催化反应工程

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1、气-液-固三相反应及反应器气-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。1.在化工及生物生产过程中，经常遇到有气相，液相和固相参与的三相反应，例如，石油加工中的催化加氢反应；煤化工的加氢催化液化反应；矿石的湿法加工；发酵剂抗菌素的生产等。2.可以提高某些传统反应的转化率，降低生产的成本，例如，甲醇的生产等。第一节气-液-固三相反应器的类型及宏观动力学一气-液-固反应器的分类按床层性质分类（工业）固定床气-液-固三相反应器固定床气-液-固反应器中固体静止不流动，根据气流和液流的方向，一般能用三种方

2、式操作，即气体和液体并流向下流动，并流向上流动及逆向流动（通常液体向下，气体向上）。不同的流动方式，反应器中的流体力学，传质和传热条件是不同的。滴流床（涓流床）反应器是固定三相反应器，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，但正常的操作方式是气流和液流并流向下流动，这种反应器对石油加工的加氢反应很有利。三种类型的固定床-气-液固三相反应器工业滴流床的优缺点优点：在平推流条件下操作，催化剂充分湿润，可获得较高转化率；液固比很小，均相反应的影响降至最低，这一点对加氢脱硫反应是很重要的，可

3、以最大限度地降低油的热裂化或加氢裂化。气-液-固反应中，气液界面和固液的传质及传热阻力都很重要。滴流床反应器中液层很薄，这两种界面阻力能结合起来，使总液层阻力比其他类型三相反应器小，并流操作的滴流床反应器不存在液泛的问题。滴流床三相反应器的压降比鼓泡反应器小。工业滴流床的优缺点缺点：在大型滴流反应器中，低液速操作的液流径向分布不均匀，如沟流，旁路，可能引起固体催化剂湿润不完全，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,不利于反应器操作；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

4、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。加氢脱硫过程催化剂孔道阻塞将引起催化剂严重失活；还可能存在明显的轴向温升，形成热点，有时可能飞温，这时，可以沿轴向引入一股或多股“冷激流体”以控制温升。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，他有多种形式：①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，适用于三相反应过程的研发阶段及小规模生产。按床层性质分类（工业）②不带搅拌的悬浮床气-液-固反应器，以气体鼓泡搅

5、拌，又称鼓泡淤浆反应器：细颗粒物料加入到气液鼓泡反应器中去，固体颗粒依靠气体托起而呈悬浮状态，液相是连续相，与机械搅拌悬浮三相反应器一样适用于反应物和产物都是气相，而固相是细颗粒催化剂的三相催化反应，强化了床层传热及保持等温，因此鼓泡淤浆三相反应器更适宜于大规模生产，也是三相催化反应器中最广泛的形式。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：液相连续地流入和流出三相反应器，而固体颗粒仍然保留在反应器内，它是在液固流态化基础上鼓泡通入气体，固体颗粒主要依靠液相托起而呈悬浮状态。④不带搅拌的气液两相流体并

6、流向上而颗粒随液体带出床外的三相输送床反应器，又称三相携带床反应器。固体顾将随同液相一起呈输送状态而连续地进入和流出三相床，固体夹带在液相中。三相流化床反应器需要有从液相分离固体颗粒的装置而三相携带床需要有泄浆泵输送浆料。⑤具有导流筒的内环流反应器：具有导流筒的内环流反应器常用于生化反应工程；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。悬浮床气-液-固三相反应器的特点悬浮床气-液-固三相反应器内于存液量大，热容量大。并且悬浮床与传热元件之间给热系数远大于固定床，容易回收反应热量，并且容易控制床层在等温下操作。对于

7、强放热复合反应并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，而仍控制在等温下操作，这在气-固相催化反应器中由于温升太大而不可能进行。悬浮床气-液-固三相反应器的特点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。三相悬浮床反应器易于更换、补充失活的催化剂，但又要求催化剂耐磨损。如果必须使用三相流化床或三相携带床时，则三相流化床操作时存在液固分离的技术问题，三相携带床存在淤浆输

8、送的技术问题。Fan指出三相床体系的分类是根据颗粒的运动状态，采用类似气液或气固体系的方法进行分类，颗粒运动可分为三种基本操作方式，即固定床，膨胀床（悬浮床）和输送床。三相床体系的分类依据三相床体系的区别当气-液混合物流动产生的曳力小于系统中颗粒的有效重量时称为固定床，当气体