第2章 气液固反应.doc

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。 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。 一般使用细颗粒固体，有多种型式： 机械搅拌悬浮式 鼓泡淤浆反应器（不带搅拌的悬浮床，以气体鼓泡搅拌） 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） 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） 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，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。 2.1.2.1 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) ─ 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（气液相平衡常数），无因次 ─气相组分的总传质系数或宏观反应速率常数。 对于非一级反应，总体速率难以用类似式(2－3)的表达式，但式(2－1)的串联过程总是成立的。 某