第六章非均相反應(yīng)器(下)

第六章非均相反應(yīng)器(下）

化學(xué)反應(yīng)工程

6.2.3流化床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)實(shí)際流化床的△p-u關(guān)系較為復(fù)雜，圖6-15就是某一實(shí)際流化床的△p-u關(guān)系。0.010.020.030.050.10.20.3氣速u/(m/s)圖6-15實(shí)際流化床的△p-u關(guān)系6.2.3流化床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)6.2.3.4流化速度⑴.臨界流化速度對(duì)于小顆粒：(6-27)對(duì)于大顆粒：(6-28)6.2.3流化床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)⑵.帶出速度流化床的粒子帶出速度可以由粒子流化時(shí)在空間的受力平衡來計(jì)算，流體在流化床中受到的摩擦力可以寫為

當(dāng)摩擦力等于或大于固體顆粒受到的重力時(shí)，顆粒被氣體帶走。因此

(6-29)6.2.3流化床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)根據(jù)上式可計(jì)算出不同粒徑顆粒的帶出速度。但在求解時(shí)，式中的是流體雷諾數(shù)的函數(shù)，而雷諾數(shù)又是流體速度的函數(shù)，有

<0．4時(shí)為層流，0．4<<500時(shí)為過渡流，500<<時(shí)為湍流，6.2.3流化床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)代入上面摩擦系數(shù)，求解式(6-30)可以得到不同流動(dòng)速率條件下的顆粒流化速度，即為反應(yīng)床層的最大流化速度即粒子的帶出速度(6-30)(6-31)(6-32)6.2.3流化床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)例6-3苯酐生產(chǎn)中所用的催化劑，其粒度分布如下固體密度=900，以空氣做氧化劑并使催化劑流化，操作條件下空氣密度=1.O，黏度為，計(jì)算臨界流化速度及帶出速度。6.2.3流化床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)解先計(jì)算催化劑的平均粒徑。各篩分組粒子的粒徑用幾何平均值代替，即同理可得6.2.3流化床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)混合粒度催化劑的平均粒徑為由于未知，故由式(6-2-6)估算臨界流化速度，即驗(yàn)算6.2.3流化床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)說明所選用的公式是恰當(dāng)?shù)?。?jì)算混合顆粒流化床的帶出速度應(yīng)按最小顆粒粒徑，即=50進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)用式(6-2-6)計(jì)算粒子帶出速度，則驗(yàn)算所用公式恰當(dāng)。6.2.3流化床反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)6.2.3.5流化床中常見的異?，F(xiàn)象及處理方法⑴.溝流⑵.大氣泡⑶.騰涌圖6-16不正常流化狀態(tài)6.2.4流化床反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱6.2.4.1流化床反應(yīng)器中的傳質(zhì)1．顆粒與流體間的傳質(zhì)2．氣泡與乳化相問的傳質(zhì)6.2.4流化床反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱6.2.4.2流化床反應(yīng)器內(nèi)的傳熱1.流化床反應(yīng)器的傳熱過程分析（1）固體顆粒與固體顆粒之間的傳熱（2）氣體與固體顆粒之間的給熱（3）床層與反應(yīng)器器壁和內(nèi)換熱器壁之間的給熱6.2.4流化床反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱2.床層與器壁之間的給熱(a)單管式(b)套管式(c)鼠籠式6.2.4流化床反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱(d)直列管束(e)橫列管束式6.2.4流化床反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱(f)U形管式(g)蛇管式圖6-17流化床常用的內(nèi)部換熱器6.2.4流化床反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱（1）流化床內(nèi)換熱器的結(jié)構(gòu)型式（2）床層對(duì)壁給熱系數(shù)影響因素分析①操作速度的影響②顆粒直徑的影響③擋板、擋網(wǎng)的影響④換熱器位置對(duì)給熱系數(shù)的影響⑤顆粒與氣體的物理性質(zhì)對(duì)給熱系數(shù)的影響6.2.4流化床反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱圖6-18擋網(wǎng)對(duì)給熱系數(shù)的影響圖6-19豎管離中心位置的校正系數(shù)6.2.5流化床反應(yīng)器的構(gòu)件6.2.5.1氣體分布板與預(yù)分布器1.分布板的型式和結(jié)構(gòu)(1)直流式分布板(b)凹形分布板(c)直孔泡帽分布板圖6-20直流式分布板(a)直孔式分布板

6.2.5流化床反應(yīng)器的構(gòu)件(2)填充式分布板圖6-21填充式分布板6.2.5流化床反應(yīng)器的構(gòu)件(3)側(cè)流式分布板(a)側(cè)縫式錐帽分布板(b)側(cè)孔式錐帽分布板圖6-22側(cè)流式分布板6.2.5流化床反應(yīng)器的構(gòu)件（4）短管式分布板圖6-23短管式分布板6.2.5流化床反應(yīng)器的構(gòu)件（5）無(wú)分布板的旋流式噴嘴（6）密孔型分布板圖6-24無(wú)分布板的旋流式噴嘴6.2.5流化床反應(yīng)器的構(gòu)件2．氣體預(yù)分布器分布板的下部，通常由一個(gè)倒錐形的氣室，進(jìn)氣管自側(cè)向進(jìn)入氣室，在氣室內(nèi)氣體流股進(jìn)行粗略的重整后進(jìn)入分布板。圖6-25常用的氣體預(yù)分布器示意圖6.2.5流化床反應(yīng)器的構(gòu)件6.2.5.2內(nèi)部構(gòu)件1.水平構(gòu)件①擋網(wǎng)②單旋擋板

③多旋擋板圖6-26擋網(wǎng)圖6-27單旋導(dǎo)向?qū)О?.2.5流化床反應(yīng)器的構(gòu)件圖6-28多旋導(dǎo)向擋板6.2.5流化床反應(yīng)器的構(gòu)件2.垂直構(gòu)件3.復(fù)合構(gòu)件圖6-29垂直構(gòu)件示意圖6.2.5流化床反應(yīng)器的構(gòu)件6.2.5.3氣固分離裝置1.內(nèi)過濾器2.內(nèi)旋風(fēng)分離器圖6-30內(nèi)過濾器圖6-31旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖6.2.6流化床反應(yīng)器的工藝計(jì)算1.流化床反應(yīng)器直徑的確定當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模確定后，通過物料衡算得出通過床層的總氣量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))Q(m3／h)。

(6-33)

(6-34)6.2.6流化床反應(yīng)器的工藝計(jì)算2.流化床高度的確定(1)流化床層高度Lf的計(jì)算①臨界流化床高Lmf的計(jì)算催化劑用量為WS=靜床高度:

(6-35)6.2.6流化床反應(yīng)器的工藝計(jì)算②流化床層高度Lf的計(jì)算R=Lf／Lmf=(1-εmf)/(1-εm)=ρmf/ρm。

Lf=RLmf(6-36)床層膨脹比也可由下列經(jīng)驗(yàn)式直接求取對(duì)于安裝了水平擋板或擋網(wǎng)的流化床R=0.517/(1-0.76u00.192)(6-37)對(duì)于安裝了垂直管束的流化床R=0.517/(1-0.67u00.114)(6-38)6.2.6流化床反應(yīng)器的工藝計(jì)算(2)分離高度和擴(kuò)大段高度的計(jì)算(3)錐底高度一般錐底角取60°或90°，H=D/(2tgθ/2)(6-39)6.3氣液相反應(yīng)器12汽液相反應(yīng)器的特點(diǎn)與應(yīng)用氣液相反應(yīng)器基本類型與結(jié)構(gòu)3鼓泡塔反應(yīng)器的工藝計(jì)算6.3.1汽液相反應(yīng)器的特點(diǎn)與應(yīng)用氣體在液體中吸收并反應(yīng)是化學(xué)工業(yè)的一個(gè)重要過程，其用途主要有兩個(gè)方面，一是用于氣體的凈化和分離（氣體的化學(xué)吸收），二是用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品。第一方面的例子有用堿性溶液脫除氣體中的酸性氣體H2S、CO2等；第二方面的例子有用水吸收氮的氧化物制硝酸，用氨水吸收CO2制取碳酸氫銨，乙烯氧化制乙醛，乙醛氧化制乙酸，苯烷基化制乙苯、異丙苯，甲醇羰基化制乙酸，乙烯液相加氯制1，2-二氯乙烷等。6.3.2氣液相反應(yīng)器基本類型與結(jié)構(gòu)6.3.2.1氣液相反應(yīng)器的基本類型與特點(diǎn)圖6-32氣液相反應(yīng)器的主要類型示意圖6.3.2氣液相反應(yīng)器基本類型與結(jié)構(gòu)1.噴霧塔反應(yīng)器2.填料塔反應(yīng)器3.膜式反應(yīng)器4.板式塔5.攪拌釜式反應(yīng)器6.鼓泡塔反應(yīng)器7.高速湍動(dòng)反應(yīng)器6.3.2氣液相反應(yīng)器基本類型與結(jié)構(gòu)表6-2幾種氣液反應(yīng)器的性能指標(biāo)型式相界面積液相體積m2/m3相界面積反應(yīng)器體積m2/m3液相體積分率液相體積液膜體積汽液比mol噴霧塔填料塔板式塔鼓泡攪拌釜鼓泡塔~12001200100020020~6010015020020~0.050.080.150.900.982~1010~10040~100150~8004000~100001911.55.670.110.02046.3.2氣液相反應(yīng)器基本類型與結(jié)構(gòu)6.3.2.2氣液相反應(yīng)器的選型(1)具備較高的生產(chǎn)能力(2)有利于反應(yīng)選擇性的提高(3)有利于降低能量消耗反應(yīng)器的選型應(yīng)考慮能量綜合利用并盡可能降低能耗。(4)有利于反應(yīng)溫度的控制(5)能在較少液體流率下操作6.3.3鼓泡塔反應(yīng)器的工藝計(jì)算圖6-33簡(jiǎn)單鼓泡塔

1一塔體；2--夾套；3--氣體分布器；4一擋板；

5一塔體；6--塔外換熱器，7--液體捕集器；8一擴(kuò)大段；6.3.3鼓泡塔反應(yīng)器的工藝計(jì)算高黏性物系常采用氣體升液式鼓泡塔，如圖6-34所示。此種反應(yīng)器在塔內(nèi)裝有氣升管，引起液體形成有規(guī)則的循環(huán)流動(dòng)，可以強(qiáng)化反應(yīng)器傳質(zhì)效果，并有利于固體催化劑的懸浮?！后w圖6-34氣體升液式鼓泡塔

1一簡(jiǎn)體；2一氣升管；3一氣體分布器6.3.3鼓泡塔反應(yīng)器的工藝計(jì)算

6.3.3.1鼓泡塔的傳遞特性1．鼓泡塔的流體力學(xué)特性(1)流動(dòng)狀態(tài)和氣泡特性(2)氣泡大小

(6-40)

（6-41）

(6-42)6.3.3鼓泡塔反應(yīng)器的工藝計(jì)算(3)含氣率（6-43）含氣率可以測(cè)量靜液層高度和通氣時(shí)床層高度算出，即(6-44)關(guān)于含氣率的關(guān)聯(lián)式，目前普遍認(rèn)為比較完善的是Hirita于1980年提出的經(jīng)驗(yàn)公式，即（6-45）6.3.3鼓泡塔反應(yīng)器的工藝計(jì)算(4)比相界面積是指單位有效反應(yīng)體積(氣液混合物)所具有的相界面積叫比相界面積，可以通過氣泡平均直徑和含氣率計(jì)算出，即

(6-46)a的大小直接關(guān)系到傳質(zhì)速率，是重要的參數(shù)，其值可以通過一定條件下的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，如公式

(6-47)6.3.3鼓泡塔反應(yīng)器的工藝計(jì)算

(5)鼓泡塔的氣體壓降

鼓泡塔中氣體的阻力有兩部分組成，一部分為噴孔的阻力，另一部分為氣液混合床的靜壓力。氣體壓降可由下列公式計(jì)算

(6-48)6.3.3鼓泡塔反應(yīng)器的工藝計(jì)算2．鼓泡塔的傳質(zhì)3．鼓泡塔的傳熱鼓泡塔內(nèi)充氣液層與器壁間的給熱系數(shù)可以用下面的公式計(jì)算，當(dāng)時(shí)

（6-49）6.3.3鼓泡塔反應(yīng)器的工藝計(jì)算6.3.3.2鼓泡塔反應(yīng)器的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算

(1)反應(yīng)器直徑的確定(6-50)(2)反應(yīng)器體積的確定①充氣液層高度或體積對(duì)于半連續(xù)操作塔(氣體連續(xù)、液體間歇)6.3.3鼓泡塔反應(yīng)器的工藝計(jì)算對(duì)于連續(xù)操作的鼓泡塔氣液層所含氣體的體積為6.3.3鼓泡塔反應(yīng)器的工藝計(jì)算②分離空間的體積分離空間的體積為

(6-51)分離高度可用式(6-51)計(jì)算。

(6-52)③頂蓋體積（6-53）6.4其他非均相反應(yīng)器簡(jiǎn)介12氣液固三相反應(yīng)器生化反應(yīng)器3電化學(xué)反應(yīng)器4聚合反應(yīng)器6.4.1氣液固三相反應(yīng)器在非均相反應(yīng)中，同時(shí)存在氣相、液相、固相三種不同相態(tài)的反應(yīng)過程，稱為氣液固三相反應(yīng)。氣-液-固三相反應(yīng)是反應(yīng)工程中的一個(gè)新興領(lǐng)域，具有巨大的現(xiàn)實(shí)及潛在的應(yīng)用價(jià)值。6.4.1氣液固三相反應(yīng)器6.4.1.1氣液固三相反應(yīng)器的類型

1．固定床氣液固三相反應(yīng)器

2．懸浮床氣液固三相反應(yīng)器6.4.1氣液固三相反應(yīng)器6.4.1.2滴流床三相反應(yīng)器⑴氣-液穩(wěn)定流動(dòng)滴流區(qū)⑵過渡流動(dòng)區(qū)⑶脈沖流動(dòng)區(qū)⑷分散鼓泡區(qū)6.4.1氣液固三相反應(yīng)器6.4.1.3鼓泡(淤漿床)反應(yīng)器上述的滴流床反應(yīng)器是固體處于固定床的三相反應(yīng)器，而固體處于懸浮床的三相反應(yīng)器，根據(jù)使固體懸浮的作用力不同，又可分為四個(gè)類型，即機(jī)械攪拌釜、環(huán)流反應(yīng)器、鼓泡塔和三相流化床反應(yīng)器。6.4.2生化反應(yīng)器生化反應(yīng)器一般應(yīng)滿足：①能在不同規(guī)模要求上為細(xì)胞增殖、酶的催化反應(yīng)和產(chǎn)物形成提供良好的環(huán)境條件，即易消毒，能防止雜菌污染，不損傷酶、細(xì)胞或固定化生物催化劑的固有特性，易于改變操作條件，使之能在最適合條件下進(jìn)行各種生化反應(yīng)；6.4.2生化反應(yīng)器②能在盡量減少單位體積所需功率輸入的情況下，提供較好的混合條件，并能增大傳熱和傳質(zhì)速率；③操作彈性大，能適應(yīng)生化反應(yīng)的不同階段或不同類型產(chǎn)品生產(chǎn)的需要。6.4.3電化學(xué)反應(yīng)器