化學(xué)反應(yīng)工程 第八章 氣-液-固三相反應(yīng)及反應(yīng)器

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

2、反應(yīng)：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(gè)反應(yīng)相，第三個(gè)是惰性相：液相為惰性相的氣—固催化反應(yīng)，液相作為傳熱介質(zhì)，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(yīng)，氣體起攪拌作用，例如硫酸分解硫鐵礦槽式反應(yīng)釜內(nèi)用空氣攪拌。,4,,工業(yè)上采用的氣—液—固反應(yīng)器按床層的性質(zhì)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(yīng)器,——涓流床（滴流床反應(yīng)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(diǎn)——在活塞流條件下操作，催化劑充分濕潤，可獲得高轉(zhuǎn)化率。液固比(或液體滯留量)很小，可使均相反應(yīng)的影響降至最

4、低；涓流床反應(yīng)器中液膜很薄，總的液膜阻力比其他類型三相反應(yīng)器要??；并流操作的涓流床反應(yīng)器不存在液泛問題；壓降比鼓泡反應(yīng)器小。缺點(diǎn)——大型涓流床反應(yīng)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(nèi)擴(kuò)散影響；軸向溫升，可能飛溫。,7,懸浮床氣—液—固反應(yīng)器,①機(jī)械攪拌懸浮式；②淤漿床鼓泡反應(yīng)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(yīng)

5、器；④三相攜帶床反應(yīng)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(yīng)器；⑤具有導(dǎo)流筒的內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器。,8,——具有導(dǎo)流筒的內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器常用于生化反應(yīng)工程。——若用于濕法冶金中的浸取過程，稱為氣體提升攪拌反應(yīng)器或巴秋卡槽。,9,10,氣—液—固三相反應(yīng)的宏觀動力學(xué),氣-液-固三相反應(yīng)宏觀動力學(xué)分顆粒級的宏觀動力學(xué)和床層級的宏觀動力學(xué)二個(gè)層次?！w粒宏觀動力學(xué)，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(xué)，其中包括氣—液相間、液—固相間傳質(zhì)過程和固體顆粒內(nèi)部反應(yīng)—傳質(zhì)耦合過程的宏觀反應(yīng)速率?！矊雍暧^動力學(xué)，是在顆粒宏觀反應(yīng)動力學(xué)的基礎(chǔ)上，考慮三相反應(yīng)器內(nèi)氣相和液相的流動狀況對宏觀反應(yīng)過程的影響。,11,顆粒宏觀反應(yīng)動力學(xué),①氣相反應(yīng)物從氣相主體擴(kuò)散到氣-液界面；②氣相反應(yīng)物從氣—液界面擴(kuò)散到液相主體；③氣相反應(yīng)物從液相主體擴(kuò)散到催化劑顆粒外表面；④顆粒催化劑內(nèi)同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)和內(nèi)擴(kuò)散的宏觀反應(yīng)；⑤產(chǎn)物從

7、催化劑顆粒外表面擴(kuò)散到液相主體；⑥產(chǎn)物從液相主體擴(kuò)散到氣—液界面；⑦產(chǎn)物從氣—液界面擴(kuò)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(kuò)散過程，以氣—液間傳質(zhì)的雙膜論為基礎(chǔ)。1、等溫條件下，包括—個(gè)氣態(tài)反應(yīng)物的一級不可逆催化反應(yīng)，液相是惰性介質(zhì)。,13,14,15,床層宏觀反應(yīng)動力學(xué),16,涓流床三相反應(yīng)器,1、氣、液并流向下通過固定床的流體力學(xué)(1)氣，液穩(wěn)定流動區(qū)——當(dāng)氣速較低時(shí)，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)——?dú)馑龠M(jìn)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(dá)到一定程度后，形成分散鼓泡區(qū)。這時(shí)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(guān)。液體流速越大，越易形成脈沖區(qū)與鼓泡區(qū)。,18,持液量,——內(nèi)持液量Hi：顆粒的

9、孔隙率越大，則內(nèi)持液量越大，內(nèi)持液量一般為0.3—0.5?！o持液量Hs：是液體不流動時(shí)，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(guān)，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(shí)關(guān)閉氣、液進(jìn)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(yīng)器中的傳遞過程,22,23,涓流狀態(tài)下液—固相間傳質(zhì)系數(shù),24,涓流床中

10、的傳熱,25,機(jī)械攪拌鼓泡懸浮三相反應(yīng)器,利用機(jī)械攪拌的方法使催化劑保持懸浮狀態(tài)，有較高的傳質(zhì)和傳熱系數(shù)，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(jī)械攪拌懸浮三相反應(yīng)器分為壓力布?xì)馐胶妥晕絻煞N。,26,27,機(jī)械攪拌鼓泡反應(yīng)器中固體的懸浮,泛速——攪拌鼓泡懸浮反應(yīng)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(shí)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(yīng)器,或稱為鼓泡淤漿反應(yīng)器(Bubble Column Slurry Reactor，BCSR)。優(yōu)點(diǎn)：(1)使用細(xì)顆粒催化劑，充分消除了大顆粒催化劑粒傳質(zhì)及傳熱過程對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)收率及選擇率的影響。(2)反應(yīng)器內(nèi)液體滯留量大，熱容量大，具有全混性質(zhì)，容易移走反應(yīng)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(chǎn)生燒結(jié)。,30,缺點(diǎn)：(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(zhì)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(yīng)器中的宏觀反應(yīng)速率。,31,淤漿床鼓泡反應(yīng)器的流體力學(xué),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(shè)計(jì)、顆粒特性及床層尺寸等因素有關(guān)。 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?zé)沾砂?，?dāng)表觀氣速達(dá)0.05一0.08m/s時(shí)，仍為安靜鼓泡區(qū)，當(dāng)多孔板孔徑超過1mm時(shí)，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(shí)的臨界氣速,33,34,35,36,37,38,三相流化床反應(yīng)器,三相流化床反應(yīng)器的流體力學(xué),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(tuán)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(zhì)有關(guān)。,39,40,三相流化床的液體臨