化学反应工程-第八章 气-液-固三相反应及反应器要点

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气—液—固三相床反应器实例
气—液—固三相床甲醇合成由于惰性液相热载体的作用， 床层易于控制在等温操作，减少可逆反应平衡的影响，并且
使用细颗粒惟化剂，减少了内扩散过程对减低反应速率的影 响，特别适用于高浓度一氧化碳合成甲醇。
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加压气—液—固三相鼓泡淤浆床环氧乙烷合成
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(2)固体作为催化剂的气-液-固反应：煤的催化液化，石油馏 分加氢脱硫，乙炔铜为催化剂合成丁炔二醇，苯乙炔和苯乙烯 的催化加氢等。 (3)二个反应相，第三个是惰性相：液相为惰性相的气—固催 化反应，液相作为传热介质，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；气体为惰性相的液—固反 应，气体起搅拌作用，例如硫酸分解硫铁矿槽式反应釜内用空 气搅拌。
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涓流床三相反应器
1、气、液并流向下通过固定床的流 体力学 (1)气，液稳定流动区——当气速较 低时，液体在颗粒表面形成滞流液膜， 气相为连续相， “涓流状”。气速 增加称为“喷射流”；
(2)过渡流动区——继续提高气体流 速，床层上部是喷射流，下部出现脉 冲现象。 (3)脉冲流动区——气速进一步增大
损。
按照气体的分散方式，机械搅拌悬浮三相反应器分为压 力布气式和自吸式两种。
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机械搅拌鼓泡反应器中固体的悬浮
泛速——搅拌鼓泡悬浮反应器如果超过了极限气速，搅拌器 将失去分散气体的作用，气流将从容器中间冲破垂直向上， 此时容器底部的扰动较少，固体格会沉积在那里。
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淤浆床鼓泡反应器
或称为鼓泡淤浆反应器(Bubble Column Slurry Reactor， BCSR)。 优点： (1)使用细颗粒催化剂，充分消除了大颗粒催化剂粒传质及传 热过程对反应转化率、反应收率及选择率的影响。 (2)反应器内液体滞留量大，热容量大，具有全混性质，容易 移走反应热，温度易控制，床层可处于等温状态， (3)可以在不停止操作的情况下更换催化剂。
颗粒特性及床层尺寸等因素有关。
例如，对于高粘性的流体在很低的表观气速下可形成栓 塞流。气体分布器如采用微孔平均直径低于150um的素烧 陶瓷板，当表观气速达0.05一0.08m/s时，仍为安静鼓泡区， 当多孔板孔径超过1mm时，气泡分散区仅存在于很低的表 观气速。
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固体完全悬浮时的临界气速
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飞温。
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悬浮床气—液—固反应器
①机械搅拌悬浮式； ②淤浆床鼓泡反应器，以气体鼓泡搅拌； ③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；
④三相携带床反应器，不带搅拌的气、液两相流体并流向 上，而颗粒随液体带出床外的三相输送床反应器；
⑤具有导流筒的内环流反应器。
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——具有导流筒的内环流反应器常用于 生化反应工程。
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三相流化床反应器
三相流化床反应器的流体力学 分为安静鼓泡区、湍流鼓泡区、栓塞流区、过渡区 在低气速下，液相为连续相；在高气速下，气体力连续相。 流型团与液体的粘度及表面张力和固体颗粒的粒度及密度
等性质有关。
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三相流化床的液体临界流速
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圆柱状催化剂的三相流化床液体临界流速回归出一个普 遍化的经验关联式
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优点——在活塞流条件下操作，催化剂充分湿润，可获得 高转化率。液固比(或液体滞留量)很小，可使均相反应的 影响降至最低；涓流床反应器中液膜很薄，总的液膜阻力 比其他类型三相反应器要小；并流操作的涓流床反应器不 存在液泛问题；压降比鼓泡反应器小。 缺点——大型涓流床反应器低液速操作的液流径向分布不 均匀，局部过热，催化剂迅速失活。催化剂颗粒不能太小， 而大颗粒催化剂存在明显的内扩散影响；轴向温升，可能
0.06;
——动持液量Hd：是气、液流动稳定后，同时关闭气、液进 口阀，在出口处收采到的床层流出的液流量。
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压降
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涓流床三相反应器中的传递过程
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涓流状态下液—固相间传质系数
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涓流床中的传热
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机械搅拌鼓泡悬浮三相反应器
利用机械搅拌的方法使催化剂保持悬浮状态，有较高的 传质和传热系数，但带来了较高的动力消耗和催化剂颗粒磨

(4)催化剂不会像在填充床中那样产生烧结。
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缺点： (1)要求所使用液体为惰性，在操作状态下呈液态，蒸气压 低且热稳定性好，其中对催化剂有毒物质含量合乎要求。 (2)催化剂颗粒较易磨损。 (3)气相呈一定程度的返混，影响了反应器中的宏观反应速 率。
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淤浆床鼓泡反应器的流体力学
安静鼓泡区、湍流鼓泡区、栓塞流区。 上述流区间的过渡条件与液体特性、气体分布器的设计、
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工业上采用的气—液—固反应器按床层的性质主要分为 （1）固体固定型（fixed bed，固定床） （2）固体悬浮型（ suspended bed ， expended bed，膨胀 床）
（3）输送床(transport bed，携带床)。
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固定床气-液-固反应器
——涓流床（滴 流床反应器）， 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， 但正常的操作方 式是气流和液流 并流向下流动。
传质耦合过程的宏观反应速率。
——床层宏观动力学，是在颗粒宏观反应动力学的基础上， 考虑三相反应器内气相和液相的流动状况对宏观反应过程
的影响。
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颗粒宏观反应动力学
①气相反应物从气相主体扩散到气-液界面； ②气相反应物从气—液界面扩散到液相主体；
③气相反应物从液相主体扩散到催化剂颗粒外表面；
④颗粒催化剂内同时进行反应和内扩散的宏观反应；
⑤产物从催化剂颗粒外表面扩散到液相主体；
⑥产物从液相主体扩散到气—液界面；
⑦产物从气—液界面扩散到气相主体
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上述过程没有考虑到 液相主体中的混合和扩 散过程，以气—液间传 质的双膜论为基础。
1、等温条件下，包 括—个气态反应物的一 级不可逆催化反应，液 相是惰性介质。
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床层宏观反应动力学
——若用于湿法冶金中的浸取过程，称 为气体提升搅拌反应器或巴秋卡槽。
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气—液—固三相反应的宏观动力学
气-液-固三相反应宏观动力学分颗粒级的宏观动力学和床 层级的宏观动力学二个层次。
——颗粒宏观动力学，是指在固体颗粒被液体包围而完全 润湿的情况下，以固体为对象的宏观动力学，其中包括 气—液相间、液—固相间传质过程和固体颗粒内部反应—
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(4)分散鼓泡区——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，形成分散鼓泡区。这时液相成
为连续相，气体则呈气泡状存在，形成分散相。
形成不同区域的最大气速与液体流速有关。液体流速越 大，越易形成脉冲区与鼓泡区。
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持液量
——内持液量Hi：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Hs：是液体不流动时，润湿颗粒间的持液量， 与颗粒的比外表面积和表面粗糙度有关，颗粒的直径越小， 比外表面积越大；表面越租糙，静持液量也越大。为0.02一
第八章 气-液-固三相反应及反应器
——概述气—液—固三相反应器的主要类型、特征和三相 反应的宏观动力学；
——重点讨论涓流床三相催化反应器、三相淤浆床反应器 和三相流化床反应器的流体力学。
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气—液—固三相反应器的类型 及宏观反应动力学
按反应物系的性质来区分有以下三种类型：
(1)气相、液相、固相是反应物或产物的反应：加压下用氨溶 液浸取氧化铜矿，钢渣提钒碳酸化浸取反应，煤的热液化；