料。一定的轉(zhuǎn)化率后，停止反應并卸料。 對于機械攪拌懸浮反應器，要注意：對于機械攪拌懸浮反應器，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器鼓泡淤漿床三相反應器 鼓泡淤漿床反應器（鼓泡淤漿床反應器（Bubble Bubble Column Slurry Reactor,Column Slurry Reactor,簡簡 稱稱BCSRBCSR）的基礎是氣）的基礎是氣- -液鼓液鼓 泡反應器，即在其中加入固泡反應器，即在其中加入固 體，往往文獻中將鼓泡淤漿體，往往文獻中將鼓泡淤漿 床反應器與氣床反應器與氣- -液鼓泡反應液鼓泡反應 器同時進行綜述。器同時進行綜述。 鼓泡淤漿床三相反應器鼓泡淤漿床三相反應器 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， 反應溫度均勻，反應器中反應溫度均勻，反應器中 無熱點存在，對強放熱反無熱點存在，對強放熱反 應，也不會發(fā)生超溫現(xiàn)象；應，也不會發(fā)生超溫現(xiàn)象； 采用很細的催化劑顆粒采用很細的催化劑顆粒 （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，效率因即使對快速反應，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)置和外置冷卻設施，可內(nèi)置和外置冷卻

9、設施， 方便地排除反應熱方便地排除反應熱 。 為從液相產(chǎn)物中分離 固體催化劑，常需附 設裝置費用昂貴的過 濾設備； 液相連續(xù)操作時返混 大，流型接近于全混 流，要達到高轉(zhuǎn)化率， 常需要幾個反應器串 聯(lián)； 液固比高，當存在均 相副反應時，會使副 反應增加； 催化劑顆粒會造成攪 拌漿、循環(huán)泵、反應 器壁的磨損。 氣氣- -液并流向上三相流化床反應器液并流向上三相流化床反應器 三相流化床反應器是在液三相流化床反應器是在液- -固固 流化床的基礎上，自下而上通流化床的基礎上，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 化床反應器裝置簡圖，反應化床反應器裝置簡圖，反應 溫度溫度450450左右，壓力左右，壓力20MPa20MPa。 三相環(huán)流反應器是在進行氣三相環(huán)流反應器是在進行氣- -液兩液兩 相反應的環(huán)流反應器中添加固體顆相反應的環(huán)流反應器中添加固體顆 粒的三相反應器，廣泛應用于生物粒的三相反應器，廣泛應用于生物 反應工程、濕法冶金、有機化工、反應工程、濕法冶金、有機化工、 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)流反應器用于濕法冶金中三相環(huán)流反應器用于濕法冶金中 的浸取過程時，稱為氣體提升反的浸取過程時，稱為氣體提升反 應器或巴秋卡槽，見左圖示：應器或巴秋卡槽

11、，見左圖示： 三相環(huán)流反應器三相環(huán)流反應器 巴秋卡槽示意圖 二、氣二、氣- -液液- -固三相反應的宏觀反應動力學固三相反應的宏觀反應動力學 在固體顆粒被液體包圍而完全潤濕的情況下，以在固體顆粒被液體包圍而完全潤濕的情況下，以 固體為對象的宏觀反應動力學。固體為對象的宏觀反應動力學。 固體反應物顆粒內(nèi)的反應模型可采用顆粒大小不固體反應物顆粒內(nèi)的反應模型可采用顆粒大小不 變或顆粒縮小的縮芯模型，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，除計及液相，外面再為氣相，因此，除計及液- -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、顆粒宏觀反應動力學、顆粒宏觀反應動力學 三相反應器中氣相反應物的濃度分布三相反應器中氣相反應物的濃度分布 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，包括一個氣態(tài)反應物的一級討論在等溫條件下，包括一個氣態(tài)反應物的一級 不可逆催化反應，液相是惰性介質(zhì)的基本情況。不可逆催化反應，液相是惰性介質(zhì)的基本情況。 在此情況下，氣相反應物在此情況下，氣相反應物A A從氣相主體擴散到催化從氣相主體擴散到催化 劑顆粒外表面的各個過程中的濃度分布見下圖

13、。劑顆粒外表面的各個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)的擴散催化劑內(nèi)的擴散-反應過程速率反應過程速率 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物為基礎，總體速率模型以單顆粒催化劑或固體反應物為基礎，總體速率r rA,g A,g為單 為單 位床層體積內(nèi)氣相反應物位床層體積內(nèi)氣相反應物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)進行一級不可逆反應，下床層。定態(tài)情況下，若催化劑內(nèi)進行一級不可逆反應，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 上述顆粒宏觀反應動力學模型是以氣上述顆粒宏觀反應動力學模型是以氣- -固相宏固相宏 觀反應動力學為基礎，再計入雙膜論的氣觀反應動力學為基礎，再計入雙膜論的氣- -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 是以濃度為推動力以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 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催化劑為基準的催化劑為基準的本征反應速率常數(shù)本征反應速率常數(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的每顆粒外表面積所相應的每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、氣面氣相側、氣- -液界面液相側、液相主體中和顆粒外表面液界面液相側、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物是以催化劑顆粒外表面積和氣相主體中反應物A A濃度計算的濃度計算的 總體速率常數(shù)總體速率常數(shù)，m/hm/h， 是內(nèi)擴散有效因子。是內(nèi)擴散有效因子。 不存在氣膜傳質(zhì)阻力，kAG時 不存在氣-液界面處液膜傳質(zhì)阻力，kAL時 不存在液-固界面處液膜傳質(zhì)阻力，kAS時 催化劑內(nèi)擴散有效因子趨近于1，1時 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、床層宏觀反應動力學、床層宏觀反應動力學 床層宏觀反應動力學在考慮顆粒宏觀反應動力學的 基礎上計及氣相和液相在三相反應器中流動狀況的 影響，因而與反應器的類型有關。 從整個床層橫截面看，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。應當設計一個良好的液體分布器使液體均勻地進入床層。 工程設計時一般以計及顆

19、粒催化劑內(nèi)擴散過程的總體速率為基礎，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小，增大氣-液接觸 面積和均勻分散是三相反應器良好操作的前提，因此，需要研究三相反應器 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、氣體分布器設計等因素有關，并且也都不同程度地影響床層宏觀反 應動力學。 三、滴流床反

20、應器的設計計算 1 1、平推流模型計算、平推流模型計算 （滴定床反應器大多情況下多為平推流滴定床反應器大多情況下多為平推流） 數(shù)學模型數(shù)學模型 （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，不隨反應位置變化；氣液固三相溫度相等，不隨反應位置變化； 反應產(chǎn)物速率對反應產(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 設滴流床內(nèi)由氣相組分設滴流床內(nèi)由氣相組分A A和液相組分和液相組分B B進行反應，若不

21、計氣膜的擴散、進行反應，若不計氣膜的擴散、 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： 軸向濃度變化項軸向濃度變化項 = = 氣相氣相A A組分傳入的液體項：組分傳入的液體項： 對液相對液相A A作物料衡算：作物料衡算： 軸向濃度變化項軸向濃度變化項 = A= A組分傳入固體顆粒項組分傳入固體顆粒項 + + 氣相傳入液相項氣相傳入液相項 （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） , () 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，單位時間由液相主體向催化劑表面?zhèn)鬟f的物質(zhì) 量， 應等于單位時間在催化劑表面上的反應量： （4） （5） （1 1） （5 5）式為滴流床反應器的設計方程。邊界條件：）式為滴流床反應器的設計方程。邊界條件： 對上述方程積分并聯(lián)合求解，可以計算催化劑床層高度對上述方程積分并聯(lián)合求解，可以計算催化劑床層高度 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