[科普中国]-三相反应器

气-液-固三相反应在现代化学工业中得到广泛应用。如：氧化、氢化、烃化、氯化、氨解、混合气体转变成为炭氢类化合物的合成反应以及生物废水的处理过程中均涉及到三相反应。按照物料在过程中的流动方式不同，将三相反应器分为：涓流床、搅拌釜、淤浆床、流化床与携带床五种。1

简介工业过程中存在大量的多相化学反应，涉及的反应类型很多，如加氢、氧化、水合、酰基化、羰基化等。多种型式的三相反应器可用于实现不同性质的化学反应。达到不同的反应系统特性、不同的目标和不同的反应要求。一般认为三相反应器可划分为两大类：一类是催化剂颗粒在反应过程中处于固定的位置，最具有代表性的是填充床三相反应器；另一类的催化剂在反应过程中处于在各种动力驱动下的运动状态，如三相流化床反应器。此外，还有大量由这两大类反应器派生或延伸而得的三相反应器，如提升管式（或下降管式）反应器、旋转填充床反应器、多孔块式（Monolith）催化剂反应器和换向操作填充床反应器等。 表（1）列出了一些三相反应器及其特性。2

|| || 表（1）不同型式的三相反应器

研究概述从 1937 年柏林工业大学 KoIbeI 和 Ackerman 进行的浆态床费 - 托合成工艺的第一次试验以来，对于三相反应器的研究越来越深入。按照研究工作进展情况将研究过程分为三个阶段（从 1960 年开始）。

第一阶段第一阶段（1960 年 ~ 1980 年）：为基础研究阶段。完成的主要工作有，测定给定气速下保持固体悬浮的临界固体悬浮量；研究了塔板开孔分布的作用、适宜的固体颗粒尺寸、液体表面张力和液体粘度；研究了在一定的固体悬浮下的固体润湿度；研究了锥形塔釜、塔径对临界气速（即使固体全部悬浮时的气速）的影响。

具有较大影响的研究工作有，1964 年，Roy 等人研究得出当临界气速处于较低状态时，固体悬浮量与塔板筛孔分布及开孔率有关；对于石英粒子，当临界气速大于 0.28m/s 时，固体悬浮量与塔板筛孔分布及开孔率无关。

1969 年，IMAKUEU 等人研究得出固体悬浮量与塔板筛孔分布及开孔率无关；临界气速随固体浓度的增加而降低、随塔径尺寸的增加而增加；塔釜结构和塔板上开孔分布对临界气速的影响将随着塔径的增加而增大。1969 年，NANAYANAN 等人研究得出临界气速随着塔径的增加而增加；临界气速的大小与高径比（这里的高径比为净液层高与塔径的比值）有关。

第二阶段第二阶段（1980 年 ~ 1990 年）：研究工作更加细化，进一步研究塔径、固体颗粒成分、混合粒径尺寸、引液管、气体分布器、固体持流量、塔釜形式以及塔板上所加的金属网对临界气速的影响。

有影响工作，如 1983 年，KOIDE 等人研究得出临界气速随着颗粒尺寸、固体装填量、塔径的增加而增加；锥形塔釜对临界气速的影响仅在较小直径时，当气体分布器的直径与塔高的比值很小时存在，此影响会随着塔径的增加而降低。1984 年，KOIDE 等人研究得出通过使用引液管可以降低临界气速。1984 年，PANDIT 和 JOSHI 研究得出临界气速与固体颗粒直径、固体密度的关系与非球形颗粒的终端速度有关；可以通过连续的降液降低临界气速的大小。1985年，KOIDE 等人研究得出塔径尺寸对于各种混合粒子的影响与对单一体积的粒子的影响相似：除了尺寸最大的粒子，其他尺寸的粒子几乎对临界气速没有影响；临界气速随着带出粒子的最大终端速度的降低而降低。1987 年，Heck anc Onken 研究得出三相反应器的临界气速存在滞后性。

第三阶段第三阶段（1990 年以后）：在以往所做工作的基础上，多转向了对于三相反应器在某一特定化工过程或对于反应器更细节问题的研究上。这一阶段也是我国对于三相反应器的研究蓬勃发展的阶段。

有代表性研究内容有，1992 年，MOHAMMEDZA 具体研究了不同喷嘴对于三相反应器的影响。1992 年，ABRAHAM 研究了固含率（固体的持留量）及固体颗粒在床层反应中的分布情况对传质过程的影响。1993 年，天津大学石油化工技术开发研究中心谈遒、张敏华等人研究了气 - 液 - 固三相流化床反应器在双酚 A 生产中的应用。1997 年，中国石化总公司化工科学研究院慕旭宏、宗保宁等人研究了气 - 液 - 固三相磁稳定流化床的操作状态对反应结果的影响。1999 年，华东理工大学化学工程系的张吉波、丁百全等人发表了有关三相淤浆床甲醇合成器的数学模型。2000 年，天津大学化工学院张金利等人研究了三相反应器对于染料废水的处理。1

三相反应器优点三相反应器具有以下的优点：

（1）液相作为热载体，能够直接与固体催化剂接触，使得传质传热的性能大大改观；

（2）反应器中多采用液相惰性热载体，特别适用于强放热的化学反应过程；

（3）由于反应器内部液体处于全混流状态，反应温度均匀、控温简单有效，可实现分级控制温度，使各级均在最佳温度下进行反应，从而提高了催化剂的选择性；

（4）可实现在操作过程中在线更换催化剂，大大提高设备的利用率；

（5）三相反应器作弹性大，适应性强。1

填充床三相反应器并流向下操作并流向下操作的填充床反应器也称作涓流（滴流）床反应器。涓流床是被广泛应用的一种三相反应器，其重要特点是可以适应气液流量在很大的范围内变化。液体经过顶部的分布器均匀地分布，通常还在催化剂层顶部安置一层惰性填料以利于液体均布。气体同样由顶部进入，也需经过均布。这些均布装置的目的是为了气体和液体充分接触。由于进入反应器的气体和液体皆呈变质量流动，因此气体和液体分布器需由经验丰富的专家设计，有时尚需借助于相当规模的冷模试验提供数据。

但是即使是性能良好的均布器也不能保证液体自上而下始终能均匀通过床层，并完全润湿催化剂表面。液体不均匀分布的后果是很明显的：气液接触不良，对于放热反应，可能出现局部超温。这些问题有时可能产生很严重的后果，尤其在床层高径比很大时更为显著。因此通常的方法是采用液体再分布器，使液体流经一定高度床层后重新均布以减小床高效应。尽管如此，在反应器设计和开发时，作为三相反应器中最经典的并流向下操作方式还是常常被优先考虑。

并流向上操作并流向上操作反应器也可以理解为是一种充液填充床反应器。气体向上以龟泡形式在催化剂颗粒之间的空隙穿过。这种反应器不存在催化剂表面部分润湿的问题，因此也可淡化人们对局部过热的担心。但是可能是人们出于对于这种操作方式的床层有很大的持液量，但却与相应的气量及催化剂表面不相匹配的考虑，或者顾虑催化剂颗粒在气体上升过程中可能的漂浮，也可能是习惯的原因。并流向上反应器的应用与并流向下操作相比却相去甚远。

逆流操作从化学反应工程的观点，逆流操作通常是最被认可的，因为这种操作方式始终保持有利于反应过程的推动力。对于这种操作。实用中最大的障碍是液泛。由于催化剂颗粒很小（与填料塔的填料相比），在相当宽的气液流量范围内可以引发液泛，十分不利于正常操作。

逆流操作最适用于要求把液相反应物中的某一组分经过处理降低到某一阈值以下的情形，例如粗柴油通过加氢精制将其中的硫含量降低以利于环境保护。无疑在各种三相反应器中，逆流操作反应器从原理上看是最适宜于精制的，但液泛问题常会使人望而却步。2

三相流化床气液固三相流化床是一类具有重要工业应用价值的多相物理操作装置或化学和生物反应器，但是，由于流动的复杂性，适用于三相流化床系统参数测量的测试技术还很有限，而无论是三相流态化系统的理论研究还是实际应用，均离不开有效的三相流测试技术。因此，有限的测试技术制约着三相流态化理论的发展和技术的应用。不过，随着现代科技的发展，新的三相流化床测试技术不断出现。

侵入式测试技术侵入式测试技术的研究应用先于非侵入式测试技术，始于20世纪60年代。其优势在于可以方便快捷地实现局部特性参数的测量。侵入式测试所用传感器主要有针型探头、传热探头、超声探头和皮托管等。

针型探头（Need ie Probes）

针型探头主要用于研究气液（固）系统的气相局部动力学行为。其时空分辨率分别为秒级和毫米级。单针系统主要用来研究气含率和气泡频率，双针系统可用于测量气泡速度、局部时均相界面积和平均泡弦长度分布，多针系统可以测量气泡形状。针型探头主要有电导探头和光纤探头，是三相流化床参数测量的重要手段。

超声探头(Uitrasoni CProbes)

超声探头测试是根据超声波在多相系统中的透射或反射特性的不同而实现参数测量的。这里所指探头是侵入式超声探头。超声探头主要用于气液系统气泡参数测量，近年来开始用于三相流化床系统的参数测量。

根据测试原理的不同，分为超声透射技术和超声反射技术。根据透射声波特性测量局部气含率和局部平均相界面积等参数的方法称为超声透射技术，其需要声波发射探头和接收探头．测量时，发射探头和接收探头被气液两相系统隔开。

根据来自气泡等表面的反射声波的幅值和频率确定气泡大小和速度的方法称为超声反射技术或脉冲回波技术。超声反射技术的探头本身既是发射器，又是接收器。为了分析反射波的特性，常采用脉冲回波技术。通过分析反射波的幅值和频率可以确定气泡尺寸和局部气泡速度分布。采用超声透射探头技术，可对气液固三相循环流化床提升管内的局部气含率和局部固含率同时测量，获得相含率的径向分布规律。

非侵入式测试技术侵入式测试技术具有对流场有干扰、标定曲线具有不确定性、时空分辨率低（厘米或毫米级、分钟或秒级）等局限性。其中，对流场有干扰是其最大局限。非侵入式测试技术则无此缺陷，分为全局特性参数测试技术和局部特性参数测试技术。

全局参数测量技术

全局测量技术包括压力传感器技术、相示踪技术、辐射衰减技术（x射线、γ射线和中子吸收射线摄影技术等）、声波技术（次生波、可闻声波到超声波等）等，可以得到三相流化床的流型、压降、相含率、气泡尺寸分布、相混合特性等。对于测得波动特性数据，还可以应用现代分析方法进行深入研究。

局部参数测量技术

（1）摄像技术

摄像技术是一种比较传统的可视化研究手段，对流场无干扰，常用于研究二维三相流化床内的气泡行为，结合液相和固体颗粒折射率匹配技术等，可以测得气泡的大小、分布、上升速度、运动过程和气含率等。其局限性在于只能得到壁面附近的运动情况，液相和壁面都要求透明。对于高压系统，需要耐压的视窗材料。

（2）放射颗粒跟踪技术

放射线照相技术（Radiographic Techniques）是摄像技术的延伸，而放射颗粒跟踪技术（Radioactive ParticleTracking，简称RPT）以放射线照相技术为基础，可以获得平均和瞬时三维多相流场图像。RPT也可称为CARPT（Computer Aided RPT）。3

现状及前景预测世界各国对三相反应器的研究都很重视。美国政府部门及研究机构早在几十年前就对三相反应器的研究投入了大量经费与技术力量。近些年来，许多三相反应器技术已经实现了工业化生产，90 年代，美国就能利用三相反应器进行甲醇的工业化生产。现阶段对于那些对三相反应器的研究较早的国家来说，主要工作是对催化剂性能进行改进，对溶剂进行进一步筛选以及进一步完善三相反应器的结构设计。

对于我国来言，对于三相反应器的研究工作起步较晚。大多数的研究工作，特别是针对某一特定生产过程、生产工艺的研究上还仅停留在实验室装置上。现阶段所做的主要工作为，对现有实验室设计进行放大研究，并将此技术尽快的应用于工业化大生产当中1

本词条内容贡献者为:

蒲富永 - 教授 - 西南大学