鼓泡塔反應(yīng)器綜述

1、鼓泡塔反應(yīng)器綜述摘要：本文在調(diào)研的基礎(chǔ)上，對化工生產(chǎn)中常用的鼓泡塔反應(yīng)器進(jìn)行綜合敘述。從鼓泡塔的基本概念、起源發(fā)展、結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)特性、傳質(zhì)和傳熱、簡化模型、設(shè)計(jì)及應(yīng)用等方面進(jìn)行綜述，以便于更好的利用和開發(fā)。Abstract: in this paper, on the basis of investigation, the chemical production in the bubble column reactor for a comprehensive description. Summarize on basic concept, the origin and development

2、 of bubbling tower, structure, hydrodynamics, mass transfer and heat transfer, a simplified model, design and application, to use and develop better.前言用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備稱為化學(xué)反應(yīng)器，簡稱反應(yīng)器?；どa(chǎn)中所用的反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行的是伴有傳質(zhì)、傳熱和物質(zhì)流動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)過程，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有時(shí)也稱為工業(yè)反應(yīng)器。按其結(jié)構(gòu)特征來分，可分為管式反應(yīng)器、釜式反應(yīng)器和塔式反應(yīng)器;按操作方法來分，可分為間歇、連續(xù)和半間歇反應(yīng)器;按物料相態(tài)來分，可分為均相反應(yīng)器和

3、非均相反應(yīng)器，均相反應(yīng)器又有氣相和液相兩類，非均相反應(yīng)器又分為氣液、氣固、液液、液固、氣液固等反應(yīng)器。按固體顆粒(固體顆?？梢允欠磻?yīng)物，也可以是催化劑)狀態(tài)來分，可分為固定床反應(yīng)器、移動(dòng)床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器等。另外，還有一些分類方法，如按反應(yīng)器內(nèi)溫度分布分類，可分為等溫和非等溫反應(yīng)器;按反應(yīng)器和外部之間換熱來分，可分為絕熱反應(yīng)器和非絕熱反應(yīng)器等?；瘜W(xué)反應(yīng)器是化工裝置的重要設(shè)備之一，其設(shè)計(jì)是否科學(xué)、合理，其運(yùn)行是否安全、可靠，直接關(guān)系到整套裝置的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。反應(yīng)設(shè)備雖然種類繁多,但對其要求是共同的主要有以下幾點(diǎn):技術(shù)指標(biāo)先進(jìn),即轉(zhuǎn)化效率高處理量大,能耗低;使用方便,操作穩(wěn)定,容易調(diào)節(jié),易

4、于清理和檢修;結(jié)構(gòu)簡單,節(jié)省材料,造價(jià)低廉,制造安裝方便。了解化學(xué)反應(yīng)器發(fā)展的現(xiàn)狀，進(jìn)一步研究和開發(fā)新型實(shí)用的化學(xué)反應(yīng)器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文就鼓泡塔反應(yīng)器的概念、起源與發(fā)展、結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)、應(yīng)用范圍等進(jìn)行綜述，以便于更好的利用和開發(fā)。1 鼓泡塔的概念鼓泡塔(Bubble Column Reactor)是在塔體下部裝上分布器，將氣體分散在液體中進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱的一種塔式反應(yīng)器。以其結(jié)構(gòu)簡單、無機(jī)械傳動(dòng)部件、易密封、傳熱效率高、操作穩(wěn)定、操作費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于加氫、脫硫、烴類氧化、烴類鹵化、費(fèi)-托合成、廢氣和廢水處理、煤的液化及菌種培養(yǎng)等工業(yè)過程。特點(diǎn)：氣相高度分散于液相中，具有大的液體

5、持有量和相際接觸面，傳質(zhì)和傳熱效率高，適用于緩慢化學(xué)反應(yīng)和高度放熱的情況；結(jié)構(gòu)簡單，操作穩(wěn)定，投資和維修費(fèi)用低缺點(diǎn)：液相有較大的返混，氣相有較大的壓降。2 鼓泡塔的發(fā)展20世紀(jì)70年代以后，有關(guān)鼓泡塔的研究日益活躍，除標(biāo)準(zhǔn)型鼓泡塔外，又開發(fā)了各種各樣的改型鼓泡塔（射流噴射型、氣液下流型、雙管式、多段式、填充式等）和懸濁鼓泡塔等。圖1是各種鼓泡塔的示意圖，從圖中可見，在鼓泡塔中，氣液兩相基本呈并流和逆流兩種。3 鼓泡塔的結(jié)構(gòu) 3.1簡單鼓泡塔的基本結(jié)構(gòu)圖2簡單鼓泡塔1-塔體；2-夾套；3-氣體分布器；4-塔體；5-擋板；6-塔外換熱器；7-液體捕集器；8-擴(kuò)大段主要由塔體和氣體分布器組成。塔體可

6、安裝夾套或其它型式換熱器或設(shè)有擴(kuò)大段、液滴捕集器等；塔內(nèi)液體層中可放置填料；塔內(nèi)可安置水平多孔隔板以提高氣體分散程度和減少液體返混。簡單鼓泡塔內(nèi)液相可近似視為理想混合流型，氣相可近似視為理想置換流型。最佳空塔氣速應(yīng)滿足兩個(gè)條件：（1）保證反應(yīng)過程的最佳選擇性；(2）保證反應(yīng)器體積最小。影響傳質(zhì)的因素：當(dāng)氣體空塔氣速低于0.05m/s時(shí)，氣體分布器的結(jié)構(gòu)就決定了氣體的分散狀況、氣泡的大小，進(jìn)而決定了氣含率和液相傳質(zhì)系數(shù)的大小。當(dāng)氣體空塔氣速大于0.1m/s時(shí)，氣體分布器的結(jié)構(gòu)無關(guān)緊要。此時(shí)的氣泡是靠氣流與液體間的沖擊和摩擦而形成，氣泡大小及其分布狀況主要取決于氣體空塔氣速。 3.2氣體升液式鼓泡

7、塔圖3 氣體升液式鼓泡塔1-筒體；2-氣升管；3-氣體分布器塔內(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。適用于高粘性物系。例如：生化工程的發(fā)酵、環(huán)境工程中活性污泥的處理、有機(jī)化工中催化加氫等特點(diǎn)：在這種鼓泡塔中氣流的攪動(dòng)比簡單鼓泡塔激烈得多。簡單鼓泡塔中氣體空塔速度不超過1m/s，氣體升液式鼓泡塔中氣升鼓泡管內(nèi)氣體空管速度可高達(dá)2m/s，換算至全塔截面的空塔氣速可達(dá)1m/s，其液體循環(huán)速度可達(dá)12m/s。3.3空心式圖4 空心式鼓泡塔最適用于緩慢化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)或伴有大量熱效應(yīng)的的反應(yīng)系統(tǒng)。熱效應(yīng)較大時(shí)，可在塔內(nèi)或塔外裝備熱交換單元。3.4多段式

8、鼓泡塔反應(yīng)器圖5 多段式鼓泡塔反應(yīng)器克服鼓泡反應(yīng)器中的液相返混現(xiàn)象，適用于高徑比較大的情況。4 鼓泡塔反應(yīng)器的操作狀態(tài)鼓泡塔內(nèi)流體的流動(dòng)情況比較復(fù)雜，氣體的鼓入方式多種多樣，氣速的大小有高有低，有的單獨(dú)鼓入，有的與液體一起鼓入或噴入。液體有流動(dòng)的（連續(xù)式），有不流動(dòng)的（半間歇式）。在連續(xù)操作的塔中，液體與氣體有逆流的，有并流的，氣液的流動(dòng)會(huì)相互影響。塔內(nèi)的內(nèi)部構(gòu)件導(dǎo)流管、障板、擋板、篩板、換熱器等，也會(huì)影響氣體和液體的流動(dòng)狀態(tài)及氣液兩相的接觸狀態(tài)，從而影響反應(yīng)器的傳遞特性和反應(yīng)結(jié)果。下面，僅就一般及典型的情況作出說明和描述，在實(shí)踐中指導(dǎo)分析和改進(jìn)鼓泡塔的操作，改善鼓泡塔的結(jié)構(gòu)和塔內(nèi)流型，提高反

9、應(yīng)器的收率和生產(chǎn)能力。氣體的空塔線速度不同會(huì)在鼓泡塔內(nèi)造成不同的流動(dòng)狀態(tài)。安靜鼓泡區(qū)：圖6 鼓泡塔流動(dòng)狀態(tài)分布區(qū)區(qū)域圖表觀氣速低于0.05m/s時(shí)，處于此區(qū)。所謂安靜區(qū)操作，即鼓泡塔中的氣體流量較小，氣泡大小比較均勻，規(guī)則地浮升，液體攪拌并不顯著。在安靜區(qū)操作，既能達(dá)到一定的氣體流量，又可避免氣體的軸向返混，很適用于動(dòng)力學(xué)控制的慢反應(yīng)。此時(shí)，氣泡呈分散狀態(tài)，氣泡大小均勻，行有秩序的鼓泡，目測液體攪動(dòng)微弱。湍流鼓泡區(qū)：表觀氣速大于0.08m/s時(shí)，處于此區(qū)。所謂湍動(dòng)區(qū)操作，在氣體流量較大時(shí)，氣泡運(yùn)動(dòng)呈不規(guī)則現(xiàn)象，液體作高度地湍動(dòng)，塔內(nèi)物料強(qiáng)烈混合，氣泡作用的機(jī)理比較復(fù)雜，這種情況稱為湍動(dòng)區(qū)。在湍

10、動(dòng)區(qū)氣泡大小不均勻，大氣泡上升速度快，小氣泡上升速度慢，停留時(shí)間不等，加之無定向攪動(dòng)，不僅呈極大的液相返混，也造成氣相返混。栓塞氣泡流動(dòng)區(qū)：小徑氣泡塔，高表觀氣速下出現(xiàn)此狀態(tài)。由于器壁限制了大氣泡直徑。實(shí)驗(yàn)觀察到，栓塞氣泡流發(fā)生在小直徑直至0.15m直徑的鼓泡反應(yīng)器中。在生產(chǎn)裝置中，簡單的鼓泡塔往往選擇在安靜區(qū)狀態(tài)下操作，而氣體升液式鼓泡塔往往在湍動(dòng)區(qū)操作。連續(xù)操作的鼓泡塔反應(yīng)器，當(dāng)其長徑比（塔高/塔徑）比較小，氣速又比較高時(shí)，液相的流動(dòng)狀態(tài)接近理想混合；長徑比比較大但液體停留時(shí)間長、循環(huán)速度快時(shí)亦可視為理想混合；當(dāng)長徑比比較大，氣速又較高時(shí)，氣體接近理想置換流型。氣液的激烈攪拌有利于氣液表面

11、的更新，有利于傳質(zhì)和傳熱的進(jìn)行，使反應(yīng)器內(nèi)溫度分布均勻，但返混的存在會(huì)影響轉(zhuǎn)化率并對一些反應(yīng)的選擇性有不利影響。例如環(huán)己烷氧化制環(huán)己酮、環(huán)己醇，丁烷氧化制甲乙酮，目的產(chǎn)物均為氧化的中間產(chǎn)物，極易進(jìn)一步氧化為酸，為提高反應(yīng)的選擇性，應(yīng)使液體的流動(dòng)接近活塞流，而且要在低轉(zhuǎn)化率下操作。為降低流動(dòng)的返混程度，可在鼓泡塔內(nèi)裝設(shè)水平多孔隔板或擋板，或者填裝填料，或者將鼓泡塔做出多級(jí)。5 鼓泡塔反應(yīng)器的流體力學(xué)特性鼓泡塔內(nèi)氣液尺寸的大小、氣泡的上升速度、床層的含氣率、相界面積等參數(shù)，反應(yīng)流體在塔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，對于分析、操作和計(jì)算鼓泡塔反應(yīng)器具有重要意義。 5.1氣泡直徑鼓泡塔內(nèi)的氣泡有兩種形成機(jī)制，當(dāng)氣速比

12、較低時(shí)，靠分布器的小孔分散成氣泡；當(dāng)氣速較高時(shí)，靠液體的湍動(dòng)使噴出的氣流破裂形成氣泡。氣泡的大小直接關(guān)系到氣液傳質(zhì)面積。在同樣的空塔氣速下，氣泡越小，說明分散越好，氣液相接觸面積就越大。在安靜區(qū)，因?yàn)闅馀萆仙俣嚷?，所以小孔氣速對其大小影響不大，主要與分布器孔徑及氣液特性有關(guān)。在湍動(dòng)區(qū)，氣泡是靠氣流與液體之間的噴射、沖擊和摩擦而形成。因此在這種鼓泡塔內(nèi)，氣泡的形狀、大小和運(yùn)動(dòng)是各式各樣的，是瞬息萬變的，是隨機(jī)的，形成大小不一的氣泡群。鼓泡反應(yīng)器的氣泡直徑可按Akita準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算：可用下式描述氣泡直徑沿徑向的變化：dB塔內(nèi)直徑d處的氣泡平均直徑5.2含氣率單位體積鼓泡床（充氣層）內(nèi)氣體所占的

13、體積分?jǐn)?shù)稱為含氣率。液體不流動(dòng)時(shí)的含氣率稱為靜態(tài)含氣率；液體連續(xù)流動(dòng)時(shí)的含氣率稱為動(dòng)態(tài)含氣率。氣含率的含義是氣液混合液中氣體所占的體積分率，可用下式表示：式中G氣含率；VG氣體體積，m3；VL液體體積，m3；VGL氣液混合物體積，m3。對圓柱形塔來說，由于橫截面一定，因此氣含率的大小意味著通氣前后塔內(nèi)充氣床層膨脹高度的大小。對于傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)來講，氣含率非常重要，因?yàn)闅夂逝c停留時(shí)間及氣液相界面積的大小有關(guān)。影響氣含率的因素主要有設(shè)備結(jié)構(gòu)、物性參數(shù)和操作條件等。一般氣體的性質(zhì)對氣含率影響不大，可以忽略。而液體的表面張力L、粘度L與密度L對氣含率都有影響。溶液里存在電解質(zhì)時(shí)會(huì)使氣液界面發(fā)生變化，

14、生成上升速度較小的氣泡，使氣含率比純水中的高15%20%?？账馑僭龃髸r(shí)，G也隨之增加，但OG達(dá)到一定值時(shí)，氣泡匯合，G反而下降。G隨塔徑D的增加而下降，但當(dāng)D0.15m時(shí)，D對G無影響。當(dāng)OG0.05m/s時(shí)，G與塔徑D無關(guān)。（因此實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)備的直徑一般應(yīng)大于0.15m，只有當(dāng)OG0.05m/s時(shí)，才可取小塔徑。含氣率是個(gè)重要參數(shù)，它反映的大小還影響到單位體積床層所具有的相界面積，以及氣液兩相在床層中的停留時(shí)間，從而影響傳質(zhì)過程和化學(xué)反應(yīng)結(jié)果。 對于塔徑大于15cm的鼓泡反應(yīng)器，氣含率關(guān)聯(lián)式為：上述的氣含率是反應(yīng)器內(nèi)的平均值，氣含率沿塔徑的分布，可采用下式： 對于塔徑小于15cm的鼓泡反應(yīng)

15、器，參考關(guān)聯(lián)圖7：圖7 氣含率關(guān)聯(lián)圖5.3氣液比相界面積氣液比相界面積是指單位氣液混合鼓泡床層體積內(nèi)所具有的氣泡表面積，的大小直接關(guān)系到傳質(zhì)速率，是重要的參數(shù)，值測定比較困難，人們常利用傳質(zhì)關(guān)系式NA=kLcA直接測定kL之值進(jìn)行使用。5.4鼓泡塔內(nèi)的氣體阻力P鼓泡塔內(nèi)的氣體阻力由兩部分組成：一是氣體分布器阻力，二是床層靜壓頭的阻力。5.5返混鼓泡塔內(nèi)液相存在返混，所以通常工業(yè)鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)液相視為理想混合。塔內(nèi)氣體的返混一般不太明顯，常假設(shè)為置換流，其計(jì)算誤差約為5%。但要求嚴(yán)格計(jì)算時(shí)，尤其是當(dāng)氣體的轉(zhuǎn)化率較高時(shí)，需考慮返混。6 鼓泡塔反應(yīng)器的傳質(zhì)、傳熱特性6.1鼓泡塔的傳質(zhì)鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的

16、傳質(zhì)過程中，一般氣膜傳質(zhì)阻力較小，可以忽略，而液膜傳質(zhì)阻力的大小決定了傳質(zhì)速率的快慢。當(dāng)鼓泡塔在安靜區(qū)操作時(shí)，影響液相傳質(zhì)系數(shù)的因素主要是氣泡大小、空塔氣速、液體性質(zhì)和擴(kuò)散系數(shù)等；而在湍動(dòng)區(qū)操作時(shí)，液體的擴(kuò)散系數(shù)、液體性質(zhì)、氣泡當(dāng)量比表面積以及氣體表面張力等，成為影響傳質(zhì)系數(shù)的主要因素。鼓泡塔的氣膜傳質(zhì)分系數(shù)可按如下關(guān)聯(lián)：液膜傳質(zhì)分系數(shù)可按下式關(guān)聯(lián)：氣-液傳質(zhì)比表面積可由氣含率和氣泡直徑按下式確定：氣-液界面的液相容積傳質(zhì)系數(shù)可按下式關(guān)聯(lián)：6.2鼓泡塔的傳熱鼓泡塔中的傳熱，通常以三種方式進(jìn)行：利用溶劑、液相反應(yīng)物或產(chǎn)物的汽化帶走熱量；采用液體循環(huán)外冷卻器移出反應(yīng)熱；采用夾套、蛇管或列管式冷卻器

17、。鼓泡床中由于氣泡的運(yùn)動(dòng)，床層中的液體劇烈擾動(dòng)。流體對換熱器壁的給熱系數(shù)比自然對流給熱系數(shù)大10余倍之多，通常它不成為熱交換中的主要阻力。鼓泡塔的總傳熱系數(shù)通常為 694915W/(m2K)。給熱系數(shù)可按下關(guān)系計(jì)算：當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，。7 鼓泡塔反應(yīng)器的簡化反應(yīng)模型氣相與液相均為全混流，符合攪拌鼓泡反應(yīng)器的情況，如果是連續(xù)操作，則濃度變化為：如果是半間歇操作，則：考慮氣相軸向彌散的計(jì)算方法：液相為全返混而氣相可用軸向彌散模型，對不可逆反應(yīng)，液相主體cAL=0，即Levenspiel將上式的解析解與活塞流進(jìn)行比較，得出了軸向彌散對反應(yīng)容積的定量影響，繪出了下圖8：圖8 鼓泡塔氣相混合對反應(yīng)器高度的影

18、響8 攪拌鼓泡反應(yīng)器適用于氣體與黏性液體或懸浮溶液的反應(yīng)系統(tǒng)，氣體的分散主要靠機(jī)械攪拌，反應(yīng)器操作可靠，放大容易，可以方便地半間歇式操作。但功率消耗較大，嚴(yán)重的氣液相返混，轉(zhuǎn)動(dòng)軸密封和穩(wěn)定性等問題。廣泛應(yīng)用于發(fā)酵、生物化學(xué)、制藥以及有機(jī)化合物的氧化、加氫、氯化等生產(chǎn)過程。另外，濕法冶金和廢水處理也常用這種反應(yīng)器。按氣體導(dǎo)入方式分三種（圖9）：圖9 攪拌反應(yīng)器類別示意圖強(qiáng)制分散：氣體由攪拌器下的各種靜態(tài)予分布裝置（如分氣環(huán)，多孔燒結(jié)板）導(dǎo)入。自吸分散：借攪拌槳旋轉(zhuǎn)形成的低的背壓，使氣體經(jīng)中空軸由液面上方吸入。表面充氣分散：借快速表面攪拌形成的旋渦，夾帶氣體而使液體表面充氣；并由處于下方的軸流型攪拌器使氣液混合均勻。攪拌器形式：盤式渦輪；斜式平板槳；螺旋槳。攪拌器作用：液體混合，氣體分散。圖10 三種攪拌器液體循環(huán)示意圖9 鼓泡反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性連續(xù)操作的鼓泡或攪拌鼓泡反應(yīng)器中，由于反應(yīng)器存在著嚴(yán)重的軸向返混，可出現(xiàn)多重定態(tài)。氣液反應(yīng)是多相反應(yīng)，它與單相反應(yīng)相比，熱穩(wěn)定性更為復(fù)雜，它是化學(xué)反應(yīng)速率、傳遞速率和溶解度的共