气液相反应器的选型
气液固三相反应器
鼓泡淤浆床三相反应器
鼓泡淤浆床反应器（Bubble Column Slurry Reactor, 简 称 BCSR ）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。
鼓泡淤浆床三相反应器
某些极限情况下： 不存在气膜传质阻力，kAG→∞时
Se 1 1 1 1 K GL kT a k AL k AS k w sw
不存在气-液界面处液膜传质阻力，kAL→∞时
1 1 Se 1 1 K GL k kT a k AG k w sw AS
cAig KGLcAiL
令
rA
dN A d VR
kT S e c Ag
则
1 S K 1 Se 1 1 e GL K GL kT a k AG a k AL k k w sw As
上述颗粒宏观反应动力学模型是以气-固相宏 观反应动力学为基础，再计入双膜论的气-液 传质过程组合而成的。
式中：
C *
A
L
为气相平衡的液体中组分A的浓度kmol/m3
数学模型 对A物料衡算（忽略气膜阻力）
u0,G
dcAG dz
cAG kL aL ( cAL ) HA
（1）
由于液相中为全混流，液相中组分A的浓度应不变，对（1）式积分：
cAG (cAG )0 e
, LR
(1 e
（5）
（6）
由公式（1）~（6）为机械搅拌釜淤浆反应器的设计方程，将这些方 程联立求解，可求出反应器的有效容积
反应器型式和操作方式的选择
03
各类反应器适用场景及特点
釜式反应器
适用场景
适用于液-液、液-固相反应及反应过 程中有固体生成的场合，如酯化、硝 化、磺化等反应。
特点
结构简单，操作方便，传热面积大， 传热效果好，适用于间歇操作。
反应器分类
根据反应的特点和需求，反应器可分为釜式反应器、管式反应器 、塔式反应器、固定床反应器和流化床反应器等。
Байду номын сангаас
常见反应器型式介绍
釜式反应器
管式反应器
塔式反应器
固定床反应器
流化床反应器
适用于液相或气液相反应 ，具有结构简单、操作方 便、传热效果好等优点。
适用于气固相或气液相连 续反应，具有结构紧凑、 传热效率高、反应时间短 等特点。
适用于气固相或气液相逆 流接触反应，具有处理能 力大、传质效率高、操作 弹性大等优势。
适用于气固相或液固相反 应，具有催化剂不易磨损 、反应温度均匀、易于控 制等优点。
适用于气固相或液固相反 应，具有传热传质效果好 、催化剂活性高、操作灵 活等特点。
选型原则及影响因素
选型原则
在选择反应器型式时，应遵循满足工艺要求、保证产品质量、提高经济效益等 原则。
影响因素
反应器选型受到反应物性质、反应条件、催化剂性质、传热传质要求等多种因 素的影响。因此，在选型时需综合考虑这些因素，选择最适合的反应器型式。
02
操作方式选择依据
连续操作与间歇操作比较
连续操作
物料连续进入和离开反应器，反 应过程中各参数保持恒定，生产 效率高，产品质量稳定。
间歇操作
化学反应工程第九章气液固三相反应工程资料
2019/12/16
2. 鼓泡淤浆床三相反应器的特征 鼓泡淤浆床反应器（Bubble Column Slurry
Reactor,简称BCSR）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。
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1—入口扩散器； 2—气液分离器； 3—去垢篮筐； 4—催化剂支持盘； 5—催化剂连通管； 6—急冷氢箱及再分配盘； 7—出口收集盘； 8—卸催化剂口； 9—急冷氢管
图（例9-1-1）热壁式加氢裂化反应器
（二）悬浮床气-液-固三相ห้องสมุดไป่ตู้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，有多种型式，例如:
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工业滴流床反应器优点
气体在平推流条件下操作，液固比（或液体滞留量） 很小，可使均相反应的影响降至最低；
气-液向下操作的滴流床反应器不存在液泛问题； 滴流床三相反应器的压降比鼓泡反应器小。
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工业滴流床反应器缺点
在大型滴流床反应器中，低液速操作的液流径向分布 不均匀，并且引起径向温度不均匀，形成局部过热， 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；
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温度
加氢裂化是放热反应，温度升高可以提高反 应速率常数，但对加氢反应的化学平衡不利， 原料油越重，氮含量越高，反应温度要越高， 但过高的反应温度会增加催化剂表面的积炭。
例如，对于轻循环油加氢过程，当原料油含氮
（质量分数）分别为0.04%，0.1%及0.16%时， 反 应 温 度 分 别 为 355 ～ 365℃ ， 385 ～ 395℃ 及 430～435℃。
反应器选型与设计(完结版)
反应器选型与设计一、反应器类型反应器设备种类很多，按结构型式分，大致可分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。
1.1釜式反应器：反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。
物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。
应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。
优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。
缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。
绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。
1.2 管式反应器①由于反应物的分子在反应器内停留时间相等，所以在反应器内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度都不随时间而变化，只随管长变化。
②管式反应器具有容积小、比表面大、单位容积的传热面积大，特别适用于热效应较大的反应。
③由于反应物在管式反应器中反应速度快、流速快，所以它的生产能力高。
④管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。
⑤和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接近与理想流体。
⑥管式反应器既适用于液相反应，又适用于气相反应。
用于加压反应尤为合适。
1.3 固定床反应器固定床反应器的优点是：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。
②催化剂机械损耗小。
③结构简单。
固定床反应器的缺点是：①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。
②操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。
固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。
目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。
1. 4 流化床反应器（1）流化床反应器的优点①由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大（可16400m2/m3），有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。
反应器选型与设计
反应器选型与设计一、反应器类型反应器设备种类很多，按结构型式分，大致可分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。
1.1釜式反应器：反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。
物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。
应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。
优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。
缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。
绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。
1.2 管式反应器①由于反应物的分子在反应器内停留时间相等，所以在反应器内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度都不随时间而变化，只随管长变化。
②管式反应器具有容积小、比表面大、单位容积的传热面积大，特别适用于热效应较大的反应。
③由于反应物在管式反应器中反应速度快、流速快，所以它的生产能力高。
④管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。
⑤和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接近与理想流体。
⑥管式反应器既适用于液相反应，又适用于气相反应。
用于加压反应尤为合适。
1.3 固定床反应器固定床反应器的优点是：①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。
②催化剂机械损耗小。
③结构简单。
固定床反应器的缺点是：①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。
②操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。
固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。
目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。
1. 4 流化床反应器（1）流化床反应器的优点①由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大（可16400m2/m3），有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。
化学反应过程与设备
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（一）气液相反应的特点与应用
气液相反应工业应用： 气液相反应广泛地应用于加氢、磺化、卤化、氧化等化学加工 过程。
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应的基本类型与特点
气液相反应器的特点： 鼓泡塔反应器： 广泛应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： 缺点：
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应 的基本类型与特点
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应的基本类型与特点
气液相反应器的特点： 填料塔反应器： 广泛应用于气体吸收的设备，也可用作气液相反应器。 反应方式： 适用于： 优点： 缺点：
二、鼓泡塔反应器结构
（二）鼓泡塔反应器的结构
组成： (1)塔底部的气体分布器分布 作用： (2)塔筒体部分 作用： (3)塔顶部的气液分离器 作用：
化学反应过 程与设备
三、填料塔反ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器结构
（一）填料塔反应器的结构
定义：填料塔是以塔内装有大量的 填料为相间接触构件的气液传质设备。 结构：填料塔的塔身是一直立式圆筒， 底部装有填料支承板，填料以乱堆或 整砌的方式放置在支承板上。
化学反应过 程与设备
三、填料塔反应器结构
（一）填料塔反应器的结构 5、塔内件 （5）液体分布装置
化学反应过 程与设备
三、填料塔反应器结构
（一）填料塔反应器的结构 5、塔内件 （6）液体收集及再分布装置
化学反应过 程与设备
气液相反应器
三、主要型式气液相反应器的特性及应用范围
相界面积 相界面积 液相体积 型式 液相体积 m2/m3 反应器体 积m2/m3
液相 体积分率
气液 比mol 液膜体积
应用范围
喷雾塔 填料塔 板式塔 鼓泡搅 拌釜 鼓泡塔
~1200 ~1200 1000 200 20
~60 100 150 200 20
项目五 气液相反应器
4.搅拌釜式反应器
项目五 气液相反应器
釜内装有搅拌器，其主要作用是分散气体，并使液体达到 充分混合，由于搅拌造成的湍流，其传质系数比较高。 搅拌器的形式以圆盘形涡轮桨为最好。当液层高度与釜直 径之比大于1.2以上时，一般需要两层或多层桨翼，有时桨翼 间还要安置多孔挡板。 液体的停留时间可根据需要方便地调节，亦可采用液体间 歇进料、气体连续进料的操作方式。 通过设置夹套或蛇管，或利用外部循环换热器，可方便地 移出或供给反应热。 搅拌釜式气液相反应器的优点是气体分散良好，气液相界 面大，强化了传质、传热，并能使非均相液体均匀稳定。 主要缺点是搅拌器的密封较难解决，在处理腐蚀性介质及 加压操作时，应采用封闭式电动传动设备。达到相同转化率时， 所需要反应体积较大。 搅拌釜式气液相反应器的结构简单，适应性较强，对小规 模生产过程较为适用。
3.鼓泡管反应器
鼓泡管反应器由管 接头依次连接的许多垂 直管组成，在第一根管 下端装有气液混合器， 最后一根管与气液分离 器相连接。
项目五 气液相反应器
反应器中，既有向上运动的气液混合物，又有下降的气液 混合物，而下降物流的流型变化有其独特的规律，下降管的直 径较小，在其鼓泡流动时，气泡沿管截面的分布较均匀，但当 气流速度较小时，反应器中某根管子会出现环状流，从而造成 气流波动，引起总阻力显著增加，会使设备操作引起波动而处 于不稳定状态，因此气体空塔流速不应过小，一般控制在大于 0.4m/s。 鼓泡管反应器适用于要求物料停留时间较短（一般不超过 15～20min）的生产过程，若物料要求在管内停留时间长，则 必须增加管子的长度，但流动阻力会相应增大。此外，这种反 应器特别适用于需要高压条件的生产过程，例如高压聚乙烯生 产。 鼓泡管反应器的最大优点是生产过程中反应温度易于控制 和调节。并因管内液体的流动属于理想置换模型，故达到一定 转化率时所需要的反应体积较小，对要求避免返混的生产体系 十分有利。
反应器设计最基本的内容
热力学第二定律
熵增原理，用于判断反应自发性和热力学可行 性。
平衡常数
描述反应达到平衡时反应物和产物浓度的关系。
传递过程基础
1 2
流动模型
描述反应物在反应器内的流动特性，如平推流、 全混流等。
传热模型
计算反应过程中的热量传递，如导热、对流和辐 射等。
3
传质模型
描述反应物和产物在反应器内的浓度分布和传递 过程。
应用
广泛应用于石油、化工等领域中 的气固相非催化反应。
02
反应器设计基础
化学反应动力学
反应速率方程
描述反应速率与反应物浓度的关系。
反应机理
确定反应过程中的基元反应和反应路径。
动力学参数
通过实验测定反应速率常数、活化能等动力学参 数。
热力学基础
热力学第一定律
能量守恒定律，用于计算反应过程中的能量变 化。
广泛应用于石油、化工、环保等领域 中的气固相催化反应。
特点
固定床反应器具有较高的空速和较低 的反应压力，适用于气固相催化反应， 催化剂可重复使用。
流化床反应器
定义
流化床反应器是一种填充有固体 催化剂的反应器，用于实现气固
相非催化反应。
特点
流化床反应器具有较高的空速和 较大的接触面积，适用于气固相
非催化反应，操作稳定。
塔式反应器
定义
塔式反应器是一种塔状反 应器，内部装有填料或塔 盘，用于实现气液或液液 反应。
特点
塔式反应器具有较大的接 触面积和较长的停留时间， 适用于气液传质和液液传 质，操作稳定。
应用
广泛应用于石油、化工、 环保等领域中的气液反应 和液液反应。
固定催化 剂的反应器，用于实现气固相催化反 应。
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板式塔
3. 2..操作方式 工作原理 1 结构
塔体 液体在重力作用下， 自上而下依次流过各 连续操作 塔板 层塔板，至塔底排出 气体、液体连续进料 降液管 。每块塔板上保持一 溢流堰 定高度的液层，气体 以气泡形式分散于液 层中。
板式塔
4.主要优点
1)单位体积气液相界面积、气液传质系数和 持液量均较填料塔大； 2)液相反混程度很小； 3)便于除热和供热； 4)调节液层高度，满足不同液体流率和停留 时间的要求。
气液相反应器的分类与选型
张 宇 152081702011
气液反应器的基本类型
按气液相接触方式可分为：
气泡型 （鼓泡塔、板式塔、通气搅拌釜） 液滴型 （喷洒塔、喷射反应器、文丘里反应器） 液膜型 （填料塔塔、湿壁塔）
填料塔
1 .工作原理 结构 2. 3. 塔体 操作方式
液体自塔顶加入，通 连续操作 过液体分布器均匀喷 填料 气体、液体连续进料 洒于整个塔截面上， 填料压板 与从塔底部加入的气 并流操作 支承板 体，在填料表面上， 逆流操作 液体分布器 气液两相密切接触进 行传质。
鼓泡塔
4.主要优点
1)结构简单，无运动部件，对加压反应和腐 蚀性物系均可使用； 2)单位体积持液量大； 3)可以设置换热面移去或提供热量。
鼓泡塔
5.主要缺点
1)单位液相体积相界面积小； 2)液相反混大； 3)存在一定程度的气相反混。
鼓泡塔
6.改进形式
通气搅拌釜
1.结构 2.工作原理 3.操作方式
板式塔
5.主要缺点
1)结构较复杂； 2)塔板材料的经济问题； 3)板式塔气体流动阻力较填料塔大。
鼓泡塔
3. 2..操作方式 工作原理 1 结构
连续操作 气体从塔底经气体分 气体分布器 布器通过喷嘴以气泡 气体、液体连续进料 换热装置 形式通过液层，气相 半间歇操作 水平多孔隔 中反应物溶入液相并 板 气相连续进料，液相分批进料 进行反应。 并流操作、逆流操作
填料塔
4. 主要优点
1)结构简单，适应各种腐蚀性介质； 2)气液相流率的允许变化范围较大； 3)气液相流型均接近于活塞流； 4)单位液相体积的相界面积大，持液量小。
填料塔
5.主要缺点 1)液相停留时间短，对慢反应不合适； 2)不能用于液体流率太低的场合； 3)气相或液相中含有悬浮杂质或生成固体产物 时不宜试用； 4)传热性较差。
喷洒塔
1.结构 2.工作原理 3.操作方式
喷洒塔
4.主要优点
1)结构简单，空体积大，流体阻力小； 2)处理含固体杂质或会生成固体产物的气液 反应过程时无堵塞之虞； 3) 将反应器和干燥器的功能结合起来。
喷洒塔
5.主要缺点
1)持液量和单位反应器体积相界面积均比填 料塔小； 2)液相传质系数较小； 3)存在一定程度的气相反混。
• 5.主要缺点
消耗能量，持液量小
气液相反应器的选型
• • • • • 生产能力 能耗 设备投资 操作性能 选择性
气液相反应器的选型
选型的核心问题是什么？
传质 反应动力学
八田数Ha
气液相反应器的选型
气液相反应器的选型Biblioteka Thank You ~ ~
通气搅拌釜
4.主要优点
1) 气液相界面积增大； 2)便于供热和除热； 3)传质系数比较高。
通气搅拌釜
5.主要缺点
1)反应器中气液两相均成全混流； 2)搅拌消耗一定的能量； 3)在高压下，搅拌器的机械结构和密封问题 。
喷射反应器
1.结构 2.工作原理 3.操作方式
喷射反应器
• 4.主要优点
结构简单，设备费用低，单位液相体积相界 面积大，液膜传质系数高