第九章气-液-固三相反应工程第一节气-液-固三相反应器的类型及宏观反应动力学一。气-液-固三相反应器的类型反应器以反应物系的性质分类：固相为反应物或是产物的反应，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，如煤的加氢催化液化，石油馏分加氢脱硫。液相为惰性相的气液-固催化反应，液相作为热载体，如一氧化碳催化加氢生成烃类、醇类混合物。气体为情性相的液-固反应，空气起搅拌作用，如硫酸分解钛铁矿槽式反应釜内用气体搅拌。按床层性质分类：固定床，悬浮床。1.固定床气一液-固三相反应器滴流床或称涓流床反应器：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。气体液体液体气体气体液体+体年4A年4+气体液体液体气体气体液体(a)(b)(c)（a）并流向下；（b）逆流；（c）并流向上工业滴流床反应器优点：气体在平推流条件下操作，催化剂充分地湿润，获得较高转化率。液固比（或液体滞留量）很小，可使均相反应的影响降至最低。在气液固反应中存在气-液界
第九章 气-液-固三相反应工程 第一节 气-液-固三相反应器的类型及宏观反应动力学 一. 气-液-固三相反应器的类型 反应器以反应物系的性质分类： 固相为反应物或是产物的反应，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，如煤的加氢催化液 化，石油馏分加氢脱硫。 液相为惰性相的气-液-固催化反应，液相作为热载体，如一氧化碳催化加氢 生成烃类、醇类混合物。 气体为惰性相的液-固反应，空气起搅拌作用，如硫酸分解钛铁矿槽式反应 釜内用气体搅拌。 按床层性质分类： 固定床，悬浮床。 1. 固定床气-液-固三相反应器 滴流床或称涓流床反应器： 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。 （a） 并流向下；（b）逆流；（c）并流向上 工业滴流床反应器优点： 气体在平推流条件下操作，催化剂充分地湿润，获得较高转化率。液固比(或 液体滞留量)很小，可使均相反应的影响降至最低。在气液固反应中存在气-液界
面和液-固界面的传质及传热阻力，这两种界面阻力能结合起来，使总的液层阻力比其他类型三相反应器要小。不存在液泛问题。滴流床三相反应器的压降比鼓泡反应器小。工业滴流床反应器缺点：在大型滴流床反应器中，低液速操作的液流径向分布不均匀，并且引起径向温度不均匀，形成局部过热。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。由于组分在液相中的扩散系数比在气体中的扩散系数低许多倍，内扩散的影响比气-固相反应器更为严重；可能存在明显的轴向温升，形成热点，有时可能飞温。2.悬浮床气一液-固三相反应器固体呈悬浮状态，一般使用细颗粒固体，有多种型式：机械搅拌悬浮式：依靠机械搅拌使固体悬浮在三相反应器中，通常用于三相反应过程的开发研究阶段及小规模生产。鼓泡淤浆反应器（不带搅拌的悬浮床，以气体鼓泡搅拌）：将细颗粒物料加人到气液鼓泡反应器，固体颗粒依靠气体托起而呈悬浮状态，鼓泡淤浆三相反应器比机械搅拌悬浮三相反应器适宜于大规模生产。三相流化床反应器（气-液两相并流向上而颗粒不带出床外）。三相输送床（携带床）反应器（气一液两相并流向上而颗粒随液体带出床外）。具有导流筒的内环流反应器（常用生物反应工程，用于湿法治金中的浸取过程时，称为气体提升搅拌反应器或巴秋卡槽）。个出气进料出料气体巴秋卡槽示意图
面和液-固界面的传质及传热阻力，这两种界面阻力能结合起来，使总的液层阻 力比其他类型三相反应器要小。不存在液泛问题。滴流床三相反应器的压降比鼓 泡反应器小。 工业滴流床反应器缺点： 在大型滴流床反应器中，低液速操作的液流径向分布不均匀，并且引起径向 温度不均匀，形成局部过热。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。由于组分在液相中的扩散系数比在气体中的扩散系数低许多倍，内 扩散的影响比气-固相反应器更为严重；可能存在明显的轴向温升，形成热点， 有时可能飞温。 2. 悬浮床气-液-固三相反应器 固体呈悬浮状态,一般使用细颗粒固体，有多种型式： 机械搅拌悬浮式： 依靠机械搅拌使固体悬浮在三相反应器中，通常用于三相反应过程的开发研 究阶段及小规模生产。 鼓泡淤浆反应器（不带搅拌的悬浮床，以气体鼓泡搅拌）： 将细颗粒物料加人到气液鼓泡反应器，固体颗粒依靠气体托起而呈悬浮状 态，鼓泡淤浆三相反应器比机械搅拌悬浮三相反应器适宜于大规模生产。 三相流化床反应器（气-液两相并流向上而颗粒不带出床外）。 三相输送床（携带床）反应器（气—液两相并流向上而颗粒随液体带出床外）。 具有导流筒的内环流反应器（常用生物反应工程,用于湿法冶金中的浸取过 程时，称为气体提升搅拌反应器或巴秋卡槽)。 巴秋卡槽示意图
又可细分为：三相流化床、三相输送床或三相携带床、三相循环流化床。特点：存液量大，热容量大，悬浮床与传热元件之间的给热系数远大于固定床，容易回收反应热量和控制床层等温。可以使用高浓度原料气，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。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，增加了气体反应组分通过液相的扩散阻力。易于更换、补充失活的催化剂，但又要求催化剂耐磨损。使用三相流化床或三相携带床时，则存在液-固分离的技术问题，三相携带床存在淤浆输送的技术问题。3.气、液并流向上体系的操作流型颗粒运动基本操作方式：固定床、膨胀床（悬浮床）、输送床（携带床）。液体介质的液固系统中固体颗粒终端速度（沉降速度）u：4g(ps-pL)dpu=3pisps一一颗粒密度；p，一一介质密度；dp一一颗粒直径=24/Rep当颗粒直径小于500μm，Rep<2时，（阻力系数）=gd(ps-pL) / (18μ)u——液体粘度；g——重力加速度当：ut一液-固系统中的颗粒终端速度ut-气-液-固系统中的颗粒终端速度Umf'- 临界流化速度UL-液体表观流速气液并流向上，液体为连续相的气-液-固体系操作流型如下图所示
又可细分为：三相流化床、三相输送床或三相携带床、三相循环流化床。 特点： 存液量大，热容量大，悬浮床与传热元件之间的给热系数远大于固定床,容 易回收反应热量和控制床层等温。 可以使用高浓度原料气，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。 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，增加 了气体反应组分通过液相的扩散阻力。 易于更换、补充失活的催化剂，但又要求催化剂耐磨损。 使用三相流化床或三相携带床时，则存在液-固分离的技术问题，三相携带 床存在淤浆输送的技术问题。 3. 气、液并流向上体系的操作流型 颗粒运动基本操作方式：固定床、膨胀床（悬浮床）、输送床（携带床）。 液体介质的液固系统中固体颗粒终端速度（沉降速度）ut： ρs ——颗粒密度； ρL ——介质密度； dp——颗粒直径 当颗粒直径小于 500μm，Rep＜2 时， （阻力系数） ——液体粘度； g——重力加速度 当： 气液并流向上，液体为连续相的气-液-固体系操作流型如下图所示。 4 ( ) 3 s L p t L g d u − = ζ ζ=24/Rep 2 t s L L ( ) / (18 ) p u gd = −
输送床100膨胀床u10(a)uinfC-13固定床10E空气·水系统u/(cm/s)000-1.730.1F。5.19204060．气-液-固三相反应的宏观反应动力学1.颗粒宏观反应动力学（以固体为对象）三相床固体颗粒催化剂的宏观反应过程如下：1234液相气相固体4催化剂OosOC气-液界面液-固界面三相反应器中气相反应物的浓度分布1一气相全体：2一气膜：3一液膜（气-液间）：4一液相主体：5一液膜（液-固间）；6一固体催化剂
二. 气-液-固三相反应的宏观反应动力学 1. 颗粒宏观反应动力学（以固体为对象） 三相床固体颗粒催化剂的宏观反应过程如下： 三相反应器中气相反应物的浓度分布 1—气相全体；2—气膜；3—液膜(气-液间)；4—液相主体； 5—液膜(液-固间)；6—固体催化剂
下面以催化剂的质量为基准，来表示各传递步骤的速率。当过程达到定态时，各步骤速率相等。IA,g = -dNA/dVR = k AG a(CAg- CAig)向气一液界面传质速率= kALa(CAiL - CAL)向液相主体传质速率= kAsS(CAL -CAs)向催化剂外表面传质速率= kwSePswCAsS催化剂内的扩散一反应速率CAig=KGLCAiLTA=-dNA/dVR=KTSeCAg催化剂内进行一级不可逆反应时的总体速率SelSeKGL-+KGLOkrakAGkALkssk.p.wa非一级反应时的总体速率：①不存在气膜传质阻力，KAG→00111工SeKGLkrKALKASk.apKAL②不存在气液界面处液膜传质阻力→8111Se1KGIkrKALKAsa③不存在液一固界面处液膜传质阻力，KAS -→ 01Se111+ KGL(krKAGakASk.ps5→1④催化剂内扩散有效因子趋近于1，11Se1Se KGL1KGLkrakaGakatkAs2．床层宏观反应动力学床层宏观反应动力学在考虑颗粒宏观反应动力学的基础上涉及气相和液相在三相反应器中流动状况的影响，因而与反应器的类型有关。滴流床三相反应器中固体颗粒如同填料吸收塔中填料一样装填在反应器中，由于固体颗粒间必然相互接触，液体不可能全部均匀地润湿固体颗粒，存在一个
下面以催化剂的质量为基准，来表示各传递步骤的速率。当过程达到定态时， 各步骤速率相等。 催化剂内的扩散 - 反应速率 向催化剂外表面传质速率 向液相主体传质速率 向气－液界面传质速率 k S ρ c ζ k S (c c ) k a(c c ) r dN /dV k a(c c ) s w AS w e AL AS AS e AiL AL AL Aig Ag AG A, g A R = = − = − = − = − 催化剂内进行一级不可逆反应时的总体速率： 非一级反应时的总体速率： 2. 床层宏观反应动力学 床层宏观反应动力学在考虑颗粒宏观反应动力学的基础上涉及气相和液相 在三相反应器中流动状况的影响，因而与反应器的类型有关。 滴流床三相反应器中固体颗粒如同填料吸收塔中填料一样装填在反应器中， 由于固体颗粒间必然相互接触，液体不可能全部均匀地润湿固体颗粒，存在一个