第六章气液固三相反应器和反应器分析

2．气-液-固悬浮三相反应器
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：
（1）机械搅拌的气-液-固悬浮反应器； （2）不带机械搅拌的鼓泡三相淤浆反应器； （3）不带机械搅拌的两流体并流向上的流化床反应器； （4）不带搅拌的两流体并流向上带出固体颗粒的三相携带床反应器； （5）具有导流筒的鼓泡式的内环流反应器。
（2）流型主要取决于气相和液相的流速及它们的相对流 向、流体的性质及气液两相的分布器结构和尺寸、固体的 性质和大小以及固体物的浓度、反应器的长度和直径、有 无搅拌、搅拌方式和搅拌器的结构及搅拌强度等；
（3）流体在反应器内轴向和径向上的均匀性，对反应器 性能有很大影响；
（4）过程可以通过测定各个流素停留时间分布描述各流 素的流动与混合状态。然后用适宜的流动模型模拟，并求 相应的模型参数，如多级全混流的釜数N或轴向、径向 Peclet准数Pez，Per。
1．固定床气-液-固反应器，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， 气体和液体并流向下 ，并流向上流动和逆向流动（通常是液 体向下流动，气体向上流动）见图7.1。
图7.1 固体固定型三相反应器
液体从上而下，以很薄的膜状通过固体颗粒的固定床，连续 气体以并流或逆流的形式通过床层并与液固两相接触，正常情况 下，两流体是并流向下通过固体颗粒如图7.1（a）为滴流床。
7.1.3 气-液-固反应过程研究所涉及的模型和参数
气液固反应过程，同样涉及到化学动力学，各相的流动 与混合状况，相间的质量、热量、动量传递等。由于相的增 加，物料流动与混合、质量、热量、力量传递过程要比两相 复杂，它涉及更多的参数。
1．流动模型及相关参数 （1）反应器的流动模型决定了三相间的传递特性，决定 了反应器尺度上的物料、温度、浓度和压力分布；
第七章 气液固三相反应器和反应器分析
7.1 概述
7.1.1 气液固三相反应类型 按处理物料的性质主要有下列类型
(1) 气体、液体、固体或是反应物或是产物的反应； (2) 固体为催化剂的气-液-固三相反应； (3) 两个反应相，第三个是惰性相。
7.1.2 气液固反应器类型
工业气-液-固反应器按固体颗粒与流体接触状况可 以 分为固定床和悬浮床两类。
图7.2 固体悬浮型淤浆反应器
一般情况下，这两种反应器多用于半连续半间歇操作；液体 和固体一次加入反应器，气体连续通入。
淤浆床反应器的优点： （1）持液量大，具有良好的传热、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； （2）采用很细的催化剂颗粒（10~100μm），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， 即使液体流量很小也容易实现均匀分布； （2）催化剂微孔易于完全充满液体，有利于提高催化剂的效率因子； （3）液体对催化剂的冲刷作用强，能延缓催化剂失活，延长操作周期； （4）气液相间的传质系数较大。
缺点 （1）因存在较大返混，使转化率下降； （2）必须采取适当的机械措施固定催化剂，否则会造成床层流态化 带走催化剂； （3）流动阻力大，气相反应物分压沿床高会明显下降； （4）气相反应物向催化剂表面传递阻力较大； （5）均相副反应量越大。
滴流床反应器的缺点 （1）传热能力差，容易引起催化剂床层局部过热，造成催化剂
容易失活，或由于液膜过量汽化，使部分催化剂不能发挥用； （2）液流速率低时，可能由于液体分布不均匀（如短路、沟流等）
导致部分催化剂未被润湿，影响反应效果； （3）为避免床层流动阻力过高，催化剂颗粒不能太小，通常
4~10mm， 在反应速率较快时，会由于内扩散影响而导致催化剂 效率因子低下；
（4）当催化剂由于积炭，中毒而失活时，更换催化剂不方便。
图7.1（b）适应于当气相反应物浓度较低，而又要求气相组分达到 较高转化率时的情况，逆流操作有利于增大过程的推动力。但同时 会增加气相流动阻力，当气液两相的流速较大时，还可能出现液泛。
图7.1（c）为气液并流向上的填料鼓泡塔反应器，持液量大，液相 和气相在反应器中混合好，液固间的传热性能好，适用于反应热效 应较大、反应速率快、传热要求高的场合。这种反应器有以下优缺 点：
滴流床反应器的优点： （1）气液流型接近于平推流，返混小，在单个反应器中可以达 到高的转化率； （2）持液量（即液固比）小，当伴有均相副反应时，可使其影 响降低到最低； （3）催化剂表面的液膜很薄，气相反应物穿过液膜扩散到催化 剂表面的阻力小； （4）采用气液并流向下操作时，不从在液泛问题。气相流动阻 力小，在整个反应器内气相反应物分压均匀，且可降低气体输 送的能耗 。
（3）对活性衰减迅速的催化剂，可方便地排出或更换催化剂； （4）可内置和外置冷却设施，方便地排除反应热 。 缺点： （1）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； （2）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； （3）液固比高，当存在均相副反应时，会使副反应增加； （4）催化剂颗粒会造成搅拌浆、循环泵、反应器壁的磨损。
2．本征动力学 大 多 数 反 应 系 统 ， 可 用 幂 函 数 表 达 式 或 用 Langmuir-
Hinshelwood模型，表达本征动力学。对实验数据拟合，并求得 动力学参数。对于催化反应，必须要有催化剂失活的动力学及 动力学参数。 3．气液、液固的传质、传热
图7.2（a）机械淤浆反应器中的催化剂颗粒通常小于1mm，随 液相反应物一起排出，该反应器适用于三相反应过程的开发研 究阶段及小规模生产。
图7.2（b）鼓泡塔淤浆反应器借助于气流鼓泡作用使固体颗粒 悬浮于液相中，由于不同搅拌作用颗粒悬浮与分散，混合的动 力，更适宜于大规模生产中使用。在作为槽式反应器时，三相 均可近似按全混流，当高径比大时，如高径比大于8~10时，两 流体可近似按平推流。