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1、气液固三相反应器,内容提要,1、三相反应器的分类及特点,2、三相反应器的动力学特征,3、滴流床反应器的设计计算,一、气-液-固三相反应器的类型及基本特征,按反应物系的性质分：,1.固体或是反应物或是产物的反应,2.固体为催化剂而液相为反应物或产物的气-液- 固反应,3.液相为惰性相的气-液-固催化反应,按床层的性质分：,1.固定床气-液-固三相反应器,2.悬浮床气-液-固三相反应器,（一）固定床气-液-固三相反应器,固体在床内固定不动。随两流体流动方向又可以分为三种方式操作，即气体和液体并流向下，气体和液体逆流 ，气体和液体并流向上（通常是液体向下流动，气体向上流动）如下图所示：,图9-1 固
2、定床气-液-固反应器类型 （a）流体并流向下流动的固定床；（b）流体逆流流动的固定床；（c）流体并流向上流动的固定床,滴流床反应器,1.气体在平推流条件下操作，液固比（或液体滞留量）很小，可使均相反应的影响降至最低，气-液向下操作的滴流床反应器不存在液泛问题； 2.滴流床三相反应器的压降比鼓泡反应器小。,优点：,缺点：,1.在大型滴流床反应器中，低液速操作的液 流径向分布不均匀，并且引起径向温度不均匀，形成局部过热，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，由于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，内扩散的影响比气-固相反应器更为严重； 2.可能存在明显的轴向温升，
3、形成热点，有时可能飞温。,（二）悬浮床气-液-固三相反应器,固体在气液混合物中呈悬浮状态，这样操作状态的反应器为气-液-固悬浮反应器。气-液-固悬浮反应器可以按有无机械搅拌、流体流向、颗粒运动状态等进行分类。大体可以分为： 机械搅拌悬浮式； 不带搅拌的悬浮床气-液-固反应器，以气体鼓泡 搅拌，又称为鼓泡淤浆反应器； 不带搅拌的气-液两相流体并流向上而颗粒不带 出床外的三相流化床反应器； 具有导流筒的三相环流反应器。,机械搅拌鼓泡悬浮式三相反应器及特征,利用机械搅拌的方法使催化剂或固体颗粒保持悬浮状态，它有较高的传质和传热系数，对于三相催化反应和含高粘度的非牛顿型流体的反应系统尤为合适。 通过剧
4、烈搅拌，催化剂悬浮在液相中，气体和颗粒催化剂充分接触，并使用细颗粒催化剂，可提高总体速率。 该类反应器操作方便且运转费用低，工业上常用于油脂加氢、有机物的氧化等过程，采用半间歇操作方式，气相连续通入反应器，被加工的液相达到一定的转化率后，停止反应并卸料。 对于机械搅拌悬浮反应器，要注意： 1.颗粒悬浮的临界转速； 2.允许的极限气速。,鼓泡淤浆床三相反应器,鼓泡淤浆床反应器（Bubble Column Slurry Reactor,简称BCSR）的基础是气-液鼓泡反应器，即在其中加入固体，往往文献中将鼓泡淤浆床反应器与气-液鼓泡反应器同时进行综述。,鼓泡淤浆床三相反应器,持液量大，具有良好的
5、传热、传质和混合性能，反应温度均匀，反应器中无热点存在，对强放热反应，也不会发生超温现象； 采用很细的催化剂颗粒（10100m），催化剂内外的传递阻力均较小，即使对快速反应，效率因子也能接近1，能充分发挥催化剂的作用； 对活性衰减迅速的催化剂，可方便地排出或更换催化剂； 可内置和外置冷却设施，方便地排除反应热 。,优点：,缺点：,为从液相产物中分离固体催化剂，常需附设装置费用昂贵的过滤设备； 液相连续操作时返混大，流型接近于全混流，要达到高转化率，常需要几个反应器串联； 液固比高，当存在均相副反应时，会使副反应增加； 催化剂颗粒会造成搅拌浆、循环泵、反应器壁的磨损。,气-液并流向上三相流化床反
6、应器,三相流化床反应器是在液-固流化床的基础上，自下而上通入气体，即一般采用气-液并流向上的操作方式。,左图是典型的氢-煤法三相流化床反应器装置简图，反应温度450左右，压力20MPa。,三相环流反应器是在进行气-液两相反应的环流反应器中添加固体颗粒的三相反应器，广泛应用于生物反应工程、湿法冶金、有机化工、能源化工及污水处理工程,三相环流反应器用于湿法冶金中的浸取过程时，称为气体提升反应器或巴秋卡槽，见左图示：,三相环流反应器,巴秋卡槽示意图,二、气-液-固三相反应的宏观反应动力学,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反应动力学。 固体反应物颗粒内的反应模型可采用颗粒大小
7、不变或颗粒缩小的缩芯模型，颗粒外先考虑一层液相，外面再为气相，因此，除计及液-固相界面传质外，还要考虑气-液相之间的传质过程。,1、颗粒宏观反应动力学,三相反应器中气相反应物的浓度分布,1气相全体； 2气膜； 3液膜(气-液间)； 4液相主体； 5液膜(液-固间)； 6固体催化剂,讨论在等温条件下，包括一个气态反应物的一级不可逆催化反应，液相是惰性介质的基本情况。在此情况下，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过程中的浓度分布见下图。,催化剂内的扩散-反应过程速率,向催化剂外表面传质,向液相主体传质,向气-液界面传质,模型以单颗粒催化剂或固体反应物为基础，总体速率rA,g为单位床
8、层体积内气相反应物A的摩尔流量的变化，即kmol/（m3h）。而单位床层体积内的颗粒外表面积为Se，m2/m3床层，Se即液-固相传质面积；单位床层体积内气-液传质面积为a，m2/m3床层。定态情况下，若催化剂内进行一级不可逆反应，下列串联过程的速率均等于三相过程的总体速率，即：,上述颗粒宏观反应动力学模型是以气-固相宏观反应动力学为基础，再计入双膜论的气-液传质过程组合而成的。,气-液相界面的相平衡：,令,则,kAG是以浓度为推动力的组分A的气相传质分系数，m/h； kAL是气-液相间组分A的液相传质分系数，m/h； kAS是液-固相间组分A的液相传质分系数，m/h； w是以每kg催化剂为基
9、准的本征反应速率常数,m3/(kgh)； sw是每m2颗粒外表面积所相应的每m3床层的催化剂质量， kg/m2； cAg、cAig、cAiL、cAL和cAS分别是组分A在气相主体中、气-液界面气相侧、气-液界面液相侧、液相主体中和颗粒外表面上的浓度，kmol/m3； KGL是量纲为的气-液相平衡常数； kT是以催化剂颗粒外表面积和气相主体中反应物A浓度计算的总体速率常数，m/h， 是内扩散有效因子。,不存在气膜传质阻力，kAG时 不存在气-液界面处液膜传质阻力，kAL时 不存在液-固界面处液膜传质阻力，kAS时 催化剂内扩散有效因子趋近于1，1时,某些极限情况下：,2、床层宏观反应动力学,床层
10、宏观反应动力学在考虑颗粒宏观反应动力学的基础上计及气相和液相在三相反应器中流动状况的影响，因而与反应器的类型有关。,从整个床层横截面看，液体的流动状况又是不均匀的，近器壁处液体的局部流速与中心处不同。应当设计一个良好的液体分布器使液体均匀地进入床层。工程设计时一般以计及颗粒催化剂内扩散过程的总体速率为基础，将颗粒的有效润湿率和颗粒外气-液相间和液-固相间传递过程综合成为“外部接触效率”，滴流床三相反应器中气相和液相都可看作平推流。 在鼓泡淤浆床、三相流化床反应器中，一般液相是连续相，气相呈鼓泡状分散在液相中，要求固体均匀地分散在液相中并且气泡细小，增大气-液接触面积和均匀分散是三相反应器良好操
11、作的前提，因此，需要研究三相反应器中固体颗粒悬浮且均布的条件、气含率、气-液接触面积、气体均匀分布及液相和气相的返混等流体力学问题。这些都与三相床的类型、流动状态、操作条件、气体分布器设计等因素有关，并且也都不同程度地影响床层宏观反应动力学。,三、滴流床反应器的设计计算,1、平推流模型计算 （滴定床反应器大多情况下多为平推流） 数学模型 （1）条件假定 两相平推流，且处于滴流区，气体和液体在床层内分布均匀； 固体颗粒完全润湿，液体不挥发 气液固三相温度相等，不随反应位置变化； 反应产物速率对A，B均为一级。 （2）模型建立 设滴流床内由气相组分A和液相组分B进行反应，若不计气膜的扩散、 阻力，
12、对气相中组分A的物料衡算：,轴向浓度变化项 = 气相A组分传入的液体项：,对液相A作物料衡算：,轴向浓度变化项 = A组分传入固体颗粒项 + 气相传入液相项,（1）,（2）,对液相B组分作物料衡算：,（3）,对气相中组分A的物料衡算：,在定常态时，单位时间由液相主体向催化剂表面传递的物质 量，应等于单位时间在催化剂表面上的反应量：,（4）,（5）,（1）（5）式为滴流床反应器的设计方程。边界条件：,对上述方程积分并联合求解，可以计算催化剂床层高度,为气相平衡的液体中组分A的浓度kmol/m3,（1）,宏观速率,数学模型 对A物料衡算（忽略气膜阻力）,式中：,C L A*,2、活塞流模型计算,由于液相中为全混流，液相中组分A的浓度应不变，对（1）式积分：,注：,（2）,为反应器进口气体中组分A的浓度，kmol/m3,L R,(C AG )0,为反应器进口至出口长度，m,对液相中反应物组分B作物料衡算（假设B组分不挥发）：,（4）,对反应器内组分A作物料衡算，假定在进口液体中不含A组分时：,（3）,（6）,由公式（1）（6）为机械搅拌釜淤浆反应器的设计方程，将这些方程联立求解，可求出反应器的有效容积,V R,（5）,在液固相界面处，则有下列衡算关系,谢谢,
