第2章 气液固反应

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1、2气—液—固三相反应工程气—液—固三相反应是反应工程中的一个新兴领域，具有巨大的现实及潜在的应用价值。应用:石油加工中的加氢反应煤化工中的煤的加氢催化液化反应使用固相为催化剂的三相催化反应矿石的湿法加工过程中,固相为矿石的三相反应发酵及抗生素生产过程中的三相反应。2.1气—液—固三相反应的类型及宏观动力学2.1.1气—液—固三相反应的类型2.1.1.1按反应物系的性质分为下列类型：⑴固相是反应物或是产物的反应。固体为催化剂而液相为反应物或产物的反应（占大多数）。⑵液相为惰性相的气—液—固催化反应，液相作为热载体。⑶气体为惰性相的液—固反应，空气起搅拌作

2、用。2.1.1.2气—液—固反应器按床层中颗粒的运动状态分成：⑴固体处于静止的固定床⑵固体处于运动的悬浮床。1）固定床气—液—固三相反应器反应器中固体是静止不流动的。根据气流和液流的方向，有三种操作方式：气体和液体并流向下流动并流向上流动逆流流动在不同的流动方式下，反应器中的流体力学、传质和传热条件是不同的。滴流床（或涓流床）反应器：液体向下流动，以一种很薄的液膜形式通过固体催化剂；气体以连续相以并流或逆流流动（通常是气流和液流并流向下流动），这种反应器对石油加工中的加氢反应特别有利。滴流床反应器的优点：在平推流下操作，可获得较高转化率。液固比(或液体

3、滞留量)很小，可使均相反应的影响降至最低。液层很薄，使总的液层阻力比其它类型的三相反应器要小。并流操作不存在液泛问题。压降比鼓泡反应器小。滴流床反应器的缺点：在大型滴流床反应器中，低液速操作时液流径向分布不均匀。如沟流、旁路，可能引起固体催化剂润湿不完全，并且引起径向温度不均匀，形成局部过热，使催化剂迅速失活并使液层过量气化。76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，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，催化剂孔隙中充满着液相，内扩散的影响比气－固相反应器更为严重。2）悬浮床气—液—固三相反应器固体呈悬浮状态。一般使用细

4、颗粒固体，有多种型式：①机械搅拌悬浮式②鼓泡淤浆反应器（不带搅拌的悬浮床，以气体鼓泡搅拌）③三相流化床反应器（气—液两相并流向上而颗粒不带出床外）④三相输送床（携带床）反应器（气—液两相并流向上而颗粒随液体带出床外）⑤具有导流筒的内环流反应器。（常用于生物反应工程；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，见图2—1）悬浮床三相反应器的特点：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，对于强放热多重反应且副反应是生成二氧化碳和水的深度氧化反应，可抑制其超温和提高选择性。可以使用高浓

5、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。2.1.2气—液—固三相反应的宏观动力学分颗粒级床层级两个层次。颗粒宏观动力学，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—固相间和固体颗粒内部传质的宏观反应速率。床层宏观动力学

6、，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。762.1.2.1颗粒宏观反应动力学宏观反应过程由下列过程构成：(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(5)产物从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上述过程中没有考虑到液相主体中的混合和扩散过程。显然，它是以气—液传质的双膜理论为基础的。气相反应物A从气相主体扩散到催化剂

7、颗粒外表面的各个过程中的浓度分布见图2—2。图2—2气液固三相催化反应的传递步骤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。（2－1）在气—液相界面处气液达相平衡，由亨利定律得:（2－2）消去各中间浓度后，得（2－3）则（2－4）以上各式中：─宏观反应速率,kmol／(kg．h)76─单位质量催化剂所具有的气液相传质面积,m2／kg─单位质量催化剂所具有的液固相传质面积,m2／kg─催化剂内扩散有效因子─以浓度为推动力的组分A的气相传质分系数，m／h─气—液相间组分A的液相传质分系数，m／h─液—固相间组分A的液

8、相传质分系数，m／h─以单位质量催化剂为基准的本征反应速率常数，m3/(kg.h)─亨利常数（