气液固三相反应-文档资料共43页
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《化学过程工艺学》第七章 气液固三相
实现
气相与液固相的分离 固体颗粒的分级 气相和液相中各种组分的分离
三相分离系统 （1）浆态的蒸发浓缩系统
闪蒸室
真空强制循环蒸发器（磷酸浓缩 3%含固量）
热气体与浆料直接接触的蒸发装置
鼓泡浓缩、浸没燃烧、喷雾浓缩
P212
H2SO4
晶浆悬浮床 固相
换热器
图 真空强制循环蒸发器
四川大学本科生课程化学工艺学
（2）过渡流动区：继续提高气体流速，就进入过渡
区，这时床层上部基本上是喷射流，床层下部则出现
脉冲现象。在过渡区流动既不完全是喷射流，又不完
全是脉冲流，两者交替并存。
（3）脉冲流动区：气速进一步增大，脉冲不断出现，
并充满整个床层。液体流速一定时，脉冲的频率和速
度基本不变，脉冲现象具有一定的规律性。当液体流
k AS Se (cAL cAS )
催化剂外表面传质
kwSe swcAS
催化剂内的扩散反应过程速率
气液相界面的相平衡
c AGi KGLc ALi
令
rA
dN A dVR
kT SecAG
1 kT
Se
1 k AG
Se
KGL k AL
K
GL
1 k AS
1
kw sw
（1）温度 （2）催化剂粒度
总体反应速率常数
内扩散有效因子
四川大学本科生课程化学工艺学
5/88
7.1.2 液固三相过程中的流形
为何要研究流形？ 三相中，气液相反应极快；固相参1 悬浮床中的流动形态
悬浮状固体颗粒(小颗粒)的搅拌形式： 机械搅拌悬浮式和气液搅动悬浮式。
气液搅动的悬浮态（三相流态化）：固体粒子在气体和液体 两种流体的作用下呈流化状态。
气(液)固相反应动力学资料
第十三章 气(液)/固相反应动力学
13.1 气(液)/固相反应 动力学基础 13.2 化学反应控制 13.3 外扩散控制
13.4 内扩散控制
13.5 混合控制
1
13.1 气(液)/固相反应动力学基础
13.1.1 区域化学反应速率 变化特征 13.1.2 反应总动力学方程 式及控制步骤
13.1.3 影响气（液）/固相 反应的因素
As Cs Dg
5.2 反应速率的概念是什么？
化学反应速率是单位时间内，单
位反应混合物体积(或单位质量催 化剂，或单位面积反应界面)中反 应物的反应量或生成物的生成量 。 化学反应速率与相互作用反应物 质的性质，压力p，温度T及各反 应组分的浓度c等因素有关。
5
一定的压力和温度条件下，化
2
2. 多相反应是什么意思？
化学反应从相态上分为均相反应和非均相反应。 均相反应由于反应在同一个相态中进行，反应速
率只与反应的温度和组分的浓度有关。
非均相反应包括气一固，液一固，气一液，液一 液，气一液一固等，由于反应组分来自不同的相态， 反应通常在相界面上进行，因此反应速率不仅与温 度及组分的浓度有关，还与相界面的大小，特点， 相间的质量、热量、动量传递过程有关。
的速度是不相等的。 总的反应速度将取决于最慢的一个环节，这一环节 称为限制性环节。
在火法冶金中，气流速度较快，常常高于形成边界
层的临界流速，因而外扩散通常不是限制性环节。 在火法冶金的高温和常压下，吸附速度也较快，通 常也不是限制性环节。
12
限制性环节主要是内扩散和结晶-化学变化两阶段。
A B
E D
步骤4：生成物D通过E(s)向边界层扩散； 步骤5：生成物D通过边界层向外扩散，外扩散。 控制步骤：外扩散控制 内扩散控制 化学反应 控制 任务：找出控制性步骤，有针对地性强化 方法：查明诸控制过程的规律性，与实际对照。
13.1 气(液)/固相反应 动力学基础 13.2 化学反应控制 13.3 外扩散控制
13.4 内扩散控制
13.5 混合控制
1
13.1 气(液)/固相反应动力学基础
13.1.1 区域化学反应速率 变化特征 13.1.2 反应总动力学方程 式及控制步骤
13.1.3 影响气（液）/固相 反应的因素
As Cs Dg
5.2 反应速率的概念是什么？
化学反应速率是单位时间内，单
位反应混合物体积(或单位质量催 化剂，或单位面积反应界面)中反 应物的反应量或生成物的生成量 。 化学反应速率与相互作用反应物 质的性质，压力p，温度T及各反 应组分的浓度c等因素有关。
5
一定的压力和温度条件下，化
2
2. 多相反应是什么意思？
化学反应从相态上分为均相反应和非均相反应。 均相反应由于反应在同一个相态中进行，反应速
率只与反应的温度和组分的浓度有关。
非均相反应包括气一固，液一固，气一液，液一 液，气一液一固等，由于反应组分来自不同的相态， 反应通常在相界面上进行，因此反应速率不仅与温 度及组分的浓度有关，还与相界面的大小，特点， 相间的质量、热量、动量传递过程有关。
的速度是不相等的。 总的反应速度将取决于最慢的一个环节，这一环节 称为限制性环节。
在火法冶金中，气流速度较快，常常高于形成边界
层的临界流速，因而外扩散通常不是限制性环节。 在火法冶金的高温和常压下，吸附速度也较快，通 常也不是限制性环节。
12
限制性环节主要是内扩散和结晶-化学变化两阶段。
A B
E D
步骤4：生成物D通过E(s)向边界层扩散； 步骤5：生成物D通过边界层向外扩散，外扩散。 控制步骤：外扩散控制 内扩散控制 化学反应 控制 任务：找出控制性步骤，有针对地性强化 方法：查明诸控制过程的规律性，与实际对照。
第九章气液固三相反应工程
相关的文献：
所著“气-液-固流态化工程”第四章对淤浆鼓泡反应器的
有关问题作了深入的讨论。当固体为细颗粒，淤浆的性 能可作为拟均相（即拟液体）处理时，可采用气-液鼓泡 反应器的有关理论；
等对气-液-固三相反应器的有关研究工作作了综述； 及的专著对鼓泡淤浆床反应器的流体力学、传热、传质
及工业应用作了详细的综述及讨论；
接
液化，石油馏分加氢脱硫，煤制合成气催化
合
成燃料油的费-托()合成过程
液相为惰性相的气-液-固催化反应，液相作为热
载体，例如，一氧化碳催化加氢生成烃类、醇类、 醛类、酮类和酸类的混合物。
工业上采用的气-液-固反应器按床层的性
质主要分成两种类型，即固体处于固定床和悬浮
床。
（一）固定床气-液-固三相反应器 滴流床或称涓流床反应器是固定床三相反应
利用机械搅拌的方法使催化剂或固体颗粒保 持悬浮状态，它有较高的传质和传热系数，对于 三相催化反应和含高粘度的非牛顿型流体的反应 系统尤为合适。
通过剧烈搅拌，催化剂悬浮在液相中，气体 和颗粒催化剂充分接触，并使用细颗粒催化剂， 可提高总体速率。
该类反应器操作方便且运转费用低，工业上 常用于油脂加氢、有机物的氧化等过程，采用半 间歇操作方式，气相连续通入反应器，被加工的 液相达到一定的转化率后，停止反应并卸料。
对于机械搅拌悬浮反应器，要注意： 颗粒悬浮的临界转速； 允许的极限气速。
2. 鼓泡淤浆床三相反应器的特征
鼓泡淤浆床反应器（ ,简称）的基础是气液鼓泡反应器，即在其中加入固体，往往文献中 将鼓泡淤浆床反应器与气-液鼓泡反应器同时进行 综述。
作为催化反应器时， 鼓泡淤浆床反应器有下列优点：
使用细颗粒催化剂，充分消除了大颗粒催化剂粒内传质
气液固三相反应器课件
实验研究与模拟的局限性及未来发展
局限性分析
分析实验研究和模拟技术的局限性，如实验 条件的不一致性、模型简化和误差传递等， 以及如何减小这些局限性的影响。
未来发展趋势
探讨三相反应器实验研究和模拟技术的未来 发展趋势，如新技术应用、模型优化和多尺 度模拟等，以及这些趋势对工业应用和科学 研究的影响。
05
优化产品生产
三相反应器可用于优化产品生产过 程，提高产品质量和产量，降低生 产成本。
三相反应器的历史与发展
历史
三相反应器的概念最早由科学家们提出，经过近百年的发展，现已广泛应用于各个领域。
发展
随着科技的不断进步，三相反应器在材料、结构、能效等方面不断优化，未来还将应用于更多领域。
02
CATALOGUE
应用先进的智能化控制技术，实现对三相反应器的精准控制，提高 生产效率和产品质量。
三相反应器面临的挑战与解决方案
01
反应器稳定性问题
三相反应器的操作条件较为复杂，容易出现稳定性问题。为解决这一问
题，需深入研究反应机理，优化反应条件，提高设备的稳定性。
02 03
能耗与环保问题
三相反应器运行过程中需要消耗大量的能源，且可能产生环境污染。针 对这一问题，应研发低能耗、环保型的三相反应器，如采用高效分离技 术、循环利用技术等。
特点
三相反应器具有高效率、高选择 性、高稳定性等优点，可用于处 理复杂的多相化学反应过程。
三相反应器的重要性
实现多相化学反应
三相反应器能够模拟和实现多相 化学反应过程，为科学研究、工 业生产和环保等领域提供有效的
手段。
提高能源利用率
三相反应器的特殊结构有助于提高 能源的利用率，降低能源消耗，对 于节能减排具有重要意义。
第二章 气液固三相反应工程概述
图2-4 三相反应器中气相反应物的浓度分布
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2-3； 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。
（2-3）
1 1 1 1 1 HA( ) （2-4） K OG H A K GA a L k LA a L k SA a S k w
aL:单位质量催化剂所具有的气液相传质面积m2/kg aS:单位质量催化剂所具有的液固相传质面积m2/kg η:催化剂内扩散有效因子 HA:亨利常数（气液相平衡常数）无因次 kGA：以浓度为推动力的组分A的气相传质分系数m/h kLA:气-液相间组分A的液相传质分系数m/h kSA:液-固相间组分A的液相传质分系数m/h kw:以单位质量催化剂为基准的本征反应速率常数m3/(kg· h)
气-液-固三相 反应工程
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本章内容
1
气-液-固三相反应类型及宏观动力学 滴流床三相反应器
2
3
机械搅拌鼓泡悬浮式三相反应器
4
鼓泡淤浆床反应器
气-液-固三相反应类型
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）
图2-2巴球卡槽 示意图
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。
化学反应工程第九章气液固三相反应工程资料
合成：本单元是将净化工段送来的温度为220℃、压力为 3.2MPa、氢碳比为1.4～1.8之间的合格原料气，和循环合成 气混合后，在一定的反应条件下 ，通过浆态床反应器R6101在浆态床催化剂的作用下，将合成气转化为油和蜡产物， 并分离出轻质馏分油、重质馏分油、合成水、蜡等粗产品分 别送往中间罐区、精过滤单元或加氢装置。本单元包括压缩 机厂房、油泵房、水泵房、加热炉、反应器构架等区域。
4.三相环流反应器 三相环流反应器是在进行气-液两相反应的
环流反应器中添加固体颗粒的三相反应器，广泛 应用于生物反应工程、湿法冶金、有机化工、能 源化工及污水处理工程，如以甲醇为原料生产单 细胞蛋白已采用1500～3000m3容积的大型三相环 流反应器。湿法冶金中在较高温度和加压下用液 体来浸取矿石中的有色金属化合物。
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。
2019/12/16
实例
石油加工中催化加氢裂化三相滴流床反应器
石油加工中馏分油经过加氢裂化后油的氢碳 比上升，产品是轻质油品，如轻柴油、喷气燃料 和汽油。 催化剂
空分：装置以空气为原料,先将空气液化,然后利用各组份 沸点不同将其分离。在标准状态下,O2的沸点－183℃,N2 的沸点－196℃,相差13℃,故采用精馏的方法将氧氮分离成 纯氧、纯氮组分。
2019/12/16
气化：装置采用西北化工研究院完全自主知识产权的多元 料浆加压煤气化技术，以煤、含氧有机化合物和纯氧为原 料，年产16万吨煤基合成油。煤浆制备系统配有两套、正 常两套同时运行，并配有供煤、供水、水煤浆添加剂的溶 解系统。气化采用激冷流程，气化压力为4.0MPa、气化 炉温度约1350℃。系统配置3台气化炉、3台碳洗塔，正常 生产时为两开一备，渣水处理系统闪蒸配有两套，黑水沉 降过滤系统为一套。
4.三相环流反应器 三相环流反应器是在进行气-液两相反应的
环流反应器中添加固体颗粒的三相反应器，广泛 应用于生物反应工程、湿法冶金、有机化工、能 源化工及污水处理工程，如以甲醇为原料生产单 细胞蛋白已采用1500～3000m3容积的大型三相环 流反应器。湿法冶金中在较高温度和加压下用液 体来浸取矿石中的有色金属化合物。
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。
2019/12/16
实例
石油加工中催化加氢裂化三相滴流床反应器
石油加工中馏分油经过加氢裂化后油的氢碳 比上升，产品是轻质油品，如轻柴油、喷气燃料 和汽油。 催化剂
空分：装置以空气为原料,先将空气液化,然后利用各组份 沸点不同将其分离。在标准状态下,O2的沸点－183℃,N2 的沸点－196℃,相差13℃,故采用精馏的方法将氧氮分离成 纯氧、纯氮组分。
2019/12/16
气化：装置采用西北化工研究院完全自主知识产权的多元 料浆加压煤气化技术，以煤、含氧有机化合物和纯氧为原 料，年产16万吨煤基合成油。煤浆制备系统配有两套、正 常两套同时运行，并配有供煤、供水、水煤浆添加剂的溶 解系统。气化采用激冷流程，气化压力为4.0MPa、气化 炉温度约1350℃。系统配置3台气化炉、3台碳洗塔，正常 生产时为两开一备，渣水处理系统闪蒸配有两套，黑水沉 降过滤系统为一套。
气液固三相反应-文档资料
固体固定型三相反应器
固体悬浮型反应器
2.1 滴流床反应器
通常采用气液并流向下的操作方式
– 液体润湿固体催化剂表面形成液膜，气相反应物溶解于液相 后再向催化剂外表面和内部扩散，在催化剂的活性中心上进 行反应
– 广泛应用于石油、化工和环境保护过程
石油馏分的加氢精制和加氢裂化，有机化合物的加氢、氧化以 及废水处理
四个步骤的串联过程 在定态条件下，各步骤的速率相等
催化剂表面的反应按照一级反应处理时，
三相反应中气相反应物浓度分布
1）组分A从气相主体 传递到气液界面 2）组分A从气液界面 传递到液相主体 3）组分A从液相传递 到催化剂外表面 4）组分A向催化剂内 部传递并在内表面上 进行反应
滴流床反应器 淤浆床反应器
– 如果过程的控制步骤为催化剂颗粒内的传质，应选用细颗粒催化 剂的反应器，淤浆床反应器
– 过程控制步骤的判断
如果知道速率方程中的各项传递参数，通过计算可以获得速率 控制步骤
固定床反应器的通病
解决的方法
采用多床层，在层间加入冷氢进行急冷，控制每段床 层的温升
采用液相循环操作，在反应器外对液相进行冷却
气液逆流操作滴流床反应器
– 气相反应物浓度过低时，可以采用气液逆流操作的滴流床反应器， 有利于增大过程的推动力
– 当气液两相流速较大时，可能出现液泛
气液并流向上操作滴流床反应器---填料鼓泡塔
– 结构类似于气固相反应的固定床反应器
与固定床反应器的区别？
优点
气液流型接近于平推流，返混小 持液量小 催化剂表面液膜很薄 采用并流向下进行反应时，不会有液泛的发生，气相
的流动阻力小
缺点
传热能力差 液流流速低时，可能由于液流分布不均匀，导致部分催化剂不能
气液固三相滴流床反应器
特点
具有较高的传质效率和反应速率 ，适用于多种化学反应过程，尤 其适用于气液固三相反应。
工作原理
工作原理
通过控制滴流床反应器的操作参数， 使气体、液体和固体在反应器内充分 接触混合，实现高效的传质和化学反 应。
操作参数
包括液体流量、气体流量、固体填充 高度、温度和压力等，这些参数对反 应器的性能和化学反应结果具有重要 影响。
相容性原则
确保气、液、固三相在反应器内能够 良好地混合与传递，避免相分离或短 路现象。
传热与传质强化
结构紧凑与操作简便
降低设备体积与重量，简化操作流程， 降低能耗和维护成本。
优化反应器设计，强化传热与传质过 程，提高反应效率。
结构设计
01
02
03
滴流床结构设计
采用适宜的滴流床结构， 如多孔分布板或筛网，以 实Βιβλιοθήκη 气、液、固三相的良 好分散与混合。
液位控制
通过调节进料速度和出料阀控 制液位高度，保持液位稳定， 避免溢流或空罐现象。
搅拌控制
通过调节搅拌速度，确保液体 和固体原料充分混合，提高反
应效率。
常见问题与解决方案
温度波动
可能是由于加热或冷却系统故障导致，需要检查加热和冷却系统是否 正常工作，及时维修或更换故障部件。
压力波动
可能是由于进料或出料阀故障导致，需要检查阀门是否正常工作，及 时维修或更换故障部件。
应用领域
应用领域
广泛应用于石油、化工、制药、环保等领域，用于实现气液 固三相反应，如烷基化反应、酯化反应、水解反应等。
具体应用
在石油工业中用于烃类转化和裂化反应；在制药工业中用于 合成药物和生物催化剂的生产；在环保领域用于处理废气和 废水中的有害物质。
具有较高的传质效率和反应速率 ，适用于多种化学反应过程，尤 其适用于气液固三相反应。
工作原理
工作原理
通过控制滴流床反应器的操作参数， 使气体、液体和固体在反应器内充分 接触混合，实现高效的传质和化学反 应。
操作参数
包括液体流量、气体流量、固体填充 高度、温度和压力等，这些参数对反 应器的性能和化学反应结果具有重要 影响。
相容性原则
确保气、液、固三相在反应器内能够 良好地混合与传递，避免相分离或短 路现象。
传热与传质强化
结构紧凑与操作简便
降低设备体积与重量，简化操作流程， 降低能耗和维护成本。
优化反应器设计，强化传热与传质过 程，提高反应效率。
结构设计
01
02
03
滴流床结构设计
采用适宜的滴流床结构， 如多孔分布板或筛网，以 实Βιβλιοθήκη 气、液、固三相的良 好分散与混合。
液位控制
通过调节进料速度和出料阀控 制液位高度，保持液位稳定， 避免溢流或空罐现象。
搅拌控制
通过调节搅拌速度，确保液体 和固体原料充分混合，提高反
应效率。
常见问题与解决方案
温度波动
可能是由于加热或冷却系统故障导致，需要检查加热和冷却系统是否 正常工作，及时维修或更换故障部件。
压力波动
可能是由于进料或出料阀故障导致，需要检查阀门是否正常工作，及 时维修或更换故障部件。
应用领域
应用领域
广泛应用于石油、化工、制药、环保等领域，用于实现气液 固三相反应，如烷基化反应、酯化反应、水解反应等。
具体应用
在石油工业中用于烃类转化和裂化反应；在制药工业中用于 合成药物和生物催化剂的生产；在环保领域用于处理废气和 废水中的有害物质。