第二章气液固三相反应工程概述.

1、LOGO气气- -液液- -固三相固三相反应工程反应工程本章内容本章内容气气-液液-固三相反应类型及宏观动力学固三相反应类型及宏观动力学1滴流床三相反应器滴流床三相反应器2机械搅拌鼓泡悬浮式三相反应器机械搅拌鼓泡悬浮式三相反应器3鼓泡淤浆床反应器鼓泡淤浆床反应器气气- -液液- -固三相反应类型固三相反应类型按反应物系的按反应物系的性质分性质分气体为惰性相的液气体为惰性相的液-固反应固反应空气起搅拌作用空气起搅拌作用液相为惰性相的气液相为惰性相的气-液液-固催化反应固催化反应液相作为热载体液相作为热载体固相是反应物或是产物的反应；固体为催化剂固相是反应物或是产物的反应；固体为催化剂而液相为反应

2、物或产物的反应（占大多数）而液相为反应物或产物的反应（占大多数）固体处于静固体处于静止的固定床止的固定床固体处于运固体处于运动的悬浮床动的悬浮床按床层中颗按床层中颗粒的运动状粒的运动状态分态分固定床气固定床气-液液-固三相反应器固三相反应器v 反应器中固体是静止不流动的。根据气流和液流的方向，反应器中固体是静止不流动的。根据气流和液流的方向，有三种操作方式：有三种操作方式：v 在不同的流动方式下，反应器中的流体力学、传质和传热在不同的流动方式下，反应器中的流体力学、传质和传热条件是不同的。条件是不同的。 气体和液体并流向下流动气体和液体并流向下流动并流向上流动并流向上流动逆流流动逆流流动v 滴

3、流床（或涓流床）反应器滴流床（或涓流床）反应器 向下流动，以一种很薄的液膜向下流动，以一种很薄的液膜 形式通过固体催化剂形式通过固体催化剂 以连续相以并流或逆流流动以连续相以并流或逆流流动 （通常是气流和液流并流向下流动）（通常是气流和液流并流向下流动）这种反应器对石油加工中的加氢反应特别有利。这种反应器对石油加工中的加氢反应特别有利。液体液体气体气体优点：优点： 在平推流下操作，可获得较高转化率在平推流下操作，可获得较高转化率; 液固比液固比(或液体滞留量或液体滞留量)很小，可使均相反应的影响降至最低很小，可使均相反应的影响降至最低; 液层很薄，使总的液层阻力比其它类型的三相反应器要小液层很

4、薄，使总的液层阻力比其它类型的三相反应器要小; 并流操作不存在液泛问题并流操作不存在液泛问题; 压降比鼓泡反应器小压降比鼓泡反应器小缺点：缺点： 在大型滴流床反应器中，低液速操作时液流径向分布不均匀。如在大型滴流床反应器中，低液速操作时液流径向分布不均匀。如沟流、旁路，可能引起固体催化剂润湿不完全，并且引起径向温沟流、旁路，可能引起固体催化剂润湿不完全，并且引起径向温度不均匀，形成局部过热，使催化剂迅速失活并使液层过量气化度不均匀，形成局部过热，使催化剂迅速失活并使液层过量气化; 催化剂颗粒不能太小，而大颗粒催化剂存在明显的内扩散影响，催化剂颗粒不能太小，而大颗粒催化剂存在明显的内扩散影响，组

5、分在液相中的扩散系数比在气体中的扩散系数低许多倍，催化组分在液相中的扩散系数比在气体中的扩散系数低许多倍，催化剂孔隙中充满着液相，内扩散的影响比气固相反应器更为严重剂孔隙中充满着液相，内扩散的影响比气固相反应器更为严重悬浮床气悬浮床气-液液-固三相反应器固三相反应器v 固体呈悬浮状态。 一般使用细颗粒固体，有多种型式1.机械搅拌悬浮式机械搅拌悬浮式2.鼓泡淤浆反应器（不带搅拌鼓泡淤浆反应器（不带搅拌的悬浮床，以气体鼓泡搅拌）的悬浮床，以气体鼓泡搅拌）3.三相流化床反应器（气三相流化床反应器（气-液两相液两相并流向上而颗粒不带出床外）并流向上而颗粒不带出床外）4.三相输送床（携带床）反应器气三相

6、输送床（携带床）反应器气-液液两相并流向上颗粒随液体带出床外两相并流向上颗粒随液体带出床外5.具有导流筒的内环流反应器（常用于生物具有导流筒的内环流反应器（常用于生物反应工程；用于湿法冶金中的浸取过程，反应工程；用于湿法冶金中的浸取过程，称为气体提升搅拌反应器或巴秋卡槽）称为气体提升搅拌反应器或巴秋卡槽）图2-2巴球卡槽示意图图2-3在空气-水-细颗粒系统中，实验研究气液固系统颗粒终端速度ut、液体流速uL及临界流化速度umf与液-固系统的颗粒终端速度ut和床层状态之间的关系v 存液量大，热容量大，悬浮床与传热元件之间的给热系数远大于存液量大，热容量大，悬浮床与传热元件之间的给热系数远大于固定

7、床。容易回收反应热量和控制床层等温，对于强放热多重反固定床。容易回收反应热量和控制床层等温，对于强放热多重反应且副反应是生成二氧化碳和水的深度氧化反应，可抑制其超温应且副反应是生成二氧化碳和水的深度氧化反应，可抑制其超温和提高选择性。和提高选择性。v 可以使用高浓度原料气，并且仍然控制在等温下操作，这在固定可以使用高浓度原料气，并且仍然控制在等温下操作，这在固定床气固相催化反应器中由于温升太大而不可能进行。床气固相催化反应器中由于温升太大而不可能进行。v 使用细颗粒催化剂，可以消除内扩散过程的影响，但由于增加了使用细颗粒催化剂，可以消除内扩散过程的影响，但由于增加了液相，增加了气体反应组分通过

8、液相的扩散阻力。易于更换、补液相，增加了气体反应组分通过液相的扩散阻力。易于更换、补充失活的催化剂，但又要求催化剂耐磨损。充失活的催化剂，但又要求催化剂耐磨损。v 使用三相流化床或三相携带床时，则存在液使用三相流化床或三相携带床时，则存在液-固分离的技术问题，固分离的技术问题，三相携带床存在淤浆输送的技术问题。三相携带床存在淤浆输送的技术问题。悬浮床三相反应器的特点：悬浮床三相反应器的特点：气气-液液-固三相反应的宏观动力学固三相反应的宏观动力学颗粒级颗粒级指在固体颗粒被液体包围而完全润湿的情况下，以固体为对象的宏观动力学，其中包括气-液相间、液-固相间和固体颗粒内部传质的宏观反应速率分为两个

9、层次分为两个层次床层级床层级是在颗粒宏观反应动力学的基础上，考虑三相反应器内气相和液相的流动状况对宏观反应过程的影响颗粒宏观反应动力学颗粒宏观反应动力学图2-4 三相反应器中气相反应物的浓度分布1.气相反应物从气相主体扩散气相反应物从气相主体扩散 到气到气-液界面液界面2.气相反应物从气气相反应物从气-液界面扩散液界面扩散 到液相主体到液相主体3.气相反应物从液相主体扩散气相反应物从液相主体扩散 到催化剂颗粒到催化剂颗粒4.颗粒催化剂同时进外表面行颗粒催化剂同时进外表面行 反应和内扩散反应和内扩散5.产物从颗粒外表面扩散到液产物从颗粒外表面扩散到液 相主体相主体6.产物从液相主体扩散到气产物从

10、液相主体扩散到气-液液 界面界面7.产物从气产物从气-液扩散到气相主体液扩散到气相主体宏观反应过程由以下过宏观反应过程由以下过程构成：程构成：v 上述过程中没有考虑到液相主体中的混合和扩散过程。显上述过程中没有考虑到液相主体中的混合和扩散过程。显然，它是以气然，它是以气-液传质的双膜理论为基础的；液传质的双膜理论为基础的； v 气相反应物气相反应物A从气相主体扩散到催化剂颗粒外表面的各个从气相主体扩散到催化剂颗粒外表面的各个过程中的浓度分布见图过程中的浓度分布见图2-3；下面以催化剂的质量为基准，来表示各传递步骤的速率。下面以催化剂的质量为基准，来表示各传递步骤的速率。当过程达到定态时，各步骤

11、速率相等。当过程达到定态时，各步骤速率相等。（2-1） : : : :（2-4）（2-3）（2-2）*ALAAGCHCAGOGAACKRN)()1111(1wSSALLALGAAAOGkakakaKHHK在气在气-液相界面处气液达相平衡，由亨利定律得液相界面处气液达相平衡，由亨利定律得:消去各中间浓度，消去各中间浓度， 得得:则：则： 以上各式中以上各式中： KOG:气相组分的总传质系数或宏观反应速率常数 (-RA):宏观反应速率kmol/(kgh) aL:单位质量催化剂所具有的气液相传质面积m2/kgaS:单位质量催化剂所具有的液固相传质面积m2/kg :催化剂内扩散有效因子 HA:亨利常数

12、（气液相平衡常数）无因次kGA：以浓度为推动力的组分A的气相传质分系数m/h kLA:气-液相间组分A的液相传质分系数m/h kSA:液-固相间组分A的液相传质分系数m/hkw:以单位质量催化剂为基准的本征反应速率常数m3/(kgh)v 对于非一级反应，总体速率难以用类似式对于非一级反应，总体速率难以用类似式(2-4)的表达式，的表达式，但式但式(2-1)的串联过程总是成立的。的串联过程总是成立的。 某些极限情况下式某些极限情况下式(2-4)可表示如下可表示如下:)111(1wSSALLAAOGkakakHK)111(1wSSALGAAAOGkakaKHHK)111(1wLLALGAAAOGkakaKHHK)1111(1wSSALLALGAAAOGkakakaKH