气液相反应器及其放大注意事项

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鼓泡塔—强化传热与传质
增加导流 筒
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增加多孔水平挡板
增加填料
3 气液反应器的选型
不同气液反应器的特点主要反映在液相体积分率ε1（单位反应器 有效体积中的液体量）的大小，以及单位液相体积的传质界面a的大 小。
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表6.1 气液反应器的主要传递性能指标
• Hatta数是决定气液反应器选型的主要参数 。 • 当Ha>3时，反应为快速反应或飞速反应， 反应在液膜内或相界面上完成，在液相主 体中，组分的浓度为零。 反应器的生产强度与相界面积成正比。因此 ，对这类反应应选用相界面积大的反应器 ，如填料塔、喷洒塔，当反应速率较慢， 要求较长的液相停留时间时，也可选用板 式塔。
应根据反应热的计算,温度控制的要求,气液相的流体力学条件来进行总传热系数的计算, 最后结合实际情况来正确决定换热元件的型式,大小和位置。
Hale Waihona Puke 23显然,若能对所述诸点均能正确考虑,对该气液反应的物理与化学的实质有一 确切认识的话 ,就能对该过程用数学方程的形式来加以描述,从而进行数学模拟放大。但是往往由于这 一 简化的“双膜理论”的基本假定与实际现象存在较大的差异,并且实际的反应机构又非常 复杂 ,这样就会在基于实验室数据来进行放大的过程中出 现所谓的“放大效应” ,因此,在工程 放 大过程中,应尽量减小或避免这一“放大效应”。
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可用“双膜理论”及反应动力学来确定液相反应发生的地方(相界面、液膜、液相主体),以 便 合理地选定气液比相界面,同时还必须考虑界面及液相主体的流动状况,气液相的混合机 构以及停留时间分布等重要因素。
必须知道气相到液相的扩散速度及其化学反应的动力学速度。比如当液体成滴状分散在气 相中，气相传质系数KG高，液相传质系数KL低。如果气体以气泡状态分散于液体时，则液 相传质系数KL高，而气相传质系数KG低。
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（1）填料反应器（packed column reactor)
G L
用于气液反应时，也可以并流操作
G 8 L
填料塔
• 工作原理：逆流操作时，气体自塔底进 入，在填料间隙中向上流动；液体自塔 顶加入，通过液体分布器均匀喷洒于整 个塔截面上。液体在填料表面形成液膜 ，液膜向下流动时传质表面被不断更新 。 • 液体分布器：液体沿乱堆填料向下流动 时，沿塔壁流动的液体逐渐增多，称为 壁流现象。当填料层较高时，宜隔一定 距离重新设置液体再分布器，使液体重 新均匀分布，改善气液接触。 9
（2）板式反应器(tray column reactor)
G L
G 11 L
板式塔
• 工作原理：操作时液 体在重力作用下，自 上而下依次流过各层 塔板，至塔底排出， 气体在压力差推动下 ，自下而上穿过各层 塔板，至塔顶排出。 每块塔板上保持着一 定高度的液层，气体 以气泡形式分散于液 层中。
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2 气液反应器的类型
型气 ，液 常反 见应 的器 有有 ：许 多 类
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6
按气液接触方式，反应器可分为： 1、液膜型：如填料塔、湿壁塔。 连续相：液体（呈膜状），气体 2、气泡型：如鼓泡塔、板式塔、通气搅拌釜。 连续相：液体 分散相：气泡 3、液滴型：如喷洒塔、喷射反应器、文丘里反应器。 连续相：气体 分散相：液滴
（3）鼓泡反应器(bubble column reactor)
G 空心式 L 多段式 环流反应器： 气提式：内环流，外环流 液喷式： G 14
L
鼓泡塔
• 工作原理：其基本形式为空塔， 塔内充满液体，气体从底部经分 布板或喷嘴以气泡形式通过液层 ，气相中的反应物溶入液相并进 行反应。 • 优点：结构简单、无运动部件， 对加压反应和腐蚀性物系均可使 用。单位体积持液量大，相界面 积小，适用于慢反应和强放热反 应体系。 • 缺点：液相返混大，在高径比较 大时，气泡合并速度明显增加， 15 相际接触面积迅速减小。
板式塔
• 优点：
①单位体积的气液相界面积、气液传质系数和持液 量均较填料塔大。
②板式塔的液体流率和停留时间均可在较大范围内 变动，适用于气体流量高，液体流量低，以及需 要反应时间较长的场合。 ③板式塔中每块板上都可设置换热管以提供或移除 反应热。 • 缺点：板式塔结构较复杂，气体流动阻力较大。
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首先应根据气液反应中传质与反应过程各自的特点来进行选型,并确定相应的操作方 式(连 续 或 半 连续 操 作)。
1) 气/液比大的情况。当伴有快速反应,且过程阻力主要在气膜传质方面,则应选用气相为 连续相,湍动程度较高而相界面大的喷雾塔、填料塔型式。而在气相中被吸收组份的 浓 度很高,反应又快,过程属液膜控制时,液 体容量将显得重要,应选用液相为连续相, 湍动较大,利于液相传质而相界面大的板式塔、泡罩塔型式。 2 )液 /气比很大的情况。当反应速度慢,而过程属液膜控制,且液相中返混的影响可以不计 时,应选用液相为连续相,液体容量大而相界面小的鼓泡塔、鼓泡搅拌釜型式。
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（2）有利于反应选择性的提高 平行副反应：如主反应快于副反应，则采用储液 量较少的反应设备 连串副反应：返混较少的反应器，或半间歇 （3）有利于降低能量消耗 反应热的回收，压力能的回收，分散液体所需要的动力。 （4）有利于反应温度的控制 降膜、板式塔、鼓泡塔：易；填料塔：难 （5）应能在较少流体流率下操作 填充床反应器、降膜反应器和喷射反应器有限制。 5
气液相反应器及其放大注意事项
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1 工业生产对气液反应器的要求：
（1）较高的生产强度 （2）有利于反应选择性的提高 （3）有利于降低能量消耗 （4）有利于反应温度的控制 （5）应能在较少流体流率下操作
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（1）较高的生产强度
（a)气膜控制情况 气相容积传质系数大的反应器： 液体高度分散； 气体高速湍动。 可选用喷射、文氏等反应器 （b）快速反应情况 反应基本上是在界面近旁的反应带（液膜）中进行，要求反应器： 表面积较大，具备一定的液相传质系数。 可选用填料反应器和板式反应器 （c）慢速反应情况 反应基本上是在液相主体中进行，要求反应器：液相反应容积较大。 可选用鼓泡反应器，搅拌鼓泡反应器
填料塔
• 优点：①填料塔结构简单，适用于腐蚀性液体； ②气液相流量的允许变化范围较大，特别适用于低气速、高 液速的场合； ③填料塔中气、液相流型均接近活塞流，因此可用于要求高 转化率的反应； ④填料塔的单位体积相界面大而持液量小，适用于过程阻力 主要在相间传递的气液反应过程。 • 缺点：①液相停留时间短，对慢反应不合适； ②为保证填料润湿，不能用于液体流量太低的场合； ③填料易为固体颗粒堵塞，在气相或液相中含有悬浮杂质或 会生成固体产物时不宜使用； ④传热性能差，不宜用于反应热效应大的场合。 10
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当Ha<0.02时，反应为慢反应，主要在液相 主体中进行. 反应速率和液相分率成正比，所以应选用 持液量大的反应器，鼓泡塔因结构简单， 容易操作和控制而常被采用。通气搅拌釜 也是一种值得考虑的类型。
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对0.02≤Ha≤3的中速反应体系，情况比较复杂，这时过程 阻力既可能主要在相际传质，也可能主要在液相反应，或 者两者阻力都不能忽略。此时，需借助参数αHa2作进一 步的判别。 αHa2的物理意义是可能的最大主体化学反应速率与可能的 最大物理传质速率之比。 ①αHa2>>1时，过程阻力主要在相际传质，反应仅发生在液 相中的某一狭小区域内，应选用相界面积大的设备。 ②αHa2<<1时，过程阻力主要在液相主体反应，反应在整个 液相主体中进行，所以应选用持液量大的设备。 ③当αHa2≈1时，说明相际传质和主体反应的阻力都不能忽 略，应选用相界面积和持液量均大的设备。 20