气液反应设备综述

1、第第3 3章章 气气- -液相反应器液相反应器 3.1 概 述 3.2 板式塔反应器 3.3 填料塔 3.4 鼓泡塔反应器 3.5 鼓泡搅拌釜 Date1 3.1 概 述 气-液相反应过程通常为气相反应物溶解于液相后，再与 液相中的反应物进行反应。但也可能是反应物均存在于气相 中，它们溶解于液相后再进行反应，如尿素生产中氨和CO2的 混合物在水中的反应。气-液相反应过程是一种存在两个流 体相的非均相反应过程，气-液相反应过程的分析方法对其 他存在两个流体相的非均相反应过程，如液-液相反应过程 、气-液-固三相反应过程的分析也有借鉴作用。 气-液相反应在化工生产中主要用于： (1) 直接制取产品。例如环己烷氧化制环己醇和环己酮，丙 烯水合制异丙醇，一氧化碳和甲醇羰基合成生产乙酸。这种 场合，气相往往是反应物，而液相则有几种不同的情况。有 Date2 时液相是反应物，例如氯气与液态烃的氯化反应；有时液相是 液体催化剂，例如乙烯和氧气通入氯化铅和氯化铜的醋酸水溶 液中进行氧化反应生成乙醛；有的液相既有反应物又有催化剂 ，例如氧气通入含有醋酸锰的乙醛中进行氧化反应以生产醋酐 。 (2) 气体净

2、化和分离。脱除气相中某一种或几种组分，这种场 合，常用于气体的化学吸收；例如用热钾碱或乙醇胺溶液脱除 合成气中的二氧化碳，用铜氨溶液脱除合成气中的一氧化碳等 ，这类过程通常又称为化学吸收。 对前一类应用，关注的重点通常是传质如何影响反应；而 对后一类应用，关注的重点往往是反应如何加快吸收。在石油 化工和化学工业中有许多气-液反应的生产实例,由于均相催化 剂的应用，气-液反应过程越来越显示出其重要性。 Date3 3.1.1 气-液相反应器的分类 气-液相反应器是用来进行气-液反应的反应器。由于气- 液反应的复杂性，对不同的反应条件和传质、传热、返混的 不同要求，形成多种气-液反应器的类型和结构型式。 工业气-液反应器按外形可分为塔式、釜式和管式等。 工业气-液反应器按气-液接触的方式，可分为三大类： 1、液膜型：如填料塔、湿壁塔、膜式塔，在这类反应器里， 液体呈膜状流动与气相接触，气-液两相均为连续相； 2、气泡型：如鼓泡塔、板式塔、搅拌鼓泡反应器，在这类反 应器里，液体为连续相，气体以气泡形式分散在液体中； 3、液滴型：如喷洒塔、喷雾塔、喷射反应器、文丘里反应器 ，在这类反应器里，气

3、体为连续相，液体以液滴形式分散在 气Date4 体中。 上述分类并非绝对的，有些气-液反应器可能随操作状况 的不同而属于不同类型。例如，筛板塔当气体空塔速度较低时 ，气体鼓泡通过塔板上的液层，液体为连续相，气体为分散相 ， 属气泡型；但在高空塔气速下处于喷射状态操作时，液体 被分散为液滴悬浮于气流中，此时液体为分散相，气体为连续 相，属液滴型。 下面介绍几种应用较广的气-液反应器的结构和特点。 1 板式塔 板式塔结构如图3-1所示。板式塔由通常为圆筒形的塔体 和按一定间距水平设置在塔内的若干塔板组成。用于气-液相 反应的主要塔板型式为筛板或泡罩板，但近年来浮阀板也开始 用Date5 图3-1 板式塔结构图 图3-2 带降液管和不带降液管的板式塔 Date6 于气-液相反应。 塔板之间通常设降液管图3-2(a)，但也有不设降液管的 图3-2(b)。无降液管的板式塔结构简单、造价较低，且处理 能力大于有降液管的塔但操作弹性小，放大比较困难。 板式塔操作时液体在重力作用下，自上而下依次流过各层 塔板，至塔底排出，气体在压力差推动下，自下而上穿过各层 塔板，至塔顶排出。每块塔板上保持着一定高度

4、的液层，气体 以气泡形式分散于液层中。 板式反应器适用于快速和中速反应过程。采用多板可以将 轴向返混降低至最小程度，并可能采用很小的液流速率进行操 作，从而能在单塔中直接获得极高的液相转化率。这是板式反 应器的主要优点。同时，板式反应器气-液传质系数较大，也 是强化传质过程的塔型,适用于传质过程控制的化学反应过程 。 Date7 板式塔中单位体积的气-液相界面积、气-液传质系数和持 液量均较填料塔大。板式塔中各板所持液体成多级串联形式， 液相返混程度较单级鼓泡塔或通气搅拌釜小得多。通过调节塔 板上液层高度，板式塔能在较大范围内适应不同液体流率和停 留时间的要求，对气体流率高，液体流率低，以及需要反应时 间较长的场合均能应用。另外，板式塔中每块板上都可设置换 热管以提供或移除反应热，例如在用水吸收NO2生产浓硝酸时 会产生大量的热量需及时移去。 板式塔的缺点是结构较复杂，如果塔板必须用比较昂贵的 材料制造，其经济性可能无法与填料塔或鼓泡塔竞争，板式塔 的气体流动阻力较填料塔大，塔板需用耐腐蚀材料，而且由于 气流压降较大，大多数板式反应器仅用于加压操作的情况。 Date8 2 填料塔 填料

5、塔的结构如图3-3所示，由塔体、填料、填料的压板 和支承板以及液体分布器等组成。填料堆放于支承板上，有些 填料可以任意堆放，有些填料则必须规整排列。液体自塔顶加 入，通过液体分布器均匀喷洒于整个塔截面上，液体分布器的 性能对塔的操作有很大影响。液体在填料表面形成液膜，液膜 向下流动时传质表面被不断更新。液体沿乱堆填料向下流动时 ，沿塔壁流动的液体逐渐增多，称为壁流现象。当填料层较高 时，宜隔一定距离重新设置液体再分布器，使液体重新均匀分 布，改善气-液接触。规整排列的填料，一般可不设液体再分 布器，但对液体在塔顶的初始分布的均匀性要求更高。有的填 料塔在塔顶设置除沫器，以除去气流中的雾沫。 Date9 填料塔可以逆流操作或并流操作。 对于不可逆反应，传质总推动力与逆流 或并流操作无关。并流操作因无液泛， 允许采用较高的气速，可以减小塔径， 在高压操作时，并可减小塔壁厚度。并 流操作的能耗也较逆流操作低。对可逆 反应，逆流操作可能有利于提高反应转 化率。 填料塔操作适应性好，结构简单， 易适应各种腐蚀性介质；气-液相流率的 允许变化范围较大，特别适用于低气相 流率、高液相流率的场合，在这

6、种情况 下，板式塔和鼓泡塔的性能往往较差； 图3-3 填料塔 Date10 填料塔中气、液相流型均接近活塞流，因此可用于要求高 转化率的反应；填料塔的单位液相体积相界面大，但持液量小 ，适用于过程阻力主要在相间传递的气-液反应过程。工业上采 用填料塔的典型过程有用乙醇胺、碳酸钾、氢氧化钠等碱性溶 液吸收CO2、H2S等酸性气体，以及硫酸吸收氨制造硫酸铵，水 吸收HCl制造盐酸等。 填料塔的主要缺点是：液相停留时间短，对慢反应不合适 ，这是由于液体在填充床中的停留时间较短，不能满足慢速化 学反应的需要；为保证填料润湿，不能用于液体流率太低的场 合，要求液体的喷淋密度必须大于510m3(m2h)，否则填充 物将不能全部润湿；与气泡型气-液反应器相比，液相传质系数 较低；填料易为固体颗粒堵塞，在气相或液相中含有悬浮杂质 或会生成固体产物时不宜使用；传热性能差，不宜用于反 Date11 应热效应大的场合。 3 喷洒塔 喷洒塔(图3-4)是结构最简单的 气-液反应设备，液体在塔顶部经 喷雾器分散成液滴，和自下而上的 气流接触。 喷洒塔的突出优点是结构简单, 空体积大，流动阻力小，处理含固 体杂质

7、或会生成固体产物的气-液 反应过程时不会堵塞。例如在用硫 酸和磷矿石制造磷肥时，产生的HF 和SiF4气体中往往会挟带大量磷矿 图3-4 喷洒塔 Date12 粉，工业上常用喷洒塔来吸收这种气体。另外，喷洒塔有时还 可将反应器和干燥器的功能结合起来，例如用氢氧化钠水溶液 制造纯碱时，氢氧化钠水溶液通过喷嘴分散成雾状和含CO2的热 烟道气接触进行反应，烟道气的显热和反应放出的热量使水分 蒸发，可由该装置直接得到固体产品。 喷洒塔中虽然单位液相体积的相界面积很大，但持液量和 单位反应器体积的相界面积均比填料塔还小，由于液滴喷洒形 成后很少有机会发生凝并和分裂，液相传质系数较小，和填料 塔相近。喷洒塔中往往会存在一定程度的气相返混，特别当空 塔气速小于10cm/s时，这会导致传质推动力减小，除非气相为纯 组分。总的说来，喷洒塔是一种效率较低的气-液反应器，应用 范围比较有限。 Date13 4 鼓泡塔 鼓泡塔是最常见、应用最广泛的气-液相反应器，石油化工 中的多种氧化反应(如环己烷氧化制环已酮)，石蜡和芳烃的氯 化反应，废水的生化处理和氨水碳化生成固体碳酸氢铵等反应 过程均采用鼓泡塔。 鼓泡

8、塔的基本形式为空塔，塔内充满液体，液体的停留时 间可以视需要在很大范围内变动，气体从底部经分布板或喷嘴 以气泡形式通过液层，气相中的反应物溶入液相并进行反应图 3-5(a)。鼓泡塔结构简单，无运动部件，对加压反应和腐蚀性 物系均可使用。鼓泡塔单位体积持液量大，但单位液相体积的 相界面积小，适用于慢反应、中速反应和强放热反应体系。 Date14 图3-5 鼓泡塔的各种类型 Date15 鼓泡塔可以连续操作，也可以半间歇操作(气相连续进料， 液相分批进料)。前者用于中速反应，后者用于慢反应。连续操 作的鼓泡塔气、液两相可以并流，也可以逆流。并流操作主要 用于液相空塔速度大(大于30cm/s)，气相空塔速度小(1 3cm/s)时。 鼓泡塔内可设置换热面移去或提供热量，研究表明由于气 泡对换热面上液膜的搅动作用，传热系数较高，和通气搅拌釜 接近。由于返混鼓泡塔内温度均匀，即使对强放热反应，也不 会发生局部过热。 鼓泡塔的液相返混大，气相也会有一定程度的返混，可能 对反应产生不利影响。在高径比较大时(例如大于15)，气泡合 并速度明显增加，相际接触面积迅速减小。为克服这些缺点， 已出现多种鼓泡塔

9、的改进形式。 Date16 为强化鼓泡塔内的传热与传质，可在塔内装一与塔体同心 的导流筒，进气管对准导流筒，在筒内形成气-液两相混合物， 而导流筒与塔体构成的环隙基本上不含气体，这样因导流筒内 外的重度差而形成循环流图3-5(b)。 鼓泡塔的主要缺点是液相返混大和由于液体静压头高导致 气体压降较高。在不太大的高径比情况下，可以鼓泡反应器认 为液相浓度是理想混合。由于这种轴向返混的影响，连续操作 型的反应速率将明显下降，因此难以在单一反应器中达到较高 的转化率。为了解决这一问题，常使用多级鼓泡反应器相串联 或采用半间歇的操作方式，处理量较小时采用半间歇操作方式 ；处理量较大时，则采用多级串联的操作方式。当液相返混对 反应速率和选择性有较大不利影响时，可在塔内设置若干层多 孔水平挡板限制液相返混，这样液相的流型可接近多级串联 Date17 的全混釜图3-5(c)。也可在鼓泡塔内填装填料以减少液相的 返混和气泡的合并，填料鼓泡塔的相界面积可比鼓泡塔增加15 80图3-5(d)。但也有需要液相返混的情况，即使从反 应速率的角度看来返混可能是不利的，例如乙醛空气氧化生产 乙酸时，增加返混程度可防止有爆炸危险的中间产物过氧乙酸 的积累。 5、搅拌鼓泡反应器 搅拌鼓泡反应器也称通气搅拌釜、鼓泡机械搅拌釜，搅拌 鼓泡反应器中储液量可高达0.9，反应器容积相界面也较大，达 200m2m3，同时由于搅拌作用，传热和传质效率均较高，其结 构如图3-6所示，生物化工中广泛使用的发酵罐就是通气搅拌釜 的典型例子，此外也被用于烃类氧化、氯化等反应过程。 Date18 图3-6 通气搅拌釜 它与鼓泡塔的差别在于利用机械 搅拌使气体在液相中分散成细小的气 泡，因此在持液量相近的条件下，气- 液界面积可较鼓泡塔增大一个数量级 ，适用于要求持液量和界面积都较大 的反应过程。通气搅拌釜中液体的停 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，可方便地移除 或供给反应热。由于搅拌造成的湍流 ，其气-液传质系数也比较高，其数值 和板式塔相当。 Date19 通气搅拌釜中用的搅拌器通常为涡轮搅拌器，搅拌器的形 式、数量、尺寸、安装位置和转速都可进行选择和调节，以适 应特定反应的需要。

《气液反应设备综述》由会员我**分享，可在线阅读，更多相关《气液反应设备综述》请在金锄头文库上搜索。