氣液固三相漿態(tài)床反應(yīng)器

漿態(tài)床反應(yīng)器

1精選ppt

漿態(tài)床反應(yīng)器的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程1997年1996年

1953年最早美國(guó)建立了日產(chǎn)260t三相床合成裝置Sasol公司實(shí)現(xiàn)費(fèi)托合成技術(shù)的工業(yè)化Rheinpreussen公司建成漿態(tài)床反應(yīng)器中試規(guī)模實(shí)驗(yàn)廠應(yīng)用于費(fèi)托合成固相運(yùn)動(dòng)的三相反應(yīng)器，可稱(chēng)為漿態(tài)反應(yīng)器圖1淤漿床鼓泡反應(yīng)器中的流型

2精選ppt漿態(tài)床反應(yīng)器主要內(nèi)容漿態(tài)床反應(yīng)器中的傳遞過(guò)程

漿態(tài)床反應(yīng)器中的流體力學(xué)

3精選ppt漿態(tài)床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)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(duì)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(huì)像固定床中那樣產(chǎn)生燒結(jié)4精選ppt漿態(tài)反應(yīng)器的缺點(diǎn)液相是熱載體時(shí)，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)。要求蒸氣壓低、熱穩(wěn)定性好，不易分解，并且其中對(duì)催化劑有毒的物質(zhì)含量合乎要求；如進(jìn)行氧化反應(yīng)時(shí)，耐氧化的惰性液相熱載體的篩選是一個(gè)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。

5精選ppt漿態(tài)床反應(yīng)器的流體力學(xué)流型固體完全懸浮的臨界氣速氣含率氣泡尺寸和分布6精選ppt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1淤漿床鼓泡反應(yīng)器中的流型

7精選ppt流型圖2鼓泡塔流動(dòng)狀態(tài)分布區(qū)區(qū)域圖對(duì)水—空氣系統(tǒng)，氣液鼓泡反應(yīng)器的流動(dòng)狀態(tài)與區(qū)域8精選ppt流型(1)安靜鼓泡區(qū)，又稱(chēng)為氣泡分散區(qū)(dispersedbubbleregime)(2)湍流鼓泡區(qū)，又稱(chēng)為氣泡聚并區(qū)(coalescedbubbleregime)(3)栓塞區(qū)(sluggingregime)，又稱(chēng)節(jié)涌區(qū)。根據(jù)氣泡流動(dòng)的行為，可以劃分出三種流動(dòng)型態(tài)：9精選ppt流型

當(dāng)淤漿的性能可作為擬液體時(shí)，如顆粒直徑≤50μm，且固含率不超過(guò)16％，氣—液兩相流動(dòng)的流動(dòng)狀態(tài)分區(qū)圖可適用于氣—液—固三相鼓泡淤漿反應(yīng)器。上述流型間的過(guò)渡條件與液體特性、氣體分布器的設(shè)計(jì)、顆粒特性及床層尺寸等因素有關(guān)。對(duì)于高粘度的流體在很低的表觀氣速下可形成栓塞流。氣體分布器如采用微孔平均直徑低于150μm的素?zé)沾砂?，?dāng)表觀氣速達(dá)0.05～0.08m／s時(shí)，仍為氣泡分散區(qū)。當(dāng)多孔板孔徑超過(guò)lmm時(shí)，氣泡分散區(qū)僅存在于很低的表觀氣速。所以，鼓泡淤漿床反應(yīng)器能否使用圖2流動(dòng)狀態(tài)分區(qū)圖需視淤漿及分布器等具體情況而定。10精選ppt固體完全懸浮的臨界氣速對(duì)于鼓泡淤漿床反應(yīng)器，固體完全懸浮時(shí)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(guò)固體完全懸浮時(shí)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(lèi)型及開(kāi)孔率，有無(wú)導(dǎo)流筒等因素有關(guān)。11精選ppt固體完全懸浮的臨界氣速圖4鼓泡淤漿床臨界氣速關(guān)系式

圖3是Kojima歸納的眾多研究者關(guān)于淤漿鼓泡床臨界氣速的關(guān)聯(lián)式是無(wú)氣泡兩相淤漿中固體完全懸浮時(shí)的臨界固體質(zhì)量濃度，slurry

是無(wú)氣泡時(shí)的液-固兩相淤漿密度，slurry。

12精選ppt固體完全懸浮的臨界氣速實(shí)驗(yàn)表明：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。床層的錐形底比平底可降低值。Koide將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸，得到按空床截面積計(jì)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：13精選ppt固體完全懸浮的臨界氣速圖5顆粒濃度對(duì)固體完全懸浮的臨界氣速

的影響由圖可見(jiàn)，以空氣為介質(zhì)時(shí)值的大致范圍。導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)具有影響，如果固體顆粒的粒度范圍寬，則

值有所增加。14精選ppt氣含率三相鼓泡淤漿反應(yīng)器的氣含率或氣相分率,反映占主導(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。在安靜鼓泡區(qū)，徑向氣含率的分布趨于平坦。在湍流鼓泡區(qū)，氣含率在床層中心區(qū)出現(xiàn)最大值，沿徑向逐漸降低。一般，表觀氣速增大，氣含率增大。對(duì)于大顆粒固體，dP≥lOOμm時(shí)，隨淤漿中固含率增大而減?。粚?duì)于小顆粒固體，增大時(shí)，的變化不明顯；液體的粘度和表面張力增加，減小。15精選ppt氣含率圖6氣液鼓泡淤漿床氣含率關(guān)聯(lián)式的比較Fan的專(zhuān)著整理了眾多氣—液兩相鼓泡床氣含率的關(guān)聯(lián)式

Hughmark對(duì)于空氣—水系統(tǒng)，氣液兩相鼓泡床氣含率的關(guān)聯(lián)式：16精選ppt氣含率Koide等:在鼓泡淤漿床中，過(guò)渡區(qū)域內(nèi)，分布器的設(shè)計(jì)對(duì)氣含率和發(fā)生過(guò)渡流型的起始條件有影響。Smith及Ruether：在內(nèi)徑0.108m，高1.94m，用單噴嘴分布器的鼓泡反應(yīng)器中進(jìn)行了不含固體的氣—液兩相鼓泡床及含固體的三相床氣含率的研究，實(shí)驗(yàn)表明，用不含氣相的淤漿密度代替氣—液鼓泡床液體密度時(shí)，Hughmark的氣含率關(guān)聯(lián)式可用于三相淤漿床。以空氣為介質(zhì)，常溫常壓，對(duì)于水及甘油和乙二醇的水溶液，＝0.227；

對(duì)于無(wú)機(jī)電解質(zhì)的水溶液，＝0.364。為單位體積淤漿中的固體質(zhì)量，kg／m3。為氣—液鼓泡塔的氣含率。17精選ppt氣含率圖7固體顆粒濃度及塔徑對(duì)氣含率的影響

18精選ppt氣泡尺寸與分布?xì)馀莩叽缂胺植?，可用攝像技術(shù)，或探頭技術(shù)測(cè)量，在兩相氣—液鼓泡床或三相鼓泡淤漿床體系中，氣泡在分布器的小孔或噴嘴處形成。當(dāng)氣泡上升時(shí)，它們可能因合并而增大，或因液相中的湍流剪切力而分裂成更小的氣泡。在給定的條件下氣泡在小孔或噴嘴處形成的尺寸大致是均一的。氣泡的平均尺寸通常采用Sauter平均值(或稱(chēng)體積—表面積平均值)，對(duì)于一組實(shí)測(cè)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

19精選ppt氣泡尺寸與分布圖8表達(dá)了對(duì)的影響與流型區(qū)域有關(guān)，在安靜鼓泡區(qū)氣泡平均尺寸小(<6mm)并隨氣速增加而略有增大；在湍流鼓泡區(qū)，氣泡平均尺寸大(>10mm)并隨氣速增加而迅速增加。圖8氣—液鼓泡床中對(duì)的影響20精選ppt氣泡尺寸與分布圖9中，采用=0.16mm玻璃球，=0.05～10cm/s，=0.1～0.7cm/s，氣體為空氣,液體為水及含5％、16％、20％及50％(容積)甘油的水溶液。在常壓及20℃時(shí)進(jìn)行。圖9三相淤漿床的圖

21精選ppt氣泡尺寸與分布Fukuma等提出可按下式計(jì)算實(shí)驗(yàn)范圍為=0.8～10cm/s，＝1～6.6mPa·s，=0～0.45。

氣-液相界面積α可由氣-液鼓泡床或三相床的平均氣含率及Sauter平均直徑求出，即氣-液相界面積可由前面所討論的物理方法測(cè)定氣泡尺寸分布而求得，也可用化學(xué)方法，即已知?jiǎng)恿W(xué)的氣-液反應(yīng)，如亞硫酸鹽氧化來(lái)確定。22精選ppt氣泡尺寸與分布

從圖10可以看出，α明顯地受到操作系統(tǒng)的影響，例如，當(dāng)約為3cm/s時(shí)，F(xiàn)ukuma等所得α約為10，而Decker等在費(fèi)-托合成的液體石蠟-A12O3淤漿中得到的α值約為1500。圖10不同鼓泡淤漿床中α與的關(guān)系圖

當(dāng)壓力增加時(shí)，即相當(dāng)于氣體密度增加，氣泡的尺寸變小且分布變窄，增加了氣-液相界面積，從而增加了單位床層容積的氣-液傳質(zhì)。23精選ppt漿態(tài)床反應(yīng)器中的傳遞過(guò)程

在氣-液-固三相反應(yīng)的宏觀反應(yīng)過(guò)程含氣-液間傳質(zhì)及液-固間傳質(zhì)過(guò)程。氣相傳質(zhì)系數(shù)是和液相傳質(zhì)系數(shù)，淤漿中氣-液傳質(zhì)面積即三相床中氣泡面積α，都與三相體系的性質(zhì)、流體流動(dòng)狀況、壓力和溫度等因素有關(guān)。在三相鼓泡淤漿床反應(yīng)器中，大多數(shù)反應(yīng)氣體組分在液相介質(zhì)或淤漿中的溶解度很小，氣相容積傳質(zhì)系數(shù)常?？梢院雎?，而液相容積傳質(zhì)系數(shù)是本章討論的主要內(nèi)容。對(duì)于液固傳質(zhì)過(guò)程，若不計(jì)入過(guò)程中固相顆粒的磨損，單位淤漿容積中固相的體積和外表面積是固定的，一般只討論液-固傳質(zhì)系數(shù)是。24精選ppt氣—液界面的氣相容積傳質(zhì)系數(shù)

對(duì)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(duì)電解質(zhì)淤漿測(cè)定的經(jīng)驗(yàn)方程：是氣相容積傳質(zhì)系數(shù)，mol/[MPa·m3(不含氣相的淤漿體積)·S]是表觀氣速，m/s

25精選ppt氣—液界面的液相傳質(zhì)(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(duì)于氣—液界面的液相傳質(zhì)，可分為：氣—液界面的液相傳質(zhì)系數(shù)Calderbank和Moo—Young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(shí)，A=0.31當(dāng)氣泡平均直徑>2.5mm時(shí)，A＝0.42DL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)

26精選ppt氣—液界面的液相傳質(zhì)系數(shù)

Deckwer等在研究費(fèi)—托合成過(guò)程中的流體力學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)器模擬時(shí)，使用上式計(jì)算，并提出連續(xù)相應(yīng)為液—固兩相淤漿，此時(shí)淤漿密度(g/cm3)為:

式中：分別為不含氣相的液—固兩相淤漿中固體及液體的容積分率，或不含氣相的固含率及氣含率。對(duì)于的低濃度懸浮固體淤漿的粘度對(duì)于高濃度的細(xì)顆粒的懸浮固體，可采用Thomas對(duì)于牛頓型流體的關(guān)聯(lián)式，即上式適用于0.099≤dp≤435，≤0.60的情況27精選ppt氣—液界面的液相容積傳質(zhì)系數(shù)Koide等在直徑DR為lO～20cm的淤漿床鼓泡反應(yīng)器中，研究湍流鼓泡區(qū)氣含率，也研究了，實(shí)驗(yàn)在常溫及常壓下進(jìn)行，氣體介質(zhì)為空氣，用溶氧法測(cè)定。溶氧在液體介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)DL×l09為0.14～2.4m2／s。研究所得湍流鼓泡區(qū)的關(guān)聯(lián)式如下：式中：為單顆粒在靜止液體介質(zhì)中的終端速度，m/s對(duì)于細(xì)顆粒催化劑，處于Rep<2的斯托克斯區(qū)28精選ppt氣—液界面的液相容積傳質(zhì)系數(shù)在常溫、常壓下進(jìn)行，液體介質(zhì)為水，靜止床層高度H0為1.2m，用溶氧儀測(cè)試

值隨氣速增加而增大，隨固含率增加而降低，可整理成下列關(guān)聯(lián)式

為淤漿的動(dòng)力粘度，m2/s為徑向動(dòng)量傳遞系數(shù)，m2/s對(duì)于3孔的燒結(jié)分布板，C=0.231×10-4，n1=0.305，n2=－0.0746,n3=－0.0127；對(duì)于1mm孔的多孔分布板，C=0.197×10-4，n1=0.385，n2=－0.0712，n3=－0.0114。29精選ppt氣—液界面的液相容積傳質(zhì)系數(shù)為液固兩相淤漿中顆粒的平均密度，kg/m3CS0為分布板上顆粒的平均密度，kg/m3Bo—(Bodenstein)準(zhǔn)數(shù)uts—液固兩相淤漿床中顆粒在顆粒群中的平均終端速度，m/s，又稱(chēng)受阻終端速度，可按下式計(jì)算Esz—

顆粒軸向彌散系數(shù)，m2/sL0—

靜止床高度，m30精選ppt液固傳質(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(shù)脂在酸性或堿性溶液中的離子交換來(lái)測(cè)定，一般可寫(xiě)成下列形式式中:(按顆粒直徑dp計(jì)算的Sherwood準(zhǔn)數(shù))=ReP(按顆粒直徑dp并計(jì)入單位質(zhì)量流體的能量耗散速率的Reynolds準(zhǔn)數(shù))，式中為液體的動(dòng)力粘度，m2/s。對(duì)于三相鼓泡淤漿床反應(yīng)器，

可用下式表達(dá)

的單位是cm/s；重力加速度g的單位是cm/s231精選ppt液固傳質(zhì)

Sanger及Deckwer研究了三相床的，實(shí)驗(yàn)所用液體粘度為1～55mPa·s，固含率1.5％(質(zhì)量)。表觀氣速0.05cm/s<<10cm/s，獲得如下計(jì)算的關(guān)聯(lián)式:

當(dāng)ReS≥1時(shí)，Sh=2+2.857

當(dāng)ReS≤1時(shí)，Sh=2+33.76

實(shí)驗(yàn)中10-2<ReS<106，137<Sc<5050032精選ppt液固傳質(zhì)Fan的專(zhuān)著:淤漿鼓泡反應(yīng)器中固體顆粒完全懸浮狀態(tài)下計(jì)算ks值的關(guān)聯(lián)式的比較對(duì)于50≤dP≤1000的細(xì)顆粒，當(dāng)為0.3～1.5g/cm3時(shí)，值大致為0.Olcm/s。圖11淤漿鼓泡反應(yīng)器中固體顆粒完全懸浮狀態(tài)下計(jì)算ks值的關(guān)聯(lián)式的比較33精選ppt浸沒(méi)表面