3.5　多相独居石反应器中的传质和传热

独居石反应器的一个最重要特征是传质的强化。在栓流流区（Taylor流区）的液栓中发生的强烈混合强化了液固传质，气体与壁间的液膜很薄，气固传质阻力很小。对填料随机装填的固定床，流固传质的大多数关联都是使用无因次准数（Reynolds准数、Schmidt准数、其他几何结构准数等）的，而传质系数包含在Sherwood准数中。由于传质机理没有改变，对独居石反应器仍然可以使用相同的准数来关联，总传质速率取决于四个基本传质速率，如图3-45所示。由于反应发生于通道表面涂层中，气体和液体反应物需要从流体主体扩散到催化剂表面。气体反应物从气栓主体扩散进入液体，其传递通量与气液传质系数（kGL）成比例；液体反应物和溶解于液体的气体反应物从液体主体向催化剂涂层表面扩散，通量与液固传质系数（kLS）成比例。气体反应物通过很薄的液膜从主体向催化剂表面扩散，通量与气固传质系数（kGS）成比例。最后，催化剂表面上的反应物还需要扩散到涂层或催化剂壁的孔中，这是经典内扩散过程，下面分别讨论各个传递过程。

3.5.1　液固传质

液固传质描述液相和固相间的质量传输，也就是液体和气体反应物（如需要）到或从固相催化活性位的传输，是非均相催化反应中的一个重要传质步骤。特征尺度可以认为是液体面积和液固界面长度之比（图3-46）。还需要区分两个不同的液体淹盖区域，以找出对传输现象的合适描述。当然也能够延伸到带翅通道，方法是通过通道长度尺寸（lc-lw）的合适选择。

Sherwood准数是Graetz准数的函数，定义特征膜厚度。从实验结果获得的液固传质关联有不少，例如：

该关联不适合放大，因为包含了管长参数γ=Lc/dc和β=Ls/dc，也不能用于低Re准数的情形。

基于单位池长（UCL，气栓和液栓长度之和）的液固传质关联为：

基于实验结果的一个半经验关联为：

式中，Ψs为无因次液栓长度。

这些不同的关联比较结果指出，显示的趋势基本一致，而且预测值也在相同的范围。但方程（3-58）的关联范围不同于其他关联。最近提出的关联：

大部分关联使用无法预先知道的液栓长度，而且大部分数据是在光滑的玻璃表面测量的，与实际独居石表面有差别。因此，关联预测的液固传质系数与实际有相当的误差。

适用于Taylor流区的传质关联：

近来给出了在很宽的参数范围（通道几何形状、流动条件液体和扩散物种性质）内可以在工程设计中使用的关联：

酶水解反应，即N-苯甲酰-L-精氨酸乙酯被胰蛋白酶的水解，是快反应，常被应用于测量液固传质性能，也被用来测定方形通道独居石反应器中的液固传质系数。由于该反应是液固反应（不含气相），可以使用所希望的水力学（流体力学）条件。在图3-47中给出了测得的表观速率常数（kapp），并与液固传质系数（kLSas）进行了比较。对50cpsi独居石，由方程（3-63）计算的结果和实验结果很好地符合；但对25cpsi独居石，实验结果低于计算结果。可能是由于在25cpsi独居石反应器中的酶活性较低，反应不处于传质控制区。结果的一般趋势是，高S/V（面积体积比）值或高池密度独居石的液固传质性能较好。其次，较高液体速度也能够使液固传质性能较高。对独居石反应器传质参数计算，在平均Sherwood准数中使用的是个别独居石块的长度而不是独居石堆叠块的总床层长度，因为界面上会发生混合且浓度分布也会在独居石块进口处再次发生变化。

总而言之，对膜流独居石反应器，气体和液体在通道中是很好分离的。液体沿壁向下流动，因毛细管力作用大部分液体处于边角中，而气体占据通道中心区域。要特别注意液体在独居石横截面上的分布，应选择合适的喷嘴分布器和正确地放置在独居石顶面位置，这样能够达到比在滴流床中自然分布更为均匀的分布。

3.5.2　气液传质

气体进入液体吸收或脱吸/汽提的速率被描述为气液传质，这对吸收、汽提、蒸馏等单元操作及气液固三相催化反应是特别重要的，是三相催化反应中的一个重要传质步骤。对气液传质，需要考虑的主要因素有两个：气边传质和液边传质。对低溶解度气体和有气相反应组分的情形，液边传质更显重要性。

影响气液传质的基础现象是液膜中的水力学。基于液膜性质和液体流动，影响气液传质最重要的量是液膜的平均厚度。在图3-48中给出了平均液膜厚度与几何参数和液体饱和间关系的数学描述。这里需要定义的是通道尺寸（lc-lw），用以描述内翅化通道的代表性大小。为描述液膜中的传质，通常使用无因次Graetz准数（扩散与对流传质之比）。对液膜，该特征参数定义为：

传质性能包含在平均Sherwood准数与Graetz准数间的关联中：

这个关联与模型计算值间的一致性极好（图3-49）。

与传质系数密切相关的是单位液体体积的气液界面面积，由特征尺度的倒数计算：

为了使气液传质关系到总反应体积，方程（3-66）应乘以液体饱和值（滞留量）βL和空体积分数ε：

aGL，reac=aGL，liqβLε　　（3-67）

结合方程（3-65）、方程（3-66）或方程（3-65）与方程（3-67）就能够确定给定几何构型和操作条件下的气液传质系数kGLaGL。

图3-49也给出了不同几何形状通道中的实验测量结果，并与模型计算结果作了比较。可以看出，独居石通道小，传质性能好，因有较高的S/V比。对有类似水力直径的通道，带翅的通道有更好的传质性能，部分是由于具有较高的S/V比，部分是由于具有较高的空体积分数。对尖锐边角通道，其传递由边角中的液体流动所推动。在带翅通道的单位面积上有更多的边角，但需要指出的是，带翅通道结果中也可能包含了进口处的高传质区域。

气液传质也可以包含在与雷诺准数Re和Schmidt准数Sc的相关关联中，因为结构反应器中的传输机理与常规填料床层不会有大的差别。实验测量获得的某些气液传质系数kLae的值列于表3-7中。表中的结果指出，独居石长度对气液传质系数有影响。不过在膜流区，操作模式（顺流或逆流）对气液传质系数似乎没有影响。

从实验结果得到的气液传质关联还有：

对1 ≤Re≤400 ：　　（3-68）

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

式中，Lc为管长；DL为液体扩散率；δf，m为最大膜厚度；uL，m为最大液体速度。Sh准数是无因次管长ζ的函数，在高ζ值时，Sh的渐近值为1.04。实验值与方程（3-69）的一致性较好。

栓流（Taylor）流区的经验关联：

膜流区的半理论关联：

栓流流区的理论关联：

此外还有气液传质界面面积ae（以空体积为基准）的关联：

高流速的气液传质数据见图3-50。

应该指出，用气液传质预测独居石反应器性能一般不大成功，因为实际反应器的阻力层独居石涂层壁较厚而且粗糙增加了传质阻力，传质随液体流速稍有增加。在所研究的范围内，实验和理论结果是相当一致的。在如下条件下会产生偏差：液膜表面有明显的扰动，此时传质性能显著要高一些。所以，工程关联［方程（3-65）］给出的可以认为是其下限。对大独居石反应器，平均 Sherwood准数应该使用各个独居石块的长度而不能够使用堆叠块的总床层长度来计算。

3.5.3　气固传质

气固传质系数关联比较简单，气体反应物通过围绕气栓的薄膜扩散，气固传质系数可关联为：

关键是要计算气体膜的厚度δf，它主要取决于液体表面张力和液体扩散率。对蜂窝独居石通道，壁上薄膜的厚度是不均匀的，设计中需要考虑这类不均匀性。仍不能用实验来直接测定该气固传质系数。

由于单一通道的气固传质系数计算是简单的，而且独居石反应器中又是由多个平行通道构成的，因此对蜂窝独居石反应器需要强调的是其进口处有一个好的液体分布器是极端重要的，因为在反应器中再无法进行通道间的流体交换，不可能产生径向的传输和混合。一旦好的液体分布得到确保，独居石通道中的传质和反应就有保证。实践证明，正确放置喷嘴提供的液体分布要远好于涓流床反应器中常用的分布器。独居石反应器的堆砌方式、粒内扩散阻力、液体的黏性和发泡都会对传质性能产生影响，因为它们会使层流层产生径向再混合。