滴流床的壓降和持液量_齊國(guó)禎

1、華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版Journal of East China U nivers ity of S cience and Tech nology (Natural Science EditionVol.32No.12006-01收稿日期:2004-12-22作者簡(jiǎn)介:齊國(guó)禎(1977-,男,上海人,研究方向?yàn)榉磻?yīng)器的流體力學(xué)。E -mail :rocks beer 文章編號(hào):1006-3080(200601-0020-04滴流床的壓降和持液量齊國(guó)禎1,謝在庫(kù)2,鐘思青2,張成芳1,陳慶齡2(1.華東理工大學(xué)化工學(xué)院,上海200237; 2.中國(guó)石化上海石油化工研究院,上海201208摘

2、要:以A -甲基苯乙烯加氫系統(tǒng)為對(duì)象,研究滴流床的流體力學(xué)特征,在冷態(tài)條件下測(cè)定了滴流床內(nèi)壓降和持液量,得到壓降、動(dòng)持液量與氣速和液速的關(guān)系式。結(jié)果表明壓降梯度受氣速影響較液速大,動(dòng)持液量受液速影響較氣速大。氣速增加,床層壓降增大,動(dòng)持液量減小;靜持液量只與體系的物性、填料物性、裝填方式等有關(guān),與反應(yīng)條件無(wú)關(guān)。另外,在零氣速條件下,用KOH 作為示蹤劑,采用脈沖注入法,研究了滴流床的停留時(shí)間分布,得到床層的Peclet 準(zhǔn)數(shù)與液速的關(guān)系,Peclet 準(zhǔn)數(shù)隨著液速的增加按指數(shù)級(jí)增加。關(guān)鍵詞:滴流床;A -甲基苯乙烯加氫;壓降;持液量;Peclet 準(zhǔn)數(shù)中圖分類號(hào):T Q 021.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:

3、APressure Drop and Liquid Holdup in Trickle BedQI Guo -z hen 1,X I E Zai -ku 2,ZH ON G S i -qing 2,ZH A N G Cheng -f ang 1,CH E N Qing -ling 2(1.School of Chemical E ngineering ,E ast China Univer sity o f Science and T echnology ,Shanghai 200237,China ;2.SI N OP EC S hanghai Research I nstitute of

4、P etr ochemical Technology ,S hanghai 201208,China Abstract :The hydrodynam ics characteristics o f trickle bed reactor w as studied using A -m ethylstyrene hydr ogenation system as mediums.The pressure drop and liquid holdup w ere observed and determined in co ol condition.Subsequently ,the equatio

5、ns of pressure drop and liquid holdup w ith the g as and liquid velocity w ere obtained.Gas velocity plays mo re important role than liquid velocity fo r pressure dro p,but the dynam ic liquid holdup is influenced by liquid velocity mor e r em ar kably .The pressur e drop increases and dynamic liqui

6、d ho ldup decreases w ith increasing gas velocity.Static liquid holdup is o nly related to the physical pro perties such as sy stem and packing,packing metho ds,and has nothing to do with the operat-ing conditions .In additio n ,the residence tim e distribution o f trickle bed w as studied using w a

7、ter as liquid phase ,KOH as tracer w ith a m ethod of im pulse input under no g as added conditio n .The relation of Peclet num ber and liquid velocity is o btained.Peclet number show s an ex po nential g row th w ith the liquid v elo city rising.Key words :trickle bed ;A-methylstyrene ;pr essure dr

8、op ;liquid holdup ;Peclet number 滴流床反應(yīng)器(Trickle bed reactor 是應(yīng)用最廣泛的三相反應(yīng)器之一,廣泛應(yīng)用在催化加氫脫硫、催化加氫裂化、催化加氫精制、A -甲基苯乙烯的加氫等多個(gè)方面。人們對(duì)滴流床反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)行為進(jìn)行過(guò)大量的研究,如流區(qū)分布、流型轉(zhuǎn)化、持液量及壓降等,國(guó)內(nèi)外對(duì)此均有過(guò)許多報(bào)道110。預(yù)測(cè)不同流動(dòng)狀態(tài)下的床層壓降和持液量是滴流床反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題之一,壓降的大小直接關(guān)系到泵的選型和反應(yīng)器的動(dòng)力消耗,持液量是表征滴流床中傳遞特性20的基本流動(dòng)參數(shù),它的大小直接影響催化劑的潤(rùn)濕效率,從而影響反應(yīng)器的性能。有關(guān)這兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算多

9、采用擴(kuò)展的Ergun方程式14,其中,典型的是槽道模型1及其修正版本2。Anter等5研究了滴流床反應(yīng)器的動(dòng)持液量測(cè)定問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)增加液體流率,動(dòng)持液量增加,氣體流率增加時(shí),結(jié)果相反;粘度的增加對(duì)動(dòng)持液量的影響不大;動(dòng)持液量隨填料空隙率的增大而變小。A-甲基苯乙烯加氫制異丙苯采用的反應(yīng)器主要為滴流床反應(yīng)器,一般采用的催化劑是Pd/C-Al2O3。以往研究者們研究滴流床的流體力學(xué)都是用空氣、水等作為研究體系,與真正的反應(yīng)體系都存在一定的誤差,而以A-甲基苯乙烯加氫制異丙苯系統(tǒng)為研究體系的,還尚屬空白。本文直接采用A-甲基苯乙烯工業(yè)原料和氫氣為研究體系,考察滴流床的流體力學(xué)特征。本文用玻璃管制滴流床

10、(Á20m m×400mm在常溫常壓下研究其流體力學(xué)特征,包括壓降、持液量等,體系采用工業(yè)原料(A-甲基苯乙烯+異丙苯和氫氣分別作為液相和氣相。另外,以水為液相,零氣速條件下,KOH作為示蹤劑,用脈沖注入法,研究了滴流床的停留時(shí)間分布。1實(shí)驗(yàn)部分圖1為滴流床流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置圖。滴流床內(nèi)裝填76gÁ2m m的球形C-Al2O3填料,床層孔隙率為0.4,工業(yè)原料(A-甲基苯乙烯+異丙苯和氫氣混合后,以并流方式從滴流床頂部進(jìn)入,氣液流速通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀出,壓降由U型水壓差計(jì)直接讀出。工業(yè)原料所需的物性數(shù)據(jù)如下:密度0.8619g/ mL,粘度0.791mPas,表面張力

11、28mN/m。動(dòng)持液量測(cè)量方法:將氣體和料液流量調(diào)整到規(guī)定值,待流動(dòng)穩(wěn)定后,同時(shí)關(guān)閉反應(yīng)器的進(jìn)、出口閥門,開(kāi)始用量筒收集從管內(nèi)流出的液體,收集時(shí)間為30m in,將量筒中收集到的料液體積除以床層體積即為顆粒表面動(dòng)持液量。靜持液量測(cè)量方法:實(shí)驗(yàn)前首先稱量干燥冷模管的質(zhì)量(填料+玻璃管,當(dāng)測(cè)量完動(dòng)持液量后,將裝置從設(shè)備架上卸下來(lái),稱重,求得兩質(zhì)量之差,除以填料裝填量即是靜持液量。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論2. 1壓降在固定液速條件下,改變氣速,待系統(tǒng)穩(wěn)定后,記錄壓差計(jì)上顯示的壓降值。然后再改變固定液體流速,重復(fù)操作,測(cè)得多組壓降值。將測(cè)得的壓降關(guān)聯(lián)為無(wú)因次,將氣液流速關(guān)聯(lián)為氣體雷諾數(shù)和液體雷諾數(shù)。圖1滴流床

12、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1T rickle bed ex perim enta l installatio n fo rhy dr odynamics inv est iga tio n1Feed pipe;2Feed pum p;3Hyd rogen;4Oper ationg floor; 5Buffer bottle;6Rotameter;7M ix er;8Distrib utor;9Press ure drop indicator;10T rickle bed;11Valve;12Liquid collector如圖2和圖3所示,壓降梯度$p/$Z受氣速影響較液速大得多。隨著氣速增加

13、,氣體在顆粒外表面的曳引力作用下,破壞了填料顆粒間的“液橋”或沖散了顆粒間的“液囊”,引起液體沿反應(yīng)器截面鋪展,增加了氣體通過(guò)時(shí)的阻力,從而使床層的壓降梯度明顯增大。而液速對(duì)壓降梯度的影響較弱,基本上呈線性緩慢增加,這是因?yàn)闅馑僖欢?液體進(jìn)料量增加,引起顆粒潤(rùn)濕面積增加,液膜變厚,減小了床層的孔隙率,增大了氣體通過(guò)時(shí)的阻力,從而使床層壓降梯度增加,但液膜厚度是很薄的,增加的幅度很小,因而對(duì)壓降的影響也小。圖2壓降梯度與R e L的關(guān)系F ig.2Relatio ns o f pr essur e dr op g radient and Re LR e G:4.412;27.67;"4

14、6.12;×69.17;+76.86利用最小二乘法對(duì)若干組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸,21第1期齊國(guó)禎,等:滴流床的壓降和持液量 圖3壓降梯度與Re G 的關(guān)系Fig.3Relations of pressure dro p g r adient a nd Re GRe L :54.5;43.6;32.7;21.8;14.5;"7.3;×3.6得到壓降梯度與氣速、液速的關(guān)系如下:$p /$ZQ l g= 4.38×105Re 0.78G Re 0.29L相關(guān)系數(shù)為0.89,有些偏低,這主要是因?yàn)闇y(cè)量過(guò)程中,壓降變化幅度大,系統(tǒng)難以穩(wěn)定,致使在讀數(shù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的偏差

15、。2.2持液量2.2.1動(dòng)持液量從圖4可看出氣速對(duì)動(dòng)持液量h d 影響。隨著氣速的增加,動(dòng)持液量減小,在高液速時(shí),下降幅度大,而在低液速時(shí),變化緩和。這是由于氣速的增加,使氣體在催化劑顆粒表面產(chǎn)生的曳引力增加,曳引力使液體離開(kāi)固體表面,隨氣流迅速通過(guò)床層,引起床層內(nèi)動(dòng)持液量減小,高液速時(shí),由于液相占的比例較低液速時(shí)大,這種曳引力作用就較 為明顯。圖4動(dòng)持液量與Re G 的關(guān)系Fig.4Relations of dynamic liquid ho ldup and Re GRe L :54.5;43.6;32.7;×21.8;14.5;"7.3;+3.6;*0.08從圖5可看

16、出液速對(duì)動(dòng)持液量的影響。隨著液速的增加,使得床層中液體的滯留量增加,即動(dòng)持液 量增加。液速對(duì)動(dòng)持液量的影響較氣速大。圖5動(dòng)持液量與R e L 的關(guān)系F ig .5Relatio ns o f dy namic liquid holdup and R e LR e G :1.153;4.612;×9.223;36.89;ý93.23;138.35;*230.58利用最小二乘法對(duì)若干組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸,得到動(dòng)持液量與氣速、液速的關(guān)系如下:h d =0.0253R e -0.07544GR e 0.57716L相關(guān)系數(shù)為0.96,線性化關(guān)系良好。2.2.2靜持液量按照上面所說(shuō)的測(cè)

17、定方法,在不同的氣液流速下測(cè)得多次靜持液量h c 值,見(jiàn)表1。從表1可以看出,不同氣液速度下h c 值都相差不多,說(shuō)明靜持液量與反應(yīng)條件是無(wú)關(guān)的,只和所用體系的物性、填料物性、裝填方式等有關(guān),即在一種實(shí)驗(yàn)條件下,靜持液量通常是一個(gè)值,這與文獻(xiàn)報(bào)道是一致的。靜持液量也可從某些經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)圖上直接估算出,如Sw aaij 等11所作的靜持液量與EO ¨準(zhǔn)數(shù)的關(guān)聯(lián)圖。按照本文所用體系計(jì)算出EO ¨準(zhǔn)數(shù)為11.83,本文所用填料屬于孔較為密實(shí)的填料,查圖得到靜持液量值介于有孔填料和無(wú)孔填料之間,與實(shí)驗(yàn)值比較,結(jié)果相近。表1靜持液量測(cè)定值Table 1Static liquid ho l

18、dup measurementsR e G R e L h cR e GR e L h c 1.1554.50.103069.17 3.60.10364.6143.60.105492.2332.70.10329.2232.70.1038152.1832.70.103218.4421.80.1030230.5832.70.103836.8914.50.103836.8932.70.102455.337.30.103092.2332.70.10302.3滴流床內(nèi)的停留時(shí)間分布實(shí)驗(yàn)在冷模管中研究了滴流床反應(yīng)器的停留時(shí)間分布,液相是水,在零氣速條件下,用KOH 作為示蹤劑,DDS -11A 電導(dǎo)率儀測(cè)

19、定溶液電導(dǎo)率,采用脈沖注入法,在不同的液速條件下,測(cè)得了平均停留時(shí)間,根據(jù)得到的響應(yīng)曲線計(jì)算出Peclet 準(zhǔn)數(shù),并關(guān)聯(lián)了Re L 數(shù)。22華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第32卷從圖6可看出,隨著液速的增加,Pe 準(zhǔn)數(shù)在低液速時(shí)增加較緩,到高液速時(shí)增加很快,基本上是按指數(shù)關(guān)系增加,這說(shuō)明當(dāng)液速高到一定程度時(shí),反應(yīng)器內(nèi)返混的影響變的很小,工業(yè)用滴流床反應(yīng)器內(nèi)液速一般比實(shí)驗(yàn)室的要大一個(gè)數(shù)量級(jí),那時(shí)就可以按活塞流來(lái)處理?？蓪n Pe 與Ln R e L 擬合成直線關(guān)系,擬合結(jié)果為:P e =46.017Re 2.156L相關(guān)系數(shù)為0.988, 線性化關(guān)系良好。圖6P e 與Re L 的關(guān)系F ig.

20、6R elat ions of P e a nd Re L圖7平均停留時(shí)間與液速的關(guān)系F ig.7Relatio ns o f mean residence time and liquid velocity從圖7可看出,隨著液速的增加,平均停留時(shí)間起初下降很快,到一定液速時(shí),趨于平緩。一是因?yàn)榫€速度小時(shí),通過(guò)床層所需時(shí)間長(zhǎng),還因?yàn)樵诘鸵核贂r(shí),床層沒(méi)有達(dá)到完全潤(rùn)濕,部分液體需通過(guò)擴(kuò)散和毛細(xì)管力的作用潤(rùn)濕顆粒的外表面和內(nèi)表面,使得向下流動(dòng)的量減少,停留時(shí)間長(zhǎng)。但隨著液速的增加,床層潤(rùn)濕率增加直到完全潤(rùn)濕,床層的持液量,特別是靜持液量,趨于一定,床層通道順暢,通過(guò)床層的時(shí)間短且變化小。將ln t 與

21、ln u L 擬合成直線關(guān)系,擬合結(jié)果為:t =16.40u -1.03L相關(guān)系數(shù)為0.9985,線性化關(guān)系良好。3結(jié)論(1以A -甲基苯乙烯(w =0.2548+異丙苯為液相、H 2(純度為99.99%為氣相,Á2mm 球形C -Al 2O 3為填料,在滴流床中研究了壓降梯度和動(dòng)持液量隨氣速、液速的變化情況,將氣速、液速關(guān)聯(lián)為雷諾數(shù),得到壓降梯度與氣速、液速的關(guān)系如下:$p /$Z Ql g = 4.38×105Re 0.78G Re 0.29L相關(guān)系數(shù)為0.89。得到動(dòng)持液量與氣速、液速的關(guān)系如下:h d =0.0253R e -0.07544GR e 0.57716L

22、相關(guān)系數(shù)為0.96。(2以水為液相,零氣速條件下,用KOH 作為示蹤劑,采用脈沖注入法,研究了滴流床的停留時(shí)間分布,得到床層的Peclet 準(zhǔn)數(shù)與液速的關(guān)系如下:Pe =46.017Re 2.156L相關(guān)系數(shù)為0.988。得到平均停留時(shí)間與液速的關(guān)系如下:t =16.40u -1.03L相關(guān)系數(shù)為0.9985。(3在冷態(tài)條件下,對(duì)A -甲基苯乙烯加氫制異丙苯體系中滴流床反應(yīng)器的流體力學(xué)進(jìn)行了研究,體系采用的是A -甲基苯乙烯工業(yè)原料和氫氣,得到了床層壓降、持液量與氣、液流速的關(guān)系式,為后面的滴流床反應(yīng)器設(shè)計(jì)提供了必要的數(shù)據(jù)。符號(hào)說(shuō)明:u L 液速,cm /s t 平均停留時(shí)間,s Da 軸向擴(kuò)

23、散系數(shù),cm 2/s E O ¨E O ¨準(zhǔn)數(shù),E O ¨=Q 1g d 2p R l$p /$Z 壓降梯度,Pa/m h d 動(dòng)持液量h c 靜持液量Q 1液相密度,g /mL g 重力加速度,m/s 2d P 顆粒直徑,m G a Galileo 準(zhǔn)數(shù),Ga =d 3P g Q 2L L 2LR e L 液體雷諾數(shù),R e L =d P L Q L L L R e G 氣體雷諾數(shù),Re G =d P L g Q g L gP e Peclet 準(zhǔn)數(shù),P e =L L d P DaR l 液體表面張力,mN/m(下轉(zhuǎn)第46頁(yè)23第1期齊國(guó)禎,等:滴流床的壓降和持

24、液量其對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的抑制活性,發(fā)現(xiàn)3A蛋白對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的IC50為1.99L g/mL 。(a3A protein group(bC ontrol g rou p圖6顯微鏡下的細(xì)胞形態(tài)F ig.6M icr oscopic pho to gr aph o f the cell據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道6,血管抑素的IC50為10L g/mL,內(nèi)皮抑素IC50為8.6L g/m L,而3A蛋白抑制內(nèi)皮細(xì)胞增殖的能力是血管抑素的5倍,內(nèi)皮細(xì)胞的4倍,因此具有明顯的優(yōu)勢(shì)。3結(jié)論對(duì)基因工程大腸桿菌經(jīng)高密度培養(yǎng)后得3A包涵體,經(jīng)過(guò)超聲洗滌、離心、尿素溶解,離心所得上清液中蛋白濃度為330mg/mL,電泳掃描可得其中3A 的

25、含量為42%,經(jīng)過(guò)柱復(fù)性,可得到純度為81.27%,收率為78.95%的3A蛋白,經(jīng)過(guò)離子交換后可得到純度為92.52%,收率為67.72%的3A蛋白,總收率為53.47%,其IC50為1.99L g/m L。盡管血管抑素有很強(qiáng)的抗腫瘤作用,但要達(dá)到治療效果,需大劑量長(zhǎng)期持續(xù)使用,才能抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞增生,從而使腫瘤處于“休眠狀態(tài)”。但是,由于生產(chǎn)成本較高,目前還不能夠大規(guī)模生產(chǎn)。因此,有關(guān)產(chǎn)業(yè)化研究具有重要價(jià)值。參考文獻(xiàn):1O'Reilly M S,Boehm T,S hing Y,e t al.Endostatin:A n en-dogenous inhib itor of ang

26、iognesis and tumor grow thJ.Cell, 1997,88(2:277.2竇德獻(xiàn).抗內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)工程蛋白P.CN:1336382,2002.3司徒鎮(zhèn)強(qiáng),吳軍正.細(xì)胞培養(yǎng)M.西安:世界圖書(shū)出版公司,1996.4T su moto K,Ejim a D,Ku magai I,et al.Practical cons idera-tions in refolding from inclusion bodiesJ.Protein Ex pres s and Purification,2003,28:1-8.5Arakaw a T,T su moto K.Th e effects

27、 of ar ginine on refoldingof agg regated proteins:Not facilitate r efolding,but sup pres s aggregationJ.Biochem ical and Bioph ysical Resear ch Com-mu nication s,2003,304:148-152.6S ukhatme V P,Ramakris hnan S.S ynergy betw een angios tatinand endostatin:Inh ibition of qvarian cancer grow thJ.Can-ce

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