關于鼓泡塔反應器的研究報告

1、關于鼓泡塔反應器的研究報告1、 鼓泡塔反應器的概念鼓泡塔(Bubble Column Reactor)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器。以其結(jié)構簡單、無機械傳動部件、易密封、傳熱效率高、操作穩(wěn)定、操作費用低等優(yōu)點,被廣泛應用于加氫、脫硫、烴類氧化、烴類鹵化、費-托合成、廢氣和廢水處理、煤的液化及菌種培養(yǎng)等工業(yè)過程。特點：氣相高度分散于液相中，具有大的液體持有量和相際接觸面，傳質(zhì)和傳熱效率高，適用于緩慢化學反應和高度放熱的情況；結(jié)構簡單，操作穩(wěn)定，投資和維修費用低缺點：液相有較大的返混，氣相有較大的壓降。2、 鼓泡塔反應器的起源與演變20世紀70年代以后，

2、有關鼓泡塔的研究日益活躍，除標準型鼓泡塔外，又開發(fā)了各種各樣的改型鼓泡塔（射流噴射型、氣液下流型、雙管式、多段式、填充式等）和懸濁鼓泡塔等。圖1是各種鼓泡塔的示意圖，從圖中可見，在鼓泡塔中，氣液兩相基本呈并流和逆流兩種。3、 鼓泡塔反應器的結(jié)構3.1簡單鼓泡塔的基本結(jié)構圖2簡單鼓泡塔1-塔體；2-夾套；3-氣體分布器；4-塔體；5-擋板；6-塔外換熱器；7-液體捕集器；8-擴大段主要由塔體和氣體分布器組成。塔體可安裝夾套或其它型式換熱器或設有擴大段、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。簡單鼓泡塔內(nèi)液相可近似視為理想混合流型，氣相可近似視

3、為理想置換流型。最佳空塔氣速應滿足兩個條件：（1）保證反應過程的最佳選擇性；(2）保證反應器體積最小。影響傳質(zhì)的因素：當氣體空塔氣速低于0.05m/s時，氣體分布器的結(jié)構就決定了氣體的分散狀況、氣泡的大小，進而決定了氣含率和液相傳質(zhì)系數(shù)的大小。當氣體空塔氣速大于0.1m/s時，氣體分布器的結(jié)構無關緊要。此時的氣泡是靠氣流與液體間的沖擊和摩擦而形成，氣泡大小及其分布狀況主要取決于氣體空塔氣速。 3.2氣體升液式鼓泡塔圖3 氣體升液式鼓泡塔1-筒體；2-氣升管；3-氣體分布器塔內(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。適用于高粘性物系。例如：生化

4、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。3.3空心式圖4 空心式鼓泡塔最適用于緩慢化學反應系統(tǒng)或伴有大量熱效應的的反應系統(tǒng)。熱效應較大時，可在塔內(nèi)或塔外裝備熱交換單元。3.4多段式鼓泡塔反應器圖5 多段式鼓泡塔反應器克服鼓泡反應器中的液相返混現(xiàn)象，適用于高徑比較大的情況。4、 鼓泡塔反應器的流體力學與混合特性5 鼓泡塔反應器的流體力學特性鼓泡塔內(nèi)氣液尺寸的大小、

5、氣泡的上升速度、床層的含氣率、相界面積等參數(shù)，反應流體在塔內(nèi)的流動狀態(tài)，對于分析、操作和計算鼓泡塔反應器具有重要意義。 5.1氣泡直徑鼓泡塔內(nèi)的氣泡有兩種形成機制，當氣速比較低時，靠分布器的小孔分散成氣泡；當氣速較高時，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。在安靜區(qū)，因為氣泡上升速度慢，所以小孔氣速對其大小影響不大，主要與分布器孔徑及氣液特性有關。在湍動區(qū)，氣泡是靠氣流與液體之間的噴射、沖擊和摩擦而形成。因此在這種鼓泡塔內(nèi)，氣泡的形狀、大小和運動是各式各樣的，是瞬息萬變的，是隨機的，形成大小不一

6、的氣泡群。鼓泡反應器的氣泡直徑可按Akita準數(shù)關聯(lián)式計算：可用下式描述氣泡直徑沿徑向的變化：dB塔內(nèi)直徑d處的氣泡平均直徑5.2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)與化學反應來講，氣含率非常重要，因為氣含率與停留時間及氣液相界面積的大小有關。影響氣含率的因素

7、主要有設備結(jié)構、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D0.15m時，D對G無影響。當OG0.05m/s時，G與塔徑D無關。（因此實驗室試驗設備的直徑一般應大于0.15m，只有當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，以及氣液兩相在床層中的停留時間，從而影響

8、傳質(zhì)過程和化學反應結(jié)果。 對于塔徑大于15cm的鼓泡反應器，氣含率關聯(lián)式為：上述的氣含率是反應器內(nèi)的平均值，氣含率沿塔徑的分布，可采用下式： 對于塔徑小于15cm的鼓泡反應器，參考關聯(lián)圖7：圖7 氣含率關聯(lián)圖5.3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)關系式NA=kLcA直接測定kL之值進行使用。5.4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。5.5返混鼓泡塔內(nèi)液相存在返混，所以通常工業(yè)鼓泡塔反應器內(nèi)液相視為理想混合。塔內(nèi)氣體的返混一

9、般不太明顯，常假設為置換流，其計算誤差約為5%。但要求嚴格計算時，尤其是當氣體的轉(zhuǎn)化率較高時，需考慮返混。6 鼓泡塔反應器的傳質(zhì)、傳熱特性6.1鼓泡塔的傳質(zhì)鼓泡塔反應器內(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)可按如下關聯(lián)：液膜傳質(zhì)分系數(shù)可按下式關聯(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

10、數(shù)可按下式關聯(lián)：6.2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)外冷卻器移出反應熱；采用夾套、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)可按下關系計算：當時，；當時，。7 鼓泡塔反應器的簡化反應模型氣相與液相均為全混流，符合攪拌鼓泡反應器的情況，如果是連續(xù)操作，則濃度變化為：如果是半間歇操作，則：考慮氣相軸向彌散的計算方法：液相為全返混而氣相可用軸向

11、彌散模型，對不可逆反應，液相主體cAL=0，即Levenspiel將上式的解析解與活塞流進行比較，得出了軸向彌散對反應容積的定量影響，繪出了下圖8：圖8 鼓泡塔氣相混合對反應器高度的影響8 攪拌鼓泡反應器適用于氣體與黏性液體或懸浮溶液的反應系統(tǒng)，氣體的分散主要靠機械攪拌，反應器操作可靠，放大容易，可以方便地半間歇式操作。但功率消耗較大，嚴重的氣液相返混，轉(zhuǎn)動軸密封和穩(wěn)定性等問題。廣泛應用于發(fā)酵、生物化學、制藥以及有機化合物的氧化、加氫、氯化等生產(chǎn)過程。另外，濕法冶金和廢水處理也常用這種反應器。按氣體導入方式分三種（圖9）：圖9 攪拌反應器類別示意圖強制分散：氣體由攪拌器下的各種靜態(tài)予分布裝置（

12、如分氣環(huán)，多孔燒結(jié)板）導入。自吸分散：借攪拌槳旋轉(zhuǎn)形成的低的背壓，使氣體經(jīng)中空軸由液面上方吸入。表面充氣分散：借快速表面攪拌形成的旋渦，夾帶氣體而使液體表面充氣；并由處于下方的軸流型攪拌器使氣液混合均勻。攪拌器形式：盤式渦輪；斜式平板槳；螺旋槳。攪拌器作用：液體混合，氣體分散。圖10 三種攪拌器液體循環(huán)示意圖9 鼓泡反應器的熱穩(wěn)定性連續(xù)操作的鼓泡或攪拌鼓泡反應器中，由于反應器存在著嚴重的軸向返混，可出現(xiàn)多重定態(tài)。氣液反應是多相反應，它與單相反應相比，熱穩(wěn)定性更為復雜，它是化學反應速率、傳遞速率和溶解度的共同作用結(jié)果。其多態(tài)的數(shù)目也較單相反應為多。10 鼓泡塔反應器的經(jīng)驗計算法由于氣液反應過程是

13、伴有化學反應的傳遞過程，比較復雜，雖然氣液反應理論有了很大發(fā)展，對于工業(yè)生產(chǎn)設備的選型和過程強化指導能起指導作用，但尙不能定量地設計氣液反應器設備，鼓泡塔反應器體積的確定仍然使用經(jīng)驗法。10.1反應器體積的計算鼓泡塔反應器除內(nèi)件（填料、隔板、換熱器等）的體積外，其體積主要由四部分構成：靜液層體積VL、氣液層所含氣體體積VG、氣液分離空間體積VE及頂蓋死角體積VC。即V= VL+VG+VE +VC（1）充氣液層的體積VR （2）分離空間體積VE （3）頂蓋死角體積VC 10.2反應器直徑和高度的確定空塔氣速 可得 由實驗或工廠數(shù)據(jù)確定，由生產(chǎn)任務確定。一般=0.00280.0085m/s，當取得

14、較小時，塔徑必然較大，應考慮氣體沿徑向均勻分布；當較大時，則較小，液面會比較高，氣體入口處靜壓力增大，氣體輸送費用增加，并可能出現(xiàn)液柱騰涌的不正?，F(xiàn)象，塔高和塔徑之比一般取值在312之間。5、 鼓泡塔反應器適用的反應體系6、 鼓泡塔反應器的工業(yè)應用實例鼓泡塔是一種常用的氣液接觸反應設備，各種有機化合物的氧化反應，如乙烯氧化生成乙醛、乙醛氧化生成醋酸或醋酸酐、環(huán)己醇氧化生成己二酸、環(huán)己烷氧化生成環(huán)己醇和環(huán)己酮、及石蠟和芳烴的氧化反應、C18C20烴氧化生成皂用脂肪酸、對二甲苯氧化生成苯二甲酸、在硫酸水溶液中異丁酸水解生成異丁烯、氨水碳化生成碳酸氫銨等反應都采用鼓泡塔。鼓泡塔反應器已經(jīng)在氧化制的過

15、程中得到了廣泛應用,如三井工藝和工藝都采用鼓泡塔作為氧化反應器。鼓泡塔反應器的冷模研究是技術開發(fā)中的一個重要環(huán)節(jié),鼓泡反應器模研究的關鍵是了解反應器內(nèi)的流體力學性質(zhì)和傳遞過程特性,如氣含率分布、循環(huán)液速分布等。氧化鼓泡塔反應器是涉及高氣速、大塔徑、高固含率體系的鼓泡塔反應器。目前,在這3方面同時進行研究的文獻報道還比較少,工程上對鼓泡塔反應器內(nèi)流動規(guī)律還不是很了解,在設計上也迫切需要這方面的研究成果。對于一般的鼓泡塔反應器,文獻1-4給出相關的檢測的方法,多采用光學方法,如激光多普勒和放射性粒子影像等。光學方法的不足是其受流場透明度的影響較大,一般只適合氣含率和含量較低的條件。也有一些人采用熱

16、線與熱膜風速儀進行流場檢測5,但熱線與熱膜風速儀對固體的應性較差,固含量高時容易損壞。電導探針法和管法是2類典型的多相體系流場測試方法,雖測量精度不高,但適應性較強,比較適合于氧化這樣復雜的反應體系。本課題組就采用這2種方法在200,500和8003種塔徑下對鼓泡塔內(nèi)的氣液兩相及氣液固三相流場進行檢測,獲得高氣速、高固含率條件下鼓泡塔反應器流場分布的定規(guī)律。2.2鼓泡塔內(nèi)的液速分布從測量結(jié)果可知:塔內(nèi)液體呈環(huán)流分布,存在速度為0的徑向位置,以此為分水嶺,分成上升流區(qū)和下降流區(qū)。2.2.1表觀氣速的影響在實驗室鼓泡塔操作中,氣相作為連續(xù)相推動了塔內(nèi)液相的流動,表觀氣速是影響塔內(nèi)液速的最主要因素。

17、圖8給出了在不同氣速(=0.31/,0.62/,0.94/)下,小塔1.05位置上的液速分布,液速隨著氣速的增大而明顯增大,分布也更為陡峭,塔內(nèi)整體的循環(huán)液速增大,進而使氣液湍動和混合加劇。圖8200塔中不同氣速下的液速分布.82002.2.2軸向位置的影響當表觀氣速為0.62/時,小塔內(nèi)不同軸向位置的液速分布如圖9所示。圖9200塔中不同軸向位置的液速分布.9200由圖9可見,在距離分布板較近的軸向位置上,液速曲線呈鞍型分布,塔中心區(qū)域內(nèi)向上流的速度比較均勻;在其他位置上,軸向速度的曲線呈類似拋物線形分布,離分布板越遠,則曲線越陡峭。8等認為塔內(nèi)的氣含率分布直接影響了循環(huán)液速,進18聚酯工業(yè)

18、第21卷2.1鼓泡塔內(nèi)的氣含率分布鼓泡塔內(nèi)的氣含率呈拋物線形分布,中心的氣含率最高,越靠近壁面氣含率越小,到達壁面時氣含率為零。2.1.1表觀氣速的影響表觀氣速是影響塔內(nèi)氣含率的各個因素中最為關鍵的一個因素。本實驗研究的氣速范圍涵蓋了工業(yè)上鼓泡塔氧化反應器的氣速范圍。圖5給出了小塔中不同氣速下(=0.31/,0.62/,0.94/)在距離分布器上方1.05位置的氣含率分布。由圖5可見,隨著表觀氣速的增大,塔內(nèi)的氣含率明顯增大,分布也隨著氣速的增加而變陡,在氣速達到0.94/時,塔中心的氣含率幾乎達到了近壁面的2倍。圖5200塔中不同表觀氣速下的氣含率分布.5200而影響液速的分布,但在設有不同類型分布器的塔內(nèi),當達到一定的軸向測量高度時,氣含率分布趨于穩(wěn)定,即在分布板影響區(qū)外,軸向位置對液速分布的影響可以忽略。2.2.3塔徑的影響相同表觀氣速=0.31/,3個不同塔徑(=200,500,800)鼓泡塔的充分發(fā)展段位置測得的液速分布進行比較,如圖10所示。結(jié)果顯示,塔徑越大,塔內(nèi)的中心液速越高,分布也更為陡峭。圖10不同塔徑的液速分布.103結(jié)論在0.310.93/的高氣速下(涵蓋了氧化鼓泡塔反應器的操作氣速),鼓泡塔氧化反應器內(nèi)的氣含率和液速具有如下分布規(guī)律:(1)塔內(nèi)氣含率呈拋物線型分布,液速呈環(huán)流分布;(2)隨著表觀氣速的增加,氣含率和液速大小都