气液反应设备

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1、2022-5-3113.1 3.1 概概 述述3.2 3.2 板式塔反应器板式塔反应器3.3 3.3 填料塔填料塔3.4 3.4 鼓泡塔反应器鼓泡塔反应器3.5 3.5 鼓泡搅拌釜鼓泡搅拌釜2022-5-312 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

2、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2022-5-313 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

3、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。2022-5-3143.1.1 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

4、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，气体为连续相，液体以液滴形式分散在气2022-5-315 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

5、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2022-5-316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 2022-5-317 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

6、。每块塔板上保持着一定高度的液层，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。 2022-5-318 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

7、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。2022-5-319 2 填料塔 填料塔的结构如图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

8、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。2022-5-3110 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

9、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，在这种情况下，板式塔和鼓泡塔的性能往往较差； 图3-3 填料塔2022-5-3111 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

10、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2022-5-3112 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，处理含固体杂质或会生成固体产物的气-液反应过程时不

11、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2022-5-3113 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