气液相反应器基本类型与结构

6.1.2 气液相反应器基本类型与结构

1.气液相反应器的基本类型

气液相反应器按气液相接触形态可分为：

（1）气体以气泡形态分散在液相中的鼓泡塔反应器、搅拌鼓泡釜式反应器和板式反应器；

（2）液体以液滴状分散在气相中的喷雾、喷射和文氏反应器等；

（3）液体以膜状运动与气相进行接触的填料塔反应器和降膜反应器等。

(a) (b) (c) (d) (e) (f)

(g)

气液相反应器的主要类型示意图

(a)填料塔反应器；（b）板式塔反应器；（c）降膜反应器；（d）喷雾塔反应器；（e）鼓泡塔反应器；（f）搅拌鼓泡釜式反应器；（g）喷射或文氏反应器

2.气液相反应器的特点

(1)鼓泡塔反应器（图片）

特点：a.气相既与液相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率；

b.鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于高压时也无困难。

c.鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚并，故效率较低。

应用：这类反应器适用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。

(2)填料塔反应器（图片）

特点：a.液体沿填料表面下流，在填料表面形成液膜而与气相接触进行反应，故液相主体量较少。

b.填料塔反应器气体压降很小，液体返混极小，是一种比较好的气液相反应器。

应用：适用于瞬间、界面和快速反应。

（3）板式塔反应器（图片）

特点:a.板式塔反应器中的液体是连续相而气体是分散相，借助于气相通过塔板分散成小气泡而与板上液体相接触进行化学反应；

b.能在单塔中直接获得极高的液相转化率；

c.板式塔反应器的气液传质系数较大，可以在板上安置冷却或加热元件，以适应维持所需温度的要求；

d.但是板式塔反应器具有气相流动压降较大和传质表面较小等缺点。

应用：板式塔反应器适用于快速及中速反应。

(4)膜反应器（图片）

特点：a.通常借助管内的流动液膜进行气液反应，管外使用载热流体导入或导出反应热。

b.降膜反应器还具有压降小和无轴向返混的优点。

c.由于降膜反应器中液体停留时间很短，

d.降膜管的安装垂直度要求较高，液体成膜和均匀分布是降膜反应器的关键，工程使用时必须注意。

应用：降膜反应器可用于瞬间、界面和快速反应，它特别适用于较大热效应的气液反应过程；不适用于慢反应；也不适用于处理含固体物质或能析出固体物质及粘性很大的液体。

（5）喷雾塔反应器（图片）

特点：a.液体以细小液滴的方式分散于气体中，气体为连续相，液体为分散相，

b.具有相接触面积大和气相压降小等优点。

c.具有持液量小和液侧传质系数过小，气相和液相返混较为严重的缺点。

应用：适用于瞬间、界面和快速反应，也适用于生成固体的反应。

（6）搅拌鼓泡釜式反应器（图片）

特点：a.反应器内气体能较好地分散成细小的气泡，增大气液接触面积。

b.反应器内液体流动接近全混流，同时能耗较高。

应用：搅拌釜式反应器适用于慢反应，尤其对高粘性的非牛顿型液体更为适用。

(7)高速湍动反应器（图片）

喷射反应器、文氏反应器等属于高速湍动接触设备。

特点：气膜传递过程的速率大，因而获得很高的反应速率。

应用：它们适用于瞬间反应。

几种常用的气液相反应器的特性参数。

型式反应器液含率

低持液量填料塔1200 100 0.08 板式塔1000 150 0.15 喷淋塔1200 60 0.05

高存液量鼓泡塔20 20 0.98 搅拌釜200 200 0.90

3、工业生产对气液相反应器的选用要求

(1)具备较高的生产能力

在一般情况下，当气液相反应过程的目的是用于生产化工产品时，应考虑选用填料塔；如果反应速率极快可以选用填料塔和喷雾塔；如果反应速率极快，同时热效应又很大，可以考虑选用膜式塔；如果反应速率极快而处于气膜控制时，以选用喷射和文氏反应器等高速湍动的反应器为宜；如果反应速率为快速或中速时，宜选用板式塔；对于要求在反应器内能处理大量液体而不要求较大相界面积的动力学控制过程，以选用鼓泡塔和搅拌釜式反应器为宜；对于要求有悬浮均匀的固体粒子催化剂存在的气液相反应过程，一般选用搅拌釜式反应器。

(2）有利于反应选择性的提高

反应器的选型应有利于抑制副反应的发生。如平行反应中副反应较主反应为慢，则可采用持液量较少的设备，以抑制液相主体进行缓慢的副反应的发生；如副反应为连串反应，则应采用液相返混较少的设备（如填料塔）进行反应，或采用半间歇（液体间歇加入和取出）反应器。

(3）有利于降低能量消耗

反应器的选型应考虑能量综合利用并尽可能降低能耗。若气液反应在高于室温进行，则应考虑反应热量的回收；如气液反应在加压进行，则应考虑压力能量的综合利用。除此之外，为了造成气液两相分散接触，需要消耗一定的动力。研究表明：就造成比表面积而言，喷射反应器能耗最少，其次是搅拌釜式反应器和填料塔反应器，而文氏管和鼓泡反应器的能耗更大些。

（4）有利于反应温度的控制

气液相反应绝大部分是放热的，因而如何移热防止温度过高是经常碰到的实际问题。当气液相反应热效应很大而又需要综合利用时，降膜反应器是比较合适的。除此之外，板式塔和鼓泡反应器可借助于安置冷却盘管来移热。但在填料塔中，移热比较困难，通常只能提高液体喷淋量，以液体显热的形式移除。

（5）能在较少液体流率下操作

为了得到较高的液相转化率，液体流率一般较低，此时可选用鼓泡塔、搅拌釜和板式塔反应器，但不宜选用填料塔、降膜塔和喷射型反应器。例如，当喷淋密度低于3m3/(m2·h)时，填料就不会全部润湿，降膜反应器也有类似的情况，喷射型反应器在液气比较低时将不能造成足够的接触比表面。

二、喷雾塔结构和特点

结构包括塔体、气体分布器、雾化器、液体在分布器及自控仪表元器件等。

本塔特点：

1．不用填料及气液交换塔盘，系统阻力小，降低了风机功率，节约能耗；

2．采用雾化器，雾化喷嘴将液体完全雾化，气液交换面积大，吸收、净化充分；

3．因无填料免去了填料堵塞烦恼，省去了更换填料及维护的费用。同时也减轻了塔体的重量，使安装及基础变得简单化，节约了投资。

4．在塔内增加液体再分布器, 避免了塔内的“干锥体”(即塔中心空)现象，使吸收更充分。

三、工作原理

气液喷雾塔可作为气体吸收时需要进行除尘或吸收过程中液相内生成的场合，同时也可以降低气体温度。烟气从塔的下部进入，30%硫酸从塔顶向下喷淋，此时烟气经过硫酸喷淋，其中的三氧化硫被硫酸吸收，同时也使烟尘与气体脱离，烟气由塔顶出去，硫酸和烟尘由塔底流出。