鼓泡塔反應(yīng)器綜述

1、.目錄1 鼓泡塔反應(yīng)器簡介 .11.1鼓泡塔的概念 .11.2鼓泡塔的結(jié)構(gòu) .21.3鼓泡塔類型 .21.3.1空心式 .31.3.2多段式 .31.3.3循環(huán)式 .31.4鼓泡塔反應(yīng)器的操作狀態(tài) .52 鼓泡塔反應(yīng)器的流體力學(xué)特性 .72.1氣泡直徑 .82.2含氣率.82.3氣液比相界面積 .102.4鼓泡塔的氣體阻力 P.102.5返混 .103 鼓泡塔反應(yīng)器的傳質(zhì)、傳熱特性 .113.1鼓泡塔的傳質(zhì) .113.2鼓泡塔的傳熱 .124 鼓泡塔反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型 .144.1雙流體模型 .144.2湍流模型 .14.5 鼓泡塔反應(yīng)器的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例161 鼓泡塔反應(yīng)器簡介1.1 鼓泡塔的概念

2、鼓泡塔是在塔體下部裝上分布器，將氣體分散在液體中進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱的一種塔式反應(yīng)器 。優(yōu)點(diǎn)：氣相高度分散于液相中， 具有大的液體持有量和相界接觸面，傳質(zhì)和傳熱效率高，適用于緩慢化學(xué)反應(yīng)和高度放熱的情況；結(jié)構(gòu)簡單，操作穩(wěn)定，投資和維修費(fèi)用低，被廣泛應(yīng)用于加氫、脫硫、烴類氧化、烴類鹵化等工業(yè)過程。缺點(diǎn)：液相有較大的返混，氣相有較大的壓降。當(dāng)高徑比大時，氣泡合并速度增加，使相際接觸面積減小。.1.2 鼓泡塔的結(jié)構(gòu)圖 1.2簡單鼓泡塔氣體分布器：使氣體分布均勻，強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)。是氣液相鼓泡塔的關(guān)鍵設(shè)備之一，型式：多孔板，噴嘴，多孔等，為鼓泡塔主要結(jié)構(gòu)之一，另一主要結(jié)構(gòu)為塔體。換熱裝置： 1 、夾套式：熱效

3、應(yīng)不大時。2 、蛇管式：熱效應(yīng)較大時。3 、外循環(huán)換熱式：熱效應(yīng)較大時塔體可安裝夾套或其它型式換熱器或設(shè)有擴(kuò)大段、 液滴捕集器等； 塔液體層中可放置填料；塔可安置水平多孔隔板以提高氣體分散程度和減少液體返混。1.3 鼓泡塔類型.空心式圖空心式鼓泡塔圖 多段式鼓泡塔空心式鼓泡塔如圖所示，塔不含塔板和液體分布器，最適用于緩慢化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)或伴有大量熱效應(yīng)的的反應(yīng)系統(tǒng)。熱效應(yīng)較大時，可在塔或塔外裝備熱交換單元。多段式多段式鼓泡塔反應(yīng)器如圖所示，塔至少有一塊塔板?？朔呐莘磻?yīng)器中的液相返混現(xiàn)象，適用于高徑比較大的情況。循環(huán)式.圖循環(huán)式鼓泡塔循環(huán)式鼓泡塔如圖所示，按循環(huán)類型可分為循環(huán)鼓泡塔和外循環(huán)鼓泡塔。

4、塔裝有氣升管，引起液體形成有規(guī)則的循環(huán)流動，可以強(qiáng)化反應(yīng)器傳質(zhì)效果，并有利于固體催化劑的懸浮。適用于高粘性物系。例如：生化工程的發(fā)酵、環(huán)境工程中活性污泥的處理、有機(jī)化工中催化加氫等特點(diǎn)：在這種鼓泡塔中氣流的攪動比簡單鼓泡塔激烈得多。簡單鼓泡塔中氣體空塔速度不超過1m/s，氣體升液式鼓泡塔中氣升鼓泡管氣體空管速度可高達(dá) 2m/s，換算至全塔截面的空塔氣速可達(dá)1m/s，其液體循環(huán)速度可達(dá) 1 2m/s。.1.4 鼓泡塔反應(yīng)器的操作狀態(tài)鼓泡塔流體的流動情況比較復(fù)雜，氣體的鼓入方式多種多樣，氣速的大小有高有低，有的單獨(dú)鼓入，有的與液體一起鼓入或噴入。 液體有流動的（連續(xù)式），有不流動的（半間歇式）。在

5、連續(xù)操作的塔中， 液體與氣體有逆流的， 有并流的，氣液的流動會相互影響。塔的部構(gòu)件導(dǎo)流管、障板、擋板、篩板、換熱器等，也會影響氣體和液體的流動狀態(tài)及氣液兩相的接觸狀態(tài)，從而影響反應(yīng)器的傳遞特性和反應(yīng)結(jié)果。 下面，僅就一般及典型的情況作出說明和描述，在實(shí)踐中指導(dǎo)分析和改進(jìn)鼓泡塔的操作， 改善鼓泡塔的結(jié)構(gòu)和塔流型， 提高反應(yīng)器的收率和生產(chǎn)能力。氣體的空塔線速度不同會在鼓泡塔造成不同的流動狀態(tài)。安靜鼓泡區(qū)：表觀氣速低于 0.05m/s 時，處于此區(qū)。所謂安靜區(qū)操作，即鼓泡塔中的氣體流量較小，氣泡大小比較均勻，規(guī)則地浮升，液體攪拌并不顯著。在安靜區(qū)操作，既能達(dá)到一定的氣體流量，又可避免氣體的軸向返混，

6、很適用于動力學(xué)控制的慢反應(yīng)。此時，氣泡呈分散狀態(tài)，氣泡大小均勻，行有秩序的鼓泡，圖 1.4 鼓泡塔流動狀態(tài)分布區(qū)區(qū)域目測液體攪動微弱。湍流鼓泡區(qū)：.表觀氣速大于 0.08m/s 時，處于此區(qū)。所謂湍動區(qū)操作，在氣體流量較大時，氣泡運(yùn)動呈不規(guī)則現(xiàn)象，液體作高度地湍動，塔物料強(qiáng)烈混合，氣泡作用的機(jī)理比較復(fù)雜， 這種情況稱為湍動區(qū)。 在湍動區(qū)氣泡大小不均勻，大氣泡上升速度快，小氣泡上升速度慢，停留時間不等，加之無定向攪動，不僅呈極大的液相返混，也造成氣相返混。栓塞氣泡流動區(qū)：小徑氣泡塔，高表觀氣速下出現(xiàn)此狀態(tài)。由于器壁限制了大氣泡直徑。實(shí)驗(yàn)觀察到，栓塞氣泡流發(fā)生在小直徑直至0.15m 直徑的鼓泡反應(yīng)

7、器中。在生產(chǎn)裝置中，簡單的鼓泡塔往往選擇在安靜區(qū)狀態(tài)下操作，而氣體升液式鼓泡塔往往在湍動區(qū)操作。連續(xù)操作的鼓泡塔反應(yīng)器，當(dāng)其長徑比（塔高/ 塔徑）比較小，氣速又比較高時，液相的流動狀態(tài)接近理想混合；長徑比比較大但液體停留時間長、循環(huán)速度快時亦可視為理想混合； 當(dāng)長徑比比較大， 氣速又較高時， 氣體接近理想置換流型。氣液的激烈攪拌有利于氣液表面的更新，有利于傳質(zhì)和傳熱的進(jìn)行，使反應(yīng)器溫度分布均勻， 但返混的存在會影響轉(zhuǎn)化率并對一些反應(yīng)的選擇性有不利影響。例如環(huán)己烷氧化制環(huán)己酮、環(huán)己醇，丁烷氧化制甲乙酮，目的產(chǎn)物均為氧化的中間產(chǎn)物， 極易進(jìn)一步氧化為酸， 為提高反應(yīng)的選擇性， 應(yīng)使液體的流動接近活

8、塞流，而且要在低轉(zhuǎn)化率下操作。為降低流動的返混程度， 可在鼓泡塔裝設(shè)水平多孔隔板或擋板，或者填裝填料，或者將鼓泡塔做出多級。.2 鼓泡塔反應(yīng)器的流體力學(xué)特性鼓泡塔氣液尺寸的大小、氣泡的上升速度、床層的含氣率、相界面積等參數(shù)，反應(yīng)流體在塔的流動狀態(tài)， 對于分析、 操作和計算鼓泡塔反應(yīng)器具有重要意義。.2.1 氣泡直徑鼓泡塔的氣泡有兩種形成機(jī)制，當(dāng)氣速比較低時， 靠分布器的小孔分散成氣泡；當(dāng)氣速較高時，靠液體的湍動使噴出的氣流破裂形成氣泡。氣泡的大小直接關(guān)系到氣液傳質(zhì)面積。在同樣的空塔氣速下， 氣泡越小，說明分散越好，氣液相接觸面積就越大。引入?yún)?shù)，孔口雷諾數(shù)氣泡直徑 dB 根據(jù)孔口雷諾數(shù)可分為三

9、個區(qū)域：低氣速區(qū)域Reo<400Reod0uGGG中等流速區(qū)域 400<Reo<5000d01dB1.823( LG )g11高氣速區(qū)域23dB0.0287Reo>4000d0eo無相關(guān)關(guān)系式，只是氣泡平均直徑隨Reo 增加而下降2.2 含氣率單位體積鼓泡床（充氣層）氣體所占的體積分?jǐn)?shù)稱為含氣率。液體不流動時的含氣率稱為靜態(tài)含氣率；液體連續(xù)流動時的含氣率稱為動態(tài)含氣率。氣含率的含義是氣液混合液中氣體所占的體積分率，可用下式表示：.式中G氣含率；3VG氣體體積， m；3VL 液體體積， m；3VGL氣液混合物體積， m。對圓柱形塔來說，由于橫截面一定，因此氣含率的大小意味

10、著通氣前后塔充氣床層膨脹高度的大小。 對于傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)來講， 氣含率非常重要， 因?yàn)闅夂逝c停留時間及氣液相界面積的大小有關(guān)。影響氣含率的因素主要有設(shè)備結(jié)構(gòu)、物性參數(shù)和操作條件等。一般氣體的性質(zhì)對氣含率影響不大，可以忽略。而液體的表面力L、粘度L 與密度 L 對氣含率都有影響。 溶液里存在電解質(zhì)時會使氣液界面發(fā)生變化，生成上升速度較小的氣泡，使氣含率比純水中的高15%20%?？账馑僭龃髸r， G也隨之增加，但 OG達(dá)到一定值時，氣泡匯合，G反而下降。G 隨塔徑D的增加而下降，但當(dāng) D0.15m 時，D對 G 無影響。當(dāng) OG 0.05m/s 時， G 與塔徑 D 無關(guān)。（因此實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)備的

11、直徑一般應(yīng)大于 0.15m，只有當(dāng) OG 0.05m/s 時，才可取小塔徑。含氣率是個重要參數(shù)，它反映的大小還影響到單位體積床層所具有的相界面積，以及氣液兩相在床層中的停留時間，從而影響傳質(zhì)過程和化學(xué)反應(yīng)結(jié)果。.2.3 氣液比相界面積氣液比相界面積是指單位氣液混合鼓泡床層體積所具有的氣泡表面積，的大小直接關(guān)系到傳質(zhì)速率，是重要的參數(shù)，值測定比較困難，人們常利用傳質(zhì)關(guān)系式 NA=kL cA 直接測定 kL 之值進(jìn)行使用。2.4 鼓泡塔的氣體阻力P鼓泡塔的氣體阻力由兩部分組成：一是氣體分布器阻力，二是床層靜壓頭的阻力。2.5 返混鼓泡塔液相存在返混，所以通常工業(yè)鼓泡塔反應(yīng)器液相視為理想混合。塔氣體

12、的返混一般不太明顯，常假設(shè)為置換流，其計算誤差約為5%。但要求嚴(yán)格計算時，尤其是當(dāng)氣體的轉(zhuǎn)化率較高時，需考慮返混。.3 鼓泡塔反應(yīng)器的傳質(zhì)、傳熱特性3.1 鼓泡塔的傳質(zhì)鼓泡塔反應(yīng)器的傳質(zhì)過程中，一般氣膜傳質(zhì)阻力較小，可以忽略，而液膜傳質(zhì)阻力的大小決定了傳質(zhì)速率的快慢。當(dāng)鼓泡塔在安靜區(qū)操作時，影響液相傳質(zhì)系數(shù)的因素主要是氣泡大小、空塔氣速、液體性質(zhì)和擴(kuò)散系數(shù)等；而在湍動區(qū)操作時，液體的擴(kuò)散系數(shù)、液體性質(zhì)、氣泡當(dāng)量比表面積以及氣體表面力等，成為影響傳質(zhì)系數(shù)的主要因素。鼓泡塔的氣膜傳質(zhì)分系數(shù)可按如下關(guān)聯(lián)：kG dBDG 6.6.液膜傳質(zhì)分系數(shù)可按下式關(guān)聯(lián)：0.50.250.375k L d B 0.

13、52g d 2B LLg d 3B LD LDL L2LL氣 - 液傳質(zhì)比表面積可由氣含率和氣泡直徑按下式確定：6aGdVS氣 - 液界面的液相容積傳質(zhì)系數(shù)可按下式關(guān)聯(lián)：0.50.6220.31kL aD2Lg2g31.1R0.6D R LDR LGDLD LLL2L3.2 鼓泡塔的傳熱鼓泡塔中的傳熱，通常以三種方式進(jìn)行：利用溶劑、液相反應(yīng)物或產(chǎn)物的汽化帶走熱量； 采用液體循環(huán)外冷卻器移出反應(yīng)熱；采用夾套、 蛇管或列管式冷卻器。鼓泡床中由于氣泡的運(yùn)動，床層中的液體劇烈擾動。流體對換熱器壁的給熱系數(shù)比自然對流給熱系數(shù)大10 余倍之多，通常它不成為熱交換中的主要阻力。2鼓泡塔的總傳熱系數(shù)通常為69

14、4 915W/(m·K)。給熱系數(shù)可按下關(guān)系計算：1 321 31 3uOG1 4cL 2 ；當(dāng)L18 時，LK b1 32L g0.146 K bL gL1 31 320.3 cL L當(dāng) Kb>18 時，。LL2 gL.4 鼓泡塔反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型泡塔的數(shù)值模擬屬于多相流模擬，目前主要有歐拉一拉格朗日法和歐拉法。歐拉一拉格朗日方法需要對每一個氣泡進(jìn)行跟蹤，對于高氣含率的工業(yè)反應(yīng)器，其應(yīng)用受到計算量的限制； 歐拉法又稱為雙流體模型， 它假定每一相都是相互貫穿的連續(xù)體，為每一相求解一組控制方程，其計算將不受氣含率的限制。4.1 雙流體模型雙流體模型控制方程可在單相控制下采用集平均方

15、法推導(dǎo)。假定液體為連續(xù)相，氣體為分散相不可壓縮，且不考慮相間質(zhì)量和熱量傳遞，控制方程如下：質(zhì)量守恒方程i?(iU i )0t動量守恒方程( i iU i )?(i iU iU i )i ? ( i i )Fi i i gt動量方程中， Fi 為相間作用力； 錯誤 ! 未找到引用源。 表示應(yīng)力量，假定流動為各向同性湍流，根據(jù)Boussinesq 假定，可用下式計算湍流應(yīng)力因流體不可壓縮，上式中右邊第三項(xiàng)為零；錯誤 ! 未找到引用源。 為有效粘度，對于液相，其包括分子粘度、液相湍流粘度，并考慮氣泡的影響，即關(guān)注兩相間湍流傳遞。4.2 湍流模型液相湍流采用兩種湍流模型來計算，即k- 模型和 RNGk

16、- 模型，這兩種模型都考慮了氣液兩相動量傳遞的影響，引入附加湍流作用項(xiàng)。 液相湍流粘度由下.式計算：對于 k- 模型，其 k 和 方程分別為：其中，錯誤 ! 未找到引用源。 和錯誤 ! 未找到引用源。 為因分散相引起的湍流附加作用項(xiàng)。參數(shù)取值為：錯誤 ! 未找到引用源。 =1.44 ，錯誤 ! 未找到引用源。=1.92 ，錯誤 ! 未找到引用源。 =0.09 ，錯誤 ! 未找到引用源。 =1.0 ，錯誤 ! 未找到引用源。 =1.3 。RNGk- 湍流模型的 k 及 方程與 k- 模型具有相同的形式，但錯誤 ! 未找到引用源。，錯誤 ! 未找到引用源。值與前者不同，分別 為 1.42 ，1.68 及 0.0845 ；這兩種模型最大的差別在于RNGk- 模型的 方程較前者多一項(xiàng)，該項(xiàng)為：式中，錯誤 ! 未找到引用源。，錯誤 ! 未找到引用源。，錯誤 ! 未找到引用源。對于快速剪切流動，該模型所計算的湍流粘度要小于k- 模型；在大的流體變形區(qū)域錯誤 ! 未找到引用源。 大于錯誤 ! 未找到引用源。，錯誤 ! 未找到引