氣液固三相漿態(tài)床反應器

漿態(tài)床反應器

1精選ppt

漿態(tài)床反應器的產(chǎn)業(yè)化進程1997年1996年

1953年最早美國建立了日產(chǎn)260t三相床合成裝置Sasol公司實現(xiàn)費托合成技術(shù)的工業(yè)化Rheinpreussen公司建成漿態(tài)床反應器中試規(guī)模實驗廠應用于費托合成固相運動的三相反應器，可稱為漿態(tài)反應器圖1淤漿床鼓泡反應器中的流型

2精選ppt漿態(tài)床反應器主要內(nèi)容漿態(tài)床反應器中的傳遞過程

漿態(tài)床反應器中的流體力學

3精選ppt漿態(tài)床反應器的優(yōu)點使用細顆粒催化劑，消除了大顆粒催化劑粒內(nèi)傳質(zhì)及傳熱對反應的影響液體滯留量大，熱容量大，并且淤漿床與換熱元件間的給熱系數(shù)高，容易移走反應熱，溫度易控制，床層可處于等溫狀態(tài)可以在不停止操作的情況下更換催化劑催化劑不會像固定床中那樣產(chǎn)生燒結(jié)4精選ppt漿態(tài)反應器的缺點液相是熱載體時，要求所使用的液體為惰性，不與其中某一反應物發(fā)生任何化學反應。要求蒸氣壓低、熱穩(wěn)定性好，不易分解，并且其中對催化劑有毒的物質(zhì)含量合乎要求；如進行氧化反應時，耐氧化的惰性液相熱載體的篩選是一個難點。催化劑顆粒較易磨損，但磨損程度低于氣—固相流化床。氣相呈一定程度的返混，影響了反應器中的總體速率。

5精選ppt漿態(tài)床反應器的流體力學流型固體完全懸浮的臨界氣速氣含率氣泡尺寸和分布6精選ppt流型

鼓泡淤漿床反應器其流體力學特性與氣液鼓泡反應器相同或相接近。Deckwer等發(fā)表了氣體分布器工作良好情況下氣液兩相鼓泡反應器的流型。圖1淤漿床鼓泡反應器中的流型

7精選ppt流型圖2鼓泡塔流動狀態(tài)分布區(qū)區(qū)域圖對水—空氣系統(tǒng)，氣液鼓泡反應器的流動狀態(tài)與區(qū)域8精選ppt流型(1)安靜鼓泡區(qū)，又稱為氣泡分散區(qū)(dispersedbubbleregime)(2)湍流鼓泡區(qū)，又稱為氣泡聚并區(qū)(coalescedbubbleregime)(3)栓塞區(qū)(sluggingregime)，又稱節(jié)涌區(qū)。根據(jù)氣泡流動的行為，可以劃分出三種流動型態(tài)：9精選ppt流型

當淤漿的性能可作為擬液體時，如顆粒直徑≤50μm，且固含率不超過16％，氣—液兩相流動的流動狀態(tài)分區(qū)圖可適用于氣—液—固三相鼓泡淤漿反應器。上述流型間的過渡條件與液體特性、氣體分布器的設計、顆粒特性及床層尺寸等因素有關。對于高粘度的流體在很低的表觀氣速下可形成栓塞流。氣體分布器如采用微孔平均直徑低于150μm的素燒陶瓷板，當表觀氣速達0.05～0.08m／s時，仍為氣泡分散區(qū)。當多孔板孔徑超過lmm時，氣泡分散區(qū)僅存在于很低的表觀氣速。所以，鼓泡淤漿床反應器能否使用圖2流動狀態(tài)分區(qū)圖需視淤漿及分布器等具體情況而定。10精選ppt固體完全懸浮的臨界氣速對于鼓泡淤漿床反應器，固體完全懸浮時的臨界氣速是非常重要的操作參數(shù)。鼓泡淤漿反應器中操作氣速一定要超過固體完全懸浮時的臨界氣速，才能正常操作。

臨界氣速取決于顆粒的特性、固體的濃度、液體特性及床層特性，如床層直徑與分布器直徑之比，分布器的類型及開孔率，有無導流筒等因素有關。11精選ppt固體完全懸浮的臨界氣速圖4鼓泡淤漿床臨界氣速關系式

圖3是Kojima歸納的眾多研究者關于淤漿鼓泡床臨界氣速的關聯(lián)式是無氣泡兩相淤漿中固體完全懸浮時的臨界固體質(zhì)量濃度，slurry

是無氣泡時的液-固兩相淤漿密度，slurry。

12精選ppt固體完全懸浮的臨界氣速實驗表明：臨界氣速隨著顆粒在液體中的終端速度(即顆粒直徑)增大而增大隨著密度差（）增大和顆粒濃度增大而增大；隨著床層直徑增大而增大；隨著液體粘度增大而增大；隨著表面張力增大而減小。床層的錐形底比平底可降低值。Koide將實驗數(shù)據(jù)回歸，得到按空床截面積計算的固體完全懸浮的臨界氣速與固體顆粒在靜止流體中的終端速度之比如下：13精選ppt固體完全懸浮的臨界氣速圖5顆粒濃度對固體完全懸浮的臨界氣速

的影響由圖可見，以空氣為介質(zhì)時值的大致范圍。導流筒結(jié)構(gòu)尺寸對具有影響，如果固體顆粒的粒度范圍寬，則

值有所增加。14精選ppt氣含率三相鼓泡淤漿反應器的氣含率或氣相分率,反映占主導的氣泡尺寸與上升速度，任一反映氣泡尺寸與上升速度的體系均能影響氣含率。在安靜鼓泡區(qū)，徑向氣含率的分布趨于平坦。在湍流鼓泡區(qū)，氣含率在床層中心區(qū)出現(xiàn)最大值，沿徑向逐漸降低。一般，表觀氣速增大，氣含率增大。對于大顆粒固體，dP≥lOOμm時，隨淤漿中固含率增大而減小；對于小顆粒固體，增大時，的變化不明顯；液體的粘度和表面張力增加，減小。15精選ppt氣含率圖6氣液鼓泡淤漿床氣含率關聯(lián)式的比較Fan的專著整理了眾多氣—液兩相鼓泡床氣含率的關聯(lián)式

Hughmark對于空氣—水系統(tǒng)，氣液兩相鼓泡床氣含率的關聯(lián)式：16精選ppt氣含率Koide等:在鼓泡淤漿床中，過渡區(qū)域內(nèi)，分布器的設計對氣含率和發(fā)生過渡流型的起始條件有影響。Smith及Ruether：在內(nèi)徑0.108m，高1.94m，用單噴嘴分布器的鼓泡反應器中進行了不含固體的氣—液兩相鼓泡床及含固體的三相床氣含率的研究，實驗表明，用不含氣相的淤漿密度代替氣—液鼓泡床液體密度時，Hughmark的氣含率關聯(lián)式可用于三相淤漿床。以空氣為介質(zhì)，常溫常壓，對于水及甘油和乙二醇的水溶液，＝0.227；

對于無機電解質(zhì)的水溶液，＝0.364。為單位體積淤漿中的固體質(zhì)量，kg／m3。為氣—液鼓泡塔的氣含率。17精選ppt氣含率圖7固體顆粒濃度及塔徑對氣含率的影響

18精選ppt氣泡尺寸與分布氣泡尺寸及分布，可用攝像技術(shù)，或探頭技術(shù)測量，在兩相氣—液鼓泡床或三相鼓泡淤漿床體系中，氣泡在分布器的小孔或噴嘴處形成。當氣泡上升時，它們可能因合并而增大，或因液相中的湍流剪切力而分裂成更小的氣泡。在給定的條件下氣泡在小孔或噴嘴處形成的尺寸大致是均一的。氣泡的平均尺寸通常采用Sauter平均值(或稱體積—表面積平均值)，對于一組實測的氣泡直徑，其Sauter平均值可用下式表示：是尺寸為的氣泡的數(shù)目可以為任意的當量直徑

19精選ppt氣泡尺寸與分布圖8表達了對的影響與流型區(qū)域有關，在安靜鼓泡區(qū)氣泡平均尺寸小(<6mm)并隨氣速增加而略有增大；在湍流鼓泡區(qū)，氣泡平均尺寸大(>10mm)并隨氣速增加而迅速增加。圖8氣—液鼓泡床中對的影響20精選ppt氣泡尺寸與分布圖9中，采用=0.16mm玻璃球，=0.05～10cm/s，=0.1～0.7cm/s，氣體為空氣,液體為水及含5％、16％、20％及50％(容積)甘油的水溶液。在常壓及20℃時進行。圖9三相淤漿床的圖

21精選ppt氣泡尺寸與分布Fukuma等提出可按下式計算實驗范圍為=0.8～10cm/s，＝1～6.6mPa·s，=0～0.45。

氣-液相界面積α可由氣-液鼓泡床或三相床的平均氣含率及Sauter平均直徑求出，即氣-液相界面積可由前面所討論的物理方法測定氣泡尺寸分布而求得，也可用化學方法，即已知動力學的氣-液反應，如亞硫酸鹽氧化來確定。22精選ppt氣泡尺寸與分布

從圖10可以看出，α明顯地受到操作系統(tǒng)的影響，例如，當約為3cm/s時，F(xiàn)ukuma等所得α約為10，而Decker等在費-托合成的液體石蠟-A12O3淤漿中得到的α值約為1500。圖10不同鼓泡淤漿床中α與的關系圖

當壓力增加時，即相當于氣體密度增加，氣泡的尺寸變小且分布變窄，增加了氣-液相界面積，從而增加了單位床層容積的氣-液傳質(zhì)。23精選ppt漿態(tài)床反應器中的傳遞過程

在氣-液-固三相反應的宏觀反應過程含氣-液間傳質(zhì)及液-固間傳質(zhì)過程。氣相傳質(zhì)系數(shù)是和液相傳質(zhì)系數(shù)，淤漿中氣-液傳質(zhì)面積即三相床中氣泡面積α，都與三相體系的性質(zhì)、流體流動狀況、壓力和溫度等因素有關。在三相鼓泡淤漿床反應器中，大多數(shù)反應氣體組分在液相介質(zhì)或淤漿中的溶解度很小，氣相容積傳質(zhì)系數(shù)常?？梢院雎?，而液相容積傳質(zhì)系數(shù)是本章討論的主要內(nèi)容。對于液固傳質(zhì)過程，若不計入過程中固相顆粒的磨損，單位淤漿容積中固相的體積和外表面積是固定的，一般只討論液-固傳質(zhì)系數(shù)是。24精選ppt氣—液界面的氣相容積傳質(zhì)系數(shù)

對于高度易溶氣體如煙道氣中SO2溶于水，氣相傳質(zhì)的阻力不能忽略，有關氣-液鼓泡床及三相鼓泡淤漿床中氣相傳質(zhì)系數(shù)的研究很少。Sada等在鼓泡淤漿床中對電解質(zhì)淤漿測定的經(jīng)驗方程：是氣相容積傳質(zhì)系數(shù)，mol/[MPa·m3(不含氣相的淤漿體積)·S]是表觀氣速，m/s

25精選ppt氣—液界面的液相傳質(zhì)(1)氣—液界面的液相傳質(zhì)系數(shù)(2)氣—液界面的液相容積傳質(zhì)系數(shù)對于氣—液界面的液相傳質(zhì)，可分為：氣—液界面的液相傳質(zhì)系數(shù)Calderbank和Moo—Young提出的關聯(lián)式:的單位是cm2/s當氣泡平均直徑<2.5mm時，A=0.31當氣泡平均直徑>2.5mm時，A＝0.42DL為氣體在液體中的分子擴散系數(shù)

表征液體性質(zhì)的Schmidt準數(shù)

26精選ppt氣—液界面的液相傳質(zhì)系數(shù)

Deckwer等在研究費—托合成過程中的流體力學性質(zhì)和反應器模擬時，使用上式計算，并提出連續(xù)相應為液—固兩相淤漿，此時淤漿密度(g/cm3)為:

式中：分別為不含氣相的液—固兩相淤漿中固體及液體的容積分率，或不含氣相的固含率及氣含率。對于的低濃度懸浮固體淤漿的粘度對于高濃度的細顆粒的懸浮固體，可采用Thomas對于牛頓型流體的關聯(lián)式，即上式適用于0.099≤dp≤435，≤0.60的情況27精選ppt氣—液界面的液相容積傳質(zhì)系數(shù)Koide等在直徑DR為lO～20cm的淤漿床鼓泡反應器中，研究湍流鼓泡區(qū)氣含率，也研究了，實驗在常溫及常壓下進行，氣體介質(zhì)為空氣，用溶氧法測定。溶氧在液體介質(zhì)中的擴散系數(shù)DL×l09為0.14～2.4m2／s。研究所得湍流鼓泡區(qū)的關聯(lián)式如下：式中：為單顆粒在靜止液體介質(zhì)中的終端速度，m/s對于細顆粒催化劑，處于Rep<2的斯托克斯區(qū)28精選ppt氣—液界面的液相容積傳質(zhì)系數(shù)在常溫、常壓下進行，液體介質(zhì)為水，靜止床層高度H0為1.2m，用溶氧儀測試

值隨氣速增加而增大，隨固含率增加而降低，可整理成下列關聯(lián)式

為淤漿的動力粘度，m2/s為徑向動量傳遞系數(shù)，m2/s對于3孔的燒結(jié)分布板，C=0.231×10-4，n1=0.305，n2=－0.0746,n3=－0.0127；對于1mm孔的多孔分布板，C=0.197×10-4，n1=0.385，n2=－0.0712，n3=－0.0114。29精選ppt氣—液界面的液相容積傳質(zhì)系數(shù)為液固兩相淤漿中顆粒的平均密度，kg/m3CS0為分布板上顆粒的平均密度，kg/m3Bo—(Bodenstein)準數(shù)uts—液固兩相淤漿床中顆粒在顆粒群中的平均終端速度，m/s，又稱受阻終端速度，可按下式計算Esz—

顆粒軸向彌散系數(shù)，m2/sL0—

靜止床高度，m30精選ppt液固傳質(zhì)三相鼓泡淤漿床中液—固傳質(zhì)系數(shù)kS可以用圓球形固體顆粒如苯甲酸在溶液中的溶解度或樹脂在酸性或堿性溶液中的離子交換來測定，一般可寫成下列形式式中:(按顆粒直徑dp計算的Sherwood準數(shù))=ReP(按顆粒直徑dp并計入單位質(zhì)量流體的能量耗散速率的Reynolds準數(shù))，式中為液體的動力粘度，m2/s。對于三相鼓泡淤漿床反應器，

可用下式表達

的單位是cm/s；重力加速度g的單位是cm/s231精選ppt液固傳質(zhì)

Sanger及Deckwer研究了三相床的，實驗所用液體粘度為1～55mPa·s，固含率1.5％(質(zhì)量)。表觀氣速0.05cm/s<<10cm/s，獲得如下計算的關聯(lián)式:

當ReS≥1時，Sh=2+2.857

當ReS≤1時，Sh=2+33.76

實驗中10-2<ReS<106，137<Sc<5050032精選ppt液固傳質(zhì)Fan的專著:淤漿鼓泡反應器中固體顆粒完全懸浮狀態(tài)下計算ks值的關聯(lián)式的比較對于50≤dP≤1000的細顆粒，當為0.3～1.5g/cm3時，值大致為0.Olcm/s。圖11淤漿鼓泡反應器中固體顆粒完全懸浮狀態(tài)下計算ks值的關聯(lián)式的比較33精選ppt浸沒表面