化學(xué)反應(yīng)工程(第九章氣-液-固三相反應(yīng)工程).ppt

第九章 氣-液-固三相反應(yīng)工程,匯報人：辛權(quán)亮、朱 閣 時 間：2015-12-09,9.1 氣-液-固三相反應(yīng)器的類型及宏觀反應(yīng)動力學(xué),9.2 三相滴流床反應(yīng)器,9.3 機(jī)械攪拌鼓泡懸浮三相反應(yīng)器,9.4 鼓泡淤漿床反應(yīng)床,9.7 壓力對三相懸浮床反應(yīng)器操作性能的影響,9.5 氣-液并流向上三相流化床反應(yīng)器,9.6 三相懸浮床中的相混合,9.8 氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,9.9 討論與分析,1.反應(yīng)器以反應(yīng)物系的性質(zhì)： 固相為反應(yīng)物或是產(chǎn)物的反應(yīng)， 如加壓下用氨溶液浸取氧化銅礦。 固體為催化劑而液相為反應(yīng)物或產(chǎn)物的氣-液-固反應(yīng) 如煤的加氫催化液化，石油餾分加氫脫硫。 液相為惰性相的氣-液-固催化反應(yīng)，液相作為熱載體 如一氧化碳催化加氫生成烴類、醇類混合物。 氣體為惰性相的液-固反應(yīng)，空氣其攪拌作用， 如硫酸分解鈦鐵礦槽式反應(yīng)釜內(nèi)用氣體攪拌。 2.按床層性質(zhì)： 固定床 懸浮床,一. 氣-液-固三相反應(yīng)器的類型,滴流床或稱涓流床反應(yīng)器,2019/10/7,圖9-1 固定床氣-液-固反應(yīng)器類型 （a）并流向下；（b）逆流；（c）并流向上,1. 固定床氣-液-固三相反應(yīng)器,滴流床或稱涓流床反應(yīng)器是固定床三相反應(yīng)器，液流向下流動，以一種很薄的液膜形式通過固體催化劑，而連續(xù)氣相以并流或逆流的形式流動，但多數(shù)是氣流和液流并流向下，如下圖示。,工業(yè)滴流床反應(yīng)器：,氣體在平推流條件下操作，催化劑充分地濕潤，獲得較高轉(zhuǎn)化率。 液固比(或液體浦留量)很小，可使均相反應(yīng)的影響降至最低。 在氣液固反應(yīng)中存在氣-液界面和液-固界面的傳質(zhì)及傳熱阻力，這兩種界面阻力能結(jié)合起來，使總的液層阻力比其他類型三相反應(yīng)器要小。 不存在液泛問題。 滴流床三相反應(yīng)器的壓降比鼓泡反應(yīng)器小,2019/10/7,優(yōu)點(diǎn),1. 固定床氣-液-固三相反應(yīng)器,工業(yè)滴流床反應(yīng)器：,在大型滴流床反應(yīng)器中，低液速操作的液流徑向分布不均勻，并且引起徑向溫度不均勻，形成局部過熱。 催化劑顆粒不能太小，而大顆粒催化劑存在明顯的內(nèi)擴(kuò)散影響。 由于組分在液相中的擴(kuò)散系數(shù)比在氣體中的擴(kuò)散系數(shù)低許多倍，內(nèi)擴(kuò)散的影響比氣-固相反應(yīng)器更為嚴(yán)重； 可能存在明顯的軸向溫升，形成熱點(diǎn)，有時可能飛溫。,2019/10/7,缺點(diǎn),1. 固定床氣-液-固三相反應(yīng)器,機(jī)械攪拌懸浮式 鼓泡淤漿反應(yīng)器（不帶攪拌的懸浮床，以氣體鼓泡攪拌） 三相流化床反應(yīng)器（氣-液兩相并流向上而顆粒不帶出床外） 三相輸送床（攜帶床）反應(yīng)器（氣液兩相并流向上而顆粒隨液體帶出床外）,固體呈懸浮狀態(tài),一般使用細(xì)顆粒固體，有多種型式：,2. 懸浮床氣-液-固三相反應(yīng)器,圖 9-2 巴秋卡槽示意圖,具有導(dǎo)流筒的內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器（常用生物反應(yīng)工程,用于濕法冶金中的浸取過程時，稱為氣體提升攪拌反應(yīng)器或巴秋卡槽),2. 懸浮床氣-液-固三相反應(yīng)器,1.機(jī)械攪拌懸浮式三相反應(yīng)器：依靠機(jī)械攪拌使固體懸浮在三相反應(yīng)器中，通常用于三相反應(yīng)過程的開發(fā)研究階段及小規(guī)模生產(chǎn)。 2.鼓泡淤漿床三相反應(yīng)器：將細(xì)顆位物料加人到氣液鼓泡反應(yīng)器，固體顆粒依靠氣體托起而呈懸浮狀態(tài)，鼓泡淤漿三相反應(yīng)器比機(jī)械攪拌懸浮三相反應(yīng)器適宜于大規(guī)模生產(chǎn)。 又可細(xì)分為：三相流化床、三相輸送床或三相攜帶床、三相循環(huán)流化床。,2. 懸浮床氣-液-固三相反應(yīng)器,存液量大，熱容量大，懸浮床與傳熱元件之間的給熱系數(shù)遠(yuǎn)大于固定床,容易回收反應(yīng)熱量和控制床層等溫。 可以使用高濃度原料氣，并且仍然控制在等溫下操作，這在固定床氣固相催化反應(yīng)器中由于溫升太大而不可能進(jìn)行。 使用細(xì)顆粒催化劑，可以消除內(nèi)擴(kuò)散過程的影響，但由于增加了液相，增加了氣體反應(yīng)組分通過液相的擴(kuò)散阻力。 易于更換、補(bǔ)充失活的催化劑，但又要求催化劑耐磨損。 使用三相流化床或三相攜帶床時，則存在液-固分離的技術(shù)問題，三相攜帶床存在淤漿輸送的技術(shù)問題。,特點(diǎn),2. 懸浮床氣-液-固三相反應(yīng)器,顆粒運(yùn)動基本操作方式：固定床、膨脹床（懸浮床）、 輸送床（攜帶床）。 液體介質(zhì)的液固系統(tǒng)中固體顆粒終端速度ut：,（9-1）,s 顆粒密度； L 介質(zhì)密度； dp顆粒直徑,當(dāng)顆粒直徑小于500m，Rep2時，,液體粘度； g重力加速度,（9-2）,3. 氣、液并流向上休系的操作流型,圖9-3 氣液并流向上，液體為連續(xù)相的 氣-液-固體系操作流型,氣-液-固系統(tǒng)中的顆粒終端速度,臨界流化速度,液-固系統(tǒng)中的顆粒終端速度,表觀流速,液固流態(tài)化,液固流態(tài)化,3. 氣、液并流向上休系的操作流型,1. 顆粒宏觀反應(yīng)動力學(xué)（以固體為對象）,三相床中顆較催化劑的宏觀反應(yīng)過程：,二. 氣-液-固三相反應(yīng)的宏觀反應(yīng)動力學(xué),圖9-4 三相反應(yīng)器中氣相反應(yīng)物的濃度分布,1氣相全體； 2氣膜； 3液膜(氣-液間)； 4液相主體； 5液膜(液-固間)； 6固體催化劑,下面以催化劑的質(zhì)量為基準(zhǔn)，來表示各傳遞步驟的速率。當(dāng)過程達(dá)到定態(tài)時，各步驟速率相等。,催化劑內(nèi)進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)時的總體速率,(9-4),(9-3),(9-5),1. 顆粒宏觀反應(yīng)動力學(xué),非一級反應(yīng)時的總體速率, 不存在氣膜傳質(zhì)阻力，, 不存在氣液界面處液膜傳質(zhì)阻力，,（9-6）,（9-7）, 不存在液一固界面處液膜傳質(zhì)阻力，, 催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子趨近于1，,（9-8）,（9-9）,1. 顆粒宏觀反應(yīng)動力學(xué),床層宏觀反應(yīng)動力學(xué)在考慮顆粒宏觀反應(yīng)動力學(xué)的基礎(chǔ)上涉及氣相和液相在三相反應(yīng)器中流動狀況的影響，因而與反應(yīng)器的類型有關(guān)。 滴流床三相反應(yīng)器中固體顆粒如同填料吸收塔中填料一樣裝填在反應(yīng)器中，由于固體顆粒間必然相互接觸，液體不可能全部均勻地潤濕固體顆粒，存在一個有效潤濕率。 從整個床層橫截面看，近器壁處液體的局部流速與中心處不同。應(yīng)當(dāng)設(shè)計一個良好的液體分布器使液體均勻地進(jìn)入床層。工程設(shè)計時一般以計及顆粒催化劑內(nèi)擴(kuò)散過程的總體速率為基礎(chǔ)，將顆粒的有效潤濕率和顆粒外氣-液相間和液-固相間傳遞過程綜合成為“外部接觸效率”。,2. 床層宏觀反應(yīng)動力學(xué),9.1 氣-液-固三相反應(yīng)器的類型及宏觀反應(yīng)動力學(xué),9.2 三相滴流床反應(yīng)器,9.3 機(jī)械攪拌鼓泡懸浮三相反應(yīng)器,9.4 鼓泡淤漿床反應(yīng)床,9.7 壓力對三相懸浮床反應(yīng)器操作性能的影響,9.5 氣-液并流向上三相流化床反應(yīng)器,9.6 三相懸浮床中的相混合,9.8 氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,9.9 討論與分析,圖9-5 氣液井流滴流床流動狀態(tài)與操作條件,氣、液并流向下固定床內(nèi)氣體和液體的流動狀態(tài)，可以分為穩(wěn)定流動滴流區(qū)、脈沖流動區(qū)和分散鼓泡區(qū)，如圖9-5,1. 流動狀態(tài),一、氣、液并流向下通過固定床的流體力學(xué),氣-液穩(wěn)定流動滴流區(qū) 當(dāng)氣速較低時，液體在顆粒表面形成滯流液膜，氣相為連續(xù)相，這時的流動狀態(tài)稱為“滴流狀”。若氣速增加，顆粒表面出現(xiàn)波紋狀或湍流狀的液流，由于氣流曳力的作用，有些液體呈霧滴狀懸浮在氣流中，稱為“噴射流”。滴流與噴射流的轉(zhuǎn)變不明顯。噴射時氣相仍為連續(xù)相。 過渡流動區(qū) 繼續(xù)提高氣體流速，就進(jìn)入過渡區(qū)。這時床層上部基本上是噴射流，床層下部則出現(xiàn)脈沖現(xiàn)象。在過渡區(qū)噴射流和脈沖流交替并存。,特征,1. 流動狀態(tài),特征,脈沖流動區(qū) 隨著氣速進(jìn)一步增大，脈沖不斷出現(xiàn)，并充滿整個床層。液體流速一定時，脈沖的頻率和速度基本不變，脈沖現(xiàn)象具有一定的規(guī)律性。 鼓泡區(qū) 若再增大氣速，各脈沖間的界限變得不易區(qū)分，達(dá)到一定程度后，形成鼓泡區(qū)。液相成為連續(xù)相，氣相形成分散相。液體流速越大，越易形成脈沖區(qū)與鼓泡區(qū)。,1. 流動狀態(tài),持液量分內(nèi)持液量hi，靜持液量 hs 和動持液量hd，以單位床層體積中液體的分?jǐn)?shù)計。 內(nèi)持液量是顆?？紫秲?nèi)的持液量，顆粒的孔隙率越大，則內(nèi)持液量越大，內(nèi)持液量一般為0.30.5。 靜持液量是液體不流動時，潤濕顆粒間的持液量,靜持液量與顆粒的比外表面積和表面粗糙程度有關(guān)，靜持液量一般為0.020.06。,2. 持液量,采用電阻探針測定積分電壓，以空氣作氣相，分別用水、5甲醛水溶液、10丁炔二醇水溶液和煤油作液相，進(jìn)行動持液量的測定，回歸得到以下關(guān)聯(lián)式：,表觀液速；,顆粒的直徑,（9-10）,（9-10）適用范圍：,常壓6MPa下，hd 隨液體流率增加而增加，隨氣體流率和填料空隙率增大而減少，隨壓力增加而加大，但壓力增加到一定程度反而減小。,2. 持液量,在滴流床中，固體催化劑的潤濕很重要。大部分液體沿著反應(yīng)器壁向下流動，并且主要以溪流形式通過顆粒間的大空隙，而不像粘性薄膜那樣完全包住催化劑顆粒，由此形成了液、固之間的接觸效率。,圖9-6 催化劑顆粒間的 液囊和流動膜,顆粒間的表面一部分為流動液膜所覆蓋，另一部分表面為靜止?fàn)顟B(tài)液囊所覆蓋，如圖9-6,采用多孔固體催化劑時，可以定義兩種潤濕率： 內(nèi)部潤濕或空隙充滿率。 外部有效潤濕率。,3. 外部有效潤濕率,單相氣體通過固定床的壓力降與氣體的流速和物性、催化劑的粒徑、形狀及催化劑的裝填狀況等因素有關(guān)，可用Ergun式作為計算固定床壓降的基本方程。 并未計入破碎、積炭、物流中的固體雜物沉積和床層下沉等因素致使隨操作后期壓力降增加，因此工業(yè)反應(yīng)器開工初期的壓力降可稱為床層固有壓力降。 氣、液并流下向下滴流床反應(yīng)器的床層固有壓力降，還應(yīng)考慮液體以液膜的形式在催化劑顆粒表面間流動形成的靜持液量和動持液量對可供流體流動的床層空隙率的影響。,4. 床層壓力降,低氣-液流速的滴流狀態(tài)下，氣-液相間傳質(zhì)主要取決于液相流速，它與相同條件下的連續(xù)吸收填充床具有相同的數(shù)量級。 滴流狀態(tài)下的氣相傳質(zhì)系數(shù)kG可用Gianetto等推薦的式子計算： 式中： 是潤濕填充物的填充表面系數(shù)。 是只有填充物時的干床層空隙率。,(9-11),二. 滴流床三相反應(yīng)器中的傳遞過程,1. 滴流狀態(tài)下氣-液傳質(zhì)系數(shù),滴流狀態(tài)下的氣-液相傳質(zhì)系數(shù)kL可用Gianetto等推薦的式子計算：,表9-1 值,(9-12),1. 滴流狀態(tài)下氣-液傳質(zhì)系數(shù),圖9-7 滴流狀態(tài)下氣-液相間傳質(zhì)面積圖,滴流狀態(tài)下氣-液相間傳質(zhì)面積可根據(jù)固體顆粒的外表面積Se由圖9-7確定。,1. 滴流狀態(tài)下氣-液傳質(zhì)系數(shù),液-固相間傳質(zhì)系數(shù)可采用下式: 式中：DL 組分在液相中的擴(kuò)散系數(shù)。 上式應(yīng)用條件：,(9-13),2. 滴流狀態(tài)下液-固傳質(zhì)系數(shù),（9-14）,滴流狀態(tài)操作時，氣-液相間的相對湍動較少，傳熱性能較差，床層溫度控制較困難。 按照Weekman和Myers的概念，固定床氣-液-固三相反應(yīng)器的床層徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)e為無氣液流動的靜床層徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)(e) 0、氣流徑向混合有效導(dǎo)熱系數(shù)(e) G和液相有效導(dǎo)熱系數(shù)(e) L之和，即,3. 滴流床中的傳熱,上式又可進(jìn)一步寫為：,(9-15),(9-16),滴流狀態(tài)下床層對器壁的熱導(dǎo)率 的關(guān)聯(lián)式如下:,(9-17),3. 滴流床中的傳熱,顧其威等：甲醛和乙炔以乙炔酮為催化劑合成丁炔二醇，滴流床反應(yīng)器開發(fā)放大研究，提出以下三種滴流床研究實(shí)驗裝置：,三. 滴流床三相催化反應(yīng)過程開發(fā)研究,用間歇攪拌反應(yīng)釜研究反應(yīng)的本征動力學(xué) 用轉(zhuǎn)筐反應(yīng)器研究催化劑顆粒宏觀動力學(xué) 用流體外循環(huán)微分滴流床反應(yīng)器研究生產(chǎn)裝置噴淋密度下的床層宏觀動力學(xué),滴流床床層宏觀反應(yīng)動力學(xué)是在顆粒宏觀反應(yīng)動力學(xué)的基礎(chǔ)上，考慮液體潤濕及液體均布等有關(guān)因素的影響。,液體的噴淋密度是影響床層總體速率的主要工程因素。為測得工業(yè)反應(yīng)器生產(chǎn)操作條件下的床層總體速率，要求實(shí)驗室反應(yīng)器床層的液體噴淋密度與工業(yè)反應(yīng)器相同。,實(shí)驗室滴流床反應(yīng)器高度遠(yuǎn)小于工業(yè)反應(yīng)器的高度，當(dāng)采用與工業(yè)反應(yīng)器相同的噴淋密度時，液空速偏高，液相反應(yīng)組分的轉(zhuǎn)化率很低，因此對試樣分析精度要求很高，否則會造成很大的實(shí)驗誤差。 其次，如果采用低液體噴淋密度，雖然仍保持與工業(yè)反應(yīng)器相同的液空速，使液相反應(yīng)組分的轉(zhuǎn)化率提高，但此時反應(yīng)器內(nèi)催化劑床層的有效潤濕率和氣-液-固相間的傳質(zhì)過程與工業(yè)反應(yīng)器相差甚遠(yuǎn)，所測得的床層總體速率不能反映工業(yè)反應(yīng)器中的實(shí)際情況。,三. 滴流床三相催化反應(yīng)過程開發(fā)研究,加氫裂化三相滴流床反應(yīng)器是加氫裂化裝置的核心設(shè)備，于高溫高壓臨氫環(huán)境下操作，除抗氫、氮腐蝕外，還需抗油料中硫與氫形成的硫化氫的腐蝕，且內(nèi)徑大，對選用材料、加工制作及其中氣、液相流動均勻且與催化劑接觸良好等方面均有很高的要求。,四. 石油加工中催化加氫裂化的加壓滴流床三相反應(yīng)器,例 9-1：加壓滴流床催化加氫裂化三相反應(yīng)器,四. 石油加工中催化加氫裂化的加壓滴流床三相反應(yīng)器,1入口擴(kuò)散器； 2氣液分離器； 3去垢籃筐； 4催化劑支持盤； 5催化劑連通管； 6急冷氫箱及再分配盤； 7出口收集盤； 8卸催化劑口； 9急冷氫管,圖8 熱壁式加氫裂化反應(yīng)器,加氫裂化三相滴流床反應(yīng)器是加氫裂化裝置的核心設(shè)備，于高溫高壓臨氫環(huán)境下操作，除抗氫、氮腐蝕外，還需抗油料中硫與氫形成的硫化氫的腐蝕，且內(nèi)徑大，對選用材料、加工制作及其中氣、液相流動均勻且與催化劑接觸良好等方面均有很高的要求。,例 9-1：加壓滴流床催化加氫裂化三相反應(yīng)器,9.1 氣-液-固三相反應(yīng)器的類型及宏觀反應(yīng)動力學(xué),9.2 三相滴流床反應(yīng)器,9.3 機(jī)械攪拌鼓泡懸浮三相反應(yīng)器,9.4 鼓泡淤漿床反應(yīng)床,9.7 壓力對三相懸浮床反應(yīng)器操作性能的影響,9.5 氣-液并流向上三相流化床反應(yīng)器,9.6 三相懸浮床中的相混合,9.8 氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,9.9 討論與分析,1.反應(yīng)器中固體的懸浮和極限氣速,（9-16）,單位質(zhì)量液體中懸浮固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù),反應(yīng)器內(nèi)徑，m,液體的動力粘度，m2/s,上式適用于盤式透平攪拌器,一.機(jī)械攪拌鼓泡懸浮式三相反應(yīng)器的特征,三相機(jī)械攪拌懸浮反應(yīng)器存在顆粒懸浮臨界轉(zhuǎn)速nc ：,攪拌鼓泡懸浮反應(yīng)器還存在一個允許的極限氣速。如果超過了極限氣速，攪拌器將失去分散氣休的作用，氣流將從容器中間沖破懸浮床垂直向上，此時容器底部的擾動較少，固體將會沉積在那里。,圖9-9 攪拌懸浮反應(yīng)器的泛速,隨著轉(zhuǎn)速增大，泛速將相應(yīng)提高，固體對泛速的影響不大,2. 極限氣速,1. 三相淤漿床甲醇合成,二.機(jī)械攪拌反應(yīng)器中三相床甲醇合成和一步法二甲醚合成案例,陳閔松等在機(jī)械攪拌鼓泡懸浮式反應(yīng)釜中研究了加壓下有一氧化碳和二氧化碳加氫合成甲醇過程的載熱體篩選和宏觀動力學(xué)研究。,氣-液-固三相床甲醇合成或稱為液相法甲醇合成是一項甲醇合成的新工藝，細(xì)顆粒催化劑懸浮在惰性液相載體中，即使在高濃度一氧化碳和低控訴下，床層仍可控制在等溫操作，減少了可逆反應(yīng)平衡的影響和內(nèi)擴(kuò)散過程對反應(yīng)速率的影響，增加了出口氣中甲醇的含量。,例 9-2：機(jī)械攪拌鼓泡懸浮式反應(yīng)器中三相床甲醇合成,由天然氣、空氣催化氧化及由煤制取的含氮合成氣比天然氣制備的合成氣成本低。聶兆廣等在高壓機(jī)械攪拌反應(yīng)器內(nèi)采用含氮合成氣經(jīng)銅基催化劑和改性分子篩脫水催化的混合催化劑，進(jìn)行三相淤漿床合成二甲醚的宏觀動力學(xué)實(shí)驗。,在三相淤漿床內(nèi)使用甲醇合成和甲醇脫水的混合催化劑和雙功能催化劑一步法合成二甲醚是催化偶聯(lián)的新工藝，比傳統(tǒng)的合成二甲醚工藝具有許多優(yōu)點(diǎn)。,例 9-3：高壓機(jī)械攪拌反應(yīng)器中含氮合成氣雙功能催化劑制二甲醚的宏觀動力學(xué),2. 三相淤漿床一步法二甲醚合成,9.1 氣-液-固三相反應(yīng)器的類型及宏觀反應(yīng)動力學(xué),9.2 三相滴流床反應(yīng)器,9.3 機(jī)械攪拌鼓泡懸浮三相反應(yīng)器,9.4 鼓泡淤漿床反應(yīng)床,9.7 壓力對三相懸浮床反應(yīng)器操作性能的影響,9.5 氣-液并流向上三相流化床反應(yīng)器,9.6 三相懸浮床中的相混合,9.8 氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,9.9 討論與分析,鼓泡淤漿床反應(yīng)器：,使用細(xì)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(yīng)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(yīng)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)。,2019/10/7,優(yōu)點(diǎn),9.4 鼓泡淤漿床反應(yīng)床,鼓泡淤漿床反應(yīng)器：,要求所使用的液體為惰性，不與其中某一反應(yīng)物發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。在操作狀態(tài)下呈液態(tài)，蒸氣壓低且熱穩(wěn)定性好，不易分解，并且其中對催化劑有毒物質(zhì)含量合乎要求；三相床中進(jìn)行氧化反應(yīng)時，耐氧化的惰性液相熱載體的篩選是一個難點(diǎn)。 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(yīng)器中的總體速率。,2019/10/7,缺點(diǎn),9.4 鼓泡淤漿床反應(yīng)床,1. 流型,鼓泡淤漿床反應(yīng)器其流體力學(xué)特性與氣-液鼓泡反應(yīng)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(yīng)器的流型。,圖9-10 淤漿床鼓泡反應(yīng)器中的流型,一. 鼓泡淤漿床反應(yīng)器的流體力學(xué),圖9-11 流動狀態(tài)分區(qū)與氣體流速及反應(yīng)器直徑間的關(guān)系,三種流動型態(tài)： (1)安靜鼓泡區(qū)，又稱為氣泡分散區(qū)(dispersed bubble regime) (2)湍流鼓泡區(qū)，又稱為氣泡聚并區(qū)(coalesced bubble regime) (3)栓塞區(qū)(slugging regime)，又稱節(jié)涌區(qū)。,1. 流型,對于鼓泡淤漿床反應(yīng)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(yīng)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(dǎo)流筒等因素有關(guān)。,2. 固體完全懸浮的臨界氣速,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。,Koide等實(shí)驗表明：,Koide將實(shí)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：,（9-18）,2. 固體完全懸浮的臨界氣速,由圖可見，以空氣為介質(zhì)時 值的大致范圍。,導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)尺寸對 影響，如果固體顆粒的粒度范圍寬，則 值有所增加。,圖9-12 固體濃度對 Ugc的影響,2. 固體完全懸浮的臨界氣速,三相鼓泡淤漿反應(yīng)器的氣含率或氣相分率 ，反應(yīng)占主導(dǎo)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。 在湍流鼓泡區(qū)，氣含率在床層中心出現(xiàn)最大值，沿徑向逐漸降低。在安靜鼓泡區(qū)，徑向氣含率的分布趨于平坦。,對于大顆粒固體，dPl00m時， 隨淤漿中固含率 增大而減小。,一般地，表觀氣速 增大，氣含率 增大。,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。,3. 氣含率,圖9-13 氣液鼓泡淤漿床氣含率關(guān)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(guān)聯(lián)式。 氣-液二相鼓泡床氣含率隨表觀氣速上升而增加，并取決于所在流型區(qū)域和分布器設(shè)計。,3. 氣含率,Koide等:在鼓泡淤漿床中，過渡區(qū)域內(nèi)，分布器的設(shè)計對氣含率和發(fā)生過渡流型的起始條件有影響。,上式以空氣為介質(zhì)，常溫常壓， 對于水及甘油和乙二醇的水溶液，CL0.227；,對于無機(jī)電解質(zhì)的水溶液，CL0.364。 CS為單位體積淤漿中的固體質(zhì)量，kgm3。 為氣-液鼓泡塔的氣含率。,（9-19）,3. 氣含率,例 9-4：冷態(tài)及熱態(tài)淤漿床鼓泡反應(yīng)器中氣含率的研究,中科院山西煤炭化學(xué)研究所測定了冷態(tài)及熱態(tài)鼓泡淤漿床中的氣含率。冷態(tài)氣含率研究采用空氣-水-石英砂系統(tǒng)，獲得氣含率隨空床層表觀氣速的關(guān)聯(lián)式。,(1)安靜鼓泡區(qū) uG3cm/s，F(xiàn)r0.0391 (2)過渡區(qū) 39cm/s，0.0645Fr0.1955時,3. 氣含率,熱態(tài)氣含率研究: 結(jié)合煤間接液化的費(fèi)-托合成進(jìn)行，采用氮-液體石蠟-石英砂系統(tǒng)，研究了表觀氣速、壓力、溫度、顆粒濃度等因素對氣含率的影響。（三相床直徑0.098m，靜止床高1.85m，氣體分布器為燒結(jié)金屬板，孔徑4060 。）,在 范圍內(nèi)，壓力對氣含率沒有影響； 在T150210范圍內(nèi)，溫度對氣含率沒有影響。 對平均粒徑165um 的石英砂顆粒，氣含率隨顆粒質(zhì)量濃度(020)增大而減??； 對平均粒徑53um 的石英砂，顆粒濃度對氣含率的影響不明顯。,將上述結(jié)果與其它研究工作所采用的水-空氣，甲醇空氣等氣-液鼓泡床的氣含率相比較，采用液體石蠟的系統(tǒng)，氣含率之值較高，這與烴類體系鼓泡性質(zhì)有關(guān)。,3. 氣含率,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(shí)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(dāng)量直徑,（9-20）,4. 氣泡尺寸與分布,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(guān)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/MPam3 不含氣相的淤漿體積S,是表觀氣速，m/s,（9-21）,一. 鼓泡淤漿床反應(yīng)器中的傳遞過程,1. 氣-液界面的氣相容積傳質(zhì)系數(shù),(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：,Calderbank和MooYoung提出的關(guān)聯(lián)式:,的單位是cm2/s 當(dāng)氣泡平均直徑2.5mm時，A=0.42 DL為氣體在液體中的分子擴(kuò)散系數(shù),表征液體性質(zhì)的Schmidt準(zhǔn)數(shù),（9-22）,2. 氣-液界面的液相傳質(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(zhǔn)數(shù))=,(9-23),對于50 dP 1000的細(xì)顆粒，當(dāng)密度之差值（ ）為0.31.5g/cm3時， 值大致為0.0l cm/s。,3. 液-固傳質(zhì),鼓泡淤漿床反應(yīng)器或氣-液鼓泡床與外界的傳熱一般使用蛇形管、垂直或水平設(shè)置的換熱管系或壁面夾套，只在靠近傳熱表面處有溫度突變，特征如下：,圓柱形、環(huán)形、蛇管或壁面等換熱裝置的幾何形狀 對給熱系數(shù)的影響不大，僅在低氣速下差別較明顯； 床徑與床高對給熱系數(shù)無影響； 增加氣速強(qiáng)化了淤漿的湍動從而增大給熱系數(shù)，但 在高氣速下這一影響逐漸減小。,4. 浸沒表面對漿態(tài)床的傳熱,Deckwer等研究了氣-液-固三相淤漿床中床層對換熱元件的給熱系數(shù)，所得關(guān)聯(lián)式如下,式中:,及 分別為液-固兩相淤漿床中固體及液體的質(zhì)量分率,及 分別是固體及液體的比熱容，J/(kgK),為淤漿床對換熱元件的給熱系數(shù)，w/(m2K),為液-固兩相淤漿的比熱容，J/(kgK),為淤漿的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(mK),4. 浸沒表面對漿態(tài)床的傳熱,9.1 氣-液-固三相反應(yīng)器的類型及宏觀反應(yīng)動力學(xué),9.2 三相滴流床反應(yīng)器,9.3 機(jī)械攪拌鼓泡懸浮三相反應(yīng)器,9.4 鼓泡淤漿床反應(yīng)床,9.7 壓力對三相懸浮床反應(yīng)器操作性能的影響,9.5 氣-液并流向上三相流化床反應(yīng)器,9.6 三相懸浮床中的相混合,9.8 氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,9.9 討論與分析,2019/10/7,圖9-14 氫煤法三相流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡圖,下圖是典型的氫-煤法三相流化床反應(yīng)器裝置簡圖，反應(yīng)溫度450左右，壓力20MPa。部分物料從反應(yīng)器底部經(jīng)高壓油循環(huán)泵而循環(huán)，強(qiáng)化反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動。,一. 煤的直接液化三相流化床反應(yīng)器,二. 氣-液并流向上三相流化床的流體力學(xué),1. 流型,如同鼓泡淤漿床一樣，可分為分散區(qū)，氣泡合并區(qū)，栓塞區(qū)及過渡區(qū)。 低氣速下液體為連續(xù)相，高氣速下，氣體為連續(xù)相。流型區(qū)域圖與流體的性質(zhì)（密度、粘度）及固體顆粒的性質(zhì)（密度、粒度）有關(guān)。,Song等對于渣油及煤液化中所用圓柱狀加氫催化劑，研究了并流向上氣-液-固三相流化床的液體臨界流速 。,（9-24）,（SI制）,對于雙組分顆粒，三相流化床的液體臨界流速(uLmf)m可由下式確定：,（9-25）,式中： x2為大顆粒的質(zhì)量分率 (uLmf)1及 (uLmf)2分別為小顆粒及大顆粒的液體臨界流速。,混合顆粒的液體臨界流速比單一大顆粒的液體臨界流速低，小顆粒的加入使液體臨界流速降低，并使床層均勻性得到改善。,2. 氣-液并流向上三相流化床的液體臨界流速,Song等的研究工作表明：對于空氣水系統(tǒng)：,1）在氣泡分散區(qū)或安靜鼓泡區(qū)：,2）在氣泡合并區(qū)或湍流鼓泡區(qū)：,其中液-固系的顆粒Reynolds準(zhǔn)數(shù)：,（9-26）,（9-27）,（9-28）,3. 氣含率,Lee等：1993年發(fā)表了有關(guān)氣液并流向上三相流化床中有關(guān)氣含率及傳質(zhì)的研究工作。,1）在安靜鼓泡區(qū)：,2）在湍流鼓泡區(qū)或栓塞區(qū)：,對于牛頓型流體通過回歸實(shí)驗數(shù)據(jù)可得,（9-29）,（9-30）,3. 氣含率,二. 氣-液并流向上三相流化床中的傳遞過程,1.氣-液界面的液相容積傳質(zhì)系數(shù),Lee等：三相流化床中氣-液界面的液相容積傳質(zhì)系數(shù) 。,1）在安靜鼓泡區(qū)：,（9-31）,2）在湍流鼓泡區(qū)或栓塞區(qū)：,（9-32）,式中三相流化床的能量耗散速率ETF ，J/s，可表示為：,（9-33）,并流向上三相流化床的液-固傳質(zhì)系數(shù)可采用Arters等的關(guān)聯(lián)式：,（9-34）,式中：,2. 液-固傳質(zhì)系數(shù),浸沒表面及壁面對氣-液并流向上三相流化床的給熱系數(shù) ,可采用Kang等的研究工作。,式中：,NuTF(三相流化床傳熱Nu準(zhǔn)數(shù))=,ReTF(三相流化床Re準(zhǔn)數(shù))=,由上式可知：三相流化床傳熱參數(shù)隨氣體表觀流速增大而增大，隨液體粘度和顆粒直徑增大而減小。,（9-35）,3. 傳熱表面對三相流化床的傳熱,9.1 氣-液-固三相反應(yīng)器的類型及宏觀反應(yīng)動力學(xué),9.2 三相滴流床反應(yīng)器,9.3 機(jī)械攪拌鼓泡懸浮三相反應(yīng)器,9.4 鼓泡淤漿床反應(yīng)床,9.7 壓力對三相懸浮床反應(yīng)器操作性能的影響,9.5 氣-液并流向上三相流化床反應(yīng)器,9.6 三相懸浮床中的相混合,9.8 氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,9.9 討論與分析,一. 三相流化床中的相混合,1. 液相軸向混合彌散模型,液相混合用彌散模型(dispersion model)來描述，液相的軸向返混有兩種極端的理想情況，即平推流及全混流。,1) 徑向濃度分布均勻。 2) 在每一截面上和沿流體流動方向，流體流速和軸向混合彌散系數(shù)均為常數(shù), 則,管式反應(yīng)器中單相流體流動的一維軸向彌散模型，即在平推流基礎(chǔ)上疊加一個軸向逆向彌散項，并假定：,（9-36）,式中: uL 為液體流動的實(shí)際流速，Z 為軸向位置。,因此，在假定液相含率不隨軸向位置而變的情況下，三相流化床中的液相軸向混合的一維動態(tài)模型為：,（9-38）,（9-37）,1. 液相軸向混合彌散模型,式中ELZ為液體的軸向混合擴(kuò)散系數(shù)，考慮到三相床中液體的實(shí)際流速與表觀流速 間的關(guān)系,VL=uL/L ，可得,而一維定態(tài)液相軸向混合彌散模型為,在關(guān)聯(lián)液相軸向混合彌散系數(shù)ELZ時，使用了兩種Peclet準(zhǔn)數(shù)，即基于液體實(shí)際流速 vL的準(zhǔn)數(shù)PeLZ ，和基于表觀液速 uL的準(zhǔn)數(shù) PeLZ 。,（9-40）,（9-39）,和,或,1. 液相軸向混合彌散模型,在安靜鼓泡區(qū)中，液相的軸向混合是有限的，軸向混合彌散系數(shù)較小，Peclet準(zhǔn)數(shù)較大。在湍流鼓泡區(qū)及栓塞區(qū)中，三相床內(nèi)的非均勻流動形成了明顯的液相軸向混合。,在安靜鼓泡區(qū)：,（9-39）,Muroyama等有關(guān)并流向上三相流化床中EZL的研究結(jié)果。,在湍流鼓泡區(qū)及栓塞區(qū)：,Kim等：多種牛頓型液體及非牛頓型液體-玻璃球為體系的液相軸向混合彌散系數(shù)，結(jié)果如下：,（9-40）,（9-41）,2. 液相軸向混合彌散系數(shù),Kang等有關(guān)三相流化床的液相徑向混合彌散系數(shù)的研究。,關(guān)于三相流化床中的氣相混合，發(fā)表的研究工作相當(dāng)少，F(xiàn)an在專著中第3.2.2中提出，當(dāng)難以衡量固體顆粒對氣相混合的影響時，可近似用氣-液兩相鼓泡床中的氣相混合彌散系數(shù)代替。,（9-42）,4. 氣相軸向混合彌散系數(shù),3. 液相徑向混合彌散系數(shù),二. 三相鼓泡淤漿床的液相和氣相混合,1. 液相軸向混合彌散系數(shù),三相鼓泡淤漿床及三相攜帶床中液相軸向混合彌散系數(shù)均用ELZS表示，Kato等獲得如下關(guān)聯(lián)式：,（9-43）,Kara等以煤的液化過程為背景，研究了三相鼓泡淤漿床及三相淤漿攜帶床的流體力學(xué)及液相混合。在實(shí)驗條件下，對于細(xì)顆粒固體，ELZS與固體濃度無關(guān)，ELZS隨淤漿流速uSL及顆粒直徑增加而降低。,對于小直徑高床層的二相氣液鼓泡床可忽略氣相的軸向混合，即平推流。 對于大直徑的二相鼓泡床，應(yīng)考慮氣相的軸向混合，Deckwer及Schumpe提出，在安靜鼓泡區(qū)，可使用Wachi及Nojima根據(jù)氣-液鼓泡床湍流鼓泡區(qū)的循環(huán)理論所得表征氣相軸向混合彌散系數(shù)EGZB的關(guān)聯(lián)式：,（9-44）,2. 氣相軸向混合彌散系數(shù),式中DR的單位為m，Ug的單位為m/s，EGZB的單位為m2/s。 在常壓、常溫下用空氣-水系統(tǒng)時， 9。,Smith及Ruether研究了鼓泡淤漿反應(yīng)器中固體的軸向沉降密度分布，獲得表征固相軸向沉降的彌散系數(shù)ESZ的關(guān)聯(lián)式：,（9-45）,Ut 是單顆顆粒的終端速度或沉降速度，m/s。,式中：,(0.3Pep1.2),(2100Reg 29000),(0.1Ret 5.6，0.030Fr0.207）,3. 固相軸向沉降及顆粒密度分布,在比高度X(X=Z/L0)處顆粒濃度cs與淤漿鼓泡床底部濃度 之間關(guān)系用下式表達(dá),（9-46）,式中: ut及ug 的單位均為m/s，適用的 范圍0.0020.23m/s，適用的液-固兩相淤漿中液相含率 的范圍為0.9030.988。,式中:L0為靜止床層高度;床層顆粒群中顆粒的受阻沉降速度uts :,（9-47）,淤漿鼓泡床中固體顆粒的平均濃度 ，kg/m3，,（9-48）,3. 固相軸向沉降及顆粒密度分布,9.1 氣-液-固三相反應(yīng)器的類型及宏觀反應(yīng)動力學(xué),9.2 三相滴流床反應(yīng)器,9.3 機(jī)械攪拌鼓泡懸浮三相反應(yīng)器,9.4 鼓泡淤漿床反應(yīng)床,9.7 壓力對三相懸浮床反應(yīng)器操作性能的影響,9.5 氣-液并流向上三相流化床反應(yīng)器,9.6 三相懸浮床中的相混合,9.8 氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,9.9 討論與分析,Idogawa等研究了加壓下空氣-水系統(tǒng)氣-液鼓泡床中氣泡的性質(zhì)，加壓下氣體和液體的性質(zhì)對于氣泡的影響。,（9-49）,一. 對氣含率、氣泡直徑及氣-液相界面積的影響,根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)，Idogawa等獲得了下列關(guān)聯(lián)式：,（9-50）,Jiang等：研究了0.121MPa下氣-液鼓泡塔中氣泡大小及其分布。實(shí)驗表明：壓力增加，氣泡尺寸變小，分布變窄而氣含率增加。,Wilkinson等：研究了氣體密度 對內(nèi)徑16cm氣-液鼓泡塔中氣含率的影響。,（9-51）,一. 對氣含率、氣泡直徑及氣-液相界面積的影響,根據(jù)三相床氣-液相界面積 ，提出加壓下氣-液相界面積ap可由常壓下氣-液相界面積a0按下式計算：,式中： 與 分別表示加壓和常壓下的氣含率。 和 分別為同一種氣體加壓和常壓下的密度。,Wilkinson等根據(jù)壓力0.11.5MPa，表觀氣速0.020.1m/s，氣-液鼓泡床中氣泡Sauter平均直徑的實(shí)驗，獲得以下關(guān)聯(lián)式,（9-52）,一. 對氣含率、氣泡直徑及氣-液相界面積的影響,上式表明，氣泡平均直徑 與氣體密度的關(guān)系呈-0.11次冪，或氣體密度增加十倍，氣泡平均直徑減小30。,Krishna和Wilkinson等研究了壓力及氣體密度對氣-液鼓泡塔中流型轉(zhuǎn)變的影響。 壓力增加，延緩了流型由安靜鼓泡區(qū)向湍流鼓泡區(qū)過渡。 在安靜鼓泡區(qū)，氣含率與表觀氣速呈線性關(guān)系，一直到流型轉(zhuǎn)變。在安靜鼓泡區(qū)，氣泡尺寸小，并且在大直徑的氣-液鼓泡床中呈現(xiàn)寬的停留時間分布和返混性質(zhì)。 在湍流鼓泡區(qū)，超過流型轉(zhuǎn)變值 相對應(yīng)的氣含率 中 的氣體形成大尺寸的氣泡并且以平推流型快速上升。,二. 對流型轉(zhuǎn)變的影響,Wilkinson等用亞硫酸鹽氧化法研究了加壓下液相鼓泡床中的液相容積傳質(zhì)系數(shù) kLa：,（9-53）,結(jié)果: 在實(shí)驗范圍內(nèi)， a 和 kLaL 均隨壓力和表觀氣速增加，但 kL 幾乎保持恒定不變。因此可在常壓下研究待測系統(tǒng)的 kL 值，而 kLaL 值由操作條件對a的影響確定。,三. 壓力及氣體密度對氣-液傳質(zhì)系數(shù)的影響,Dewes等：在0.10.8MPa，用亞硫酸鹽氧化法研究了三相床中氣體密度對氣-液相界面積a、kL、kLaL的影響。,Wilhnson等研究了氣-液鼓泡塔中壓力對液相軸向混合彌散系數(shù)ELZB的影響。,（9-54）,四. 壓力對氣-液鼓泡床液相軸向返混的影響,式中：0.1MPap1.5MPa，0.02m/sug0.20m/s，使用NaCl溶液作示蹤劑。,結(jié)果：加壓下液相軸向混合擴(kuò)散系數(shù)ELZB,p與常壓下ELZB,o之比近似地與常壓下液相分率 與加壓下液相分率 之比呈反比。,9.1 氣-液-固三相反應(yīng)器的類型及宏觀反應(yīng)動力學(xué),9.2 三相滴流床反應(yīng)器,9.3 機(jī)械攪拌鼓泡懸浮三相反應(yīng)器,9.4 鼓泡淤漿床反應(yīng)床,9.7 壓力對三相懸浮床反應(yīng)器操作性能的影響,9.5 氣-液并流向上三相流化床反應(yīng)器,9.6 三相懸浮床中的相混合,9.8 氣-液-固三相懸浮床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,9.9 討論與分析,在研究了氣-液-固三相懸浮床的流體力學(xué)、傳質(zhì)、傳熱、液相及氣相的返混和固相沉降等方面的基礎(chǔ)上，眾多科研工作者提出了三相反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型。,（9-55）,一. 三相懸浮床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,氣相：,液相：,（9-56）,（9-57）,（9-59）,式中： 是單位質(zhì)量催化劑上本征反應(yīng)速率，cs 是三相床中催化劑的濃度，g/cm3。若固相中催化劑為細(xì)顆粒，可不計人內(nèi)擴(kuò)散過程的影響，則 =1。若不計人軸向熱彌散過程，則淤漿相,固相：,（9-58）,（9-60）,式中：KH 是三相床與傳熱介質(zhì)問的傳熱總系數(shù)， SH 是傳熱比表面積，T 和 TH分別是三相床和傳熱介質(zhì)的溫度。,一. 三相懸浮床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,（9-61）,三相反應(yīng)器為液相不流動半間歇操作的鼓泡淤漿反應(yīng)器。,一. 三相懸浮床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,催化劑的軸向顆粒濃度 cs 分布：,上述方程在不同的情況下，可以有不同的簡化: 如不計入氣相軸向混合，稱為氣相平推流模型，即PFM ； 若計入氣相和液相軸向混合，稱為軸向擴(kuò)散模型，即ADM ； 若液相作全混流型，稱為連續(xù)攪拌槽模型，即CSTR ； 若計入催化劑的軸向顆粒濃度分布，稱為沉降擴(kuò)散模型，即SDM 。,二. 鼓泡三相淤漿床甲醇合成的數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗驗證,0.2m鼓泡淤漿反應(yīng)器甲醇合成的數(shù)學(xué)模擬與實(shí)驗驗證,1.熱模實(shí)驗流程及三相淤漿鼓泡床反應(yīng)器,2. 鼓泡淤漿反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,模型假定: 反應(yīng)器內(nèi)總壓不變，由于反應(yīng)器床層高度較低，且反應(yīng)壓力較高，因此不考慮靜壓的變化； 床層溫度均勻，在高空速和原料氣充分預(yù)熱下，床層可視為等溫， 0.2m鼓泡淤漿反應(yīng)器熱模試驗的軸向溫度實(shí)測結(jié)果也表明這一假定是合理的； 熱模反應(yīng)器內(nèi)徑0.2m，靜止液層高度3.87m，淤漿床高徑比20，假定氣相為平推流是合理的； 液相存在軸向返混，采用軸向彌散模型描述液相的返混過程； 催化劑顆粒很小，液-固之間傳質(zhì)阻力忽略不計，催化劑的內(nèi)擴(kuò)散過程阻力也不計； 所用液相熱載體不吸附在甲醇合成銅基催化劑表面上，催化劑上甲醇合成本征動力學(xué)模型采用氣-固相本征動力學(xué)模型； 所有氣體組分均難溶于醫(yī)用液體石蠟，氣膜傳質(zhì)阻力可不計； 用固相沉降模型處理催化劑的軸向分布； 流體的性質(zhì)，如氣含率、傳質(zhì)系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等沿床層高度不變； CO+2H2 = CH30H，CO2+3H2CH30H+H20 為獨(dú)立反應(yīng)。,2. 鼓泡淤漿反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,基于以上假定，在定態(tài)條件下，分別對氣相、液相中的反應(yīng)組分和產(chǎn)物進(jìn)行物料衡算，可得下列描述半連續(xù)鼓泡淤漿反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型。,氣相中 j 組分的物料衡算:,j=H2、CO、CO2、CH30H、H20,液相中 j 組分的物料衡算:,i=1,2； j=H2、CO、CO2,i=1,2； j=CH30H、H20,邊界條件:,Z=0， ； Z=L，,2. 鼓泡淤漿反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型,鼓泡淤漿反應(yīng)器內(nèi)顆粒軸向濃度分布用Smith顆粒軸向沉降模