气液固三相反应器
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3气液固三相流化床反应器
主要内容
三相流化床简介、结构及工作原理 三相流化床流体力学的研究 三相流化床传质的研究 三相流化床传热的研究 三相流化床新领域的开发应用
三相流化床简介
气-液-固三相反应工程是化学反应工程领域中 最令人感兴趣的领域之一。与传统的气-固相催化 反应器相比，在气-液-固三相反应器中，由于有 液相作为热载体和对固体催化剂的悬浮作用，使 反应和传递性能有很大的改进。三相流化床具有 高效传质的特点，适用于化学吸收、除尘等多种 场合。在流化床反应器中，液体自下而上运动， 会同气体的悬浮作用，使固体颗粒在反应器内呈 均匀流动状态。
三相流化床的结构及工作原理
流化床气液固三相反 应典型流程
2.恒温糟 3.供气系 统 4.碳酸钙粉末 添加装置 5.多孔 挡板 6. 补料槽 7. 蠕动泵 8.出气并 出料口
图1 三相流化床生物反应器
三相流化床的结构及工作原理
操作条件对压降的影响
2.uL对压降的影响
图3显示了在几种气速下不同 的uL对的影响。从图中可以看出， 在其它条件不变的情况下，△p随 着uL的增加而略有下降。由于液体 与气体并流，所以液体对固体颗粒 的流化起到了促进作用，uL值越大， 促进作用越强，相对来说气体对流 化作用就有所减弱，而床层流化程 度的上升必定造成△p的下降。同 时流化程度的增加，使得气泡聚并 的机会减少，则气含率就会有所增 加，引起床层混合平均密度下降， 也造成床层压降的降低。
实验流程
反应装置如右图1所示。反应 器为一直径0.07m，高1.0m的透明 有机玻璃塔，在0.49m处设有45o锥 角，高度0.05m的锥体；0.54m以 上为直径0.14m的扩大段。冷态实 验中气相为空气，液相为水，因相 为100~180目的砂子。实验时按事 先所确定的因含率加入适量的砂子。 气体则由一台小型风机经缓冲计量 后由反应器底部侧面进入，并通过 气体分布板进入反应器，在反应器 上端扩大段(使气液两相易于分离) 气液分离后放空。液体经流量计计 量后，由反应器底部经分布器进入 反应器并与气体并流，在反应器上 端扩大段，经溢流口过滤后排出。
三相流化床简介、结构及工作原理 三相流化床流体力学的研究 三相流化床传质的研究 三相流化床传热的研究 三相流化床新领域的开发应用
三相流化床简介
气-液-固三相反应工程是化学反应工程领域中 最令人感兴趣的领域之一。与传统的气-固相催化 反应器相比，在气-液-固三相反应器中，由于有 液相作为热载体和对固体催化剂的悬浮作用，使 反应和传递性能有很大的改进。三相流化床具有 高效传质的特点，适用于化学吸收、除尘等多种 场合。在流化床反应器中，液体自下而上运动， 会同气体的悬浮作用，使固体颗粒在反应器内呈 均匀流动状态。
三相流化床的结构及工作原理
流化床气液固三相反 应典型流程
2.恒温糟 3.供气系 统 4.碳酸钙粉末 添加装置 5.多孔 挡板 6. 补料槽 7. 蠕动泵 8.出气并 出料口
图1 三相流化床生物反应器
三相流化床的结构及工作原理
操作条件对压降的影响
2.uL对压降的影响
图3显示了在几种气速下不同 的uL对的影响。从图中可以看出， 在其它条件不变的情况下，△p随 着uL的增加而略有下降。由于液体 与气体并流，所以液体对固体颗粒 的流化起到了促进作用，uL值越大， 促进作用越强，相对来说气体对流 化作用就有所减弱，而床层流化程 度的上升必定造成△p的下降。同 时流化程度的增加，使得气泡聚并 的机会减少，则气含率就会有所增 加，引起床层混合平均密度下降， 也造成床层压降的降低。
实验流程
反应装置如右图1所示。反应 器为一直径0.07m，高1.0m的透明 有机玻璃塔，在0.49m处设有45o锥 角，高度0.05m的锥体；0.54m以 上为直径0.14m的扩大段。冷态实 验中气相为空气，液相为水，因相 为100~180目的砂子。实验时按事 先所确定的因含率加入适量的砂子。 气体则由一台小型风机经缓冲计量 后由反应器底部侧面进入，并通过 气体分布板进入反应器，在反应器 上端扩大段(使气液两相易于分离) 气液分离后放空。液体经流量计计 量后，由反应器底部经分布器进入 反应器并与气体并流，在反应器上 端扩大段，经溢流口过滤后排出。
气液固三相浆态床反应器
添加标题
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特点：反应速度快，传热效率高， 反应器体积小，操作简便。
应用领域：广泛应用于化工、石 油、冶金、环保等领域。
反应器结构
气液固三相浆态床反应器 由反应器本体、搅拌器、 加热器、冷却器等组成。
反应器本体分为上、下两 部分，上部为气相空间， 下部为液相空间。
搅拌器位于反应器本体中 部，用于搅拌气液固三相 浆态床，使反应更加充分。
优势
高效传热：气液固三相浆态床反应器可以实现高效传热，提高反应效率。
反应速率快：气液固三相浆态床反应器可以加速反应速率，提高生产效率。 适应性强：气液固三相浆态床反应器可以适应多种反应类型，应用范围广 泛。 易于控制：气液固三相浆态床反应器可以实现精确控制，提高产品质量。
挑战与解决方案
挑战：反 应器内温 度和压力 的波动可 能导致反 应不稳定
解决方案： 采用先进 的控制技 术和设备， 实现对温 度和压力 的精确控 制
挑战：反 应器内固 体颗粒的 磨损可能 导致设备 寿命缩短
解决方案： 采用耐磨 材料和先 进的设计， 提高设备 的耐磨性 和使用寿 命
挑战：反 应器内气 体和液体 的流动可 能导致反 应不均匀
解决方案： 采用先进 的流体力 学模型和 设计，优 化反应器 的结构和 布局，提 高反应的 均匀性
加热器位于反应器本体上 部，用于加热气相，提高 反应温度。
Hale Waihona Puke 冷却器位于反应器本体下 部，用于冷却液相，降低 反应温度。
工作原理
气液固三相浆态床 反应器是一种化学 反应器，用于进行 气液固三相化学反 应。
反应器内部分为气 相、液相和固相三 个区域，每个区域 都有各自的温度、 压力和流量控制。
气液固三相反应器
1.颗粒悬浮的临界转速； 2.允许的极限气速。
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
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
气液固三相浆态床反应器
式中：u t为单颗粒在静止液体介质中的终端速度，m/s
对于细颗粒催化剂，处于Rep<2的斯托克斯区
u tgP 2d (SL)/18 L
气—液界面的液相容积
传质系数
K L
在常温、常压下进行，液体介质为水，静止床层高度H0为1.2m， 用溶氧仪测试
K 值L 随气速增加而增大，随固含率增加而降低，可整理成下列
催化剂不会像固定床中那样产生烧结
浆态反应器的缺点
液相是热载体时，要求所使用的液体为惰性，不与其中 某一反应物发生任何化学反应。要求蒸气压低、热稳定 性好，不易分解，并且其中对催化剂有毒的物质含量合 乎要求；如进行氧化反应时，耐氧化的惰性液相热载体 的筛选是一个难点。
催化剂颗粒较易磨损，但磨损程度低于气—固相流化床。
S L L [ 1 . 2 ' S 5 1 . 0 ( 0 ' S 5 ) 2 2 . 7 1 3 3 e 0 1 x . 6 ' S 6 ) p ]
上式适用于0.099 ≤m dp≤435 ，m ≤ 0s' .60的情况
K L
气—液界面的液相容积传质系数 Koide等在直径DR为lO～20cm的淤浆床鼓泡反应器中，研 究湍流鼓泡区气含率，也研K究L 了 ，实验在常温及常压下进 行，气体介质为空气，用溶氧法测定。溶氧在液体介质中的 扩散系数DL×l09为0.14～2.4m2／s。研究所得湍流鼓泡K 区L 的kL L关D aA Lg 联L式1 如1.4下 7：140C S S20.6 1 1 1 L 2D L D u LtR g0.5 00 .4g 8L 6 D L 4L 3R 2gL 0.L 150 G 9 1..41787 DRuG LL0.345
气—液界面的气相容积传
对于细颗粒催化剂，处于Rep<2的斯托克斯区
u tgP 2d (SL)/18 L
气—液界面的液相容积
传质系数
K L
在常温、常压下进行，液体介质为水，静止床层高度H0为1.2m， 用溶氧仪测试
K 值L 随气速增加而增大，随固含率增加而降低，可整理成下列
催化剂不会像固定床中那样产生烧结
浆态反应器的缺点
液相是热载体时，要求所使用的液体为惰性，不与其中 某一反应物发生任何化学反应。要求蒸气压低、热稳定 性好，不易分解，并且其中对催化剂有毒的物质含量合 乎要求；如进行氧化反应时，耐氧化的惰性液相热载体 的筛选是一个难点。
催化剂颗粒较易磨损，但磨损程度低于气—固相流化床。
S L L [ 1 . 2 ' S 5 1 . 0 ( 0 ' S 5 ) 2 2 . 7 1 3 3 e 0 1 x . 6 ' S 6 ) p ]
上式适用于0.099 ≤m dp≤435 ，m ≤ 0s' .60的情况
K L
气—液界面的液相容积传质系数 Koide等在直径DR为lO～20cm的淤浆床鼓泡反应器中，研 究湍流鼓泡区气含率，也研K究L 了 ，实验在常温及常压下进 行，气体介质为空气，用溶氧法测定。溶氧在液体介质中的 扩散系数DL×l09为0.14～2.4m2／s。研究所得湍流鼓泡K 区L 的kL L关D aA Lg 联L式1 如1.4下 7：140C S S20.6 1 1 1 L 2D L D u LtR g0.5 00 .4g 8L 6 D L 4L 3R 2gL 0.L 150 G 9 1..41787 DRuG LL0.345
气—液界面的气相容积传
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
第二章气液固三相浆态床反应器ppt课件
G
2
0.35 uG
L L
72
1 3
1
图6气液鼓泡淤浆床气含率关联式的比较
uGc
固体完全悬浮的临界气速
对于鼓泡淤浆床反应器，固体完全悬浮时的临界气速U Gc 是非常重要的操作参数。鼓泡淤浆反应器中操作气速一定 要超过固体完全悬浮时的临界气速，才能正常操作。
临界气U速Gc 取决于颗粒的特性、固体的浓度、液体特 性及床层特性，如床层直径与分布器直径之比，分布器的 类型及开孔率，有无导流筒等因素有关。
Koide将实验数据回归，得到按空床截面积计算的固体完
全悬浮的临界气速 UGc与固体颗粒在静止流体中的终端速
度 ut 之比如下：
uGC ut
0.801
S L L
0.60
cS
S
0.1Βιβλιοθήκη 6 gDR uL
0.24
1
807
可以在不停止操作的情况下更换催化剂 催化剂不会像固定床中那样产生烧结
浆态反应器的缺点
液相是热载体时，要求所使用的液体为惰性，不与其中某一 反应物发生任何化学反应。要求蒸气压低、热稳定性好，不 易分解，并且其中对催化剂有毒的物质含量合乎要求；如进 行氧化反应时，耐氧化的惰性液相热载体的筛选是一个难点。
固体完全悬浮的临界气速
图3是Kojima归纳的众多研究者关 于淤浆鼓泡床临界气速的关联式
Csc是无气泡两相淤浆中固体
完全悬浮时的临界固体质量浓 度，kg / m3slurry
SL 是无气泡时的液-固两
相淤浆密k度g /，m3 slurry。
化学反应工程第九章气液固三相反应工程资料
颗粒悬浮的临界转速； 允许的极限气速。
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。
2019/12/16
2019/12/16
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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:
2019/12/16
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。
2019/12/16
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；
2019/12/16
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℃。
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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℃。
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。