反應(yīng)器分析課程論文氣升式環(huán)流反應(yīng)器

1、華東理工大學(xué)20132014學(xué)年第一學(xué)期反應(yīng)器分析課程論文 2013.10班級_ 學(xué)號_ 姓名_開課學(xué)院_ 任課教師_成績_論文題目：論文要求：1、內(nèi)容要求與化學(xué)反應(yīng)過程及化學(xué)反應(yīng)器相關(guān)。2、字?jǐn)?shù)3000字以上，打印格式統(tǒng)一按學(xué)校要求。教師評語：教師簽字： 年 月 日氣升式環(huán)流反應(yīng)器的簡介和進展楊帆（華東理工大學(xué),上海,200237）摘要：綜述了氣升式環(huán)流反應(yīng)器的工作原理和主要影響因素的研究進展和最新應(yīng)用，并且介紹了今后氣升式環(huán)流反應(yīng)器的主要進展方向。關(guān)鍵詞：氣升式環(huán)流反應(yīng)器；原理；影響因素；最新進展氣升式環(huán)流反應(yīng)器(airlife loop reactor，簡稱alr)，是目前應(yīng)用最廣泛的生

2、物反應(yīng)設(shè)備。這類反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、剪切應(yīng)力小、混合好等優(yōu)點。氣升式環(huán)流反應(yīng)器對于反應(yīng)物之間的混合和傳質(zhì)都是相當(dāng)有利的。氣升式環(huán)流反應(yīng)器是由鼓泡反應(yīng)器改進而來的新型反應(yīng)器，它綜合了鼓泡床和攪拌釜的性能，與鼓泡床反應(yīng)器相比，環(huán)流反應(yīng)器具有液體定向流動的特點，在較低的表觀氣速之下即可以實現(xiàn)固體顆粒的完全懸浮，并且目前被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域諸如費托合成、一步法合成甲醇與二甲醚、汽油脫硫、重油氫化、生物廢水處理及發(fā)酵工程等。反應(yīng)器有多種形式，大致可以分為：內(nèi)環(huán)流和外環(huán)流，單級和多級，單筒和多桶等等。1氣升式環(huán)流反應(yīng)器的工作原理氣升式環(huán)流反應(yīng)器的構(gòu)造如圖1-1所示，在反應(yīng)器內(nèi)沒有攪拌器，其中央有一個導(dǎo)

3、流筒，將反應(yīng)器內(nèi)部的液體分成上升區(qū)（導(dǎo)流筒內(nèi)）和下降區(qū)（導(dǎo)流筒外），在上升去的下部安裝了很多的空氣噴嘴，或者環(huán)型氣體分布管，空氣分布管的下方許多噴孔。反應(yīng)器工作時，加壓空氣通過噴嘴或者噴孔噴射進入反應(yīng)器的上升區(qū)，噴射氣速可達250300m/s，氣體進入上升管后，通過汽液混合物的湍流作用使空氣氣泡分割細碎，形成巨大的接觸面積，與導(dǎo)流筒內(nèi)的液相或者液固混合物密切接觸從而充分反應(yīng)。由于導(dǎo)流筒內(nèi)形成的氣液混合物密度會降低，加上空氣被壓縮后的動能，因此會使得導(dǎo)流筒內(nèi)的液體向上流動；到達反應(yīng)器上部液面后，一部分氣生泡破碎，汽液混合物中的氣體排出到反應(yīng)器的上部空間，因排出部分氣體的液體通過導(dǎo)流筒上部向?qū)Я魍?/p>

4、外流動，導(dǎo)流筒外的液體因排出氣體后會變得氣含率減小，密度增大，所以在重力作用下液體會下降至反映其底部。在反應(yīng)器底部由于導(dǎo)流筒的內(nèi)的液體速度很大，會將氣含率小的液體吸入導(dǎo)流筒內(nèi)部再次進入上升管參與反應(yīng)，從而形成一個循環(huán)流動，實現(xiàn)混合與傳質(zhì)。圖 1-1氣升式環(huán)流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖2反應(yīng)器的氣液相特征參數(shù) 影響氣升式環(huán)流反應(yīng)器的特征參數(shù)一般有氣含率、循環(huán)液速、氣泡尺寸及其分布、擴散系數(shù)、傳質(zhì)特性等。2.1氣含率 氣含率是指在反應(yīng)器內(nèi)部氣相所占的體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)考察對象的不同氣含率又可以分為平均氣含率和局部氣含率，氣含率是氣升式環(huán)流反應(yīng)器的一個重要參數(shù)，其他的各種特性參數(shù)一般都是通過影響氣含率進一步影響反

5、應(yīng)器的特性的。氣含率對氣液相界面的面積有直接影響，并進而影響了相間傳質(zhì)速率。 氣含率的測量方法一般有膨脹法、壓差法、電導(dǎo)探頭法和光纖探頭法等，其中膨脹法一般用來測量全反應(yīng)器的平均氣含率，因其操作比較簡單而被經(jīng)常應(yīng)用。 氣含率一般來說受到表觀氣速的影響很大，氣速較低時氣含率隨著表觀氣速的增加而增加，近似呈線性關(guān)系；但是氣速較高時，增加的趨勢變得平穩(wěn)緩慢，其關(guān)系見圖2-1。氣含率還受到液體本身粘度和表面張力的影響，液體粘度增加，氣泡的破碎速率降低，氣泡尺寸變大，上升速度加快，使得氣含率降低；表面張力的增加，氣泡的聚并速率上升，破碎的速率降低，氣泡尺寸變大，所以氣含率隨著表面張力的增加而降低。另外，

6、壓力增加，氣泡破碎所需要的能量降低，使得氣泡的尺寸變小，所以氣含率隨著系統(tǒng)壓力的增加而增加。圖2-1 氣含率隨表觀氣速變化關(guān)系2.2循環(huán)液速 循環(huán)液速是由于上升管和下降管間的氣含率不同造成的液體密度不同所致，但是循環(huán)液速又對氣含率有著重要的反作用。循環(huán)液速增加，反應(yīng)器內(nèi)部的液體流動加劇，湍動程度增加，加快了氣泡的表面更新速率，有利于氣液兩相之間的傳質(zhì)的進行，強化了能量和質(zhì)量的傳遞。對于含有氣液固三相的氣升式環(huán)流反應(yīng)器，循環(huán)液速增加，會使得反應(yīng)器內(nèi)部的固體催化劑顆粒的分布變得更加均勻，改善三相之間的傳質(zhì)。 循環(huán)液速的影響因素主要有表觀氣速、液相物性和反應(yīng)器尺寸等。表觀氣速增加，氣含率上升，上升管

7、和下降管間的推動力變大，循環(huán)液速就會隨之增加；液相粘度增加，液體的循環(huán)阻力增加，且氣含率的下降，推動力降低，所以循環(huán)液速隨液相粘度的增加而降低；下降管截面積增加，反應(yīng)器內(nèi)液體的循環(huán)阻力降低，循環(huán)液速升高；固體加入后，液-固擬均相的粘度增加，流動阻力變大，循環(huán)液速降低。系統(tǒng)壓力增加，氣含率增加，而液相物理性質(zhì)隨壓力變化很小，故循環(huán)液速變大。雖然許多研究人員對循環(huán)液速與各操作條件的變化關(guān)系進行了廣泛的研究，并且得出的定性關(guān)系大致相同，但循環(huán)液速與各操作條件間的定量關(guān)系目前還沒有統(tǒng)一的認識，需要更進一步的研究和探索。2.3氣泡尺寸及其分布 氣泡尺寸及其分布決定了氣-液相的接觸面積以及氣泡在床層中受到

8、的阻力，阻力會影響氣泡在床層內(nèi)部的停留時間，因此對氣液間的傳質(zhì)速率有著重要的影響。氣泡的尺寸和分布是環(huán)流反應(yīng)器的重要研究內(nèi)容。衡量氣泡尺寸的主要指標(biāo)是sauer直徑，其表達式為：公式的含義是將氣泡分為不同的級別，為第個級別的氣泡直徑，而為第個級別氣泡的數(shù)量。 氣泡尺寸及其分布的主要影響因素有表觀氣速、液相物性和反應(yīng)器的尺寸等。觀氣速增加，氣泡的空間密度上升，氣泡的聚并速率加快，氣泡尺寸變大；粘度增加，氣泡的破碎速率變慢，使得氣泡尺寸增加；表面張力增加，氣泡的聚并速率加快，破碎速度變小，氣泡尺寸相應(yīng)變大；壓力增加，氣泡內(nèi)外的相對壓力變小，氣泡破碎所需克服的能量變小，氣泡破碎速度變大，使氣泡尺寸減

9、小。2.4擴散系數(shù) 環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)部的傳質(zhì)包括氣液相之間的傳質(zhì)和液體內(nèi)部的傳質(zhì)兩部分，為了對這兩種行為進行區(qū)分，人們一般將液體內(nèi)部之間發(fā)生的傳質(zhì)行為成為擴散，而將氣液兩相之間的傳質(zhì)行為稱作傳質(zhì)。環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)的液相的擴散行為與反應(yīng)器的形式和氣液相之間的流動方式密切相關(guān)而液相混合又直接關(guān)系到氣液相界面?zhèn)鬟f的物質(zhì)能否快速進入液相深內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)。工業(yè)上經(jīng)常使用軸向返混模型或者peclet準(zhǔn)數(shù)去描述反應(yīng)器的混合行為，并且采用脈沖法來測定反應(yīng)器內(nèi)部的停留時間分布，得到返混的模型。2.5傳質(zhì)特性 傳質(zhì)特性是指氣體向液相內(nèi)部擴散的擴散速率，具體的傳質(zhì)速率可以表示為：其中k表示傳質(zhì)速度，kl表示傳質(zhì)速率系數(shù)，兩個

10、濃度分別是相際接觸表面的平衡濃度和液相主體的濃度，是傳質(zhì)的推動力。k作為氣升式環(huán)流反應(yīng)器的最重要傳質(zhì)性能參數(shù)，也是反應(yīng)器放大的重要依據(jù)。 研究表明，液相的湍動程度增加可以是傳質(zhì)系數(shù)變大，從而增加傳質(zhì)速率，而濃度主要是收到了氣液兩相性質(zhì)的影響，跟粘度也有關(guān)系。3反應(yīng)器的設(shè)備參數(shù) 反應(yīng)器的設(shè)備參數(shù)主要有高徑比、氣體分布器、氣液分離器和其他內(nèi)件的數(shù)據(jù)。3.1高徑比 對于改進型方圓氣升式反應(yīng)器，氣含率、液體循環(huán)速度和混合時間隨升氣管的高度與升氣管直徑之比及升氣管和降液管的截面積之比不同而變化。在實驗范圍內(nèi)，高徑比為11.2及升氣管和降液管的截面積之比為0.695時，流體力學(xué)性能較好。另外也有學(xué)者研究了

11、高徑比對外環(huán)流氣升式反應(yīng)器性能的影響，結(jié)果也存在一個最佳的高徑比 。較多研究結(jié)果表明氣升式環(huán)流反應(yīng)器的最佳高徑比在1014左右。3.2氣體分布器 氣體分布器對alr的影響取決于流體的流型和物性。當(dāng)流動形態(tài)為鼓泡時，氣泡的大小由分布器的孔徑和氣速決定。氣含率隨著氣速的增加幾乎呈線性，同一氣速下，小孔徑分布器的氣含率和傳質(zhì)速率大于大孔徑的氣含率和傳質(zhì)速率。在不均勻湍動的流動下，湍動控制著流體動力學(xué)的行為，氣泡的大小并不受到分布器和噴嘴的影響。3.3氣液分離器 氣液分離器能夠顯著的影響氣體再循環(huán)的速度，今兒影響氣升式反應(yīng)器總的流體力學(xué)與傳質(zhì)性能。有氣液分離器的alr中降液管的氣含率和氣體再循環(huán)量減少

12、，但是液體的循環(huán)速度、湍流強度增強，相對于沒有氣液分離器的alr，總氣含率和氣體再循環(huán)量都比較大，操作時易不穩(wěn)定。4氣升式環(huán)流反應(yīng)器研究進展 目前氣升式反應(yīng)器的研究與開發(fā)越來越深入，已進入光化學(xué)、聲化學(xué)等高能化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域。4.1氣升式光化學(xué)反應(yīng)器 新開發(fā)的氣升式光生物反應(yīng)器能較好的移除光合成氧，可用來培養(yǎng)需光的有機物。sanchez miron等研究了工作體積均為 0.06m3、用于海藻培養(yǎng)的鼓泡塔與氣升式光生物反應(yīng)器，測定并關(guān)聯(lián)了水力學(xué)性能及總氣液傳質(zhì)系數(shù)。 merchuke等研究了紅微藻在3種13dm3生物反應(yīng)器（鼓泡塔、氣升式反應(yīng)器、改進的具有螺旋流促進器氣升式超聲反應(yīng)器）內(nèi)的生長，光流

13、密度為250mue/m2，實驗結(jié)果表明第 種結(jié)構(gòu)的氣升式反應(yīng)器需要較少的氣體量。4.2氣升式化學(xué)反應(yīng)器利用氣升式超聲反應(yīng)器破碎海帶提取硫酸酯多糖。在相同實驗條件下，使用超聲波的硫酸酯多糖提取率為1.86%，遠大于無超聲波的提取率1.11%，且提取時間由3h縮短到25min。5結(jié)語氣升式環(huán)流反應(yīng)器正在以其獨特的力學(xué)性能和汽液傳質(zhì)的優(yōu)點被越來越廣泛的推廣于生物反應(yīng)器和化工反應(yīng)器，目前已從 的基礎(chǔ)理論研究轉(zhuǎn)向應(yīng)用研發(fā)及開發(fā)新的高能氣升式反應(yīng)器。國內(nèi)對氣升式反應(yīng)器的研究、應(yīng)用正在逐步趕上國際水平。但由于實際應(yīng)用反應(yīng)體系的復(fù)雜性與多樣性，且在氣升式反應(yīng)器中流體力學(xué)與傳質(zhì)的復(fù)雜性，所以今后仍需要對氣升式環(huán)

14、流反應(yīng)器進行更詳細的理論研究。待添加的隱藏文字內(nèi)容1參考文獻1 湯立新，呂效平，孔黎明.氣升式環(huán)流反應(yīng)器研究與應(yīng)用進展j.chemical industry and engineering pregress，2002，21(11)：814-819.2 張同旺，靳海波，何廣湘.采用壓力傳感技術(shù)測量鼓泡床中的流體力學(xué)j.化工學(xué)報，2004,55(2)：476-480.3 zhang t w，wang j f，luo z，et al. spatial profiles of gas-holdup in a novel internal-loop airlift reactorj. studies i

15、n surface science and catalysis，2006，159:521-5244 couvert a，roustan m，chatellier p.two-phase hydrodynamic study of a rectangular air-lift loop reactors with an internal bafflej. chemical engineering science，1999，54(21)：5 245-5 252.5 freitas c，flalova m，zahradnik j，et al.hydrodynamics of a three-phase external-loop airlift bioreactorj.chemical engineering science，2000，55:4 961-4 972.6 張同旺，高繼賢，王鐵峰，等.三相環(huán)流反應(yīng)器中的局部相含率j.過程工程學(xué)報，2005，