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1、概述 气液相反应的基本类型 在反应过程中至少有一种反应物在气相，另一些物质在液相，气相中的反应物必须传递到液相中，然后在液相中发生化学反应，这种类型的反应称气液相反应。应用：气体的净化和分离生产化工产品第1页/共62页气液相反应的特殊性气液相反应的特殊性在气液相反应体系中，气相往往是反应物，而液相则可能有几种情况：1、液相也是反应物2、液相是催化剂3、液相中既有反应物又有催化剂第2页/共62页n 气液相反应的工业应用工业反应 工业应用举例 有机物氧化 链状烷烃氧化成酸；对二甲苯氧化生产对苯二甲酸；环已烷氧化生产环已酮；乙醛氧化生产醋酸；乙烯氧化生产乙醛 有机物氯化 苯氯化为氯化苯；十二烷烃的氯
2、化；甲苯氯化为氯化甲苯；乙烯氯化 有机物加氢 烯烃加氢；脂肪酸酯加氢 其他有机反应 甲醇羟基化为醋酸；异丁烯被硫酸所吸收；醇被三氧化硫硫酸盐化；烯烃在有机溶剂中聚合 酸性气体的吸收 SO3被硫酸所吸收；NO2被稀硝酸所吸收；CO2和H2S被碱性溶液所吸收；第3页/共62页气液相反应器的基本类型气液相反应器的基本类型气液相反应器按气液相接触形态可分为：气体以气泡形态分散在液相中（鼓泡塔反应器、搅拌鼓泡釜式反应器和板式反应器）液体以液滴状分散在气相中（喷雾、喷射和文氏反应器）液体以膜状运动与气相进行接触（填料塔反应器和降膜反应器）第4页/共62页第5页/共62页特点：a.气相既与液相接触进行反应同
3、时搅动液体以增加传质速率；b.鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于高压时也无困难。c.鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚并，故效率较低。应用：这类反应器适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。鼓泡塔反应器鼓泡塔反应器第6页/共62页第7页/共62页第8页/共62页填料塔反应器填料塔反应器特点：a.液体沿填料表面下流，在填料表面形成液膜而与气相接触进行反应，故液相主体量较少。b.填料塔反应器气体压降很小，液体返混极小，是一种比较好的气液相反应器。应用：适用于瞬间、界面和快速反应。第9页/共62页第10页/共62页板式塔反应器板式塔反应器特点:a.板式
4、塔反应器中的液体是连续相而气体是分散相，借助于气相通过塔板分散成小气泡而与板上液体相接触进行化学反应；b.能在单塔中直接获得极高的液相转化率；c.板式塔反应器的气液传质系数较大，可以在板上安置冷却或加热元件，以适应维持所需温度的要求；d.但是板式塔反应器具有气相流动压降较大和传质表面较小等缺点。应用：板式塔反应器适用于快速及中速反应。第11页/共62页膜式反应器第12页/共62页膜反应器特点：a.通常借助管内的流动液膜进行气液反应，管外使用载热流体导入或导出反应热。b.降膜反应器还具有压降小和无轴向返混的优点。c.由于降膜反应器中液体停留时间很短，d.降膜管的安装垂直度要求较高，液体成膜和均匀
5、分布是降膜反应器的关键，工程使用时必须注意。应用：降膜反应器可用于瞬间、界面和快速反应，它特别适用于较大热效应的气液反应过程；不适用于慢反应；也不适用于处理含固体物质或能析出固体物质及粘性很大的液体。第13页/共62页第14页/共62页喷雾塔反应器喷雾塔反应器特点：a.液体以细小液滴的方式分散于气体中，气体为连续相，液体为分散相，b.具有相接触面积大和气相压降小等优点。c.具有持液量小和液侧传质系数过小，气相和液相返混较为严重的缺点。应用：适用于瞬间、界面和快速反应，也适用于生成固体的反应。第15页/共62页搅拌釜式反应器第16页/共62页搅拌鼓泡釜式反应器搅拌鼓泡釜式反应器特点：a.反应器内
6、气体能较好地分散成细小的气泡，增大气液接触面积。b.反应器内液体流动接近全混流，同时能耗较高。应用：搅拌釜式反应器适用于慢反应。第17页/共62页气液相反应器的选型气液相反应器的选型若是传质控制应选择气液接触面积大、持液量较小的反应器；若是化学反应控制则应选择持液量大的反应器；反应极快热效应又很大，对传热的要求高时刻选择膜式塔；当液体的处理量大、反应较慢、换热要求较高时刻选用鼓泡塔；当有悬浮固体催化剂颗粒时可选用搅拌釜式反应器，此时为气液固三相，称做於浆反应器第18页/共62页用于化学吸收时可选用填料塔和喷雾塔，这种场合气体浓度比较低，对处理后尾气要求不严格；当用于生产化学品时，反应若极快（瞬
7、时反应），由传质控制，可选用填料塔和喷雾塔，它们的相界面积大、持液量低；v对快反应和中速反应可选用板式塔和鼓泡塔，这 两种反应器的持液量都比较大；第19页/共62页鼓泡塔反应器的基本结构鼓泡塔反应器的基本结构简单鼓泡塔1-塔体；2-夹套；3-气体分布器；4-塔体；5-挡板；6-塔外换热器；7-液体捕集器；8-扩大段第20页/共62页1、塔体：2、气体分布器：使气体分布均匀，强化传热、传质。是气液相鼓泡塔的关键设备之一。型式：多孔板 喷嘴 多孔管等第21页/共62页3、换热装置：夹套式：热效应不大时。蛇管式：热效应较大时。外循环换热式：热效应较大时。4、水平多孔隔板：提高气体分散度，减少液体纵向
8、循环。第22页/共62页气体升液式鼓泡塔1-筒体；2-气升管；3-气体分布器第23页/共62页塔内装有气升管，引起液体形成有规则的循环流动，可以强化反应器传质效果，并有利于固体催化剂的悬浮。特点：在这种鼓泡塔中气流的搅动比简单鼓泡塔激烈得多。第24页/共62页第25页/共62页 填料塔填料塔 填料塔的结构与特点 填料的类型 填料塔的内件第26页/共62页填料塔的结构与特点填料塔的结构与特点 1.填料塔的结构填料层：提供气液接触的场所。液体分布器：均匀分布液体，以避免发生沟流现象。液体再分布器：避免壁流现象发生。支撑板：支撑填料层，使气体均匀分布。除沫器：防止塔顶气体出口处夹带液体。第27页/共
9、62页壁流：当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应的后果：造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。解决办法：当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。第28页/共62页第29页/共62页填料塔结构图 第30页/共62页气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。第31页/共62页填料作用提供气液接触面积；强
10、化气体湍动，降低气相传质阻力；更新液膜表面，降低液相传质阻力。第32页/共62页填料的类型填料的类型1 填料（packings）的类型1).分类按填料形状分：网体填料实体填料按填料的装填方式分：散装填料规整填料第33页/共62页按材质分：金属填料塑料填料陶瓷填料石墨填料第34页/共62页2).常用的几种填料拉西环(Rasching ring)：拉西环是工业上最早使用的一种填料，为外径与高度相等的圆环，通常由陶瓷或金属材料制成。拉西环拉西环 环环第35页/共62页拉西环结构简单，制造容易，但堆积时相邻环间易形成线接触，填料层的均匀性差，因而存在严重的向壁偏流和沟流现象，致使传质效率低。而且流动阻
11、力大，操作范围小。其改善方面有形、十字格形的拉西环。第36页/共62页拉西环结构简单，制造容易，但堆积时相邻环间易形成线接触，填料层的均匀性差，因而存在严重的向壁偏流和沟流现象，致使传质效率低。而且流动阻力大，操作范围小。其改善方面有形、十字格形的拉西环。第37页/共62页鲍尔环(pall ring)：鲍尔环是在拉西环的壁上开一层或两层长方形窗口，窗孔的母材两层交错地弯向环中心对接。这种结构使填料层内气、液分布性能大为改善，尤其是环的内表面得到充分利用。第38页/共62页与同样尺寸的拉西环相比，鲍尔环的气液通量可提高50%，而压降仅为其一半，分离效果也得到提高。其改进为阶梯形鲍尔环，圆筒部分的
12、一端制成喇叭口形状。这样填料间呈现点接触，床层均匀且空隙率大，与鲍尔环相比气体阻力减少25%，生产能力提高10%。第39页/共62页阶梯环：鲍尔环基础上改造得出的。环壁上开有窗孔，其高度为直径的一半。由于高径比的减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了阻力。第40页/共62页喇叭口一边，不仅增加机械强度，而且使填料之间为点接触，有利于液膜的汇集与更新，提高了传质效率。目前所使用的环型填料中最为优良的一种。第41页/共62页弧鞍型(berl saddle)：表面全部敞口，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流动呈弧形，气体阻力小。但两面对称有重叠现象，容易产生沟流。强度差，
13、易破碎。应用较少。第42页/共62页矩鞍型(intolox saddle)：矩鞍形填料结构不对称，堆积时不重叠，均匀性更高。该填料气流阻力小，处理能力大，性能虽不如鲍尔环好，但构造简单，是一种性能优良的填料。第43页/共62页环矩鞍(Intalox)：兼具环型、鞍型填料的优点。敞开的侧壁有利于气体和液体通过，减少了填料层内滞液死区。填料层内流体孔道增多，使气液分布更加均匀，传质效率得以提高。一般采用金属材质，机械强度高。第44页/共62页球型：球体为空心，气体和液体从其内部经过。由于球体结构的对称性，填料装填密度均匀，不易产生空穴和架桥，故气液分散性能好。常采用塑料材质。一般用于特定场合，工程
14、上应用较少。第45页/共62页格栅填料：以条状单元体经一定规则组合而成，其结构随条状单元体的形式和组合规则而变，具有多种结构形式。特点是比表面积较低，主要用于低压降、大负荷、防堵的场合。木格栅填料木格栅填料格里奇格栅填料格里奇格栅填料第46页/共62页波纹填料：波纹填料是由许多层波纹薄片组成，各片高度相同但长短不等，搭配组合成圆盘状，填料波纹与水平方向成45倾角，相邻两片反向重叠使其波纹互相垂直。圆盘填料块水平放入塔内，相邻两圆盘的波纹薄片方向互成90角。金属丝网波纹填料金属丝网波纹填料金属孔板波纹填料金属孔板波纹填料第47页/共62页波纹填料因波纹薄片的材料与形状不同分成板波纹填料和网波纹填
15、料。板波纹填料可由陶瓷、塑料、金属、玻璃钢等材料制成。填料的空隙率大，阻力小，流体通量大、效率高，而且制造方便、价格低，正向通用化、大型化方向发展。第48页/共62页 填料塔的内件1.填料支承装置：主要用途是支承塔内的填料，同时又主要用途是支承塔内的填料，同时又能保证气液两相顺利通过。若设计不能保证气液两相顺利通过。若设计不当，填料塔的液泛可能首先在填料支当，填料塔的液泛可能首先在填料支承装置上发生。承装置上发生。第49页/共62页对填料支承装置的要求：对于普通填料，支承装置的自由截面积应不低于全塔面积的50%，并且要大于填料层的自由截面积；具有足够的机械强度、刚度；结构要合理，利于气液两相均
16、匀分布，阻力小，便于拆装。第50页/共62页第51页/共62页2.填料压紧装置作用：保持填料层为一高度固定的床层，从而保持均保持填料层为一高度固定的床层，从而保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定，防止在高压降、瞬时负荷波动等情况下，填料层发生松动或跳动。填料压板。自由放置于填料上端，靠自身重量将填料压紧。适用于陶瓷、石墨材质的散装填料。床层限制板：固定在填料上端。第52页/共62页3.液体分布装置使液体在塔顶的初始分布须均匀使液体在塔顶的初始分布须均匀。第53页/共62页4.液体收集及再分布装置作用是减小壁流现象减小壁流现象。在填料层内每隔一定高度设置液体
17、再分布装置。第54页/共62页5.除沫装置主要用途：除去出口气流中的液滴除去出口气流中的液滴。第55页/共62页填料塔适用于：填料塔适用于：塔径小；塔径小；真空操作；真空操作；易起泡；易起泡；腐蚀性物系；腐蚀性物系；热敏性物系热敏性物系第56页/共62页气液相反应器的选型气液相反应器的选型能在较少液体流率下操作为了得到较高的液相转化率，液体流率一般较低，此时可选用鼓泡塔、搅拌釜和板式塔反应器，但不宜选用填料塔、降膜塔和喷射型反应器。例如，当喷淋密度低于3m3/(m2h)时，填料就不会全部润湿，降膜反应器也有类似的情况，喷射型反应器在液气比较低时将不能造成足够的接触比表面。第57页/共62页有利
18、于反应选择性的提高反应器的选型应有利于抑制副反应的发生。如平行反应中副反应较主反应为慢，则可采用持液量较少的设备，以抑制液相主体进行缓慢的副反应的发生；如副反应为连串反应，则应采用液相返混较少的设备（如填料塔）进行反应，或采用半间歇（液体间歇加入和取出）反应器。第58页/共62页有利于降低能量消耗反应器的选型应考虑能量综合利用并尽可能降低能耗。若气液反应在高于室温进行，则应考虑反应热量的回收；如气液反应在加压进行，则应考虑压力能量的综合利用。除此之外，为了造成气液两相分散接触，需要消耗一定的动力。研究表明：就造成比表面积而言，喷射反应器能耗最少，其次是搅拌釜式反应器和填料塔反应器，而文氏管和鼓泡反应器的能耗更大些。第59页/共62页有利于反应温度的控制气液相反应绝大部分是放热的，因而如何移热防止温度过高是经常碰到的实际问题。当气液相反应热效应很大而又需要综合利用时，降膜反应器是比较合适的。除此之外，板式塔和鼓泡反应器可借助于安置冷却盘管来移热。但在填料塔中，移热比较困难，通常只能提高液体喷淋量，以液体显热的形式移除。第60页/共62页第61页/共62页感谢您的观看！第62页/共62页