催化反應工程

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1、氣-液-固三相反應及反應器氣-液-固三相反應是反應工程中的一個新興領域，具有巨大的現(xiàn)實及潛在的應用價值。1.在化工及生物生產過程中，經常遇到有氣相，液相和固相參與的三相反應，例如，石油加工中的催化加氫反應；煤化工的加氫催化液化反應；礦石的濕法加工；發(fā)酵劑抗菌素的生產等。2.可以提高某些傳統(tǒng)反應的轉化率，降低生產的成本，例如，甲醇的生產等。第一節(jié)氣-液-固三相反應器的類型及宏觀動力學一氣-液-固反應器的分類按床層性質分類（工業(yè)）固定床氣-液-固三相反應器固定床氣-液-固反應器中固體靜止不流動，根據(jù)氣流和液流的方向，一般能用三種方

2、式操作，即氣體和液體并流向下流動，并流向上流動及逆向流動（通常液體向下，氣體向上）。不同的流動方式，反應器中的流體力學，傳質和傳熱條件是不同的。滴流床（涓流床）反應器是固定三相反應器，液流向下流動，以一種很薄的液膜形式通過固體催化劑，而連續(xù)氣相以并流或逆流的形式流動，但正常的操作方式是氣流和液流并流向下流動，這種反應器對石油加工的加氫反應很有利。三種類型的固定床-氣-液固三相反應器工業(yè)滴流床的優(yōu)缺點優(yōu)點：在平推流條件下操作，催化劑充分濕潤，可獲得較高轉化率；液固比很小，均相反應的影響降至最低，這一點對加氫脫硫反應是很重要的，可

3、以最大限度地降低油的熱裂化或加氫裂化。氣-液-固反應中，氣液界面和固液的傳質及傳熱阻力都很重要。滴流床反應器中液層很薄，這兩種界面阻力能結合起來，使總液層阻力比其他類型三相反應器小，并流操作的滴流床反應器不存在液泛的問題。滴流床三相反應器的壓降比鼓泡反應器小。工業(yè)滴流床的優(yōu)缺點缺點：在大型滴流反應器中，低液速操作的液流徑向分布不均勻，如溝流，旁路，可能引起固體催化劑濕潤不完全，并且引起徑向溫度不均勻，形成局部過熱，使催化劑迅速失活并使液層過量氣化,不利于反應器操作；催化劑顆粒不能太小，而大顆粒催化劑存在明顯的內擴散影響，由于組

4、分在液相中的擴散系數(shù)比在氣體中的擴散系數(shù)低許多倍，催化劑孔隙中充滿著液相，內擴散的影響比氣固相反應器更為嚴重。加氫脫硫過程催化劑孔道阻塞將引起催化劑嚴重失活；還可能存在明顯的軸向溫升，形成熱點，有時可能飛溫，這時，可以沿軸向引入一股或多股“冷激流體”以控制溫升。懸浮床氣-液-固三相反應器固體呈懸浮狀態(tài)的懸浮床氣-液-固三相反應器一般使用細顆粒固體，他有多種形式：①機械攪拌懸浮式:依靠機械攪拌使固體懸浮在三相反應器中，適用于三相反應過程的研發(fā)階段及小規(guī)模生產。按床層性質分類（工業(yè)）②不帶攪拌的懸浮床氣-液-固反應器，以氣體鼓泡攪

5、拌，又稱鼓泡淤漿反應器：細顆粒物料加入到氣液鼓泡反應器中去，固體顆粒依靠氣體托起而呈懸浮狀態(tài)，液相是連續(xù)相，與機械攪拌懸浮三相反應器一樣適用于反應物和產物都是氣相，而固相是細顆粒催化劑的三相催化反應，強化了床層傳熱及保持等溫，因此鼓泡淤漿三相反應器更適宜于大規(guī)模生產，也是三相催化反應器中最廣泛的形式。③不帶攪拌的氣液兩相流體并流向上而顆粒不帶出床外的三相流化床反應器：液相連續(xù)地流入和流出三相反應器，而固體顆粒仍然保留在反應器內，它是在液固流態(tài)化基礎上鼓泡通入氣體，固體顆粒主要依靠液相托起而呈懸浮狀態(tài)。④不帶攪拌的氣液兩相流體并

6、流向上而顆粒隨液體帶出床外的三相輸送床反應器，又稱三相攜帶床反應器。固體顧將隨同液相一起呈輸送狀態(tài)而連續(xù)地進入和流出三相床，固體夾帶在液相中。三相流化床反應器需要有從液相分離固體顆粒的裝置而三相攜帶床需要有泄?jié){泵輸送漿料。⑤具有導流筒的內環(huán)流反應器：具有導流筒的內環(huán)流反應器常用于生化反應工程；濕法冶金中的浸取過程時，稱為氣體提升攪拌反應器或巴秋卡槽。懸浮床氣-液-固三相反應器的特點懸浮床氣-液-固三相反應器內于存液量大，熱容量大。并且懸浮床與傳熱元件之間給熱系數(shù)遠大于固定床，容易回收反應熱量，并且容易控制床層在等溫下操作。對于

7、強放熱復合反應并且副反應是生成二氧化碳和水的深度氧化反應，可抑制其超溫和提高選擇率。三相懸浮床反應器可以使用含有高濃度反應物的原料氣，而仍控制在等溫下操作，這在氣-固相催化反應器中由于溫升太大而不可能進行。懸浮床氣-液-固三相反應器的特點三相懸浮床反應器使用細顆粒催化劑，可以消除內擴散過程的影響，但由于增加了液相，不可避免地增加了氣體中反應組分通過液相的擴散阻力。三相懸浮床反應器易于更換、補充失活的催化劑，但又要求催化劑耐磨損。如果必須使用三相流化床或三相攜帶床時，則三相流化床操作時存在液固分離的技術問題，三相攜帶床存在淤漿輸

8、送的技術問題。Fan指出三相床體系的分類是根據(jù)顆粒的運動狀態(tài)，采用類似氣液或氣固體系的方法進行分類，顆粒運動可分為三種基本操作方式，即固定床，膨脹床（懸浮床）和輸送床。三相床體系的分類依據(jù)三相床體系的區(qū)別當氣-液混合物流動產生的曳力小于系統(tǒng)中顆粒的有效重量時稱為固定床，當氣體