气液两相反应器
化学反应工程(第九章 气-液-固三相反应工程)
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、液并流向上休系的操作流型 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ut：
采用多孔固体催化剂时，可以定义两 种润湿率： ①内部润湿或空隙充满率。 ②外部有效润湿率。
图9-6 催化剂颗粒间的 液囊和流动膜
4. 床层压力降
单相气体通过固定床的压力降与气体的流速和物性、催
化剂的粒径、形状及催化剂的装填状况等因素有关，可 用Ergun式作为计算固定床压降的基本方程。 并未计入破碎、积炭、物流中的固体杂物沉积和床层下 沉等因素致使随操作后期压力降增加，因此工业反应器 开工初期的压力降可称为床层固有压力降。 气、液并流下向下滴流床反应器的床层固有压力降，还 应考虑液体以液膜的形式在催化剂颗粒表面间流动形成
床层宏观反应动力学91气液固三相反应器的类型及宏观反应动力学92三相滴流床反应器93机械搅拌鼓泡悬浮三相反应器9497压力对三相悬浮床反应器操作性能的影响95气液并流向上三相流化床反应器96三相悬浮床中的相混合98气液固三相悬浮床反应器的数学模型99讨论与分析图95气液井流滴流床流动状态与操作条件气液并流向下固定床内气体和液体的流动状态可以分为稳定流动滴流区脉冲流动区和分散鼓泡区如图95流动状态一气液并流向下通过固定床的流体力学气液稳定流动滴流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这时的流动状态称为滴流状
rA, g dNA/dVR k AG a(cAg c Aig ) kALa(cAiL c AL ) kAS Se(c AL c AS ) kwSeρ sw c AS ζ 向气－液界面传质速率 向液相主体传质速率 向催化剂外表面传质速 率 催化剂内的扩散 - 反应速率
气体分布器结构对气升式环流反应器内气液两相流动的影响
作者简介 ：沈荣春 （ ９ ５ ，男 ，博 士，讲师 ；束忠明 （ ９ ６ ） １７ 一） １６ － ，男 ，副教授，通讯联系人 。Ｅ ｍａｌ ｚ ｈ ＠ｅｕｔｅｕ ｃ — ｉ ｍｓ ｕ ｃ ｓ．ｄ ．ｎ ：ｊ
液 相循 环 速度 以 及液 相 微 观 混 合 特 性 。模 拟 结 果 表 明 ，在 等 量 的 进 气 流 量下 ， 气 体分 布器 环 数 增 加 ， 液相 速 度 分 布 和气 含 率 分 布更 趋 均 匀 ；气 体 分 布 器 环 数 增 加 ．液相 推 动 力 增 加 ，从 而使 得 液 相 循 环 速 度 增 加 ，
流动的关 键参数 一液 相循 环速 度和 气含 率 的影响ｎ ，研 究 是在气 体分 布 器结 构 确 定 的条件 下进 行 的 ，
未 述及气 体分 布器对 反应 器 内两相 流 动的影 响 。本 工作 使 用 Ｃ Ｄ模 拟软 件 Ｆ ＵＥ Ｆ Ｌ ＮＴ６ Ｏ 究气 体 分 ．研 布器对反 应器 内气 液两相 流 动特性 的影响 ，进一 步完善 了反应 器结 构对 反应 器 内两 相流动 特性影 响的 研 究 ，为该反应 器 的开 发设计 提供 有 价值 的指导 信息 。
反应器 内循环 流动 ，从 而实 现气 液 间的混 合和 反应 。因此 ，导 流筒 和气 体 分 布器结 构是影 响气 升式反 应器 内气 液两 相流 动 的关键 结构 。过 去针 对鼓 泡床反 应器 内气体 分布 器 的研究 较 多 ，所 采用 的气 体分 布器 的类 型有 单孑 型 、孑板 型 。和 环 型［ ，这 些研 究 均 认 为气 体 分 布器 的结 构 对鼓 泡 床 反应 Ｌ Ｌ 等
文章 编 号 ：１ ０ － ７ ３ （ ０ ７ ５ ０ ２ － ０ ０ １ ６ １ ２ ０ 】０ － ４ ２ ８
微通道反应器的分类介绍
微反应器，即微通道反应器，利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米（或者1000微米）之间的微型反应器，微反应器的“微”表示工艺流体的通道在微米级别，而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。
微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也实现很高的产量。
微反应器又可分为气固相催化微反应器、液液相微反应器、气液相微反应器和气液固三相催化微反应器等。
1.气固相催化微反应器由于微反应器的特点适合于气固相催化反应，迄今为止微反应器的研究主要集中于气固相催化反应，因而气固相催化微反应器的种类最多。
最简单的气固相催化微反应器莫过于壁面固定有催化剂的微通道。
复杂的气固相催化微反应器一般都耦合了混合、换热、传感和分离等某一功能或多项功能。
运用最广的甲苯气-固催化氧化。
2.液液相反应器到目前为止，与气固相催化微反应器相比较，液相微反应器的种类非常少。
液液相反应的一个关键影响因素是充分混合，因而液液相微反应器或者与微混合器耦合在一起，或者本身就是一个微混合器。
专为液液相反应而设计的与微混合器等其他功能单元耦合在一起的微反应器案例为数不多。
主要有BASF设计的维生素前体合成微反应器和麻省理工学院设计的用于完成Dushman化学反应的微反应器。
3.气液相微反应器一类是气液分别从两根微通道汇流进一根微通道，整个结构呈T字形。
由于在气液两相液中，流体的流动状态与泡罩塔类似，随着气体和液体的流速变化出现了气泡流、节涌流、环状流和喷射流等典型的流型，这一类气液相微反应器被称做微泡罩塔。
另一类是沉降膜式微反应器，液相自上而下呈膜状流动，气液两相在膜表面充分接触。
气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面积。
这两类气液相反应器气液相接触面积都非常大，其内表面积均接近20000m2/m3，比传统的气液相反应器大一个数量级。
4.气液固三相催化微反应器气液固三相反应在化学反应中也比较常见，种类较多，在大多数情况下固体为催化剂，气体和液体为反应物或产物，美国麻省理工学院发展了一种用于气液固三相催化反应的微填充床反应器，其结构类似于固定床反应器，在反应室(微通道)中填充了催化剂固定颗粒，气相和液相被分成若干流股，再经管汇到反应室中混合进行催化反应。
气液相反应
8.3 气液反应器
型气 ，液 常反 见应 的器 有有 ：许
多 类
• 填料塔式反应器计算
• 反应器特点：
• 液体沿填料表面向下流动，持液量小； 气液接触界面近似等于填料表面积；气 液传质过程可以按双膜理论计算。
• 适用于瞬间反应及快反应过程。
• 塔径计算：
• 取0.6-0.8倍液泛速度为空塔操作气速u，
c AL shz
• 继续推导：
dcA dz
cAich 1 z cALchz sh
dnA dt
DLA
S
dcA dl
l 0
DLA
S
L
cAich cAL sh
DLA
L
S
ch sh
cAi
cAL
ch
kLAS cAi
cAL
th
cAi
cAL
ch
cAi cAL
因此：
cAi
cAL
ch
• 根据双膜理论的物理模型，可以写出：
dnA dt
DGA
G
(
pA
pAi )S
kGA( pA
pAi )S
DGA
G
kGA
dnA dt
DLA
L
(cAi
cAL)S
kLA (cAi
cAL)S
根据亨利定律，
DLA
L
kLA
pAi H AcAi ‘相界面处达到平衡’ 由以上两式可以推得：
dnA dt
LA
总括传质系数。
• 扩散物A在液膜中
的化学反应，使 pA
液膜较物理过程
的液膜变薄，由
变为 L
气液两相流密度
气液两相流密度气液两相流是指气体和液体同时存在并进行传输的流动状态。
在此种流动状态下，由于气体和液体的密度差异较大，因此其密度也会有所不同。
本文将以简体中文为主，探讨气液两相流密度的相关内容。
一、气体的密度气体的密度指的是单位体积内所包含的气体质量。
根据理想气体状态方程P V = n R T，气体的密度可以通过气体质量与体积的比值获得。
通常情况下，气体的密度会随着温度和压力的变化而变化。
具体来说，当温度升高或者压力降低时，气体的密度会呈现下降趋势；反之，当温度降低或者压力升高时，气体的密度会呈现上升趋势。
二、液体的密度液体的密度指的是单位体积内所包含的液体质量。
液体的密度是由液体的分子组成情况和压力决定的。
一般情况下，液体密度的变化范围相对较小。
与气体不同的是，液体的密度与温度变化关系较为微弱，通常可以忽略不计。
但是，液体的密度与压力变化关系较为明显，在高压下，液体的密度会有所增加。
三、气液两相流密度气液两相流密度是指气体和液体混合在一起后的总体积内所包含的质量。
由于气体和液体的密度差异较大，气液两相流密度的计算较为复杂。
通常情况下，气液两相流密度可以通过调和平均公式进行计算，即：(ρ_g * V_g + ρ_l * V_l) / (V_g + V_l)其中，ρ_g、V_g分别表示气体的密度和体积，ρ_l、V_l分别表示液体的密度和体积。
在气液两相流中，气相的密度一般较小，而液相的密度较大。
因此，在计算气液两相流密度时，液相的密度对最终结果具有较大的影响。
当液相比例较大时，气液两相流密度将逐渐接近液相的密度；而当气相比例较大时，气液两相流密度则会接近气相的密度。
四、气液两相流密度的应用气液两相流密度的研究对于工程领域中流体力学问题的解决具有重要意义。
在石油、化工、能源等领域中，气液两相流密度的准确计算和控制是设备设计和工艺优化的关键问题。
例如，在石油与天然气开采中，气液两相流密度的变化对于油气井生产和输送具有重要影响。
气体液体两相流体流动的稳定性研究
气体液体两相流体流动的稳定性研究引言气体液体两相流体在工业和科学研究领域中具有重要的应用。
在许多工业过程中，例如化工反应器、能源系统和流体输送管道中，气体液体两相流动的稳定性是一个关键问题。
了解和掌握气体液体两相流体流动的稳定性对于优化工艺、提高生产效率和降低能源消耗具有重要意义。
本文将对气体液体两相流体流动的稳定性进行研究，并探讨其在实际应用中的意义。
一、气体液体两相流体的基本特性气体液体两相流体是指同时存在气态和液态组分的流体系统。
其流动行为与单相流体有很大差异，主要表现在以下几个方面：1. 相互作用力气体液体两相流体中，气相颗粒之间存在较大的间隔，相互作用力主要为分子间吸引力和排斥力，而液相颗粒之间存在较小的间隔，相互作用力主要为粒子间的静电力和分子间吸引力。
这种不同的相互作用力使得气体液体两相流体的流动行为与单相流体有所区别。
2. 流动模式气体液体两相流体的流动模式分为多种类型，包括气泡流、水柱流和滴流等。
不同的流动模式具有不同的特点和流动规律，研究其流动机制和稳定性对于优化工艺和提高生产效率具有重要意义。
3. 界面传质和传热气体液体两相流体中，气液界面是传质和传热的重要界面。
气体和液体之间的传质和传热过程主要发生在界面附近，通过界面的扩散和对流来实现。
研究气液界面的传质和传热特性对于提高工艺效率和生产效益具有重要意义。
二、气体液体两相流体流动的稳定性模型气体液体两相流体流动的稳定性是指流体系统在一定条件下保持流动状态的能力。
在实际应用中，流动的稳定性直接影响到设备的运行和工艺的效果。
因此，研究气体液体两相流体流动的稳定性模型对于优化工艺和提高生产效率具有重要意义。
1. 平衡方程模型气体液体两相流体的平衡方程模型是研究其稳定性的关键。
平衡方程模型是通过对流体系统中物质和能量守恒的描述来建立的。
平衡方程模型包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等。
通过求解平衡方程模型，可以得到气体液体两相流体流动的稳定性条件。
气液两相流体传热传质机理研究
气液两相流体传热传质机理研究气液两相流体的传热传质机理研究是热工学和流体力学领域的重要研究方向之一，其研究对象是气体和液体在复杂流场中的传热和传质过程，包括多相流体泡沫、雾气、水蒸气等。
气液两相流体的传热传质机理研究有着广泛的应用领域，例如化工、航空航天、生物医学工程等。
一、气液两相流体的传热传质机理气液两相流体的传热传质机理包括传热和传质两个方面。
其中传热是指气液两相流体内部温度分布的变化，包括传导、对流和辐射等传热方式。
传质是指气液两相流体内部物质的传递过程，包括扩散、对流和反应等传质方式。
在气液两相流体的传热传质机理中，强制对流传热和传质是一种重要的传热传质方式。
在气液两相流体的流动过程中，流体中的气泡、液滴或固体颗粒会不断地与周围介质相互作用，产生一定的涡动和湍流，从而促进了气液两相流体的传热和传质。
此外，气液两相流体的传热传质过程也受到一些外界因素的影响，例如流体中固体颗粒的含量、温度和压力等。
二、气液两相流体传热传质机理的数值模拟气液两相流体的传热传质机理的数值模拟是研究气液两相流体传热传质机理的重要手段之一。
在数值模拟过程中，采用计算流体力学（CFD）方法对气液两相流体中的流场、温度和浓度等参数进行计算分析，从而获得气液两相流体的传热传质过程中的各种物理量。
在气液两相流体传热传质机理的数值模拟中，需要注意一些重要的问题。
例如，要对流场、温度和浓度等参数进行准确的数值计算和分析，需要考虑气液两相流体的复杂性和不确定性，同时要对流场、温度和浓度等参数进行合理的边界条件设置和计算。
此外，数值模拟过程中还需要考虑气液两相流体的物理特性和流体力学性质等问题，以获得准确的计算结果。
三、气液两相流体传热传质机理的应用气液两相流体的传热传质机理研究在很多领域中都有广泛的应用，例如化工、航空航天、生物医学工程等。
在化工领域中，气液两相流体的传热传质机理研究可以用于优化化工反应器的设计和操作，并可用于提高化工生产效率和质量等。
塔式反应器结构及原理
塔式反应器结构及原理
塔式反应器主要分为以下几种:
1、鼓泡塔反应器
塔内充满液体，气体从反应器底部通入，分散成气泡沿着液体上升，既与液相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率。
这类反应器适用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。
优点:鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于高压时也无困难。
缺点:鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚并，故效率较低。
2、填料塔反应器
填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。
液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。
气体从塔底送入，经气体分布装置(小直径塔一般不设气体分布装置)分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。
填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。
3、板式塔反应器
液体横向流过塔板经溢流堰溢流进入降液管，液体在降液管内释放夹带的气体，从降液管底隙流至下一层塔板。
塔板下方的气体穿过塔板上气相通道，如筛孔、浮阀等，进入塔板上的液层鼓泡，气、液接触进行传质。
气相离开液层而奔向上一层塔板，进行多级的接触传质。
4、喷淋塔反应器
喷淋塔反应器结构较为简单，液体以细小液滴的形式分散于气体中，气体为连续相，液体为分散相。
喷淋塔是气膜控制的反应系统，适于瞬间、界面和快速反应过程。
塔内中空，特别适用于有污泥、沉淀和生成固体产物的体系。
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例如：
• 空气深泠分离过程中用化学吸收脱除CO2 以防止干冰堵塞管道；
• 催化反应前用化学吸收除去反应原料气 中微量的H2S以免催化剂中毒。
7.1.1气液相反应设备
塔类反应器 气液相反应设备 釜式反应器
填料塔 板式塔 鼓泡塔
鼓泡搅拌釜
1
HA
1
kGA
k LA
KGA
1 1 HA K GA kGA k LA
1 1 1 K LA H A kGA k LA
气液相反应过程是传质与反应的综合。其宏观 反应速率决定于其中速率特别慢的那一步。
• 反应速率>>传质速率，宏观反应速率由传质速 率决定，在形式上就是传质速率方程；
• 传质速率>>反应速率，则称为反应控制或动力 学控制，此时宏观反应速率就等于本征反应速 率。
a=S/VR。 • ai与a均称为比相界面，但它们的基准不同，故
数值上也有差别。两者之间可用气含率ε关联。
7.2 气液相反应动力学
• 设有二级不可逆气液相反应A（g）＋bB（l） → P，其液相中的本征速率方程为（－rA）= kCA CB，宏观速率方程受到气液相传质阻力的 影响。按照传质阻力与反应阻力的相对大小， 气液相反应可分为若干种不同类型，具有不同 的宏观速率方程。
并在相界面上达到气液平衡，即符合亨利定律
pAi H AC Ai
• 气相主体和液相主体中达到全混状态，传质阻 力全部集中在膜内。
• 在无反应的情况下，组分A 由气相主体扩散而进入液 相主体需经历以下途径： 气相主体→气膜→界面气 液平衡→液膜→液相主体。
②无反应时的扩散方程
作单位 气液相 界面积 上物料 衡算
NA
-D LA
dC A dz
D
LA
[
1
L
(C Ai
C AL )]
DLA
L
(C Ai
C AL )
对照两式可得到扩散系数与传质系数之间的关系
k LA
D LA
L
气膜传质系数与气膜扩散系数也成正比关系
kGA
DGA
L
如定义与液相中CAL平衡的气相分压为PA*，与气相中 PA平衡的液相浓度为CA*。则传质通量又可表示为
③各传质系数及其相互关系
kG气膜中的传质系数 kL液膜中的传质系数 KG气相总传质系数 KL液相总传质系数
根据双膜模型的假定，全部液相传质阻力都集中在液膜内， 单位时间内通过单位传质表面的A组分的量可表示为
N A k LA (C AL C Ai )
kLA为A组分在液膜中的传质系数，而根据Fick扩散定律，液 膜中的传质速度即为扩散速度：
7．2．1 气液相反应的类型 气液相二级不可逆反应有以下八种类型
②界面反应
• 反应的性质与瞬间快速 反应相同，但因液相中 B组分浓度高，气相组 分A一扩散到达界面即 反应完毕，反应面移至 相界面上，在界面上， A组分浓度为零，而B 组分浓度可大于零。正 好使B组分在界面上浓 度为零时液相主体中组 分B的浓度称为临界浓 度。
常见的气液相反应可分为两大类
1．化学吸收 2．制取化学产品
1．化学吸收
• 液相吸收剂中的活性组分与被吸收气体中某组分 发生化学反应而生成产物，称为化学吸收，可用 于脱除气体中的有害组分，或回收气相中的有用 组分。
• 当工艺要求气相中某活性组分浓度很低而用物理 吸收方法难以达到时，常采用化学吸收的方法。 与物理吸收相比较，化学吸收推动力大，可以更 快速彻底地吸收掉气相中的某些组分。
• 具有较大的相界面积和较小的贮液量；
• 板式吸收塔：塔体与塔板结构与一般精 馏塔相同，具有较大的相界面积和较大 的贮液量；
• 鼓泡塔：通常是一个 空的筒体，内装液相 反应物，以鼓泡形式 通过液层并与液相组 分发生反应。鼓泡塔 中气液相界面积决定 于气泡表面，故单位 体积反应器所具有的 相界面积较小，但其 贮液量比前两种塔式 反应器大。
N A kGA ( pA p Ai ) kLA (C Ai C AL ) KGA ( pA pA*) K LA (C A * C AL )
PA PAi C Ai C AL pA PA * C A * C AL
1
1
1
1
kGA
k LA
K GA
K LA
可得
pA pAi pAi pA * pA pA *
⑤二级中速反应
• A与B在液膜中发生反 应，但因反应速率不 很快，故有部分A在液 膜中不能反应完毕， 因而进人液相主体， 并在液相主体中继续 与B组分反应。
塔式反应设备
• 填料吸收塔：塔内装置一定高度的填料层，液 体从塔顶沿填料表面呈薄膜状向下流动，气体 则呈连续相由下向上同液膜逆流接触，发生传 质过程。气体和液体的组成沿塔高连续变化。
• 填料塔中根据充填填料的结构特点，又可分为 拉西环、鲍尔环、矩鞍形填料、波纹填料等实 体填料塔和高效丝网填料塔等。
• 化学吸收填料塔通常 是两塔串联操作：
• 左边吸收塔，右边为 解吸塔，吸收塔中气 相反应物被吸收剂吸 收进入吸收液，吸收 液在解吸塔中因压力 降低温度升高而发生 解吸，被吸收的气相 组分得到浓缩提纯， 而液体吸收剂则返回 吸收塔循环使用。
• 釜式气液相反应器：鼓泡搅 拌釜。气体由搅拌釜的下部 分布器流入，呈气泡向上运 动，分布器上方有快速转动 的搅拌桨，将气泡打碎成无 数小气泡，从而大大增加了 单位体积中的气泡总表面积， 强化了气液两相间的传质， 同时具有较大的贮液量，这 种鼓泡搅拌釜用于烃类的氯 化，并广泛应用于生化发酵 罐中，其体积有大至 100~200m3的。
• 传质速率≈反应速率，没有控制步骤，宏观反 应速率要同时考虑传质与反应的影响。
很多情况下气液相反应速率与相界面积的 大小有关，故常用以相界面积为基准的反应速 率（-rA''）表示。
7.1.4比相界面与气含率
• 单位液相体积所具有的气液相界面积ai=S/VL； • 单位气液混合物体积中所具有的气液相界面积
7.1.2气液传质的双膜模型
• 双膜模型 • 涡流扩散模型 • 表面更新模型
后两种模型发展较晚，比较接近实际情 况，但其模型参数不易确定。而双膜模 型实际应用较多，其优点是简明易懂， 便于进行数学处理。
①双膜模型
假定： • 气液相界面两侧存在着气膜与液膜（为很薄的
静止或滞留层） • 气相组分向液相扩散时，先到达气液相界面，