第八章塔式反應(yīng)器

第八章 塔式反應(yīng)器概述塔式反應(yīng)器特點及應(yīng)用附屬裝置Evaluation

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Aspo8s.e2.填Sl料i塔des

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20084.-22.10物11理A吸s收pose

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Ltd.8.2.2化學(xué)吸收鼓泡塔鼓泡塔操作狀態(tài)鼓泡塔流體力學(xué)128.1.1塔式反應(yīng)器特點*及應(yīng)用1.填料塔優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，耐腐蝕，軸向返混可忽略，能獲得較大的液相轉(zhuǎn)化率，氣相流動壓降小，降低了操作費用.(塔內(nèi)流動模型接近活塞流)缺點：液體在填料床Ev層a中l(wèi)u停a留ti時o間n短on，l不y.能滿足慢反應(yīng)的ed

wit要h求A，s且po存s在e.壁S流li和d液es體f分o布r

不.N均E等T

問3.題5

C，l其i生e生n產(chǎn)t能Pr力ofile低于板式塔.應(yīng)用：C適op用y于ri快g速ht和2瞬0間04反-應(yīng)20過1程1

，As特p別os適e宜P于ty低L壓t和d.介質(zhì)具腐蝕性的操作。填料塔要求填料比表面大、空隙率高、耐蝕性強及強度和潤濕等性能優(yōu)良。常用的填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、矩鞍等，材質(zhì)有陶瓷、不銹鋼、石墨和塑料。38.1.1塔式反應(yīng)器特點及應(yīng)用2.板式塔優(yōu)點：逐板操作；軸向返混降到最低，并可采用最小的液流速率進行操作，從而獲得極高的液相轉(zhuǎn)化率E；va氣l液ua劇ti烈on接o觸nl，y氣.液相界面以移出和移入熱量。缺點：反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣相流動壓降大，且塔板需用耐腐蝕性材料制作應(yīng)用：適用于快速和中速的傳質(zhì)過程控制的化學(xué)反應(yīng)過程，大多用于加壓操作過程。ed

with傳A質(zhì)sp和os傳e熱.S系li數(shù)de大s

f；o板r.間N可ET設(shè)3置.5傳C熱li構(gòu)en件t，ProfileCopyright

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Ltd.8.1.1塔式反應(yīng)器特點及應(yīng)用3.噴霧塔噴霧塔是氣膜控制的反應(yīng)系統(tǒng)，適于瞬間反應(yīng)過程。塔內(nèi)中空，特別適用于有污泥、沉淀和生成固體產(chǎn)物的Ev體al系ua。ti但o儲n

o液n量ly低.，液相傳質(zhì)在，氣液兩相返混嚴(yán)重。４.鼓泡塔ed

with系A(chǔ)數(shù)sp小os，e.且S霧li滴de在s

氣fo流r

中.N的ET浮3動.5和C氣li流en溝t流Pr存ofile儲液量大，適于速度慢和熱效應(yīng)大的反應(yīng)。液相軸向返混嚴(yán)重，連續(xù)操作型反應(yīng)速率明顯下降。在單一反應(yīng)器中，很難達到高的液相轉(zhuǎn)化率，因此常用多級彭泡塔串聯(lián)或采用間歇操作方式Copyright

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Ltd.48.1.2附屬裝置１.液體噴淋裝置噴淋裝置有單管噴灑、蓮蓬式噴灑、多孔管噴灑、盤式噴灑等多種型式塔層并列多管型

樹枝型5單管噴灑和蓮蓬式噴Ev灑aluation

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wit適h用A于sp直o徑se小.于Sl0i.6dme的s

for.簡N單E直T管3型.5

Cl環(huán)i管e型nt

Profile對于大Co型p塔yr，i宜gh采t用2多004-2011

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Ltd.孔管噴淋和肋式噴灑盤式噴酒裝置的篩孔上保持50~

2

0

m高的液圖8-1多孔管分布器示意圖68.1.2附屬裝置2.液體再分布裝置為了改善塔的操作，減輕液體下流時逐漸增大的壁流現(xiàn)象，每隔一定距離設(shè)置一個液體再分布裝置，可為倒錐形Ev、al波u浪at形io和n帶on升l氣y.管的篩孔再分布器，既起支承用，又起再分布作用ed

wi?th3.A氣sp體os入e口.S的li布de氣s結(jié)fo構(gòu)r

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Profile當(dāng)塔Co徑py小r于ig0h.t5m2時00，4將-2進01氣1管As做po成s向e

P下t4y5L0的td切.口，以免氣體直接沖刷填料層。對大塔，氣體人塔向下方做成喇叭形擴口或多孔管氣體分布器。4.除沫器可采用折流板，絲網(wǎng)除霧器78.1.2附屬裝置氣體的夾帶。5.消泡和防旋板在低液位處，由于液體流向排液口會引起旋渦，使部分氣體被液體夾帶而出，此情形在高壓操作和使用易起泡液體時更嚴(yán)重，因此在液位處設(shè)置十字形豎向擋板Ev，al以u分at割io液n位on部ly分.空間，防止液ed

with體A旋sp渦os流e動.S，li有de利s于fo泡r沫.N浮E升T

3破.碎5

和Cl減ie小nt液P體ro對file6.支Co承py板right

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Ltd.置于器底，強度應(yīng)能支承填料的質(zhì)量，其自由截面不小于填料的孔隙率，可用柵形、波浪形、升氣管式。柵條間距為填料外徑的0.6~0.8，要防止局部阻力過大和液泛88.2填料塔填料塔廣泛應(yīng)用于物理吸收和化學(xué)吸收過程中。由于填料層高H比填料直徑大得多，因此，填料的E作va用lu除at增io加n

相on界ly面.積外，還ed

wit能h

A減sp少os軸e.向Sl混id合es。f填or料.N塔ET氣3相.5和Cl液ie相nt的P皮rofile克利Co特py數(shù)riPgeGh、t

P2e0L0往4-往20大11于A1s0p0o,s可e

P以ty假L設(shè)td填.料塔中氣相、液相均為理想置換流型?；瘜W(xué)吸收采用的填料塔在結(jié)構(gòu)上和一般吸收塔相同，塔徑D的計算也基本相同8.2.1物理吸收

由于穩(wěn)定操作，時間基準(zhǔn)可以任意取△τ

為了計算填料高度，必須把傳質(zhì)速度方程式和物料平衡方程式聯(lián)立求解。計算的空間基準(zhǔn)為Ev單aluation

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wi位th塔A截sp面os，e高.S為liddHes

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Profile的微元Co體py積r（igdhVtR＝2004-2011

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Ltd.dH），其中相界面積為adH；98-2填料塔微元體積物料平衡圖同理Evaluation

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Ltd.1011XAL＝CAL/CU；式中ＣＵ-液相中惰性組分濃度，kmol·m-3；pＵ-惰性氣體分壓，Pa；

ＹA-氣相中A物質(zhì)的量／氣相中惰性氣體物質(zhì)的量，YA＝PA/PU；XAL-液相中Ａ物E質(zhì)v的al量u／at液i相on中o惰n性ly組.分物質(zhì)的量，ed

w?ith

AＧs-p單o位se塔.截Sl面i上de氣s相f中or惰.性N組ET分3流.量5,Cklmoile·nmt-2·Prso-1f；ileＬC—op單y位ri塔g截ht面2上0液04相-中20惰1性1組A分sp流o量se,kPmtoyl·Lmt-d2·.s-1；G’-單位塔載面上氣相總流量，kmol·m-2·s-1；Ｌ’-單位塔截面上液相總流量，kmol·m-2·s-1；ｐｔ-總壓，pt＝PA＋PU，Pa；CT-液相總濃度，CT＝CAL＋CU，kmol·m-3。對于稀溶液,L"≈L,G"≈G,pt-PA≈Pt,CT-CAL≈CT。填料層高H為Evaluation

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Ltd.128.2.2化學(xué)吸收*反應(yīng)式為A（氣）+B（液）→產(chǎn)品。采用逆流穩(wěn)定操作。物料平就是對于極快反應(yīng)和快反應(yīng)時。衡的空間基準(zhǔn)和時間基Ev準(zhǔn)a與luation

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w物it理h吸A收sp相o同se.Slides

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Profile當(dāng)反應(yīng)局Co限p于yr液i膜gh內(nèi)t時2，00也4-2011

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Ltd.圖8-3逆流填料塔物料平衡圖13式中

-宏觀反應(yīng)速度。塔內(nèi)任一截面處的成分可由上式積分求得Evaluation

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Ltd.填料高為14?

當(dāng)處理稀溶液時，pt≈PU，CT≈CU，可得到微分物料平衡方程對塔內(nèi)任一截面的組分可按上式積分求得Evaluation

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Profile在處理C稀op溶y液ri時g，ht填2料0塔04填-料20高1H1為Aspose

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Ltd.1516例8-1例8-2Evaluation

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Ltd.178.3鼓泡塔

鼓泡塔是一種常用的氣液接觸反應(yīng)設(shè)備，各種有機化合物的氧化反應(yīng)都采用鼓泡塔。在鼓泡塔中，一般不要求對液相作劇烈攪拌，蒸汽以氣泡狀吹過液體而造成的混合已足夠。鼓泡塔的優(yōu)點是E氣v相al高ua度ti分o散n

o在n液ly相.中，因此有ed

wit大h的A持sp液os量e.和S相l(xiāng)i際de接s觸fo表r面.N，ET使3傳.5質(zhì)C和li傳e熱nt的P效rofile率較高Co，py它ri適g用ht于2緩00慢4-化20學(xué)1反1

A應(yīng)s和po強se放P熱t(yī)y情L況td。.同時反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、操作穩(wěn)定、投資和維修費

用低、液體滯留量大，因而反應(yīng)時間長。但液相

有較大返混，當(dāng)高徑比大時，氣泡合并速度增加，使相際接觸面積減小。鼓泡塔的分類按結(jié)構(gòu)特征，鼓泡塔可分為空心式、多段式、氣提式三種圖8-4鼓泡塔示意圖Evaluation

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Ltd.1819空心式鼓泡塔最適用于反應(yīng)在液相主體中進行的緩慢化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，或伴有大量熱效應(yīng)的反應(yīng)系統(tǒng)。當(dāng)熱效應(yīng)較大時，可在塔內(nèi)或塔外裝置熱交換單元，使之變?yōu)榫哂袩峤粨Q單元的鼓泡塔。為避免塔中的液相Ev返al混ua，t當(dāng)io高n

徑on比ly較.大時，常采ed

wi用th多A段sp式os塔e.借S以li保de證s反fo應(yīng)r效.N果ET。3.5

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Profile為適應(yīng)Co氣py液ri通g量ht大2的00要4-求20或1減1

A小s氣po泡se凝P聚ty以L適td用.于高粘性液體，使氣體提升式鼓泡反應(yīng)器得到應(yīng)用，它具有均勻的徑向氣液流動速度，軸向分散系數(shù)較低、傳熱系數(shù)較大、液體循環(huán)速度可調(diào)節(jié)等優(yōu)點。208.3.1鼓泡塔操作狀態(tài)鼓泡塔的流動狀態(tài)可分為三個區(qū)域：(1)安靜鼓泡區(qū)

在該區(qū)域內(nèi)表觀氣速低于0.05

m·s-1，氣泡呈現(xiàn)分散狀態(tài)，大小均勻，進行有秩序的鼓泡，液體攪動微弱，可稱為視均相流動區(qū)域。(2)湍流鼓泡區(qū)E該va區(qū)l域ua表t觀io氣n速o較nl高y，.塔內(nèi)氣液劇烈上升速度較快，停留時間較短，小氣泡上升速度較慢，停留時間較長，因此，形成不均勻接觸的流動狀態(tài)，稱為劇烈擾動的湍流鼓泡區(qū)，或稱為不均勻湍流鼓泡區(qū)。ed

wit無h定A向s攪po動s，e.呈S現(xiàn)li極d大es的f液o相r

返.N混E。T

部3.分5氣C泡li凝e聚nt成P大r氣ofile泡，氣C體op以y大ri氣g泡ht和2小0氣04泡-兩20種1形1

態(tài)As與p液os體e接P觸ty，L大t氣d.泡（3）栓塞氣泡流動區(qū)

在d≤0.15m的小直徑氣泡塔中，在較高表觀氣速下，由于大氣泡直徑被器壁所限制，而出現(xiàn)了栓塞氣泡流動狀態(tài)。218.3.2鼓泡塔流體力學(xué)

在氣液鼓泡塔中，由于傳遞性能的優(yōu)劣決定于氣泡運動的狀況，因此，需要了解氣泡的大小、氣泡生長及運動的規(guī)律，以了解液相內(nèi)的氣含量及氣液相界面狀況，從而掌E握va氣lu液at相i間on白o的nl傳y.質(zhì)、傳熱和因ed

wi氣th泡A運s動po引se起.S的l液id相es縱f向or返.混NE問T題3.。5

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Ltd.氣體在液體中的溶解速率和其分散程度有關(guān)，分散程度愈高，溶解速度愈大。分散程度可用氣泡的平均直徑、氣體的滯留量或比表面表示。1.單孔氣泡的形成及浮升氣泡的大小取決于氣體通過孔的流率、孔徑d。大小、流體的性質(zhì)等，而氣泡浮升速度又和氣泡直徑dB及流體物性等因素有關(guān)。(1)氣泡直徑dB式中uG-氣體在塔中上升速度，ｍ·s-1；ρG、ρＬ-氣體、液體密度，kg·m-3；σ-表面張力，N·m-3；μG-氣體粘度，Pa·S。Evaluation

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w?it按h孔As口p雷os諾e.數(shù)SlReiod大es小f可or分.為NE三T個3區(qū).5域Client

Profile孔口雷Co諾py數(shù)right

2004-2011，A孔sp徑ose

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Ltd.22?①低氣速區(qū)域

Reo＜400，氣泡直徑dB由氣泡所受浮力等于孔周邊對氣泡附著力求得。氣泡直徑氣泡無合并及分裂，Ev設(shè)a為lu球a形ti，o按n原on樣l上y.升ed

w?i②th中A等sp流o速se區(qū).域Slides

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Profile400＜CReo0p＜y5r0i00g，ht氣2泡0以04連-珠20泡1狀1向A上sp均o勻se運P動t，y

但Lt直d徑.dB增大。對空氣一水系統(tǒng)

③高氣速區(qū)域4000＜Re0，氣泡平均直徑隨Re0增加而下降，系因大氣泡本身不穩(wěn)定而破碎為許多小氣泡所致。23（2）氣泡浮升速度ut

氣泡所受浮力與阻力相等，氣泡作穩(wěn)定狀上升，上升速度隨氣泡直徑變化。①當(dāng)dB＜0.7

mm時?式中ｄV

-氣泡體積當(dāng)量直徑，m。③當(dāng)dB＞8mm時Evaluation

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w?it式h中AμsＬp—o液se體.粘Sl度i，dePsa

sf。or

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Profile②當(dāng)1C.o4pmymr<diBg＜h6tm2m時004-2011

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Ltd.式中ｒｃ-笠帽形氣泡的曲率半徑，m。24對低粘度液體，氣泡上升速度工業(yè)氣泡塔內(nèi)，氣E泡v上al升u速at度i多on處o于n后ly兩.種區(qū)域內(nèi)。ed

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Ltd.252．流體力學(xué)特征（1）氣泡大小及其徑向分布①對塔徑不超過0.6m的氣泡塔計算氣泡群平均氣泡大小dvs的Akita準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Evaluation

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Profile式中Copyright

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dvs-大小不等的氣泡的比表面積當(dāng)量平均直徑，ｍ；rL-液體運動粘度，。26②當(dāng)4000＜Re0＜7000時

當(dāng)10000＜Reo＜50000時，對空氣-水系統(tǒng)，當(dāng)孔徑do＝0.4~1.6

mm時odvs＝0.0071Re

-0.E0v5

aluation

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w?it用h水A的sp平o均se氣.泡Sl大i小dedvss,fwo對r其.他NE物T料3進.5行C換l算ie的n換t算Pr式ofileCopyright

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Ltd.③塔內(nèi)氣泡大小沿塔的徑向氣泡直徑分布對空氣-水系統(tǒng)描述氣泡直徑沿徑向變化的Falkov式27（2）氣泡群的浮升速度①久保田式②Yamafita式Eva對lu空at氣io一n

o水nly.ed

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Ltd.③Kumar式28（3）氣含量

氣含量是指塔內(nèi)氣液混合物中，氣體所占的平均體積分率，即是氣體在分散系統(tǒng)中的體積分?jǐn)?shù)。影響氣含量的因素有

液體的表面張力、粘度和密度等，當(dāng)氣體空塔速度增加時，氣含量隨之增加。對一定物系，當(dāng)空塔氣速uOG達到某一G

②對于直徑小于0.15m的氣泡塔，采用Hughmark圖確定氣含量值定值時，由于氣泡的Ev匯a合lu，a反ti使o含n氣on量lεy下.降29ed

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①對于塔徑大于15cm的氣泡塔，Yoshida-Akita的氣含量關(guān)聯(lián)式為Copyright

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Ltd.圖8-5氣含量關(guān)系圖Evaluation

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Ltd.30

③對于粘度小于0.2Pa·s的低粘性和氣泡易于合并的液體，可采用關(guān)聯(lián)式非牛頓型液體，其氣含量需在塔徑大于0.15m的實驗塔中氣含量沿半徑的變化可用下式表示ed

wit測h定A，s以po得s到e.可S靠li的d數(shù)es值for

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Profile對于氣泡不合并的液Ev體a，lu如a某ti些o表n

面on活l性y.劑溶液和高粘性Copyright

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Ltd.31（4）比表面式中Ｈ0-靜液層高度；Ｋ—液體模數(shù)。，5.7×105＜K＜1011此式適用于uOG≤0.6

m·s-1。的條件，誤差范圍在±15%以內(nèi)。比表面為單位體積分散系統(tǒng)中的相際表面積，鼓泡塔比表面a可由氣含量和氣泡直徑確定，其計算式為在不同氣速范圍內(nèi)，Ev已a知lu氣a含ti量o和n

氣on泡l大y.小，即可求得比ed

wi表th面A。spose.Slides

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Ltd.32

例8-3塔徑為0.5m的空心氣泡他，空氣-水系統(tǒng)，空氣加入量為52Nm3·h-1，試計算平均氣泡直徑、氣Ev含al量ua和ti比on表on面ly。.ed

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Ltd.33348.3.3鼓泡塔的軸向混合Gε

/uOG=2.5時，基本接近于理想混合；對于實驗小塔