第六章非均相反應器(下)

1、化學反應工程化學反應工程第六章第六章 非均相反應器非均相反應器 ( (下）下） 化學反應工程化學反應工程 化學反應工程化學反應工程6.2.3 流化床反應器內(nèi)的流體流動實際流化床的p-u關系較為復雜，圖6-15就是某一實際流化床的p-u關系。 0.01 0.02 0.03 0.05 0.1 0.2 0.3氣速u/(m/s) 圖圖6-15 6-15 實際流化床的實際流化床的p-up-u關系關系化學反應工程化學反應工程6.2.3 流化床反應器內(nèi)的流體流動6.2.3.46.2.3.4流化速度流化速度. .臨界流化速度臨界流化速度對于小顆粒： (6-27)對于大顆粒： (6-28)化學反應工程化學反應工

2、程6.2.3 流化床反應器內(nèi)的流體流動. .帶出速度帶出速度流化床的粒子帶出速度可以由粒子流化時在空間的受力平衡來計算，流體在流化床中受到的摩擦力可以寫為 當摩擦力等于或大于固體顆粒受到的重力時，顆粒被氣體帶走。因此 (6-29)2/)(4/(22udFfpgdudFfspfp)(6/()2/)(4/(322化學反應工程化學反應工程6.2.3 流化床反應器內(nèi)的流體流動根據(jù)上式可計算出不同粒徑顆粒的帶出速度。但在求解時，式中的 是流體雷諾數(shù)的函數(shù)，而雷諾數(shù)又是流體速度的函數(shù)，有 04時為層流， 04 500時為過渡流， 500 時為湍流， /ReudfpReReRe5102Re/245 . 0R

3、e/1043. 0化學反應工程化學反應工程6.2.3 流化床反應器內(nèi)的流體流動代入上面摩擦系數(shù)，求解式(6-30)可以得到不同流動速率條件下的顆粒流化速度，即為反應床層的最大流化速度 即粒子的帶出速度 (6-30) (6-31) (6-32)化學反應工程化學反應工程6.2.3 流化床反應器內(nèi)的流體流動例例6-3 6-3 苯酐生產(chǎn)中所用的 催化劑，其粒度分布如下固體密度 =900 ，以空氣做氧化劑并使催化劑流化，操作條件下空氣密度 =1.O ，黏度為 ，計算臨界流化速度 及帶出速度 。52OVsfsPa 5100 . 3mfutu化學反應工程化學反應工程6.2.3 流化床反應器內(nèi)的流體流動解 先

4、計算催化劑的平均粒徑 。各篩分組粒子的粒徑 用幾何平均值代替，即同理可得pdpid)(24.617550mdpi化學反應工程化學反應工程6.2.3 流化床反應器內(nèi)的流體流動混合粒度催化劑的平均粒徑為由于 未知，故由式(6-2-6)估算臨界流化速度，即驗算)(1001mddipiipmf1650)(2pfsmfgdu)/(01781031650)101 (98110) 1900(4223scm200059. 010310178. 0101Re432mffpmfud化學反應工程化學反應工程6.2.3 流化床反應器內(nèi)的流體流動說明所選用的公式是恰當?shù)?。計算混合顆粒流化床的帶出速度應按最小顆粒粒徑，即

5、 =50 進行計算。假設用式(6-2-6)計算粒子帶出速度，則驗算所用公式恰當。)/(08. 410318)105(98110) 1900(18)(42332scmgdupfst4 . 0068. 010308. 4101105Re433tfpud化學反應工程化學反應工程6.2.3 流化床反應器內(nèi)的流體流動6.2.3.56.2.3.5流化床中常見的異常現(xiàn)象及處理方法流化床中常見的異?，F(xiàn)象及處理方法.溝流 .大氣泡 .騰涌 圖圖 6-16 6-16 不正常流化狀態(tài)不正常流化狀態(tài) 化學反應工程化學反應工程6.2.4 流化床反應器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱6.2.4.16.2.4.1流化床反應器中的傳質(zhì)流化床反

6、應器中的傳質(zhì)1顆粒與流體間的傳質(zhì)2氣泡與乳化相問的傳質(zhì)化學反應工程化學反應工程6.2.4 流化床反應器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱6.2.4.26.2.4.2流化床反應器內(nèi)的傳熱流化床反應器內(nèi)的傳熱1.1.流化床反應器的傳熱過程分析流化床反應器的傳熱過程分析（1）固體顆粒與固體顆粒之間的傳熱（2）氣體與固體顆粒之間的給熱（3）床層與反應器器壁和內(nèi)換熱器壁之間的給熱化學反應工程化學反應工程6.2.4 流化床反應器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱2.2.床層與器壁之間的給熱床層與器壁之間的給熱(a)(a)單管式單管式 (b)(b)套管式套管式 (c)(c)鼠籠式鼠籠式化學反應工程化學反應工程6.2.4 流化床反應器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱

7、 (d) (d) 直列管束直列管束 (e) (e) 橫列管束式橫列管束式化學反應工程化學反應工程6.2.4 流化床反應器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱 (f) U (f) U形管式形管式 (g) (g) 蛇管式蛇管式圖圖6-176-17流化床常用的內(nèi)部換熱器流化床常用的內(nèi)部換熱器 化學反應工程化學反應工程6.2.4 流化床反應器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱（1 1）流化床內(nèi)換熱器的結(jié)構(gòu)型式）流化床內(nèi)換熱器的結(jié)構(gòu)型式（2 2）床層對壁給熱系數(shù)影響因素分析）床層對壁給熱系數(shù)影響因素分析操作速度的影響 顆粒直徑的影響 擋板、擋網(wǎng)的影響換熱器位置對給熱系數(shù)的影響顆粒與氣體的物理性質(zhì)對給熱系數(shù)的影響 化學反應工程化學反應工程6.2.

8、4 流化床反應器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱圖圖 6-18 6-18 擋網(wǎng)對給熱系數(shù)的影響擋網(wǎng)對給熱系數(shù)的影響 圖圖6-19 6-19 豎管離中心位置的校正系數(shù)豎管離中心位置的校正系數(shù)化學反應工程化學反應工程6.2.5 流化床反應器的構(gòu)件6.2.5.16.2.5.1氣體分布板與預分布器氣體分布板與預分布器1.1.分布板的型式和結(jié)構(gòu)分布板的型式和結(jié)構(gòu)(1)直流式分布板(b) (b) 凹形分布板凹形分布板 (c) (c) 直孔泡帽分布板直孔泡帽分布板 圖圖6-20 6-20 直流式分布板直流式分布板(a)(a)直孔式分布板直孔式分布板 化學反應工程化學反應工程6.2.5 流化床反應器的構(gòu)件(2)填充式分布板 圖

9、圖6-21 6-21 填充式分布板填充式分布板 化學反應工程化學反應工程6.2.5 流化床反應器的構(gòu)件(3)側(cè)流式分布板(a) (a) 側(cè)縫式錐帽分布板側(cè)縫式錐帽分布板 (b) (b) 側(cè)孔式錐帽分布板側(cè)孔式錐帽分布板 圖圖6-22 6-22 側(cè)流式分布板側(cè)流式分布板 化學反應工程化學反應工程6.2.5 流化床反應器的構(gòu)件（4）短管式分布板圖圖6-23 6-23 短管式分布板短管式分布板化學反應工程化學反應工程6.2.5 流化床反應器的構(gòu)件（5）無分布板的旋流式噴嘴（6）密孔型分布板圖圖6-24 6-24 無分布板的旋流式噴嘴無分布板的旋流式噴嘴化學反應工程化學反應工程6.2.5 流化床反應器

10、的構(gòu)件2 2氣體預分布器氣體預分布器分布板的下部，通常由一個倒錐形的氣室，進氣管自側(cè)向進入氣室，在氣室內(nèi)氣體流股進行粗略的重整后進入分布板。圖圖 6-25 6-25 常用的氣體預分布器示意圖常用的氣體預分布器示意圖化學反應工程化學反應工程6.2.5 流化床反應器的構(gòu)件6.2.5.26.2.5.2內(nèi)部構(gòu)件內(nèi)部構(gòu)件1.1.水平構(gòu)件水平構(gòu)件擋網(wǎng) 單旋擋板 多旋擋板圖圖 6-266-26擋網(wǎng)擋網(wǎng) 圖圖 6-27 6-27 單旋導向?qū)О鍐涡龑驅(qū)О寤瘜W反應工程化學反應工程6.2.5 流化床反應器的構(gòu)件圖圖 6-28 6-28 多旋導向擋板多旋導向擋板化學反應工程化學反應工程6.2.5 流化床反應器的構(gòu)件

11、2.2.垂直構(gòu)件垂直構(gòu)件3.3.復合構(gòu)件復合構(gòu)件 圖圖 6-296-29垂直構(gòu)件示意圖垂直構(gòu)件示意圖化學反應工程化學反應工程6.2.5 流化床反應器的構(gòu)件6.2.5.36.2.5.3氣固分離裝置氣固分離裝置1.內(nèi)過濾器2.內(nèi)旋風分離器圖圖 6-30 6-30 內(nèi)過濾器內(nèi)過濾器 圖圖 6-31 6-31 旋風分離器結(jié)構(gòu)示意圖旋風分離器結(jié)構(gòu)示意圖化學反應工程化學反應工程6.2.6 流化床反應器的工藝計算1.1.流化床反應器直徑的確定流化床反應器直徑的確定當生產(chǎn)規(guī)模確定后，通過物料衡算得出通過床層的總氣量(標準狀態(tài))Q(m3h)。 (6-33) (6-34)5210013. 1273360041pT

12、uDQRupTQupTQDR982800132. 4360027310013. 145033. 12733600412pTuDQtLpuTQDtL3600273033. 14化學反應工程化學反應工程6.2.6 流化床反應器的工藝計算2.2.流化床高度的確定流化床高度的確定 (1)(1)流化床層高度流化床層高度LfLf的計算的計算臨界流化床高Lmf的計算 催化劑用量為 WS= 靜床高度: (6-35)GGSw24DWLBsO化學反應工程化學反應工程6.2.6 流化床反應器的工藝計算流化床層高度Lf的計算R=LfR=LfLmf=(1-mf)/(1-m)=mf/mLmf=(1-mf)/(1-m)=m

13、f/m。 Lf=R Lmf Lf=R Lmf (6-36)床層膨脹比也可由下列經(jīng)驗式直接求取對于安裝了水平擋板或擋網(wǎng)的流化床R=0.517/(1-0.76u00.192) R=0.517/(1-0.76u00.192) (6-37)對于安裝了垂直管束的流化床R=0.517/(1-0.67u00.114) R=0.517/(1-0.67u00.114) (6-38)化學反應工程化學反應工程6.2.6 流化床反應器的工藝計算(2)(2)分離高度和擴大段高度的計算分離高度和擴大段高度的計算(3)(3)錐底高度錐底高度一般錐底角取60或90，H=D/(2tg/2) H=D/(2tg/2) (6-39)

14、化學反應工程化學反應工程6.3 氣液相反應器12汽液相反應器的特點與應用汽液相反應器的特點與應用氣液相反應器基本類型與結(jié)構(gòu)氣液相反應器基本類型與結(jié)構(gòu)3鼓泡塔反應器的工藝計算鼓泡塔反應器的工藝計算化學反應工程化學反應工程6.3.1 汽液相反應器的特點與應用氣體在液體中吸收并反應是化學工業(yè)的一個重要過程，其用途主要有兩個方面，一是用于氣體的凈化和分離（氣體的化學吸收），二是用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品。第一方面的例子有用堿性溶液脫除氣體中的酸性氣體H2S、CO2等；第二方面的例子有用水吸收氮的氧化物制硝酸，用氨水吸收CO2制取碳酸氫銨，乙烯氧化制乙醛，乙醛氧化制乙酸，苯烷基化制乙苯、異丙苯，甲醇羰基化制乙酸，

15、乙烯液相加氯制1，2-二氯乙烷等?；瘜W反應工程化學反應工程6.3.2 氣液相反應器基本類型與結(jié)構(gòu)6.3.2.16.3.2.1氣液相反應器的基本類型與特點氣液相反應器的基本類型與特點圖圖6-32 6-32 氣液相反應器的主要類型示意圖氣液相反應器的主要類型示意圖化學反應工程化學反應工程6.3.2 氣液相反應器基本類型與結(jié)構(gòu)1.噴霧塔反應器2.填料塔反應器3.膜式反應器4.板式塔5.攪拌釜式反應器6.鼓泡塔反應器7.高速湍動反應器化學反應工程化學反應工程6.3.2 氣液相反應器基本類型與結(jié)構(gòu)表表6-2 6-2 幾種氣液反應器的性能指標幾種氣液反應器的性能指標型式相界面積液相體積m2/ m3相界面積

16、反應器體積m2/ m3液相體積分率液相體積液膜體積汽液比mol噴霧塔填料塔板式塔鼓泡攪拌釜鼓泡塔1200120010002002060100150200200.050.080.150.900.9821010100401001508004000100001911.55.670.110.0204化學反應工程化學反應工程6.3.2 氣液相反應器基本類型與結(jié)構(gòu)6.3.2.26.3.2.2氣液相反應器的選型氣液相反應器的選型(1)具備較高的生產(chǎn)能力(2)有利于反應選擇性的提高(3)有利于降低能量消耗反應器的選型應考慮能量綜合利用并盡可能降低能耗。(4)有利于反應溫度的控制 (5)能在較少液體流率下操作化

17、學反應工程化學反應工程6.3.3 鼓泡塔反應器的工藝計算圖圖6-33 6-33 簡單鼓泡塔簡單鼓泡塔 1 1一塔體；一塔體；2-2-夾套；夾套；3-3-氣體分布器；氣體分布器；4 4一擋板；一擋板； 5 5一塔體；一塔體；6-6-塔外換熱器，塔外換熱器，7-7-液體捕集器；液體捕集器；8 8一擴大段；一擴大段；化學反應工程化學反應工程6.3.3 鼓泡塔反應器的工藝計算高黏性物系常采用氣體升液式鼓泡塔，如圖6-34所示。此種反應器在塔內(nèi)裝有氣升管，引起液體形成有規(guī)則的循環(huán)流動，可以強化反應器傳質(zhì)效果，并有利于固體催化劑的懸浮。液體圖圖6-346-34氣體升液式鼓泡塔氣體升液式鼓泡塔 1 1一簡體

18、；一簡體；2 2一氣升管；一氣升管；3 3一氣體分布器一氣體分布器化學反應工程化學反應工程6.3.3 鼓泡塔反應器的工藝計算 6.3.3.16.3.3.1鼓泡塔的傳遞特性鼓泡塔的傳遞特性1 1鼓泡塔的流體力學特性鼓泡塔的流體力學特性(1)流動狀態(tài)和氣泡特性(2)氣泡大小 (6-40) （6-41） (6-42)3/10)(6gddGLLb23iiiiVSdndnd313iiiVndnd化學反應工程化學反應工程6.3.3 鼓泡塔反應器的工藝計算(3)(3)含氣率含氣率 （6-43）含氣率可以測量靜液層高度 和通氣時床層高度 算出，即 (6-44)關于含氣率的關聯(lián)式，目前普遍認為比較完善的是Hir

19、ita于1980年提出的經(jīng)驗公式，即 （6-45） GLGGLGGVVVVVGLLGLGHHH107. 0062. 0131. 034578. 0)()()()(672. 0LGLGLLLLLOGGgu化學反應工程化學反應工程6.3.3 鼓泡塔反應器的工藝計算(4)(4)比相界面積比相界面積 是指單位有效反應體積(氣液混合物)所具有的相界面積叫比相界面積，可以通過氣泡平均直徑 和含氣率 計算出，即 (6-46)a的大小直接關系到傳質(zhì)速率，是重要的參數(shù)，其值可以通過一定條件下的經(jīng)驗公式進行計算，如公式 (6-47)VSdG32/6mmdaVSGGLLLLgDHa003. 03 . 0)()(0

20、.26化學反應工程化學反應工程6.3.3 鼓泡塔反應器的工藝計算 (5)(5)鼓泡塔的氣體壓降鼓泡塔的氣體壓降 鼓泡塔中氣體的阻力有兩部分組成，一部分為噴孔的阻力，另一部分為氣液混合床的靜壓力。氣體壓降可由下列公式計算 (6-48)gHuCpGLGLG2102023p化學反應工程化學反應工程6.3.3 鼓泡塔反應器的工藝計算2 2鼓泡塔的傳質(zhì)鼓泡塔的傳質(zhì)3 3鼓泡塔的傳熱鼓泡塔的傳熱鼓泡塔內(nèi)充氣液層與器壁間的給熱系數(shù)可以用下面的公式計算，當 時 （6-49）smuOG1 . 02 . 03/13/1223)()()(25. 0SOGLLPLLLtuucgDD化學反應工程化學反應工程6.3.3

21、鼓泡塔反應器的工藝計算6.3.3.26.3.3.2鼓泡塔反應器的經(jīng)驗計算鼓泡塔反應器的經(jīng)驗計算 (1)(1)反應器直徑的確定反應器直徑的確定 (6-50) (2) (2)反應器體積的確定反應器體積的確定 充氣液層高度 或體積 對于半連續(xù)操作塔(氣體連續(xù)、液體間歇)OGGuD4GLHGLV化學反應工程化學反應工程6.3.3 鼓泡塔反應器的工藝計算對于連續(xù)操作的鼓泡塔氣液層所含氣體的體積為 化學反應工程化學反應工程6.3.3 鼓泡塔反應器的工藝計算分離空間的體積分離空間的體積分離空間的體積為 (6-51)分離高度可用式(6-51)計算。 (6-52) 頂蓋體積頂蓋體積 （6-53）EEHDV24D

22、HEE123DVc化學反應工程化學反應工程6.4 其他非均相反應器簡介12氣液固三相反應器氣液固三相反應器生化反應器生化反應器3電化學反應器電化學反應器4聚合反應器聚合反應器化學反應工程化學反應工程6.4.1 氣液固三相反應器在非均相反應中，同時存在氣相、液相、固相三種不同相態(tài)的反應過程，稱為氣液固三相反應。氣-液-固三相反應是反應工程中的一個新興領域，具有巨大的現(xiàn)實及潛在的應用價值?；瘜W反應工程化學反應工程6.4.1 氣液固三相反應器6.4.1.16.4.1.1氣液固三相反應器的類型氣液固三相反應器的類型 1固定床氣液固三相反應器 2懸浮床氣液固三相反應器化學反應工程化學反應工程6.4.1

23、氣液固三相反應器6.4.1.26.4.1.2滴流床三相反應器滴流床三相反應器氣-液穩(wěn)定流動滴流區(qū) 過渡流動區(qū)脈沖流動區(qū)分散鼓泡區(qū)化學反應工程化學反應工程6.4.1 氣液固三相反應器6.4.1.36.4.1.3鼓泡鼓泡( (淤漿床淤漿床) )反應器反應器上述的滴流床反應器是固體處于固定床的三相反應器，而固體處于懸浮床的三相反應器，根據(jù)使固體懸浮的作用力不同，又可分為四個類型，即機械攪拌釜、環(huán)流反應器、鼓泡塔和三相流化床反應器?；瘜W反應工程化學反應工程6.4.2 生化反應器生化反應器一般應滿足：能在不同規(guī)模要求上為細胞增殖、酶的催化反應和產(chǎn)物形成提供良好的環(huán)境條件，即易消毒，能防止雜菌污染，不損傷酶、細胞或固定化生物催化劑的固有特性，易于改變操作條件，使之能在最適合條件下進行各種生化反應；化學反應工程化學反應工程6.4.2 生化反應器能在盡量減少單位體積所需功率輸入的情況下，提供較好的混合條件，并能增大傳熱和傳質(zhì)速率；操作彈性大，能適應生化反應的不同階段或不同類型產(chǎn)品生產(chǎn)的需要?；瘜W反應工程化學反應工程6.4.3 電化學反應器6.4.3.16.4.3.1電化學反應器的基本特征電化學反應器的基本特征 都由兩個