化学反应工程-第八章 气-液-固三相反应及反应器

1 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 2 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 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 4 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 fixedbed 固定床 2 固体悬浮型 suspendedbed expendedbed 膨胀床 3 输送床 transportbed 携带床 5 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 6 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 可能飞温 7 悬浮床气 液 固反应器 机械搅拌悬浮式 淤浆床鼓泡反应器 以气体鼓泡搅拌 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 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 具有导流筒的内环流反应器 8 具有导流筒的内环流反应器常用于生化反应工程 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 9 10 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 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 11 颗粒宏观反应动力学 气相反应物从气相主体扩散到气 液界面 气相反应物从气 液界面扩散到液相主体 气相反应物从液相主体扩散到催化剂颗粒外表面 颗粒催化剂内同时进行反应和内扩散的宏观反应 产物从催化剂颗粒外表面扩散到液相主体 产物从液相主体扩散到气 液界面 产物从气 液界面扩散到气相主体 12 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 13 14 15 床层宏观反应动力学 16 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 17 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 18 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 19 20 压降 21 涓流床三相反应器中的传递过程 22 23 涓流状态下液 固相间传质系数 24 涓流床中的传热 25 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 26 27 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 28 29 淤浆床鼓泡反应器 或称为鼓泡淤浆反应器 BubbleColumnSlurryReactor 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 4 催化剂不会像在填充床中那样产生烧结 30 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 31 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 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 32 固体完全悬浮时的临界气速 33 34 35 36 37 38 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 39 40 三相流化床的液体临界流速 41 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