滴流床反应器是一种气-液-固三相催化反应器，气液并流向下通过固体催化剂床层，被广泛应用于石油炼制（加氢裂化、加氢精制、加氢异构和加氢脱芳等）、石油化工（加氢、水合、氧化等）、精细化工以及环境工程等化工领域。滴流床反应器在大规模加工、高压操作的非均相催化过程中具有无可比拟的优势，影响其性能的主要因素包括：催化剂床层特性、流体分布的均匀性、相间传热传质和反应动力学等因素。1

简介滴流床反应器是一种气液固三相固定床反应器，液体向下以液膜的形式通过固体催化剂，气体多数以并流的形式向下流动。滴流床反应器中的液膜通常很薄，总的传质和传热阻力相对较小，气体在平推流条件下操作可获得较高的转化率；同时由于持液量小，可最大限度降低均相的副反应；并流操作的滴流床也不存在液泛问题。由于滴流床反应器具有上述优点，其在化工行业，特别是各种加氢装置中得到广泛的应用。

但是在大型滴流床反应器中，低液速下容易导致液体分布不均匀，出现沟流和短路现象，从而使催化剂无法完全润湿，催化剂的利用率以及反应转化率降低，也容易导致反应器内径向温度分布不均匀，形成局部热点，加速催化剂失活，而催化剂上层的气液分配盘是反应器中的关键内构件，直接影响催化剂的效率。目前，工业上应用最广泛的分布器有两种：一种为溢流型，另一种是抽吸型。其中抽吸型分布具有良好的宏观分配均匀性，但分布器压降较更高，且对工况变化较为敏感，操作弹性相对较差。溢流型分布器操作弹性相对较大，压降相对较小，但分布器对液层高度敏感。

现有关于滴流床气液分布器的研究主要以抽吸型分布器为基础开发新型气液分布结构，对于低压降的溢流型分布器研究相对较少。2

优点在有催化剂粒子填充的滴流床反应器中，由于气液并流向下流动产生的压降较小，且不易液泛，因而是滴流床最广泛使用的操作形式。滴流床主要的优点是：

（1）气液流动均接近活塞流，在单个反应器中，可以获得高的转化率；

（2）由于存液量小，即液固比小，若存在液相均相副反应时，不致于对目的产物的收率产生大的影响；

（3）液体呈膜状流动，从而气体反应物通过液相扩散至固体催化剂外表面的阻力较小；

（4）如果温升明显，可以通过循环液体产品，或从反应器侧面加入“骤冷剂”来控制。由于液体的循环，使反应器性能更像连续搅拌槽反应器。因而需要高转化率时,不采取液体产品循环；

（5）压力降较小，以至整个床层压力较为均匀；

（6）在反应器中，气体和液体分布均匀，液体能均匀而充分地润湿催化剂。3

应用滴流床反应器是应用得最广泛的气液固三相反应器，它在化工过程，尤其是在石油炼制和石油加工过程中有着广泛的应用。例如，各种石油馏分（液相）与氢气（气相）在固相（催化剂）上进行加氢脱硫、加氢精制和加氢裂解等。在其它领域，如生化工程、能源转换和废水废气的净化等，也愈来愈多地使用滴流床，近年国外也有人用滴流床进行湿法冶金的浸取过程。3

滞后现象滴流床反应器存在压降和持液量的滞后现象，尤其是滞后现象的存在使得滴流床反应器的设计非常复杂。Kan和Greenfieldf 首先观察到在给定气液流速下，压降的大小与达到状态的方式有关，并将滞后现象解释为气体流道的曲折因子的不同。尤其是在固定液体流速，系统的流体力学性能强烈地依赖于过程所达到的最大的气体流速。

Kan和Greenfielrl提出了关联式来计算压降和持液量，在该关联式中引入了最大的气体流速作为额外的参数。Levec等将滞后现象归因于滴流床的不完全润湿和气一液一固接触角的不同，并且解释了床层的不完全润湿的原因。Christensen等也观察到了滴流区的滞后现象，并采用溪流和膜流来解释滞后现象。Chu和Ng将滴流床反应器模型化为一系列的倾斜的管道，滞后环的上下支分别对应于射流和膜流。Reddy等分析了流动的滞后现象和液体流动结构之间的关系，并且试图协调Kan和Greenfield与Christensen等的解释。

王蓉和毛在砂等指出气液流速，液体的物理性质和操作模式都影响滴流床反应器的滞后行为，其中液体流速是最重要的影响因素。滞后行为在大颗粒填充床上不太明显，并且在脉冲流区消失。滞后行为的产生是由于在填充床内气液流动的不均匀分布。根据实验数据和流动结构的分析，提出了滴流区压降的平行流区模型，并且从理论上预测的压降滞后环路与实验结果吻合的很好。Maiti等 引入了参与颗粒和非参与颗粒的概念，以及液体在多孔介质和无孑L介质上扩散的原理，来描述填料的多孔本质在滴流床反应器滞后行为中的作用。4

滴流床的数值模型滴流床反应器内流体流动现象的研究是设计和改善反应器性能的关键，经典滴流床反应器的设计和优化方法主要依靠实验结果和经验模型。由于滴流床反应器的高温高压条件和床层结构的独特性，直接通过实验获得有关的设计参数十分困难。在过去的研究中人们通过计算机断层扫描和核磁共振成像等新实验技术和理论方法获取床层内部孔结构以及真实操作条件下反应器内气液相分布的信息，提高了对滴流床反应器内复杂现象的认识。近几年来，随着计算机硬件和流体力学数值计算方法的飞速发展，极大地促进了滴流床反应器研究的发展。

数值模拟首先建立方程，然后求解方程获取模拟计算的结果。滴流床反应器的数值模拟不仅需要选择基本的多相流模型，还需要多孔介质模型和动量传递模型，若有化学反应时还需添加传质、传热模型和反应模型。目前，关于滴流床反应器模拟的研究重点集中在多相流模型、床层孔隙率分布、动量传递曳力方程、传质传热模型对计算结果的影响。

多相流模型滴流床反应器的数值模拟首先需要选择合适的多相流模型。目前，对滴流床反应器中多相流动有两种处理方法：一是将流体看作连续相，对每个网格内流体进行研究计算的Euler方法；二是对流体每个质点进行追踪计算的Lagrange方法。由于对多相流中不同的相可以采用不同的研究方法，因此Euler-Euler方法和Euler-Lagrange方法孕育而生。

Fluent软件中DPM模型使用的是Euler-Lagrange方法，主要应用于离散相体积分数不高时，如颗粒分离与分级、喷雾干燥、煤粉燃烧等，对流体主相采用Euler方法，对离散相（颗粒或液滴）采用Lagrange方法独立计算其轨迹，因此该方法不适合滴流床反应器气液混合第二相体积分数不能忽略的情况。

Euler-Euler方法是把每一相均视为连续相，两相共存且相互渗透，对各相的体积含率进行空间和时间上的平均，各相控制方程形式相同。

多孔介质模型滴流床反应器中固定堆积的催化剂不随气液流动而移动，但对气液流动产生阻力，阻力作用类似填料塔中的填料。碳三选择性加氢反应的催化剂多为钯负载在球形载体氧化铝上，由于固定堆积的球形颗粒对气液流动产生阻力，研究过程中可将催化剂看作填料塔中的填料。

目前，研究者们广泛使用多孔介质模型对滴流床反应器进行数值模拟研究。Atta等模拟了两种不同的多孔介质，首先是假设多孔介质是各相同性的，相对渗透率在各个方向上相同，孔隙率恒为常数，然后研究非均匀的多孔介质，假定多孔介质并不是由离散颗粒组成的，而是一个给定体积分率的固定相，孔隙率不再恒为常数，利用用户自定义函数来定义床层内部的孔隙率分布。Kuzeljevic等研究了孔隙率为高斯分布时多孔介质对气液相流动的影响。

滴流床反应器的传递模型在滴流床反应器的模拟过程中，不同的反应体系需考虑的传递模型有所不同，因此多相流复杂的传递现象是最为重要的研究部分，也是模拟的难点所在。如何选择合适的传递模型成为滴流床反应器数值模拟的重点和核心。

动量传递模型

在模拟滴流床反应器多相流的过程中，控制方程除了动量守恒方程等基础方程，还需要相间动量传递模型，即曳力方程来使之闭合，因此需要选择合适的相间动量交换方程，即给出曳力在相界面区域产生的动量传递作用，3种常见的曳力模型为：（1）相对渗透模型；（2）单缝模型；（3）双流体界面力模型。

质量传递模型

相对其他具有强烈混合过程的多相催化反应器（搅拌釜式反应器、浆态鼓泡床反应器）来说，滴流床反应器中相之间的相互作用较弱，传质速率比其他反应器要低，传质速率为控制步骤，因此传质模型在滴流床反应器的模拟计算中是不可忽视的重要部分。

在滴流床反应器的催化反应过程中，气相反应物首先扩散到气液界面被液体溶解，然后再与液体反应物通过质量传递穿过液膜扩散到催化剂的表面，进行气液相在固体表面上的催化反应。在模拟滴流床反应器中的传质现象时，需要在组分的质量守恒方程中添加源项来表达传质过程，其中气相组分i源项包括气液传质项和气固传质项，液相中组分i源项则包括气液传质项和液固传质项。

热量传递模型

滴流床反应器的早期模拟研究主要集中在冷态模拟方面，仅考虑简单的水和空气的流动，而不考虑实际发生化学反应的体系，因此滴流床反应器数值模拟中热量传递研究的较少。近年来关于滴流床反应器流体力学模拟耦合化学反应模型的研究逐渐发展和深入，滴流床反应器中进行的反应通常有加氢反应、氧化反应和加氢处理（脱硫、脱氮、裂化等）等，且多为大量放热的反应。为了避免反应器由于传热速率低造成的飞温现象，选择合适的传热模型，精确估计传热速率，对滴流床反应器的设计和放大非常关键。1

性能研究压降和持液量压降和持液量在滴流床反应器中，气液、液固、气固界面之间的流动会产生流体黏性力，流体的加速、减速会造成惯性力以及湍动力、毛细管力、重力等。这些力的大小会产生压降，通常在强相互作用区压降由惯性力决定，在弱相互作用区压降则由黏性力和毛细管力决定。滴流床反应器中的持液可分为存在于催化剂孔内的内持液量和存在于催化剂外部的外持液量，其中外持液量又分为保留在催化剂表面和接触点处的静持液量和床层空隙中可流动区域的动持液量。

压降和持液量作为滴流床反应器非常重要的指标，许多研究者将其作为主要计算结果与实验测量得到的结果进行比较分析，检验其模型的可靠性。预测滴流床反应器的压降和持液量是滴流床反应器设计的重点问题之一，尽管已有大量文献发表了计算压降和持液量的经验公式或半理论关系式，但适用于高压下的计算式较少，且精确度不高。在建立可靠的模型的基础上，可以通过数值模拟研究多种条件下压降和持液量的变化趋势，采用专业数据软件处理，可直观读出压降和持液量等参数，从而达到滴流床反应器设计及优化的目的。因此，预测滴流床反应器的压降和持液量是数值模拟研究的重要应用。

人们通过对滴流床进行数值模拟得出关于压降和持液量的变化趋势。赵辉等模拟结果显示，静压力沿流动方向由上到下逐渐降低且变化均匀；沿床层从上到下液相体积先增大后减少，到底部最小，主要由于在床层中部液相得到充分发展，而底部有少量返混，使液相体积分数急剧减小。Meher研究结果表明，气液流率的增加都会使压降增大而持液量随液相流率增加而增大，随气相流率增加而降低

液体分布器对气液分布的影响在碳三选择加氢滴流床反应器中，最大的问题在于气液分布不均，靠近壁面的液相含量较高，而反应器中部附近气相含量较高，此现象导致了反应物之间、反应物与催化剂接触不充分，而不能充分利用催化剂，反应转化率下降。因此，滴流床反应器的数值模拟计算是研究和改善气液分布不均的重要方法。

关于不同的入口分布器对滴流床气液分布不均匀的影响均有研究。Lopes等选取3种不同类型的分布器，分别是位于塔顶部中间的单点入口分布器、含有60个微孔的分布器和均匀分布器。研究结果表示，在气液相互作用弱时（液相流速为2kg/（m2·s）），分布器的结构对流体力学有很大影响，而在气液相互作用强时（液相流速为10kg/（m2·s）），分布器也可以控制多相流的径向气液分布。Strasser使用在中心线处开单孔的分布器会使反应器大部分区域没有液相流过，而使用均匀分布器，反应器径向几乎没有发生气液相体积分数的变化。Bazmi等对比单孔分布器和多孔分布器也得出多孔分布器效率更高的结论。改变分布器的结构可以提高滴流床反应器的反应转化率，因此，可以进一步设计不同分布器的结构，对分布器结构进行模拟研究，来探寻可以提高反应转化率和催化剂选择性的有效新型分布器。1

流体均匀分布的技术开发新型高效填料新型填料应有通量大，分散流体的能力强，阻力低等优点，其中对液体的分散作用应是关键。可以改进填料个体的结构，如环形填料由拉西环改进为鲍尔环及阶梯环，鞍形填料由弧鞍形到矩鞍形，比表面积增大，气液接触面积和横向流道增加，提高了对液体的分散性。第二是选择适宜的制造材料和表面处理方法以提高填料的润湿性，改善液体在填料层中的流动状况。其三是改善填料堆积的整体结构，开发规整填料，如丝网波纹填料和压延板波纹填料等。这类填料的整体结构合理，导流能力强，气液相横向混合的性能好，使填料具有较高的效率。使用脉冲填料装填成的床层甚至不再需要液体再分布器。但规整填料目前价格比较高，还不能普遍取代散装填料。

改进填料装填技术改善床中流动的均匀程度的另一途径是改进散堆填料的装填技术。研究表明，滴流床中填料的紧密和均匀装填是改善填料塔内流体力学特性的有效方法。反应器的操作特性，如流体分布的均匀性、填料润湿分数等都和固体填料颗粒取向的规则程度和装填的整体均匀性密切相关。一般说来，紧密装填法与用布袋溜槽法装填相比，催化剂的装填量增大，阻力降较高，滞液量较大，床层孔隙率均匀，反应器的生产能力增强。国外许多公司开发了专有的紧密装填技术，如ARCO的COP催化剂定向装填技术，TCFR、UOP等公司及捷克布拉格化工技术研究所也开发了自己的紧密装填技术，向用户提供技术服务或发放使用许可证。研究紧密高效装填技术的专利和公开文献还很少。5

主要工业应用石油炼制滴流床反应器广泛应用于石油馏分的加氢处理（脱硫、脱氮、裂化等）中。Khadilkar等研究了α-甲基苯乙烯加氢反应的滴流床反应器，α-甲基苯乙烯加氢生成异丙苯，该反应是一个气相限制反应，反应动力学采用前期研究得出的动力学方程。首先模拟稳态过程，然后模拟液相流率周期性变化的非稳态过程，结果表明液相流率周期性的变化可以改变催化剂表面气、液相反应物的含量，相对稳态过程可提高反应器的性能。Gunjal等模拟了加氢处理反应器中的加氢脱硫、加氢脱芳、烯烃加氢等反应，反应动力学来自文献，得出根据催化剂颗粒尺寸信息可以预测反应器动力学参数的结论。赵辉等研究了滴流床反应器中的加氢裂化反应，建立增加了包括曳力模型、反应动力学模型等在内的加氢裂化滴流床反应器计算模型，对比了采用两种不同原料时的转化率和产品收率，可以很好地描述滴流床反应器内的流体流动状况。Heidari等研究了滴流床反应器中加氢脱硫和加氢脱芳烃反应，反应动力学参数由文献查得，模拟了在不同操作条件下（温度、压力、气液流率以及硫化氢气相浓度）部分润湿催化剂的反应，提出和润湿效果相关的新反应速率常数。此外，他们还模拟了在完全润湿时，压力、温度对反应转化率的影响，以及孔隙度分布对气液流速、反应速率和相间界面质量传递的影响。

石油化工滴流床反应器在石油化工过程中的加氢、水合、氧化等方面有很重要的应用。常用于烯炔加氢、加氢制醇、乙醇氧化、甲酸和乙酸水溶液的氧化，还应用于废水处理的催化湿式氧化过程，以处理有机污染物。Gorshkova等模拟了辛烯在Ni/Al2O3催化剂作用下发生的加氢反应，反应物包括辛烯、辛烷、氢气和十二烷，模拟结果表明在反应器入口位置氢气扩散缓慢，因此反应速率也缓慢，辛烯扩散速率相对更慢，即反应控制步骤为辛烯加氢。Lopes等研究了滴流床反应器中催化湿式氧化橄榄油厂废水中的香草酸，反应动力学参数由实验测定得到，在非稳态条件下进行催化湿式氧化香草酸，总有机碳曲线表明，完全还原有机物的时是1.5h，此外，温度对反应有相当大的影响，而空气分压只有轻微影响。1

本词条内容贡献者为:

蒲富永 - 教授 - 西南大学