反应器气液相反应器的选择(课堂PPT)

❖ 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。
14
15
喷雾塔反应器
❖ 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
LOGO
气液相反应器的选择
1
概述
气液相反应的基本类型 在反应过程中至少有一种反应物在气相，另一
些物质在液相，气相中的反应物必须传递到液相 中，然后在液相中发生化学反应，这种类型的反 应称气液相反应。
❖ 应用： ❖ 气体的净化和分离 ❖ 生产化工产品
2
气液相反应的特殊性
❖ 在气液相反应体系中，气相往往是反应物，而液 相则可能有几种情况：
简单鼓泡塔 1-塔体；2-夹套；3-气体分布器；4-塔体；5-挡板；6-塔外换热器；7-液体捕集器；8-扩21大段
❖ 1、塔体：
❖ 2、气体分布器：使气体分布均匀，强化传热、传 质。是气液相鼓泡塔的关键设备之一。
❖
型式：多孔板
❖
喷嘴
❖
多孔管等
22
❖ 3、换热装置： ❖ 夹套式：热效应不大时。 ❖ 蛇管式：热效应较大时。 ❖ 外循环换热式：热效应较大时。 ❖ 4、水平多孔隔板： ❖ 提高气体分散度，减少液体纵向循环。
▪ 金属填料 ▪ 塑料填料 ▪ 陶瓷填料 ▪ 石墨填料
35
❖ 2).常用的几种填料
❖①拉西环(Rasching ring) ：拉 西环是工业上最早使用的一种 填料，为外径与高度相等的圆 环，通常由陶瓷或金属材料制 成。
拉西环
环
36
❖ 拉西环结构简单，制造容易，但堆积时相邻环间 易形成线接触，填料层的均匀性差，因而存在严 重的向壁偏流和沟流现象，致使传质效率低。而 且流动阻力大，操作范围小。其改善方面有θ形、 十字格形的拉西环。
23
气体升液式鼓泡塔 1-筒体；2-气升管；3-气体分布器
24
❖ 塔内装有气升管，引起液体形成有规则的循环流 动，可以强化反应器传质效果，并有利于固体催 化剂的悬浮。
❖ 特点：在这种鼓泡塔中气流的搅动比简单鼓 泡塔激烈得多。
25
26
填料塔
❖ 填料塔的结构与特点 ❖ 填料的类型 ❖ 填料塔的内件
50
❖ 对填料支承装置的要求： ❖ 对于普通填料，支承装置的自由截面积应不低于全
塔面积的50%，并且要大于填料层的自由截面积； ❖ 具有足够的机械强度、刚度； ❖ 结构要合理，利于气液两相均匀分布，阻力小，便
于拆装。
51
52
❖ 2.填料压紧装置
❖ 作用：保持填料层为一高度固定的床层，从而保持均匀 一致的空隙结构，使操作正常、稳定，防止在高压降、 瞬时负荷波动等情况下，填料层发生松动或跳动。
❖ 波纹填料因波纹薄片的材料与形状不同分成板波纹 填料和网波纹填料。
❖ 板波纹填料可由陶瓷、塑料、金属、玻璃钢等材料 制成。填料的空隙率大，阻力小，流体通量大、效 率高，而且制造方便、价格低，正向通用化、大型 化方向发展。
49
填料塔的内件
❖1.填料支承装置：
❖主要用途是支承塔内的填料，同时又 能保证气液两相顺利通过。若设计不 当，填料塔的液泛可能首先在填料支 承装置上发生。
55
❖ 5.除沫装置 ❖ 主要用途：除去出口气流中的液滴。
56
❖填料塔适用于： ❖塔径小； ❖真空操作； ❖易起泡； ❖腐蚀性物系； ❖热敏性物系
57
气液相反应器的选型
❖ 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。
❖ 填料压板。 ❖ 自由放置于填料上端，靠自身重量将填料压紧。适用于
陶瓷、石墨材质的散装填料。 ❖ 床层限制板： ❖ 固定在填料上端。
53
❖ 3.液体分布装置
❖ 使液体在塔顶的初始分布须均匀。
54
❖ 4.液体收集及再分布装置
❖ 作用是减小壁流现象。 ❖ 在填料层内每隔一定高度设置液体再分布装置。
37
❖ 拉西环结构简单，制造容易，但堆积时相邻环间 易形成线接触，填料层的均匀性差，因而存在严 重的向壁偏流和沟流现象，致使传质效率低。而 且流动阻力大，操作范围小。其改善方面有θ形、 十字格形的拉西环。
38
❖②鲍尔环(pall ring)：鲍尔环是 在拉西环的壁上开一层或两层 长方形窗口，窗孔的母材两层 交错地弯向环中心对接。这种 结构使填料层内气、液分布性 能大为改善，尤其是环的内表 面得到充分利用。
43
❖ ⑤矩鞍型(intolox saddle)：矩鞍形填料结 构不对称，堆积时不重 叠，均匀性更高。该填 料气流阻力小，处理能 力大，性能虽不如鲍尔 环好，但构造简单，是 一种性能优良的填料。
44
❖ ⑥环矩鞍(Intalox)：兼具环 型、鞍型填料的优点。敞开 的侧壁有利于气体和液体通 过，减少了填料层内滞液死 区。填料层内流体孔道增多， 使气液分布更加均匀，传质 效率得以提高。
反应和放热量大的反应。
7
8
9
填料塔反应器
❖ 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。
10
11
板式塔反应器
❖ 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
58
❖ 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。
59
❖ 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
27
填料塔的结构与特点
❖ 1. 填料塔的结构 ❖ 填料层：提供气液接触的场所。 ❖ 液体分布器：均匀分布液体，以避免发生沟流
现象。 ❖ 液体再分布器：避免壁流现象发生。 ❖ 支撑板：支撑填料层，使气体均匀分布。
❖ 除沫器：防止塔顶气体出口处夹带液体。
28
❖ 壁流： ❖ 当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中
和降膜反应器）
5
6
鼓泡塔反应器
❖ 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
41
❖ 喇叭口一边，不仅增加机械强度，而且使填料之 间为点接触，有利于液膜的汇集与更新，提高了 传质效率。
❖ 目前所使用的环型填料中最为优良的一种。
42
❖④弧鞍型(berl saddle) ： 表面全部敞口，不分内外， 液体在表面两侧均匀流动， 表面利用率高，流动呈弧形， 气体阻力小。但两面对称有 重叠现象，容易产生沟流。 强度差，易破碎。应用较少。
❖ 一般采用金属材质，机械强 度高。
45
❖ ⑦球型：球体为空心，气体和液体从其内部经过。 由于球体结构的对称性，填料装填密度均匀，不 易产生空穴和架桥，故气液分散性能好。
❖ 常采用塑料材质。一般用于特定场合，工程上应 用较少。
46
❖ ⑧格栅填料：以条状单元体 经一定规则组合而成，其结 构随条状单元体的形式和组 合规则而变，具有多种结构 形式。特点是比表面积较低， 主要用于低压降、大负荷、 防堵的场合。
18
气液相反应器的选型
❖ 若是传质控制应选择气液接触面积大、持液量较 小的反应器；
❖ 若是化学反应控制则应选择持液量大的反应器；
❖ 反应极快热效应又很大，对传热的要求高时刻选 择膜式塔；
❖ 当液体的处理量大、反应较慢、换热要求较高时 刻选用鼓泡塔 ；
❖ 当有悬浮固体催化剂颗粒时可选用搅拌釜式反应 器，此时为气液固三相，称做於浆反应器
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。
39
❖ 与同样尺寸的拉西环相比，鲍尔环的气液通量可 提高50%，而压降仅为其一半，分离效果也得到 提高。其改进为阶梯形鲍尔环，圆筒部分的一端 制成喇叭口形状。这样填料间呈现点接触，床层 均匀且空隙率大，与鲍尔环相比气体阻力减少 25%，生产能力提高10%。
40
❖ ③阶梯环：鲍尔环基础上改造得 出的。环壁上开有窗孔，其高度 为直径的一半。由于高径比的减 少，使得气体绕填料外壁的平均 路径大为缩短，减少了阻力。
的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种 现象称为壁流。 ❖ 壁流效应的后果： ❖ 造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质 效率下降。 ❖ 解决办法： ❖ 当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分 布装置。
29
30
填料塔结构图
31
❖ 气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一 般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连 续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相 密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液 传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操 作状态下，气相为连续相，液相为分散相。
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。
16
搅拌釜式反应器
17
搅拌鼓泡釜式反应器
❖ 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。
❖ 1、液相也是反应物 ❖ 2、液相是催化剂 ❖ 3、液相中既有反应物又有催化剂
3
气液相反应的工业应用
4
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： ❖ 气体以气泡形态分散在液相中（鼓泡塔反应器、
搅拌鼓泡釜式反应器和板式反应器） ❖ 液体以液滴状分散在气相中（喷雾、喷射和文氏
反应器） ❖ 液体以膜状运动与气相进行接触（填料塔反应器
12
膜式反应器
13
❖ 膜反应器 ❖ 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。
木格栅填料 格里奇格栅填料
47
❖ ⑨波纹填料：波纹填料是由 许多层波纹薄片组成，各片 高度相同但长短不等，搭配 组合成圆盘状，填料波纹与 水平方向成45°倾角，相邻 两片反向重叠使其波纹互相 垂直。圆盘填料块水平放入 塔内，相邻两圆盘的波纹薄 片方向互成90°角。
金属丝网波纹填料
金属孔板波纹填料
48
19
❖ 用于化学吸收时可选用填料塔和喷雾塔，这种场 合气体浓度比较低，对处理后尾气要求不严格；
❖ 当用于生产化学品时，反应若极快（瞬时反应）， 由传质控制，可选用填料塔和喷雾塔，它们的相 界面积大、持液量低；
❖对快反应和中速反应可选用板式塔和鼓泡塔，这 两种反应器的持液量都比较大；
20
鼓泡塔反应器的基本结构
32
❖ 填料作用 ❖ 提供气液接触面积； ❖ 强化气体湍动，降低气相传质阻力； ❖ 更新液膜表面，降低液相传质阻力。
33
填料的类型
❖1 填料（packings）的类型 ❖ 1).分类 ❖ 按填料形状分：
▪ 网体填料 ▪ 实体填料
❖ 按填料的装填方式分：
▪ 散装填料 ▪来自百度文库规整填料
34
❖ 按材质分：
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。