| 单词 | 气液固二相反应器 |
| 释义 | 【气液固二相反应器】 拼译：gas-liquid-solid threephase reactor 广泛地用于化学工业、石油工业、生化工业、环境保护及湿法冶金过程。三相反应器有两大类。一类固体粒子在反应器中是固定的，另一类固体呈悬浮运动，也称为浆态反应器。固体常在反应器中作为催化剂。20世纪60年代以来开展了对三相反应器的反应工程学研究，内容包括反应器中的流动形态、压力降、各相的滞存率、停留时间分布和返混、相间传热和传质速率、能量消耗等，以期合理地设计放大反应器。 1．固定床三相反应器。有滴流床反应器和固定鼓泡床反应器。在滴流床反应器中，气液并流向下流过床层，气液流动均接近活塞流，并且产生的压降较小，不易液泛，床内存液量小，因此均相副反应的影响小。滴流床的缺点是径向传热差，当液速较低时，易产生沟流，催化剂不能完全润湿等。滴流床已用于渣油的脱硫和脱氮、加氢精制、重质油的加氢裂解，以及许多有机物的氧化反应。滴流床有滴流流动、脉动流、雾状流和鼓泡流等多种流动形态。已通过实验获得流区转变条件的经验关联式，其中滴流区向脉动区转变机理的研究进行得较多。滴流流动时床层压降也取决于达到此操作状态的途径，即床中有多重流动状态。用滴流区存在着溪流和膜流两种流动方式可以定量地预报最大压降滞后环的上下两个分支。滴流床中的持液量和固相的润湿分数已有实验研究，但理论研究尚无大的进展。液体在大直径滴流床中的不均匀径向分布也受到重视，其理论研究是基于液相的径向扩散，或液体微元的径向随机运动，尚不能预报小尺度的液体分布不均，也不能解释均匀的液流分布向不均匀“自然分布”的发展。随机堆积填料的渗流理论与实际应用尚有较大的距离。滴流床中的相际传质包括气液、液固传质两个过程，目前多是实验测定传质系数的准数关联式，理论模型很少。1992年，王蓉将填料表面的液膜流动和传质边界层理论结合，提出了液固传质的理论模型。关于反应器的数学模型，有人曾用二维扩散模型考察了液体的不均匀分布，并综合考虑了传热、传质和反应过程。对于复杂的反应体系，如石油产品的裂化，宜用产品分组集总的方法来描述反应的本征动力学。还有更复杂的离散化流动反应模型、非均相模型和基于渗注理论的模型。目前国外已有较成熟的反应器数学模型软件问世。目前，开发小尺寸异形高效催化剂的工作正在开展。液体均匀分布的研究侧重在研制高效液体分布器和段间再分布器。非稳态操作，如强制振荡操作对反应器的时均效率的增强作用也是研究的热点之一。固定鼓泡床反应器与滴流床的不同，仅在于气体以气泡的形式向上流动，穿过充满液体的床层。它比滴流床中的液固接触、液体在径向分布的均匀程度、液固传热传质速率都有改善，由于液含量更大，因而床层压降增大。这种形式的反应器工业上应用不如滴流床多，其反应工程方面的特征与滴流床反应器比较相似。2．浆态反应器。这类反应器大致分为搅拌浆态反应器、鼓泡浆态反应器、三相流化床和三相环流反应器。三相流化床和鼓泡浆态反应器用于煤的液化、费托(Fisher-Tropsch)合成等，机械搅拌桨态反应器和三相环流反应器常用于发酵、生化产品的制备及湿法冶金。浆态反应器中催化剂的利用效率较高，反应器中温度容易控制，但返混强烈，一般需采用多级串联，而且存在催化剂和液相分离的问题。(1)搅拌浆态反应器。搅拌浆态反应器中气体以鼓泡的方式进入反应器的底部，用搅拌浆分散气体和悬浮固体，使三相充分接触。最早得到工业应用，有较大的灵活性，适于分批操作。但其搅拌功率和剪切应力大，对一些生物细胞的生长不利。在两相搅拌槽研究的基础上，需考虑加入第三相对原来操作特性，包括固体粒子的均匀悬浮、所需的功率、气体对悬浮等的影响。与此相关的液体循环流动，混合时间等也有大量的实验研究。在浆态反应器中，气液界面积和气液传质系数往往是反应器设计与放大的关键因素。生化过程常在高粘性介质中进行，搅拌功率增加，气泡变大，反应器的效率下降。改进搅拌桨的设计(如采用开孔桨叶，新型的螺旋桨叶、组合桨等)，可以在不增加功率的条件下改善流体循环和相间传质。因此，研究高效的搅拌方式和改善相间传递过程仍然受到重视。(2)鼓泡浆态反应器和三相流化床。这两种三相流化床非常相似，都有结构简单，无运动部件，传热和传质情况良好的优点，在工业上已广泛使用。反应器中的流动形态包括鼓泡流、湍动流和节涌流，已得出流区图。反应器中颗粒均匀悬浮的条件、气含量、气液界面积、相间传质系数、气泡的行为、返混等都有了相当深入的研究。目前应用的反应器模型多是用传统的活塞流、全混流、一维轴向扩散模型等简单模型来分别描述各相的流动与混合，反应器的模型化还有许多工作需要研究。(3)三相环流反应器。三相环流反应器已在湿法冶金及生化反应过程中广泛应用，有逐步代替传统的搅拌槽式反应器的趋势。环流反应器分内环流式(内部有导流筒)和外环流式(循环管在外部)，搅拌混合的动力来自气体提升或液体喷射(上喷或下喷)。由于工业生产的需求，环流反应器不断地向大型化的方向发展。新的变形也不断出现，例如，采用分段式的中心管，导流筒内加装筛板内件等，以改善气相的分散程度、气液传质，缩短混合时间。还研究了机械搅拌和通气搅拌的优化组合，脉动供气等非稳态操作方式等。气液环流反应器的基础研究，如气液传质、循环速度、混合时间及返混等，现仍处在对反应器整体作宏观数学描述的水平上，例如用总能量平衡建立循环速度的模型，用漂移通量建立气含量模型等。当固相存在时，上述问题更为复杂，工程研究还落后于反应器的开发实践。此外，高粘度或非牛顿体系在环流反应器中的流动和传质特性也是十分活跃的研究领域。3．气液固三相反应器研究展望。三相反应器在工业上的广泛应用，新型反应器和新技术不断地出现，这给反应器的工程研究提出了迫切的要求。目前，国内外绝大多数工作仍局限于从整体和宏观的角度进行研究，缺少对反应器中小尺度的多相流动和传递过程的机理性认识。深入认识多相反应器的传递和反应现象，依赖于在研究中引进多学科交叉的新方法。美国和中国的一些研究小组近年来在滴流床反应器研究中应用多相流体力学的方法取得了初步的创新性的进展，显示了新方法的潜力。由于搅拌槽内搅拌桨和内件的复杂几何形状及三相的相互作用，从物理基本定律出发来模拟反应器内的流动和传递过程非常困难，但理论研究仍沿此方向深入。对鼓泡塔中的气液两相流动和流化床中的稀相气固流动的数值方法模拟已取得了很大的成功，但对气液固三相流动的数值模拟才刚开展。反应器中的粘性流动、扩散和反应，都是非平衡态的热力学过程，因此对反应器中可能出现的多态现象，非平衡态热力学也能提供稳定性的判据。将填料尺度上物理化学过程的机理性研究与反应器尺度上的均匀性的宏观研究(用随机过程的数学理论)结合起来，辅以精密的实验研究，可望建立机理性较强、更可靠的三相反应器的理论，并指导和推动反应新技术的开发。这样，三相反应器的研究就可能超越传统的经验关联式的水平，达到更加科学的高度。【参考文献】：1 Shah Y T．Gas-Liquid-Solid Reactor Design．New York：McGraw-Hill Inc，19792 Ramachandran P A．Chaudhari R V．Three-phase Catalytic Reactors．New York：Gorden and Breach，19833 Herskowitz M，Smith J M．Trickle bed reactor：a review．AIChE J．1983，29∶1～184 王蓉，毛在砂，熊天英，等．滴流床反应器的研究现状和展望，化工进展，1992，(3)：10～165 Grosser K，Carbonell R G，Sundaresan S．Onset of pulsing in two-phase cocurrent downflow through a packed bed．AIChE J．1988，34：1850～18606 王蓉，毛在砂，陈家镛．滴流床中液固传质的数学模型，化工冶金，1992，13(2)：165～1717 Baldi G．Hydrodynamic and gas-liquid mass transfer in stirred slurry reactors．in Multiphase Chemical Reactors：Theory，Design，Scale-up．eds．A．Gianetto et al．Washington：Hemisphere，1986，465～5108 赵玉龙．彭泡浆液反应器，化工进展，1987，(2)：22～289 Fan L S．Gas-Liquid-Solid Fluidization Engineering Boston：Butterworths，1 98910 Chisti M Y，Moo-Young M．Airlift reactors：characteristics，applications and design considerations．Chem，Eng．Commun，1987，60∶195～242(中国科学院化工冶金研究所毛在砂研究员、陈家镛院士撰；杨守志审) |
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