氣-液-固三相

1、第七章第七章 氣氣- -液液- -固三相固三相 反應工程反應工程第一節(jié)第一節(jié) 氣氣- -液液- -固三相反應器的固三相反應器的 類型及宏觀動力學類型及宏觀動力學 7-17-1類型類型： 按按反應物系性質反應物系性質分：分： 固相為反應物或產物固相為反應物或產物 固相為催化劑；液相為反應物或產物固相為催化劑；液相為反應物或產物 液相為惰性相（傳熱載體）液相為惰性相（傳熱載體） 氣相為惰性相（起攪拌作用）氣相為惰性相（起攪拌作用） 按按床層性質床層性質分：固定床；懸浮床分：固定床；懸浮床7-1 7-1 類型類型 一、固定床氣一、固定床氣- -液液- -固三相反應器：固三相反應器： 三種操作方式：三

2、種操作方式： 流體：并流向下（石油加工中的加氫脫硫）；流體：并流向下（石油加工中的加氫脫硫）； 逆流；并流向上（苯的氯化）逆流；并流向上（苯的氯化） 滴流床（涓流床）：液流向下，滴流床（涓流床）：液流向下，以很薄的液膜的形式流過固體催以很薄的液膜的形式流過固體催化劑；連續(xù)氣相以并流或逆流形化劑；連續(xù)氣相以并流或逆流形式流過。式流過。 7-1 7-1 類型類型 優(yōu)點優(yōu)點： 平推流（催化劑充分潤濕，轉化率較高）；平推流（催化劑充分潤濕，轉化率較高）； 固液比固液比持液量很小（使均相反應的影響降至最低）；持液量很?。ㄊ咕喾磻挠绊懡抵磷畹停?液層很?。偟囊簩觽鬟f阻力相對較小）；液層很?。偟囊?/p>

3、層傳遞阻力相對較?。?； 并流操作時無液流問題；并流操作時無液流問題； 壓降較鼓泡反應器小。壓降較鼓泡反應器小。7-1 7-1 類型類型 缺點缺點： 低液速操作時液流徑向分布不均（如溝流、旁路）固低液速操作時液流徑向分布不均（如溝流、旁路）固體催化劑潤濕不充分與完全，徑向溫度不均，（局部過熱，體催化劑潤濕不充分與完全，徑向溫度不均，（局部過熱，催化劑迅速失活，液層過量氣化）催化劑迅速失活，液層過量氣化） 催化劑顆粒較大催化劑顆粒較大 內擴散影響比氣固相反應器更嚴內擴散影響比氣固相反應器更嚴重，催化劑孔道堵塞（嚴重失活）重，催化劑孔道堵塞（嚴重失活） 可能存在明顯的軸向溫升可能存在明顯的軸向溫升

4、形成熱點，甚至飛溫形成熱點，甚至飛溫7-1 7-1 類型類型 二、懸浮床氣二、懸浮床氣- -液液- -固三相反應器：一般使用細顆粒固體固三相反應器：一般使用細顆粒固體（如細顆粒催化劑）（如細顆粒催化劑） 類型類型： 機械攪拌懸浮式（適用開發(fā)研究和小規(guī)模生產）機械攪拌懸浮式（適用開發(fā)研究和小規(guī)模生產） 氣體鼓泡攪拌式氣體鼓泡攪拌式鼓泡淤漿反應器（適用固相為細鼓泡淤漿反應器（適用固相為細粒催化劑粒催化劑強化傳熱、保持等溫，適用大規(guī)模生產；最廣強化傳熱、保持等溫，適用大規(guī)模生產；最廣泛）泛） 三相流化體反應器（不帶攪拌，氣液并流向上，顆粒三相流化體反應器（不帶攪拌，氣液并流向上，顆粒不帶出床外）不帶

5、出床外） 三相輸送床（攜帶床）反應器（不帶攪拌，氣液并流三相輸送床（攜帶床）反應器（不帶攪拌，氣液并流向上，顆粒隨液體帶出床外）向上，顆粒隨液體帶出床外） 具導流筒的內環(huán)流反應器（氣體提升攪拌反應器）具導流筒的內環(huán)流反應器（氣體提升攪拌反應器）7-1 7-1 類型類型 優(yōu)點優(yōu)點： 存液量大，熱容量大，給熱系數大，存液量大，熱容量大，給熱系數大，易回收反應熱和控制床層等溫（可控制易回收反應熱和控制床層等溫（可控制超溫和提高選擇率，使用高濃度原料氣）超溫和提高選擇率，使用高濃度原料氣） 可使用細粒催化劑（消除內擴散影可使用細粒催化劑（消除內擴散影響，催化劑易更換、補充）響，催化劑易更換、補充） 缺

6、點缺點： 液相液相，增加了氣體反應組分通過，增加了氣體反應組分通過液相的擴散阻力液相的擴散阻力 催化劑易磨損催化劑易磨損 存在液存在液- -固分離技術問題或淤漿輸送固分離技術問題或淤漿輸送問題問題7-1 7-1 類型類型 幾個概念幾個概念： 顆粒終端速度顆粒終端速度 ； 液體流速液體流速 ； 臨界流化速度臨界流化速度 ， 固定床，膨脹床（懸浮床），固定床，膨脹床（懸浮床），輸送床（攜帶床）輸送床（攜帶床）tuLutmfmfuuu，7-2 7-2 氣氣- -液液- -固三相反應的宏觀動力學固三相反應的宏觀動力學 （1 1）（）（顆粒級顆粒級）宏觀動力學：被液體完全潤濕的固體對）宏觀動力學：被液體

7、完全潤濕的固體對象的宏觀動力學（包括氣液相間，液固相間傳質、顆粒象的宏觀動力學（包括氣液相間，液固相間傳質、顆粒內部傳質的宏觀反應速率）內部傳質的宏觀反應速率） （2 2）（）（床層級床層級）宏觀動力學：氣相和液相流動狀況對宏）宏觀動力學：氣相和液相流動狀況對宏觀反應過程的影響。觀反應過程的影響。7-2 7-2 氣氣- -液液- -固三相反應的宏觀動力學固三相反應的宏觀動力學 一、顆粒宏觀反應動力學：一、顆粒宏觀反應動力學： * * 由由7 7個步驟組成：個步驟組成： 氣相主體氣相主體 氣液界面氣液界面 液相主體液相主體 催化劑顆粒外表面催化劑顆粒外表面 催化劑顆粒外表面催化劑顆粒外表面 液相

8、主體液相主體 氣液界面氣液界面 氣相主體氣相主體 氣相反應物擴散氣相反應物擴散氣相反應物擴散顆粒內宏觀反應邊擴散邊反應氣相產 物擴散氣相產物擴散氣相產物擴散7-2 7-2 氣氣- -液液- -固三相反應的宏觀動力學固三相反應的宏觀動力學中中的的混混合合和和擴擴散散過過程程）準準：沒沒有有考考慮慮液液相相主主體體液液間間傳傳質質的的雙雙膜膜論論為為基基液液間間傳傳質質（以以氣氣固固界界面面?zhèn)鱾髻|質，氣氣顆顆粒粒外外：考考慮慮液液縮縮芯芯模模型型”大大小小不不變變或或顆顆粒?？s縮小小的的應應模模型型：采采用用“顆顆粒粒固固體體反反應應物物顆顆粒粒內內的的反反反反應應模模型型”內內擴擴散散過過程程的

9、的擴擴散散應應模模型型：采采用用“計計入入固固體體催催化化劑劑顆顆粒粒內內的的反反顆顆粒粒內內7-2 7-2 氣氣- -液液- -固三相反應的宏觀動力學固三相反應的宏觀動力學 等溫、液相為惰性介質，一個氣態(tài)反應物的一級不可逆等溫、液相為惰性介質，一個氣態(tài)反應物的一級不可逆催化反應：催化反應： 定態(tài)時導得：定態(tài)時導得：) 67(,AgeTRAgACSkdVdNr)77)(11(11 SWWASGLAlGLeAGeTkkKkKaSkaSk7-2 7-2 氣氣- -液液- -固三相反應的宏觀動力學固三相反應的宏觀動力學 討論討論： 不存在氣膜傳質阻力（不存在氣膜傳質阻力（kAGkAG）時：）時： （

10、7-87-8） 不存在氣液界面處液膜傳質阻力（不存在氣液界面處液膜傳質阻力（kALkAL）時：（）時：（7-7-9 9） 不存在液固界面處液膜傳質阻力（不存在液固界面處液膜傳質阻力（kASkAS）時：（）時：（7-7-1010） 催化劑內擴散有效因子催化劑內擴散有效因子11時：時：（7-117-11）7-2 7-2 氣氣- -液液- -固三相反應的宏觀動力學固三相反應的宏觀動力學 二、床層宏觀反應動力學：二、床層宏觀反應動力學： 在考慮顆粒宏觀反應動力學基礎上，計及氣相和液相在三在考慮顆粒宏觀反應動力學基礎上，計及氣相和液相在三相反應器中流動狀況的影響相反應器中流動狀況的影響=與反應器類型有關

11、與反應器類型有關 * * 滴流床三相反應器滴流床三相反應器： 氣相和液相都可視為平推流氣相和液相都可視為平推流 氣相為連續(xù)相，液體呈膜狀下流（因顆?；ハ嘟佑|，不氣相為連續(xù)相，液體呈膜狀下流（因顆?；ハ嘟佑|，不可能全部均勻潤濕可能全部均勻潤濕顆粒的有效潤濕率；床層截面（徑向）顆粒的有效潤濕率；床層截面（徑向）上液體流動不均勻上液體流動不均勻液體均布器）液體均布器）=工程設計上，將顆粒有工程設計上，將顆粒有效潤濕率與顆粒外氣效潤濕率與顆粒外氣- -液相間和液液相間和液- -固相間的傳質阻力的綜合固相間的傳質阻力的綜合效應合并為外部接觸效率（與液體噴淋密度有關）。效應合并為外部接觸效率（與液體噴淋密

12、度有關）。 液體量少，對熱效應大的反應，存在軸向溫升液體量少，對熱效應大的反應，存在軸向溫升可形成可形成“熱點熱點”乃至乃至“飛溫飛溫”，甚至局部，甚至局部“超溫超溫”而使催化劑失活。而使催化劑失活。7-2 7-2 氣氣- -液液- -固三相反應的宏觀動力學固三相反應的宏觀動力學 鼓泡淤漿三相反應器、三相流化床反應器、三相攜帶床鼓泡淤漿三相反應器、三相流化床反應器、三相攜帶床反應器：反應器： 液相液相連續(xù)相；連續(xù)相； 氣相氣相呈鼓泡狀分散在液相中，氣泡細小；呈鼓泡狀分散在液相中，氣泡細??； 固相分散在汽相中。固相分散在汽相中。 增大氣增大氣- -液接觸面積和均勻分散是前提。液接觸面積和均勻分散

13、是前提。 顆粒懸浮，均布條件，氣含率，氣液按觸面積，氣體顆粒懸浮，均布條件，氣含率，氣液按觸面積，氣體均布，液氣返混均布，液氣返混(流體力學流體力學)影響因素影響因素第二節(jié)第二節(jié) 滴流床三相反應器滴流床三相反應器 7-3 7-3 氣、液并流向下通過固定床的流體力學：氣、液并流向下通過固定床的流體力學： 一、一、流動狀態(tài)流動狀態(tài)： 確定床層的流動狀態(tài)是研究滴流床反應確定床層的流動狀態(tài)是研究滴流床反應器性能器性能( (持液量、返混等持液量、返混等) )的基礎。的基礎。三個區(qū)三個區(qū)：滴流區(qū)；滴流區(qū)； 脈流區(qū)；脈流區(qū)； 鼓流區(qū)。鼓流區(qū)。( (與氣速，液速有關與氣速，液速有關) )第二節(jié)第二節(jié) 滴流床三

14、相反應器滴流床三相反應器 ( (氣液穩(wěn)定流動氣液穩(wěn)定流動) )滴流區(qū)滴流區(qū)：氣相：氣相連續(xù)相。氣速較低時，連續(xù)相。氣速較低時，顆粒表面形成滯流液膜顆粒表面形成滯流液膜滴流；滴流； 氣速氣速，顆粒表面出現，顆粒表面出現“波波紋狀或湍流狀液流紋狀或湍流狀液流”，有些液體呈霧狀懸浮在氣流中，有些液體呈霧狀懸浮在氣流中噴射噴射流。流。兩種流的轉變不明顯。兩種流的轉變不明顯。 過渡流動區(qū)過渡流動區(qū)：繼續(xù)提高氣速，床層上部基本是噴射流；：繼續(xù)提高氣速，床層上部基本是噴射流；床層下部出現脈沖流。兩者交替并存。床層下部出現脈沖流。兩者交替并存。 脈沖脈沖( (流動流動) )區(qū)區(qū)：氣速進一步增加，脈沖不斷出現，

15、并：氣速進一步增加，脈沖不斷出現，并充充滿整個床層。液體流速滿整個床層。液體流速，脈沖頻率，脈沖頻率。 ( (分散分散) )鼓泡區(qū)鼓泡區(qū)：液相：液相連續(xù)相。氣體呈氣泡狀連續(xù)相。氣體呈氣泡狀分散分散相。相。7-3 7-3 氣、液并流向下通過固定床的氣、液并流向下通過固定床的 流體力學流體力學 二、二、持液量持液量：單位床層體積中液體的分率。：單位床層體積中液體的分率。 內持液量內持液量hi(inner)hi(inner)：顆?？紫秲鹊某忠毫?。：顆?？紫秲鹊某忠毫?。 顆粒顆粒，hihi；一般；一般0.30.30.50.5。 表面持液量表面持液量hs(static)hs(static)：液體不流動時

16、，潤濕顆粒間：液體不流動時，潤濕顆粒間的持液量。顆粒直徑的持液量。顆粒直徑，比表面積，比表面積，表面粗糙，表面粗糙， hshs；一般；一般0.020.020.060.06。 動持液量動持液量hd (dynamic)hd (dynamic)：氣液流動穩(wěn)定后，同時關閉：氣液流動穩(wěn)定后，同時關閉氣、液進口閥，在出口處收集到的床層流出的液體量。氣、液進口閥，在出口處收集到的床層流出的液體量。P303(7-12)P303(7-12)，適于發(fā)泡、不發(fā)泡系統；，適于發(fā)泡、不發(fā)泡系統； 顆粒有、無孔隙，顆粒有、無孔隙，LL影響不大。液體流率影響不大。液體流率，氣體流率，氣體流率，填料空隙率，填料空隙率hdhd

17、。7-3 7-3 氣、液并流向下通過固定床的氣、液并流向下通過固定床的 流體力學流體力學 三、外部有效潤濕率：由液固間的接觸效率引起。三、外部有效潤濕率：由液固間的接觸效率引起。 * * 液固接觸情況；液固接觸情況； 顆料間的表面顆料間的表面 一部分被流動液膜覆蓋一部分被流動液膜覆蓋液膜覆蓋表面液膜覆蓋表面 一部分被靜止液體覆蓋一部分被靜止液體覆蓋液體遮蓋表面液體遮蓋表面( (傳質效率很低傳質效率很低) )7-3 7-3 氣、液并流向下通過固定床的氣、液并流向下通過固定床的 流體力學流體力學 對多孔固體催化劑，定義兩種潤濕率：對多孔固體催化劑，定義兩種潤濕率： 內部潤濕內部潤濕( (孔隙充滿孔

18、隙充滿) )：用于衡量可利用于反應的潛在內：用于衡量可利用于反應的潛在內部活性表面；孔道毛細管作用，內部潤濕完全。部活性表面；孔道毛細管作用，內部潤濕完全。 外部有效潤濕率外部有效潤濕率：顆粒與液體有效接觸的外部面積。：顆粒與液體有效接觸的外部面積。( (催催化劑化劑) )顆粒內部液體和流動液體間的傳質皆通過此面積顆粒內部液體和流動液體間的傳質皆通過此面積) )。不。不同于物理的外部潤濕。同于物理的外部潤濕。 LL，LL，hdhd，外部潤濕率外部潤濕率。7-4 7-4 滴流床三相反應器中的傳遞過程滴流床三相反應器中的傳遞過程 滴流狀態(tài)下的傳質滴流狀態(tài)下的傳質： 氣相傳質系數氣相傳質系數kGkG

19、，(7-13)(7-13)； 液相傳質系數液相傳質系數kLkL，（，（7-147-14）；）； 液液- -固相間傳質系數固相間傳質系數ksks，（，（7-157-15）。）。 滴狀床中的傳熱滴狀床中的傳熱： 氣液相間相對湍動較少，傳熱性能較差，床溫控制較難。氣液相間相對湍動較少，傳熱性能較差，床溫控制較難。 床層徑向有效導熱系數床層徑向有效導熱系數 e=(e)0+(e)G+(e)Le=(e)0+(e)G+(e)L第三節(jié)機械攪拌鼓泡懸浮式第三節(jié)機械攪拌鼓泡懸浮式 三相反應器三相反應器 7-6 7-6 機械攪拌鼓泡懸浮式三相反應器的主要型式：機械攪拌鼓泡懸浮式三相反應器的主要型式：按氣體分散方式，

20、有兩種主要型式：壓力布氣式；自吸式。按氣體分散方式，有兩種主要型式：壓力布氣式；自吸式。 壓力布氣式壓力布氣式： 置于器底的攪拌器置于器底的攪拌器 （螺旋槳式，六葉輪透平（螺旋槳式，六葉輪透平式）；器壁縱向固體檔板；氣體式）；器壁縱向固體檔板；氣體分布器（分布板、多孔燒結板）分布器（分布板、多孔燒結板） 自吸式自吸式： 半自吸式：具有兩個攪拌槳。半自吸式：具有兩個攪拌槳。 自吸式：利用攪拌槳旋轉產生的自吸式：利用攪拌槳旋轉產生的背壓（負壓）將液面氣體經中空軸背壓（負壓）將液面氣體經中空軸吸入。吸入。 反應器中固體的懸浮：反應器中固體的懸?。罕匾霓D速（必要的轉速（NminNmin）；必要的表觀

21、）；必要的表觀氣速氣速( (另外：表觀流速另外：表觀流速) )。第四節(jié)第四節(jié) 鼓泡淤漿床反應器鼓泡淤漿床反應器 7-7 7-7 鼓泡淤漿床反應器的流體力學鼓泡淤漿床反應器的流體力學： 一、流型：一、流型： * * 其基礎是氣液鼓泡反應器，其流型與之相同或接近。其基礎是氣液鼓泡反應器，其流型與之相同或接近。 ( (安靜鼓泡區(qū)、湍流鼓泡區(qū)、栓塞區(qū)安靜鼓泡區(qū)、湍流鼓泡區(qū)、栓塞區(qū)) ) 氣泡分散區(qū)、氣泡聚并區(qū)、節(jié)涌區(qū)氣泡分散區(qū)、氣泡聚并區(qū)、節(jié)涌區(qū) * * 氣液兩相分區(qū)圖能否適用，需視淤漿及分布器等系統氣液兩相分區(qū)圖能否適用，需視淤漿及分布器等系統具體情況而定。具體情況而定。7-7 7-7 鼓泡淤漿床反

22、應器的流體力學鼓泡淤漿床反應器的流體力學 二、固體完全懸浮的臨界氣速二、固體完全懸浮的臨界氣速ugcugc： 非常重要的操作參數。非常重要的操作參數。 * * Ugc=f Ugc=f（顆粒特性、固體濃度，液體特性、床層特性）；（顆粒特性、固體濃度，液體特性、床層特性）； 床層特性：床層直徑床層特性：床層直徑/ /分布器直徑，分布器類型及開孔率，分布器直徑，分布器類型及開孔率，有無導流筒等有無導流筒等 * * Ugc Ugc計算：關系式（計算：關系式（7-227-22）；）； 關聯圖：（關聯圖：（Csc/slCsc/sl）UgcUgc。 slsl：無氣泡兩相淤漿密度。：無氣泡兩相淤漿密度。 Cs

23、cCsc：無氣泡兩相淤漿固體完全：無氣泡兩相淤漿固體完全懸浮時臨界固體質量濃度。懸浮時臨界固體質量濃度。7-7 7-7 鼓泡淤漿床反應器的流體力學鼓泡淤漿床反應器的流體力學 三、氣含率（氣相分率）三、氣含率（氣相分率）GG： 反映占主導的氣泡尺寸與上升速度反映占主導的氣泡尺寸與上升速度表觀氣速表觀氣速ugug，GG； uLuL，LL，GG；對大顆粒固體：（對大顆粒固體：（dp100umdp100um）：）： 固含量固含量ss，GG； 對小顆粒固體：對小顆粒固體：SS，GG變化不明顯；變化不明顯；除床層直徑很小外，除床層直徑很小外，GG幾乎與床層直徑和靜止床高無關。幾乎與床層直徑和靜止床高無關。

24、 影響因素：影響因素：ugug，uLuL，LSGLSG GG關聯圖或式：關聯圖或式：GGugug；（；（7-247-24）。）。 (7-23)(7-23)氣液兩相鼓泡床關聯式，可用于三相淤漿床：以淤氣液兩相鼓泡床關聯式，可用于三相淤漿床：以淤漿密度漿密度slL slL 。7-7 7-7 鼓泡淤漿床反應器的流體力學鼓泡淤漿床反應器的流體力學 四、氣泡尺寸與分布：四、氣泡尺寸與分布： 氣泡的平均尺寸：氣泡的平均尺寸：SanterSanter平均值（體積平均值（體積- -表面積平均值）表面積平均值）dvsdvs關聯式或圖：（關聯式或圖：（7-267-26）；）；dvsdvsugug關系關系 氣液相界

25、面積：氣液相界面積：a=6G/ dvsa=6G/ dvs（7-277-27） a a球球=6 / dp=6 / dp7-8 7-8 鼓泡淤漿床反應器中的傳遞過程鼓泡淤漿床反應器中的傳遞過程 一、氣液界面的氣相容積傳質系數一、氣液界面的氣相容積傳質系數kGakGa：（：（7-287-28）；）； 二、氣液界面的液相傳質：（二、氣液界面的液相傳質：（kLkL、a a）、）、kLakLa； * * kL kL： (7-29)(7-29)；Sc=L /Sc=L /（L DLL DL）。）。 表征液體性質的表征液體性質的SchmidtSchmidt數（數（pr=Cp/pr=Cp/） * * kLa kL

26、a：湍流鼓泡區(qū)：湍流鼓泡區(qū)kLakLa關聯式（關聯式（7-337-33） kLakLa關聯式（關聯式（7-357-35）：）：UgUg，固含率，固含率kLakLa； )(000準準數數BEHuBSzts)(準準數數rRgrFgDuF 7-8 7-8 鼓泡淤漿床反應器中的傳遞過程鼓泡淤漿床反應器中的傳遞過程 三、液一固傳質系數三、液一固傳質系數ksks： * * ks ks關聯式：（關聯式：（7-417-41），（），（7-427-42）；）； Shp=ksdp/DL Shp=ksdp/DL （按顆粒直徑（按顆粒直徑dpdp計算的計算的SherwoodSherwood數），數）， res=Ebs dp4/vL3res=Ebs dp4/vL3（按（按dpdp并計入單位質量流體的能量耗散并計入單位質量流體的能量耗散速率速率EbsEbs的的KeynoldsKeynolds數）數）7-8 7-8 鼓泡淤漿床反應器中的傳遞過程鼓泡淤漿床反應器中的傳遞過程 四