第九章气-液-固三相反应工程

第九章气-液-固三相反应工程

)气-液-固三相反应器的类型及基本特征)三相滴流床反应器

)气-液-固三相反应的宏观反应动力学

第一节气-液-固三相反应器的类型及基本特征气-液-固三相反应器按反应物系的性质区分

主要有下列类型：

*固相或是反应物或是产物的反应，例如加压下

用氨溶液浸取氧化铜矿；

$固体为催化剂而液相为反应物或产物的气-液-

固反应，例如煤的加氢催化液化或称煤的直接

液化，石油馏分加氢脱硫，煤制合成气催化合

成燃料油的费-托(Fischer-Tropseh)合成过程

等；

%液相为惰性相的气-液-固催化反应，液相作为热载体，例如，一氧化碳催化加氢生成烃类、醇类、醛类、酮类和酸类的混合物。

工业上采用的气-液-固反应器按床层的性质主要分成两种类型，即固体处于固定床和悬浮床。

（一）固定床气-液-固三相反应器

滴流床或称涓流床反应器是固定床三相反应器，液流向下流动，以一种很薄的液膜形式通过固体催化剂，而连续气相以并流或逆流的形式流动，但多数是气流和液流并流向下，如下图示。

图9-1 固定床气-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

（二）悬浮床气-液-固三相反应器

固体呈悬浮状态的悬浮床气-液-固三相反应器一般使用细颗粒固体，有多种型式，例如:Â机械搅拌悬浮式；

Â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；

Â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；

Â具有导流筒的三相环流反应器。

悬浮床气-液-固三相反应器由于存液量大，热容量大，并且悬浮床与传热元件之间的给热系数远大于固定床，容易回收反应热量及调节床层温度。

对于强放热多重反应可抑制其超温和提高选择率。

三相悬浮床反应器可以使用含有高浓度反应物的原料气，并且仍然控制在等温下操作，这在固定床气-固相催化反应器中由于温升太大而不可能进行。

三相悬浮床反应器使用细颗粒催化剂，可以消除内扩散过程的影响，但由于增加了液相，不可避免地增加了气体中反应组分通过液相的扩散阻力，并且要考虑所采用的液相热载体对原在固定床中反应的气体和固体催化剂是否具有不良的影响。

三相悬浮床反应器易于更换和补充失活的催化剂，但又要求催化剂耐磨损。

1. 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：

颗粒悬浮的临界转速；

允许的极限气速。

2. 鼓泡淤浆床三相反应器的特征

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。

3.气-液并流向上三相流化床反应器

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。

Fan的专著第二章讨论了并流向上三相流化床的流体力学，第三章讨论了并流向上三相流化床的传质、混合和传热；Muroyama和Fan于1985年发表了关于三相流化床基础理论的综述；Nigam 及Schumpe的专著中第二章及第三章分别有三相流化床传热及传质的综述。

煤直接液化技术采用褐煤或年轻烟煤为原料，先制成小于60目的细粉与液化循环油混合制成煤浆，增压，与压缩氢混合经预热器，在气-液并上流向上三相流化床中经催化剂合成油品。

下图是典型的氢-煤法三相流化床反应器装置简图，反应温度450℃左右，压力20MPa。部分物料从反应器底部经高压油循环泵而循环，强化反应器内循环流动。从反应器连续抽出2%的催化剂进行再生，并同时补充等量新催化剂，由于煤直接液化放热反应的热量并不大，反应器中未安装换热器。

图9-13 氢煤法三相流化床反应器结构简图

4.三相环流反应器

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，如以甲醇为原料生产单细胞蛋白已采用1500～3000m3容积的大型三相环流反应器。湿法冶金中在较高温度和加压下用液体来浸取矿石中的有色金属化合物。

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，见下图示。

图9-2 巴秋卡槽示意图

第二节三相滴流床反应器

一、气、液并流向下通过固定床的流体力学（1）流动状态

根据气、液并流向下固定床内气体和液体的流动状态，过程可以分为稳定流动滴流区、

脉冲流动区和分散鼓泡区，如下图所示。

图9-5 气-液并流滴流床流动状态与操作条件

)脉冲流动区随着气速进一步增大，脉冲不断出现，并充满整个床层。液体流速一定时，脉冲的频率和速度基本不变，脉冲现象具有一定的规律性。

)鼓泡区若再增大气速，各脉冲间的界限变得不易区分，达到一定程度后，形成鼓泡区。液相成为连续相，气相形成分散相。液体流速越大，越易形成脉冲区与鼓泡区。

（二）持液量

持液量分内持液量h

i 、静持液量h

s

和动持液

量h

d

，以单位床层体积中液体的分率计。内持液量是颗粒孔隙内的持液量，颗粒的孔隙率越大，

则内持液量越大，内持液量一般为0.3~0.5。静持液量是液体不流动时，润湿颗粒间的持液量，静

持液量h

s

与颗粒的比外表面积和表面粗糙程度有关，颗粒的直径越小，比外表面积越大，表面越粗糙，静持液量也越大，静持液量一般为0.02~0.06。