第二章(1)氣液固三相滴流床反應器2

1、LOGO滴流床三相反應器 v 滴流床反應器的定義： 液體向下流動，以一種很薄的液膜形式通過固體催化劑。 氣體以連續(xù)相以并流或逆流流動(通常是氣流和液流并流向下流動)，這種反應器對石油加工中的加氫反應特別有利。 滴流床反應器的優(yōu)點： 在平推流下操作，可獲得較高轉化率。 液固比很小，可使均相反應的影響降至最低。 液層很薄，使總的液層阻力比其它類型的三相反應器要小。 并流操作不存在液泛問題。 壓降比鼓泡反應器小。v 滴流床反應器的缺點 在大型滴流床反應器中，低液速操作時液流徑向分布不均勻。如溝流，旁路可能引起固體催化劑濕潤不完全，并引起徑向溫度不均勻，形成局部過熱，使催化劑迅速失活并使液層過量氣化。

2、 催化劑顆粒不能太小，而大顆粒催化劑存在明顯的內(nèi)擴散影響，組分在液相中的擴散系數(shù)比在氣體中的擴散系數(shù)低許多倍，催化劑孔隙中充滿著液相，內(nèi)擴散的影響比氣-固相反應器更為嚴重。氣、液并流向下通過固定床的流體力氣、液并流向下通過固定床的流體力學學v2.2.2.2.1.1 1 流動狀態(tài)流動狀態(tài)氣、液并流向下固氣、液并流向下固定床定床,根據(jù)床內(nèi)氣體根據(jù)床內(nèi)氣體和液體的流動狀態(tài)，和液體的流動狀態(tài)，可以分為穩(wěn)定流動可以分為穩(wěn)定流動滴流區(qū)、脈沖流動滴流區(qū)、脈沖流動區(qū)和分散鼓泡區(qū)，區(qū)和分散鼓泡區(qū)，如圖如圖23所示。所示。 (1)氣液穩(wěn)定流動滴流區(qū) 當氣速較低時，液體在顆粒表面形成滯流液膜，氣相為連續(xù)相，這時的流

3、動狀態(tài)稱為“滴流狀”。當氣速增加時，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”。 滴流與噴射流的轉變不明顯，噴射時氣相仍為連續(xù)相。 (2)過渡流動區(qū) 繼續(xù)提高氣體流速，就進入過渡區(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)流動既不完全是噴射流，又不完全是脈沖流，兩者交替并存。v(3)脈沖流動區(qū) 隨著氣速進一步增大，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。當液體流速增加時，脈沖頻率也增加。v(4)分散鼓泡區(qū) 若再增大氣速，各脈沖間的界限變得不易區(qū)分，達到一定程度后

4、，形成分散鼓泡區(qū)。這時液相成為連續(xù)相，氣體則成氣泡狀，形成分散相。形成不同區(qū)域的最大氣速與液體流速有關。液體流速越大，越易形成脈沖區(qū)與鼓泡區(qū)。2.2.1.2 壓降和壓降和持液量持液量 1/31ln0078. 0ln0021. 0ln13496. 7ln232GGLGpLGLGVZPdfZZZf摩擦因子v 滴流床反應器的主要設計參數(shù)是壓降和持液量。壓降大小關系到反應器的動力消耗，而持液量決定了液相反應物的停留時間和平均膜厚，是求取物料轉化率的一個重要因素；壓降和持液量也是用來關聯(lián)氣-液和固-液傳質系數(shù)的參數(shù)。v 由于滴流床中兩相流動的行為十分復雜，只提出幾個經(jīng)驗和半經(jīng)驗關聯(lián)式： Turpin和H

5、untington關聯(lián)式 根據(jù)摩擦因子概念，對7.5-8.1mm管狀氧化鋁顆粒提出壓降經(jīng)驗式500Z0.2Re/Re767. 0157. 1式中：LGZ2000Re10Re295. 1L044. 0675. 0式中：pLLDdaGaH對于球形顆粒，關聯(lián)變量為Otake和Okada關聯(lián)式 以6.4-22mm的大玻璃球為填料，所得經(jīng)驗式為16Re81004/13/1LLLDAuH式中：76. 0Re0045. 0LDHSatterfield和Way關聯(lián)式 以3mm玻璃球，1.68mm和3.23.2mm柱形二氧化硅-三氧化二鋁催化劑為基礎進行實驗得到動態(tài)持液量和液體表觀速度和粘度的關聯(lián)式：A是無因次

6、參數(shù)，是由每一種顆粒的持液量數(shù)據(jù)來測定的，可用于顆粒小于30-43mm的多孔和無孔的固體顆粒。Hochman和Effron關聯(lián)式 以4.8mm玻璃珠為填料所得關聯(lián)式為：300Re3 . 0/Re86. 3/65. 042. 0*55. 023*LpvLLDLLGLLpLdaGaHZPgdGa得到的關聯(lián)式為：Specchia和Baldi關聯(lián)式 以空氣-水為體系，粒度為6.0mm的玻璃珠，5.45.4mm和2.72.7mm的玻璃珠為填料，引出一個新的Galileo準數(shù)，即 式中關聯(lián)式是否適用于小顆粒床層還有待于進一步研究。v小顆粒床層壓降隨氣體流速的增加而增加，隨顆粒的幾何外表面積的增加而增加，而

7、與液體流率關系甚小，但與顆粒的材質有關。v小顆粒床層的動態(tài)持液量隨液體流率增加而增加，隨粒度的減小而增加，但與氣體流率及顆粒材質關系不大。v滴流床反應器的壓降主要由下列因素引起：氣液、液固、氣固界面間的流體粘性力；流體的加速、減速引起的慣性力,氣體、液體的局部速度波動造成的湍動；毛細管力, 發(fā)泡液體尤其顯著；重力。 這些力的相對大小與流型有關, 在高相互作用區(qū), 壓降主要由氣液流動的慣性力決定。在低相互作用區(qū), 則主要由粘性力和毛細管力決定。v持液量分內(nèi)持液量持液量分內(nèi)持液量 , ,靜持液量靜持液量 和動持量和動持量 ，以單位床層體積中液體的分率計。以單位床層體積中液體的分率計。v內(nèi)持液量是顆

8、?？紫秲?nèi)的持液量，顆粒的孔隙率內(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)持液量一般為越大，則內(nèi)持液量越大，內(nèi)持液量一般為0.30.5；v靜持液量是液體不流動時，潤濕顆粒間的持液量。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靜持液量與顆粒的比外表面積和表面粗糙程度有關，顆粒的直徑越小，比外表面積越大，靜持液關，顆粒的直徑越小，比外表面積越大，靜持液量也越大；表面越粗糙，靜持液量也越大，靜持量也越大；表面越粗糙，靜持液量也越大，靜持液量一般為液量一般為0.020.06。120223540087.LLp.LpLLdgddu.h 動持

9、液量是氣、液流動穩(wěn)定后，同時關閉氣、液進口閥，在出口處收集到的床層流出的液流量。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，進行動持液量的測定，回歸得到以下關聯(lián)式：相對誤差在土相對誤差在土20以內(nèi)。上式適用于發(fā)泡和不發(fā)泡系以內(nèi)。上式適用于發(fā)泡和不發(fā)泡系統(tǒng)，顆粒有無孔隙和液體表面張力對動持液量的影響統(tǒng)，顆粒有無孔隙和液體表面張力對動持液量的影響都不大。都不大。v上式適用范圍為上式適用范圍為v液體的表面張力液體的表面張力 (2875)X105 Ncmv顆粒為球形，有孔或無孔，流動區(qū)為滴流區(qū)。顆粒為球形，有孔或無孔，流動區(qū)為滴流區(qū)。v在常壓在常壓6

10、MPa下，動持液量隨液體流率增加而增下，動持液量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。力增加而加大，但壓力增加到一定程度反而減小。1705 duReLpLLL L 64223107109 gdGLLpa 2.2.1.3 外部有效潤濕率外部有效潤濕率 在滴流床中，固體催化劑的潤濕很重要。 液體分布系統(tǒng)設計不良時，催化劑顆粒和流動液相之間的接觸是不完全的，當液體負荷低時更是如此。大部分液體沿著反應器壁向下流動，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

11、成了液、固之間的接觸效率。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狀態(tài)液囊所覆蓋，如圖2-4。顯見，液囊區(qū)的傳質效率遠低于流動液膜區(qū)。圖圖2-4 催化劑顆粒間的液囊和流動膜催化劑顆粒間的液囊和流動膜采用多孔固體催化劑時，可以定義兩種潤濕率： （1）內(nèi)部潤濕或空隙充滿率。即在催化劑孔道內(nèi)充滿液體，這能衡量可利用于反應的潛在內(nèi)部活性表面。由于催化劑內(nèi)部孔道的毛細管作用，內(nèi)部潤濕通常是完全的。（2）外部有效潤濕率。即顆粒與液體有效接觸的外部面積。幾乎顆粒內(nèi)部液體和流動液體之間所有的質量交換都要通過這個面積。外部有效潤濕率不同于物理的外部潤濕，因為與顆粒接觸的半停滯的液囊區(qū)域對傳質的貢獻

12、很小。氣速和液速對外部有效潤濕率的影響尚待進一步研究，液體的表面張力較小或粘度較高會增加外部有效潤濕率。動態(tài)滯液量越高，外部潤濕率越高。2.2.1.4 滴流床反應器內(nèi)液體分布滴流床反應器內(nèi)液體分布v床層中液體分布狀況是滴流床反應器的重要特性參數(shù)之一，工業(yè)反應器對液體分布非常敏感，液體分布不均會引起催化劑濕潤不完全，在床層中形成溝流和熱點等，會降低催化劑的利用效率，縮短使用壽命，并導致產(chǎn)品性質變差。v影響液體分布的因素主要有：液體預分布狀況，氣/液操作速度，液體性質，催化劑顆粒形狀，床層直徑與顆粒直徑之比值以及固體顆粒和反應器材料的潤濕性能等。v 為獲得較好的液體分布，催化劑裝填表面應盡可能保持

13、平整，避免填料表面為凹面和凸面。 進料方式對液體分布影響很大，均勻進料在很小的床層高度內(nèi)就達到了平衡分布，而點源進料則要經(jīng)過相當長的一段距離才能達到平衡分布。 反應器直徑與填料直徑的比值對液體分布影響很大。為了克服壁效應，必須要有一定的D/dp值，試驗結果表明該值為20左右。 點源進料下，反應器直徑對達到平衡分布所需的床層高度影響很大。在其它條件相同的情況下，隨著反應器的內(nèi)徑的加大，達到平衡分布所需的床層高度也增大。 表面張力的降低明顯減少壁流量從而改善液體分布，但粘度的提高對液體分布沒有明顯影響。反應器內(nèi)要保證一定的表觀液速才能有均勻的液體分布；但提高氣體流速對液體分布沒有明顯影響。2.2.

14、1.5 脈沖流流體力學脈沖流流體力學v 滴流床反應器內(nèi)氣液兩相一般并流向下流過固體填料床層。氣液流率足夠高時反應器內(nèi)周期性地通過富液和富氣脈沖柱(liquid-rich slug and gas-rich slug) 稱為脈沖流。對操作在脈沖流流型下的滴流床反應器內(nèi)脈沖特性如富液或富氣脈沖內(nèi)持液量，氣液速度及柱長度的預測對反應器設計和放大以及反應器的操作特性評估具有重要意義。v 氣液流率足夠大時，流道的堵塞引發(fā)脈沖發(fā)生，脈沖流型式下氣液兩相競爭性地通過填料層。Blok認為脈沖流下富氣脈沖柱內(nèi)的兩相流體流動與滴流型式相似，其中氣體為連續(xù)相，氣液間相互作用微弱；富液脈沖柱內(nèi)與鼓泡流型式相似，液體為

15、連續(xù)相。富液脈沖內(nèi)含有一定量的氣泡，且因為氣體速度大于周圍液體速度，氣泡將穿過富液脈沖柱進入前面的富氣脈沖柱。v滴流床反應器內(nèi)脈沖流下的流體流動有如下幾個特征:在一個脈沖內(nèi)，兩相壓力降主要集中在富液脈沖柱兩端，這是因為富液脈沖內(nèi)液相造成流道堵塞，使氣體在其后部累積而使壓力升高，并推動液體脈沖沿反應器下流和克服由此產(chǎn)生的流動阻力，此壓力降使氣泡可能穿過富液脈沖柱進入前面富氣脈沖柱內(nèi)；富液脈沖內(nèi)存在一定量的氣泡；富氣脈沖柱內(nèi)氣液兩相間相互作用較弱，其中液體流動的主要動力是液體自身重力，類似于滴流型式。3324. 005666. 012101.1298. 1ReRe3242. 11004. 2113

16、. 5505. 2668.1710864. 01575. 1glgggsaUUfUuuu流體力學實驗測量得到的脈沖特性參數(shù)如脈沖速度usa,脈沖頻率和持液量都是時間空間平均量。v 表觀脈沖速度是富液脈沖內(nèi)速度較高的液體與從前面富氣脈沖內(nèi)卷吸到的低速液體間混合表現(xiàn)出的液體脈沖速度：氣體脈沖在下移過程中維持長度不變。隨著液體流率的增加，ls,lp均減小，但ls隨氣體流率增加而減小,而氣體流率增加對lp影響不明顯。除富氣脈沖內(nèi)的液體流速受氣液流率影響很小外，其余流體運動速度均隨氣液流率增加而增加。2.2.1.6 滴流床反應器的流體力學模型滴流床反應器的流體力學模型v 滴流床反應器的流體力學模型一般分

17、為機理模型和停留時間分布(RTD)模型。 機理模型 由于滴流床內(nèi)填料結構的復雜性，研究流動等基本規(guī)律的方程和定解條件相當復雜。通過對流體流動的物理過程的簡化，曾提出了毛細管模型、縮頸管模型、幾何交互作用模型等。毛細管模型是將流體流經(jīng)填料層時的流道看成直管；縮頸管模型認為流道是截面不斷周期性變化的圓管；幾何交互作用模型則是在毛細管模型的基礎上將流道內(nèi)氣液相所占的截面積和體積分數(shù)等參數(shù)由實驗求得。實際上，滴流床反應器的填料有較大隨機性，與填料形狀及大小有關。因此，要求得實際流動模型，必須對填料的填充情況作合乎實際的描述。 RTD模型 氣相RTD模型 由于滴流床反應器中最常用的氣體的溶解度很小，氣相

18、組分的消耗率相對于其流速而言是很低的, 因此, 它的濃度沿整個反應床層變化不大, 可以認為氣相處于活塞流狀態(tài)。 液相RTD模型 RTD模型是以活塞流和全混流為基礎的，可分為微分模型和逐級RTD模型。流體的RTD曲線在一定程度上反映了流體流動的性質，通過對RTD曲線的模擬可以確定實際流動偏離理想流動的程度。機理模型和RTD模型是互相補充的，一方面通過機理模型對RTD模型的參數(shù)解釋，另一方面RTD模型對流體流動形式進行更準確的描述。M.Crine用機理模型和RTD模型來描述滴流床反應器內(nèi)液體的流動情況。2.2.1.8滴流床反應器的流體力學滯后滴流床反應器的流體力學滯后現(xiàn)象現(xiàn)象v在滴流區(qū), 當氣液流

19、速一定時, 床層壓降、持液量并不是唯一的確定值, 即滴流床中存在流體力學狀態(tài)的多重性, 也稱流體力學滯后現(xiàn)象。在小顆粒滴流床反應器中尤為明顯。 流體力學滯后現(xiàn)象還影響滴流區(qū)向脈沖區(qū)的轉變,Levec等的實驗結果還表明, 當氣速一定時, 增加液速比減小液速需要更高的流速才能發(fā)生滴流區(qū)向脈沖區(qū)的轉變。待液量越大脈沖越早出現(xiàn)。脈沖一旦出現(xiàn), 填料完全潤濕, 流體力學狀態(tài)多重性也就消失。2.2.1.9操作壓力對滴流床流體力學狀操作壓力對滴流床流體力學狀態(tài)的影響態(tài)的影響v操作壓力對流型過渡的彩響 因為滴流床反應器一般在滴流區(qū)和脈沖區(qū)操作, 所以通常只討論壓力對滴流區(qū)向脈沖區(qū)轉變的影響。對恒定的氣體流速,

20、 升高壓力的結果必然要求增大液體流速才能達到由滴流區(qū)向脈沖區(qū)的轉變。Wammes的研究結果表明，在一定的表觀氣液流速下壓力升高, 由于氣相密度的增加使得床層壓降增大, 進而導致液相推動力的增加, 從而使動持液量減小, 流型轉變的平均液膜厚度減小, 液膜難以破裂形成脈沖。v 操作壓力對持液量和床層壓降的影響 Wammes等認為靜持液量與壓力無關, 而氣體密度和反應器壓力對動持液量的影響可用床層壓降即氣液界面上的曳力來解釋。當氣體質量流速一定時, 持液量隨壓力的增加而增加, 而當氣體表觀流速一定, 氣體密度和壓力增力寸, 床層壓降增加, 液體流動的推動力增大, 動持液量則減小。若氣夜表觀流速一定,

21、 在相同的氣體密度下流體力學狀態(tài)也相同。當表觀氣液流速一定時, 壓力增加意味著氣相質量流率增加, 因而床層壓降增大。在一定的氣液相質量流率下, 壓力增加時表觀氣速減小, 床層壓降也降低。 Larachi等發(fā)現(xiàn)在脈沖區(qū)高壓下發(fā)泡體系的床層壓降遠大于非發(fā)泡體系的床層壓降, 并提出了具有較寬適用范圍的床層降和總持液量的經(jīng)驗關聯(lián)式。v 操作壓力對氣液接觸面積的影響 Wammes和Larachi研究結果表明，在一定的氣液相質量流率下, 相界面積隨壓力增加而減小。當表觀氣速(大于0.02m/s)和液體質量流率恒定時, 相界面積隨壓力和氣相密度的增加而增加。在滴流區(qū)，當g增加10倍時，相界面積是原來的2.5

22、倍，脈沖區(qū)內(nèi)壓力對相界面積的影響更大。當Ug小于0.02m/s時相界面積不隨壓力而變,可用常壓下的相界面積代替高壓下的。v 操作壓力對流體力學滯后現(xiàn)象的影響 Wammes等認為高壓操作下滴流床內(nèi)流體力學滯后現(xiàn)象不存在。壓降、持液量、流型轉變均與操作方式無關。在相同的氣體密度和液速下, 流體力學狀態(tài)相同。如果液相中有阻泡劑的存在, 則氣液相界面積、持液量、壓降等的滯后現(xiàn)象就會出現(xiàn), 這是由于阻泡齊改變了填料的表而自由能, 而填料的潤濕強烈取決于自由表面能。滴流床三相反應器中的傳遞過程滴流床三相反應器中的傳遞過程v 滴流狀態(tài)下氣液傳質系數(shù) 在低氣液作用的滴流狀態(tài)下，氣液相間傳質主要取決于液相流速，

23、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)下的氣相傳質系數(shù)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)，某些填充物的值見表21。是只有填充物時的干床層空隙率。22035. 0LLGGGGuuglPuk 表21 值 滴流狀態(tài)下的液相傳質系數(shù)滴流狀態(tài)下的液相傳質系數(shù)kL可用可用Gianetto等推薦等推薦的式子計算：的式子計算： 10305006802.LLeLLLuSglP.uk v 氣液總傳質系數(shù),隨著氣液速的增大而增大,其中液速對kG的影響要小于對kL影響, 而氣速對kG的影響較對kL則有所增大, 這是因為當有分壓時存有氣膜傳質阻力, 增加了氣體速度

24、的影響。v 當氣速增大時,氣膜傳質阻力明顯增大;當液速增大時，kg也有所增加,但幅度較小。因此,氣速是氣膜傳質系數(shù)kg的主要影響因素。氣液速較小時,存在和不存在分壓時的總傳質系數(shù)相差極小。由于實驗誤差,使kg 計算結果出現(xiàn)負值,此誤差在實驗允許的10 %之內(nèi)。在滴流床反應器氣- 液傳質中,液膜傳質系數(shù)隨著氣、液速的增大呈冪函數(shù)增長,其中液速對其影響較大;而氣膜傳質系數(shù)則主要受到氣速的控制,液速影響輻度較小v 滴流狀態(tài)下氣滴流狀態(tài)下氣液相間傳液相間傳質面積質面積可根據(jù)固體顆粒可根據(jù)固體顆粒的外表面積的外表面積Se由圖由圖2-5確確定。定。圖25 滴流狀態(tài)下氣液間傳質面積圖v滴流狀態(tài)下液固傳質系數(shù)

25、 液液固相間傳質系數(shù)可采用下式固相間傳質系數(shù)可采用下式: 式中：式中：DL組分在液相中的擴散系數(shù)。組分在液相中的擴散系數(shù)。 上式應用條件：上式應用條件：7031792.LeLL.LLLLpsSu.DDdk 20105400120063.SuReDSmmdLeLLLLLLcLp v 滴流床中的傳熱 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-固三相反應器的床層徑向有效導熱系數(shù) 為無氣液流動的靜床層徑向有效導熱系數(shù) 、氣流徑向混合有效導熱系數(shù) 和液相有效導熱系數(shù) 之和，即e 0)(e Ge)( Le)( LeGe

26、ee)()()( v上式又可進一步寫為： 和和 分別為氣相和液相的導熱系數(shù)分別為氣相和液相的導熱系數(shù)GG和和GL分別為氣相和液相的空塔質量流率，分別為氣相和液相的空塔質量流率，kg(m2s)CpG和和CpL分別為氣相和液相的比熱容，分別為氣相和液相的比熱容，J(kgK)AG和和AL為參數(shù)，為參數(shù)，AL值可用下式計算：值可用下式計算： LPLLpLLGGPGGpGLeLeCGdACGdA)( 0G L 87004101.LLLpLGd.A v式中: 為以床層為基準的荷液率。 值見表2-2。L G0A)(及及Le 表表22 值值（及及L0eG)A 滴流狀態(tài)下床層對器壁的熱導率滴流狀態(tài)下床層對器壁的

27、熱導率 的關聯(lián)式如下的關聯(lián)式如下:t 318900570 LLPL.LLLPLPcGd.d tLe 0)(GA2.2.3.4 滴流床非定態(tài)操作滴流床非定態(tài)操作v所謂非定態(tài)操作是指對某些反應體系, 通過人為地周期性改變操作條件、反應物流向等因素, 在非定態(tài)條件下操作反應器, 從而顯著改善反應器的時均性能。v脈沖流區(qū)是滴流床反應器(TBR)內(nèi)的氣液相強相互作用流區(qū)之一. Wu 等和Kouris 等采用建立了脈沖流操作的TBR數(shù)學模型, 指出脈沖流性質, 比如脈沖頻率能顯著影響反應的表觀速率和復雜反應的選擇性。Silveston 和Hanika評述了TBR 周期性操作的研究進展, 指出周期性操作方式

28、對外部傳質速率的強化作用, 可以提高反應器的時均性能。v脈沖流操作、周期性填充和周期性操作都是滴流床反應器的非定態(tài)操作模式. 由于填充方式和操作方式能對反應器性能產(chǎn)生顯著的影響, 比較研究其對反應器性能的影響對于反應器性能的強化和操作(或填充) 方式的選擇具有重要的意義。vLIU采用蒽醌加氫反應為探針研究了脈沖流操作、周期性填充和周期性操作3 種非定態(tài)操作形式對TBR 反應器性能的影響。為TBR 反應器性能的強化和操作(或填充) 方式的選擇提供了實驗基礎。v脈沖流的特征為富氣和富液脈沖交替通過催化劑床層, 該流區(qū)操作TBR 的催化劑潤濕率高, 流體徑向分布均勻, 相間傳質系數(shù)大。 由圖可知,

29、脈沖流操作TBR 的轉化率僅為滴流區(qū)操作1/ 3 , 但是質量空時收率卻比后者均高50%以上, 最高可達到95%。一般來說, 脈沖流操作的液相流量較大, 液膜厚度增加, 傳遞阻力增大. 但是, 富氣和富液脈沖交替通過催化劑床層周期性強化氣-固、液-固相間傳質系數(shù), 使反應更趨于動力學域。Tsochatzidis 等指出脈沖流區(qū)的氣液和液固傳遞系數(shù)為滴流區(qū)的4 倍以上,支持了上述推論。v 這種操作的缺點是: 脈沖流操作反應器單程轉化率下降, 則可以采用部分循環(huán)進料解決, 從而實現(xiàn)催化劑的有效利用和單程轉化率. 另外, 脈沖流操作TBR 的床層壓降大幅增大, 過程能耗增大也是其不足之處v周期性填充

30、 由于氣液質量傳遞對反應過程的限制, 因此,提高氣相組分在液相主體中的含量也是強化反應速率的一種途徑. Liu 和Mi提出采用高性能吸收填料與催化劑交替填充,周期性填充的催化劑質量空時收率均比傳統(tǒng)填充高40 %以上, 當采用高性能吸收填料時, 可高達90 %以上。 無論吸收段還是反應段的氫濃度明顯高于穩(wěn)態(tài)操作, 且當惰性吸收段對氣液傳質過程的強化作用大于其作為反應段的貢獻時, 可達到與穩(wěn)態(tài)操作相同轉化率. 盡管如此, 采用周期性填充的不足是, 用于強化吸收的惰性段占用了大量的反應器體積。v周期性操作 較高的催化劑表面氫濃度也有利于反應速率的提高。采用合理的周期性操作參數(shù), 可以實現(xiàn)對反應器性能

31、的強化。存在最優(yōu)的操作周期. 在操作周期恒定時, 隨進料時間占操作周期的比值的增大, 反應器性能變化趨勢略有不同, 但反應器性能均優(yōu)于穩(wěn)態(tài)操作。對于連串反應過程, 采用周期性操作能提高反應中間產(chǎn)物的選擇性達10 %以上。由于連串反應的自身特點, 周期性操作只能影響反應器內(nèi)流體的流動狀況來改善反應選擇性, 但最終仍然受制于反應的本征動力學v脈沖流操作TBR 能明顯提高反應器的質量空時收率, 這是由于該流區(qū)內(nèi)強烈的氣液相互作用提高了相間傳遞作用, 同時較高的液相流速也降低了反應的停留時間, 導致單程轉化率有所降低。v周期性填充能通過改善氣液質量傳遞速率, 來提高氣相傳質為控制步驟的反應速率. 添加

32、外置式靜態(tài)混合器的周期性填充能提高反應器性能和減少反應器體積, 值得進一步深入研究。v周期性操作既能消除反應過程的外部傳質阻力, 提高反應物的轉化率, 又能改善反應器內(nèi)流體力學狀況, 消除因為粒間靜態(tài)持液量對選擇性的不良影響。v與脈沖流操作可能帶來的較高的床層壓降和循環(huán)進料比、周期性填充需要添加靜態(tài)混合設備相比, 周期性操作不需對反應器進行改造, 且能同時提高過程的轉化率和選擇性, 是一種很有前途的操作方式。2.2.3.5 發(fā)泡流體的流體力學特性發(fā)泡流體的流體力學特性v選用過氧化氫生產(chǎn)用蒽醌工作液體系、在20mm,高650 mm 的玻璃柱上, 采用已建立的TBR 內(nèi)發(fā)泡流體流型識別方法研究了蒽

33、醌工作液體系的流型轉變行為。v蒽醌工作液為2-乙基蒽醌和四氫2-乙基蒽醌以一定比例溶于磷酸三辛酯和重芳烴形成的混合物系, 具有發(fā)泡特性。蒽醌氫化本征動力學對氫氣為一級, 且為氣相擴散控制過程, 因此研究蒽醌工作液在TBR 內(nèi)的流型轉變對過氧化氫生產(chǎn)過程中蒽醌氫化反應器的強化有重要意義。圖2-10 發(fā)泡流體流型圖小粒徑填充床的床層空隙率小小粒徑填充床的床層空隙率小, 自由體積小自由體積小, 粒間孔道直徑小粒間孔道直徑小, 在相同表觀液相流速下液相實際流速大在相同表觀液相流速下液相實際流速大。而流型轉變?nèi)Q于而流型轉變?nèi)Q于氣液兩相的真實速度氣液兩相的真實速度, 因此因此, 小粒徑填充床更易發(fā)生流

34、型轉變小粒徑填充床更易發(fā)生流型轉變. 但是但是, 顆粒粒徑過小顆粒粒徑過小, 床層床層空隙率就小空隙率就小, 床層阻力較床層阻力較大大, 在較高的液相流量下在較高的液相流量下很容易發(fā)生液泛很容易發(fā)生液泛。因此。因此, 對一定性質的物系和床層對一定性質的物系和床層, 為獲得更寬為獲得更寬的強相互作用的強相互作用流區(qū)流區(qū), 應在不產(chǎn)生液泛的應在不產(chǎn)生液泛的前提下盡可能選用較小粒前提下盡可能選用較小粒徑的填充顆粒徑的填充顆粒。vTBR 內(nèi)液體以液膜形態(tài)流過催化劑顆粒表面,氣體從液膜間孔道中穿出. 氣液流率較高時, 氣液、液固、氣固相間復雜的相互作用使液膜向徑向發(fā)展, 堵塞孔道. 當氣相流率相對較小時

35、, 部分氣體穿過橫向液膜產(chǎn)生泡沫流; 當氣相流率較大時,氣液相交替通過床層, 形成脈沖流. 因此, 氣液相間相互作用引發(fā)的液膜更新與徑向連續(xù)波動是產(chǎn)生泡沫脈沖流的根本原因。vCheng 和Yuan提出的流區(qū)轉變模型強調(diào)氣液相間作用對流型轉變的作用. 假定流型轉變前瞬間, 液膜在表面張力、重力以及氣液相間摩擦力的相互作用下處于穩(wěn)態(tài)。vCheng 和Yuan 給出如下方程：2222cgpplggplgldddrdgrvddf其中2gcdd dc 為粒子孔道直徑，動態(tài)持液量用Specchia 和Baldi經(jīng)驗式估算， 就是粒外動態(tài)液膜的厚度。1-141其中ggvuv給定某一液相表觀流速, 求解非線性

36、方程可得到流型轉變臨界點的氣相實際速度Vg,氣相表觀速度ug和Vg關系如下：v總持液量用Yang 等經(jīng)驗式計算。v采用Cheng 和Yuan 提出的理論模型預測了TBR 中蒽醌工作液發(fā)泡流體流型轉變的理論邊界, 計算結果表明預測邊界與實驗邊界結果基本吻合。2.2.3.6 滴流床反應器內(nèi)脈沖流宏觀流滴流床反應器內(nèi)脈沖流宏觀流體力學的特性參數(shù)體力學的特性參數(shù)v在石油化工工業(yè)的加氫處理中, 滴流床反應器常操作在接近脈沖流流型區(qū)域。脈沖流下氣液流速都比較高, 所以該操作方式適合催化劑活性高、反應速率快的反應，而且氣液流量大有利于強放熱反應的反應熱從反應器移出。流體力學參數(shù)如脈沖速度、脈沖頻率、持液量、氣液分布、壓力降等對于該類反應器的工業(yè)設計及操作具有很重要的意義。Blok 等以及Tsochatzidis 等通過電導法也對脈沖流宏觀特性進行過研究。332. 0057.