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)11.3 鼓泡塔類型21.3.1空心式21.3.2 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)42 鼓泡塔反應(yīng)器的流體力學(xué)特性62.1氣泡直徑62.2含氣率62.3氣液比相界面積72.4鼓泡塔內(nèi)的氣體阻力P72.5返混83 鼓泡塔反應(yīng)器的傳質(zhì)、傳熱特性93.1鼓泡塔的傳質(zhì)93.2鼓泡塔的傳熱94 鼓泡塔反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型114.1 雙流體模型114.2 湍流模型115 鼓泡塔反應(yīng)器的工業(yè)應(yīng)用實例131 鼓泡塔反應(yīng)器簡介1.1 鼓泡塔的概念鼓泡塔是在塔體下部裝上分布器，將氣體分散在液體中進行傳質(zhì)、傳熱的一種塔式反應(yīng)

2、器。優(yōu)點：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：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

3、套或其它型式換熱器或設(shè)有擴大段、液滴捕集器等；塔內(nèi)液體層中可放置填料；塔內(nèi)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1.3.1空心式 圖1.3.1 空心式鼓泡塔 圖1.3.2 多段式鼓泡塔 空心式鼓泡塔如圖1.3.1所示，塔內(nèi)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，可在塔內(nèi)或塔外裝備熱交換單元。1.3.2 多段式 多段式鼓泡塔反應(yīng)器如圖1.3.2所示，塔內(nèi)至少有一塊塔板。 克服鼓泡反應(yīng)器中的液相返混現(xiàn)象，適用于高徑比較大的情況。1.3.3 循環(huán)式圖1.3.3 循環(huán)式鼓泡塔循環(huán)式鼓泡塔如圖1.3.3所示，按循環(huán)類型可分

4、為內(nèi)循環(huán)鼓泡塔和外循環(huán)鼓泡塔。塔內(nèi)裝有氣升管，引起液體形成有規(guī)則的循環(huán)流動，可以強化反應(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、有機化工中催化加氫等特點：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內(nèi)氣體空管速度可高達2m/s，換算至全塔截面的空塔氣速可達1m/s，其液體循環(huán)速度可達12m/s。1.4 鼓泡塔反應(yīng)器的操作狀態(tài)鼓泡塔內(nèi)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，有的單獨鼓入，有的與液體一起鼓入或噴入。液體有流動的（連續(xù)式），

5、有不流動的（半間歇式）。在連續(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。塔內(nèi)的內(nèi)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，在實踐中指導(dǎo)分析和改進鼓泡塔的操作，改善鼓泡塔的結(jié)構(gòu)和塔內(nèi)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內(nèi)造成不同的流動狀態(tài)。安靜鼓泡區(qū)：圖1.4 鼓泡塔流動狀態(tài)分布區(qū)區(qū)域圖表觀氣速低于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

6、區(qū)操作，既能達到一定的氣體流量，又可避免氣體的軸向返混，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，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，氣泡運動呈不規(guī)則現(xiàn)象，液體作高度地湍動，塔內(nèi)物料強烈混合，氣泡作用的機理比較復(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。實驗觀察到，栓塞氣泡流發(fā)生在小直徑直至0.15m直徑

7、的鼓泡反應(yīng)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)和傳熱的進行，使反應(yīng)器內(nèi)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塞流

8、，而且要在低轉(zhuǎn)化率下操作。為降低流動的返混程度，可在鼓泡塔內(nèi)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)特性鼓泡塔內(nèi)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)流體在塔內(nèi)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氣泡直徑鼓泡塔內(nèi)的氣泡有兩種形成機制，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)可分為三個區(qū)域：低氣速

9、區(qū)域 Reo<400中等流速區(qū)域 400<Reo<5000高氣速區(qū)域 Reo>4000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）內(nèi)氣體所占的體積分數(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；VG氣體體積，m3；VL液體體積，m3；VGL氣液混合物體積，m3。對圓柱形塔來說，由于橫截面一定，因此氣含率的大小意味著通氣前后塔內(nèi)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，因為氣含率與停留時間及氣液相

10、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。而液體的表面張力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)OG0.05m/s時，G與塔徑D無關(guān)。（因此實驗室試驗設(shè)備的直徑一般應(yīng)大于0.15m，只有當(dāng)OG0.05m/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

11、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內(nèi)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=kLcA直接測定kL之值進行使用。2.4鼓泡塔內(nèi)的氣體阻力P鼓泡塔內(nèi)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返混鼓泡塔內(nèi)液相存在返混，所以通常工業(yè)鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)液相視為理想混合。塔內(nèi)氣體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

12、的傳質(zhì)鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)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)和擴散系數(shù)等；而在湍動區(qū)操作時，液體的擴散系數(shù)、液體性質(zhì)、氣泡當(dāng)量比表面積以及氣體表面張力等，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)：液膜傳質(zhì)分系數(shù)可按下式關(guān)聯(lián)：氣-液傳質(zhì)比表面積可由氣含率和氣泡直徑按下式確定：氣-液界面的液相容積傳質(zhì)系數(shù)可按下式關(guān)聯(lián)：3.2鼓泡塔的傳熱鼓泡塔中的傳熱，通常以三種方式進行：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

13、套、蛇管或列管式冷卻器。鼓泡床中由于氣泡的運動，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。鼓泡塔的總傳熱系數(shù)通常為 694915W/(m2·K)。給熱系數(shù)可按下關(guān)系計算：當(dāng) 時，；當(dāng)Kb>18時，。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

14、流體模型控制方程可在單相控制下采用集平均方法推導(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)量守恒方程動量守恒方程 動量方程中，F(xiàn)i為相間作用力；錯誤！未找到引用源。表示應(yīng)力張量，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-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。液相湍流粘度由下

15、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。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，該項為：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！未找到引用源。將為負值，這相當(dāng)