3.5　多相獨居石反應器中的傳質和傳熱

獨居石反應器的一個最重要特征是傳質的強化。在栓流流區（Taylor流區）的液栓中發生的強烈混合強化了液固傳質，氣體與壁間的液膜很薄，氣固傳質阻力很小。對填料隨機裝填的固定床，流固傳質的大多數關聯都是使用無因次準數（Reynolds準數、Schmidt準數、其他幾何結構準數等）的，而傳質系數包含在Sherwood準數中。由于傳質機理沒有改變，對獨居石反應器仍然可以使用相同的準數來關聯，總傳質速率取決于四個基本傳質速率，如圖3-45所示。由于反應發生于通道表面涂層中，氣體和液體反應物需要從流體主體擴散到催化劑表面。氣體反應物從氣栓主體擴散進入液體，其傳遞通量與氣液傳質系數（kGL）成比例；液體反應物和溶解于液體的氣體反應物從液體主體向催化劑涂層表面擴散，通量與液固傳質系數（kLS）成比例。氣體反應物通過很薄的液膜從主體向催化劑表面擴散，通量與氣固傳質系數（kGS）成比例。最后，催化劑表面上的反應物還需要擴散到涂層或催化劑壁的孔中，這是經典內擴散過程，下面分別討論各個傳遞過程。

3.5.1　液固傳質

液固傳質描述液相和固相間的質量傳輸，也就是液體和氣體反應物（如需要）到或從固相催化活性位的傳輸，是非均相催化反應中的一個重要傳質步驟。特征尺度可以認為是液體面積和液固界面長度之比（圖3-46）。還需要區分兩個不同的液體淹蓋區域，以找出對傳輸現象的合適描述。當然也能夠延伸到帶翅通道，方法是通過通道長度尺寸（lc-lw）的合適選擇。

Sherwood準數是Graetz準數的函數，定義特征膜厚度。從實驗結果獲得的液固傳質關聯有不少，例如：

該關聯不適合放大，因為包含了管長參數γ=Lc/dc和β=Ls/dc，也不能用于低Re準數的情形。

基于單位池長（UCL，氣栓和液栓長度之和）的液固傳質關聯為：

基于實驗結果的一個半經驗關聯為：

式中，Ψs為無因次液栓長度。

這些不同的關聯比較結果指出，顯示的趨勢基本一致，而且預測值也在相同的范圍。但方程（3-58）的關聯范圍不同于其他關聯。最近提出的關聯：

大部分關聯使用無法預先知道的液栓長度，而且大部分數據是在光滑的玻璃表面測量的，與實際獨居石表面有差別。因此，關聯預測的液固傳質系數與實際有相當的誤差。

適用于Taylor流區的傳質關聯：

近來給出了在很寬的參數范圍（通道幾何形狀、流動條件液體和擴散物種性質）內可以在工程設計中使用的關聯：

酶水解反應，即N-苯甲酰-L-精氨酸乙酯被胰蛋白酶的水解，是快反應，常被應用于測量液固傳質性能，也被用來測定方形通道獨居石反應器中的液固傳質系數。由于該反應是液固反應（不含氣相），可以使用所希望的水力學（流體力學）條件。在圖3-47中給出了測得的表觀速率常數（kapp），并與液固傳質系數（kLSas）進行了比較。對50cpsi獨居石，由方程（3-63）計算的結果和實驗結果很好地符合；但對25cpsi獨居石，實驗結果低于計算結果。可能是由于在25cpsi獨居石反應器中的酶活性較低，反應不處于傳質控制區。結果的一般趨勢是，高S/V（面積體積比）值或高池密度獨居石的液固傳質性能較好。其次，較高液體速度也能夠使液固傳質性能較高。對獨居石反應器傳質參數計算，在平均Sherwood準數中使用的是個別獨居石塊的長度而不是獨居石堆疊塊的總床層長度，因為界面上會發生混合且濃度分布也會在獨居石塊進口處再次發生變化。

總而言之，對膜流獨居石反應器，氣體和液體在通道中是很好分離的。液體沿壁向下流動，因毛細管力作用大部分液體處于邊角中，而氣體占據通道中心區域。要特別注意液體在獨居石橫截面上的分布，應選擇合適的噴嘴分布器和正確地放置在獨居石頂面位置，這樣能夠達到比在滴流床中自然分布更為均勻的分布。

3.5.2　氣液傳質

氣體進入液體吸收或脫吸/汽提的速率被描述為氣液傳質，這對吸收、汽提、蒸餾等單元操作及氣液固三相催化反應是特別重要的，是三相催化反應中的一個重要傳質步驟。對氣液傳質，需要考慮的主要因素有兩個：氣邊傳質和液邊傳質。對低溶解度氣體和有氣相反應組分的情形，液邊傳質更顯重要性。

影響氣液傳質的基礎現象是液膜中的水力學。基于液膜性質和液體流動，影響氣液傳質最重要的量是液膜的平均厚度。在圖3-48中給出了平均液膜厚度與幾何參數和液體飽和間關系的數學描述。這里需要定義的是通道尺寸（lc-lw），用以描述內翅化通道的代表性大小。為描述液膜中的傳質，通常使用無因次Graetz準數（擴散與對流傳質之比）。對液膜，該特征參數定義為：

傳質性能包含在平均Sherwood準數與Graetz準數間的關聯中：

這個關聯與模型計算值間的一致性極好（圖3-49）。

與傳質系數密切相關的是單位液體體積的氣液界面面積，由特征尺度的倒數計算：

為了使氣液傳質關系到總反應體積，方程（3-66）應乘以液體飽和值（滯留量）βL和空體積分數ε：

aGL，reac=aGL，liqβLε　　（3-67）

結合方程（3-65）、方程（3-66）或方程（3-65）與方程（3-67）就能夠確定給定幾何構型和操作條件下的氣液傳質系數kGLaGL。

圖3-49也給出了不同幾何形狀通道中的實驗測量結果，并與模型計算結果作了比較。可以看出，獨居石通道小，傳質性能好，因有較高的S/V比。對有類似水力直徑的通道，帶翅的通道有更好的傳質性能，部分是由于具有較高的S/V比，部分是由于具有較高的空體積分數。對尖銳邊角通道，其傳遞由邊角中的液體流動所推動。在帶翅通道的單位面積上有更多的邊角，但需要指出的是，帶翅通道結果中也可能包含了進口處的高傳質區域。

氣液傳質也可以包含在與雷諾準數Re和Schmidt準數Sc的相關關聯中，因為結構反應器中的傳輸機理與常規填料床層不會有大的差別。實驗測量獲得的某些氣液傳質系數kLae的值列于表3-7中。表中的結果指出，獨居石長度對氣液傳質系數有影響。不過在膜流區，操作模式（順流或逆流）對氣液傳質系數似乎沒有影響。

從實驗結果得到的氣液傳質關聯還有：

對1 ≤Re≤400 ：　　（3-68）

對100 ≤Re≤2000：Sh=1+0.724Re0.48Sc1/3　　（3-69）

式中，Lc為管長；DL為液體擴散率；δf，m為最大膜厚度；uL，m為最大液體速度。Sh準數是無因次管長ζ的函數，在高ζ值時，Sh的漸近值為1.04。實驗值與方程（3-69）的一致性較好。

栓流（Taylor）流區的經驗關聯：

膜流區的半理論關聯：

栓流流區的理論關聯：

此外還有氣液傳質界面面積ae（以空體積為基準）的關聯：

高流速的氣液傳質數據見圖3-50。

應該指出，用氣液傳質預測獨居石反應器性能一般不大成功，因為實際反應器的阻力層獨居石涂層壁較厚而且粗糙增加了傳質阻力，傳質隨液體流速稍有增加。在所研究的范圍內，實驗和理論結果是相當一致的。在如下條件下會產生偏差：液膜表面有明顯的擾動，此時傳質性能顯著要高一些。所以，工程關聯［方程（3-65）］給出的可以認為是其下限。對大獨居石反應器，平均 Sherwood準數應該使用各個獨居石塊的長度而不能夠使用堆疊塊的總床層長度來計算。

3.5.3　氣固傳質

氣固傳質系數關聯比較簡單，氣體反應物通過圍繞氣栓的薄膜擴散，氣固傳質系數可關聯為：

關鍵是要計算氣體膜的厚度δf，它主要取決于液體表面張力和液體擴散率。對蜂窩獨居石通道，壁上薄膜的厚度是不均勻的，設計中需要考慮這類不均勻性。仍不能用實驗來直接測定該氣固傳質系數。

由于單一通道的氣固傳質系數計算是簡單的，而且獨居石反應器中又是由多個平行通道構成的，因此對蜂窩獨居石反應器需要強調的是其進口處有一個好的液體分布器是極端重要的，因為在反應器中再無法進行通道間的流體交換，不可能產生徑向的傳輸和混合。一旦好的液體分布得到確保，獨居石通道中的傳質和反應就有保證。實踐證明，正確放置噴嘴提供的液體分布要遠好于涓流床反應器中常用的分布器。獨居石反應器的堆砌方式、粒內擴散阻力、液體的黏性和發泡都會對傳質性能產生影響，因為它們會使層流層產生徑向再混合。